Drucksensor-basierter Zoll-Wasserdruckschalter der TR-Serie

In vielen Situationen ist es erforderlich, den Füllstand einer Flüssigkeit in einem Tank oder den Druck in einem Luftkanal zu kennen. In beiden Fällen handelt es sich um einen relativ niedrigen Druck und die Messung kann schwierig sein. Dies kann auf verschiedene Weise erreicht werden. Am einfachsten ist ein Schauglas oder Schauglas, wie unten gezeigt. Dies funktioniert unter der Prämisse, dass die Flüssigkeit im Tank die Flüssigkeit im Sichtrohr auf das gleiche Niveau wie im Tank drücken wird, oder dass der gemessene Luftdruck den Flüssigkeitsstand gleich dem angelegten Druck anhebt. Ein Monometer ist ein häufig verwendetes Gerät zum Messen von niedrigem Luftdruck/Vakuum. Dies ist besonders nützlich bei einem Tank, der nicht transparent oder zumindest durchscheinend ist. Bei einem Luftkanal ist nichts sichtbar, daher ist eine externe Vorrichtung erforderlich. Obwohl dies ein einfacher Ansatz ist, ist er nicht besonders praktisch, da er sich am Tank oder in der Nähe des zu messenden Kanals befinden muss. Dies ist nicht sinnvoll, wenn eine Fernüberwachung erforderlich ist, und noch weniger nützlich, wenn irgendeine Art von Feedback gewünscht wird, da es vollständig manuell ist.

Wenn eine Fernüberwachung des Füllstands erforderlich ist, gibt es mehrere weitere Möglichkeiten. Ein übliches Beispiel ist ein Widerstandssensor (Potentiometer) vom Schwimmertyp, wie er typischerweise in einer Kraftstofftank-Füllstands-Sendeeinheit von Kraftfahrzeugen zu finden ist. Diese Sensoren funktionieren gut, haben aber einige Nachteile.

• Befindet sich im Tank
• Verdrängen Sie etwas Volumen im Tank
• Bewegliche Teile

Tank mit Schwimmer-Niveausensor

Abhängig von den zu messenden Medien und der Auslegung der Komponenten kann dieser Sensortyp medienbedingten Fehlfunktionen zum Opfer fallen. Ein häufiges Problem ist, dass der Schwimmer das Medium absorbiert, in das er eingetaucht ist, was zu einer künstlich niedrigen Füllstandsanzeige führen würde, da der Schwimmer etwas Auftrieb verliert.

Um einen zuverlässigen Füllstandssensor bereitzustellen, ist einer ohne bewegliche Teile sehr wünschenswert. Um dies zu erreichen, könnte ein Sensor wie die TR-Serie von Merit Sensor Systems verwendet werden. Der Drucksensor der TR-Serie ist ein piezoresistives MEMS-Drucksensorelement, das mit einem ASIC auf einem Keramiksubstrat gepaart ist. Der Sensor ist in vielen Druckbereichen, Über- oder Absolutdruckmessung sowie kundenspezifischer Kalibrierung und Ausgabe erhältlich.

Um eine möglichst genaue Füllstandsmessung zu realisieren, sollte ein Messteil verwendet werden. Dies wird bevorzugt, da der auf das Fluid im Tank wirkende Atmosphärendruck auch auf die Referenzseite des MEMS-Drucksensors wirkt, was die genauesten Messwerte liefert, selbst wenn sich der Atmosphärendruck ändert. Bei einer Differenzluftdruckmessung kann der Bezug atmosphärisch oder ein anderer Raum sein. Einige Beispiele hierfür sind:

• Messung des statischen Drucks im Gebäudekanal (atmosphärisch bis druckbeaufschlagt (typischerweise Zoll Wasser))
• Aufbau eines hohen statischen Kanaldrucks (ähnlich dem normalen statischen Kanaldruck, aber normalerweise mit der Lüftersteuerung verdrahtet, um die Lüfter auszuschalten, wenn der Druck ein sicheres Niveau für das Gebäude und das Luftversorgungssystem überschreitet (normalerweise Zoll Wasser))
• Status des Gebäudeluftfilters (Differenzdruck über den Filter – größere Differenz, wenn Filter verstopft sind (typischerweise Zoll Wasser))
• Raum-zu-Raum-Druck aufbauen (Differenzdruck zwischen zwei Räumen, um sicherzustellen, dass der Luftstrom in die richtige Richtung geht – üblich in Reinräumen (typischerweise zehntel Zoll Wasser))

Das Messen von Füllständen für Medien wie Wasser oder Luft ist schwierig, da ein Zoll Wasser, gemessen bei 39 °F, nur ≈ 0.0360911906567 PSI beträgt. Die TR-Serie von Merit wird in einer Konfiguration mit hoher Empfindlichkeit (Niederdruck) angeboten, die bei einer Kalibrierung auf 5 PSIG eine Auflösung von 1 Zoll Wasser ermöglicht. Es ist möglich, eine bessere Auflösung mit einer anderen Kalibrierung und/oder einem benutzerdefinierten MEMS-Gerät mit höherer Empfindlichkeit zu erreichen.

Unten ist ein Diagramm, das den Unterschied zwischen einer 5 PSIG-Kalibrierung und einer 1 PSIG-Kalibrierung zeigt. Es gibt einen signifikanten Unterschied in der Ausgabe des Sensors, was zu einer viel besseren Auflösung führt.

Nachdem der Sensor mit einer akzeptablen Auflösung ausgewählt wurde, gibt es Optionen für die Sensorschnittstelle. Der Sensor der TR-Serie bietet einen linearen Spannungsausgang von 0.5 bis 4.5 V vom Mindestdruck bis zum Höchstdruck und ist temperaturkompensiert. Diese Spannung kann von einem Systemcontroller überwacht oder einfach an eine Schaltung wie die untenstehende angeschlossen werden, die über VR1 einen variablen Pegelschwellenwert bereitstellen würde. Dies kann je nach Konfiguration des Kreislaufs als Niedrigstandsanzeige/-alarm oder als Überfüllanzeige-Alarm verwendet werden.

Unten ist ein Beispiel für den Betrieb der obigen Schaltung. Dies ist ein ideales, theoretisches Beispiel. Wenn VR1 auf eine berechnete Spannung für den gewünschten Wert eingestellt ist (10” WC in diesem Fall oder ~1.94 V), wird der Ausgang von U1 hoch, wenn die Sensorspannung den Sollwert von VR1 erreicht.

Unabhängig davon, ob ein variables Signal gewünscht wird oder ein einfaches EIN/AUS ausreicht, kann ein Niederdrucksensor der TR-Serie verwendet werden. Mehrere der hier diskutierten Anwendungen werden derzeit von anderen Sensortechnologien gehandhabt, könnten aber sehr gut von einem richtig entworfenen und implementierten MEMS-basierten Sensor gehandhabt werden.