Messung des Wasserstands - Hydrometrie: Theorie und Praxis der Durchflussmessung in offenen Gerinnen - page 61

Drucksensoren: In der gewässerkundlichen Messpraxis sind heute im wesentlichen
zwei Sensortypen , piezoresistiv und kapazitiv-keramisch, im Einsatz. (Für Details
der unterschiedlichen Sensoren wird auf Bonfig ( 1991 ) verwiesen).
1. Kapazitiv-keramische Sensoren , bei denen über eine Membrane die durch Druck-
bzw. Wasserstandsänderung verursachte Veränderung der Kapazität eines Plat-
tenkondensators gemessen wird (= kapazitiv) und der Drucksensor monolithisch
aus Keramik (= keramisch) besteht, zeichnen sich aus durch
a) hohe Robustheit gegen mechanische Beanspruchung und Überlast,
b) einfache Wartung, da die Sensoren im Sondenkörper dauerhaft hermetisch
versiegelt sind,
c) hohe Überlastfestigkeit, d. h. nach Wegnahme der Überlast kehrt der Sensor
ohne Schaden und ohne Hysterese in die Ausgangslage zurück,
d) hohe Genauigkeit (±0,1 % vom Bereichsendwert) und Langzeitstabilität
(±0,1 % pro Jahr vom Messbereichsendwert),
e) Unempfindlichkeit gegenüber Austrocknung und Vereisung im eigentlichen
Sensor,
f) eine trockene Messzelle. Dadurch entfällt der mögliche physikalische Ein-
fluss durch die Transmitterflüssigkeit (vgl. Kirberich 1991 ).
Diese positive Bilanz wurde entwicklungstechnisch erst möglich durch die Einfüh-
rung von Keramik (99,9 % Al 2 O 3 ) als Basiswerkstoff für den Sensor. Keramik gilt
als extrem überlastbar, absolut verschleißfrei, langzeitstabil, hysteresefrei, korrosi-
ons- und temperaturbeständig (vgl. Druckaufnehmer Ceracore UCS2 von Endress
+ Hauser, Drucksonde PLS von Ott).
Diese positiven Eigenschaften lassen keramisch-kapazitive Drucksensoren als
besonders geeignet für den Einsatz unter den rauen Umweltbedingungen von of-
fenen Gerinnen erscheinen. Diese Vorteile bedingen jedoch einen deutlich höheren
Preis gegenüber Sonden mit piezoresistiven Sensoren.
Piezoresistive Sensoren wandeln die mechanische Größe Druck in ein elek-
trisches Signal um. Diese Umwandlung erfolgt über die elastische Durchbiegung
einer Membrane aus einkristallinem Silizium. Eine in die Membrane eindiffun-
dierte Wheatstonesche Messbrücke (Dehnungsmessstreifen DMS) erfährt durch
Druckeinwirkung eine Widerstandsänderung. Diese wird unter Berücksichtigung
der sensorspezifischen Daten sowie der Kompensation des Temperatureinflusses
mittels eines Mikrocontrollers ausgewertet. Das druckproportionale Signal wird in
der Messumformerelektronik weiter verarbeitet und linearisiert als digitales, stör-
sicheres Signal zur Verfügung gestellt. Die piezoresistiven Sensoren zeichnen sich
aus durch
a) kostengünstige Herstellung und
b) hohe Empfindlichkeit im Hinblick auf Druckänderungen, aber auch
c) sehr starke Temperaturabhängigkeit.
Die piezoresistiven Sensoren werden meist auf Siliziumbasis hergestellt und sind
mit Öl, das als Transmitter wirkt, gefüllt.