Diese Sensoren sind jedoch nur für Absolut- und Relativdruckmessungen geeignet. Ein neuer Doppelkammer-Differenzdrucktransmitter kann nun als kompakter, beidseitig medienkompatibler Nass-Nass-Drucktransmitter in rauen Industrieumgebungen für kritische Druckmessungen eingesetzt werden.

Basis der meisten modernen Drucksensoren bildet eine Siliziummesszelle, die auf ein Keramiksubstrat montiert ist. Die Membranoberseite der Siliziummesszelle hat zur Kontaktierung mit dem Träger kleine Metallflächen (Bondpads) aus hochreinem Aluminium, die jedoch nicht korrosionsbeständig sind. Zum Schutz werden diese Kontaktflächen nach dem Anbringen der Golddrähte (Drahtbonden) mit einer Schicht weichen Silikongels überzogen. Es gibt verschiedene Gele, die beispielsweise gut gegen Wasser, Öle oder Alkohole schützen, aber keines, das einen universellen Schutz gegen beliebige Medien gewährleisten kann. Ein weiterer Nachteil der Gelmaterialien ist ihr hygroskopisches Verhalten: In den Gelen kann durch direkten Kontakt mit Flüssigkeiten oder durch Kondensation aus der Atmosphäre Feuchtigkeit eingelagert werden, die im Laufe der Zeit bis auf die Siliziumschicht diffundiert. Hier verursacht die Feuchtigkeit neben der erwähnten Korrosion eine hochohmige Verbindung zwischen den Leiterbahnen, wodurch die Messwerte verfälscht werden können.
Fazit: Die übliche Messzellenkonstruktion mit Gelüberzug kann aus den erwähnten Gründen nicht oder nur unter erheblichen Einschränkungen zur Messung von Flüssigkeiten oder aggressiven Gasen benutzt werden.

Absolutdruckmessung und Relativdrucksensoren

Dieser Nachteil der Siliziummesszelle kann für die geforderte Medienkompatibilität umgangen werden, indem man die Messzelle in eine ölgefüllte, druckempfindliche Kammer einbaut. Die Kammer aus Edelstahl wird mit einer dünnen Trennmembrane ebenfalls aus Edelstahl druckdicht abgeschlossen. Diese wird in Abhängigkeit vom anliegenden Druck deformiert. Da der Zwischenraum zwischen Messelement und Trennmembrane mit Öl als Druckmittler gefüllt ist, wird der induzierte Druck auf die Siliziummesszelle weitergegeben und in ein elektrisches Signal umgewandelt. Das Öl in der Ölvorlage ist so gewählt, dass es sich gegenüber der Siliziummesszelle innert verhält; es kommt zu keinerlei chemischen Reaktionen.
Die Sensoren mit Ölvorlage können in allen Anwendungen eingesetzt werden, bei denen Medien gemessen werden sollen, die mit Edelstahl verträglich sind, was auf die meisten Medien, von Wasser, Ölen, Lösungsmitteln, Alkoholen, Kraftstoffen, Laugen bis hin zu mittelaggressiven Flüssigkeiten zutrifft.
Für Absolutdruckmessungen ist die Rückseite der Messzelle unter Vakuum abgeschlossen und keinem Medium ausgesetzt. Die Messzellenoberseite ist durch die Ölvorlage gegen die zu messenden Medien geschützt.
Bei Relativdrucksensoren ist die Messzellenrückseite offen und dem Umgebungsdruck P2 ausgesetzt. Messdruck ist P1. Da die Rückseitenmaterialien gegen Feuchte unempfindlich sind, kann auch gegen gesättigte feuchte Luft gemessen werden. Aufgrund der Messzellenkonstruktion und der nachgeschalteten Elektronik erhält man gültige Messwerte meist nur für P1 ≥ P2.
Differenzdruckmessungen in Flüssigkeiten mit beiderseitiger Medien-Druckbeaufschlagung der Messzelle bergen bei dem beschriebenen Aufbau jedoch die Gefahr, dass die Flüssigkeiten an der Klebestelle Substrat-Messzelle mit dem Kleber reagieren, die Festigkeit beeinflussen und die Fügeparameter und damit den Offset verändern. Medienkompatible Differenzdrucksensoren lassen sich also mit solchen Ein-Kammer-Sensoren nur unter Vorbehalt realisieren.

Zwei-Kammer-Transmitter

Zusätzlich zur Vorderseite, wie bei dem Relativdrucksensor mit Ölvorlage hat man bei der D5100-Serie auch die Rückseite der Messzelle durch eine ölgefüllte Kammer mit Metallmembran geschützt. Diese Membrane ist dem Rückseitendruck P2 ausgesetzt. Das bedeutet, die druckempfindliche Siliziummembran befindet sich zwischen den beiden Kammern und misst die Differenz der beiderseitig wirkenden Öldrücke.
Es handelt sich demnach bei den Sensoren der D5100-Serie um echte Zwei-Kammer-Transmitter, die in allen medienrelevanten Bereichen aus Edelstahl bestehen und folglich den Differenzdruck in allen Flüssigkeiten oder Gasen messen können, die mit diesem Metall verträglich sind. Durch die in den Transmitter integrierte Auswerteelektronik zur Temperaturkompensation und Kalibration samt Spannungsstabilisierung und Schutzschaltungen ist der D5100 sofort betriebsbereit.
Die D5100 Transmitter übertreffen die CE-Richtlinien für die Schwerindustrie und sind entsprechend zertifiziert (IEC61000). Sie vertragen eine Schockbelastung von 50 g und Vibrationskräfte bis 20 g. Sie sind für den erweiterten Temperaturbereich von -40° C bis +125° C ausgelegt und können somit unter extremen Bedingungen eingesetzt werden.
Sie werden in verschiedenen Varianten für die Druckbereiche von 0 psi bis 1 / 5 / 15 / 30 / 50 / 100 / 300 / 500 psi angeboten (wahlweise auch von 70 mbar bis 35 bar). Bei allen Typen der D5100-Serie darf der Systemdruck (Leitungsdruck gegen Atmosphärendruck) bis zu 70 bar betragen. Die Serie wird mit vielfältigen Druckanschlüssen (u.a. ¼-19 BSPP male, ¼-18 NPT male, ¼-19 BSPP female, ¼-18 NPT female) und Steckern angeboten (offene Kabelenden, Bajonett-, Packard-, M12-, Bendix- oder Hirschmann-Stecker). Dabei kann zwischen verschiedensten analogen Ausgangssignalen gewählt werden (0,5–4,5 V, 1–5 V, 4–20 mA oder 80 mV / 100 mV).

Anwendungen

Durch ihre Medienunempfindlichkeit eignen sich diese Drucktransmitter neben Industrieanwendungen vor allem für die Gas- und Ölindustrie, für Messungen in chemischen und pharmazeutischen Anlagen sowie für die Medizintechnik und für hydraulische Anwendungen.
Durch die Metallkonstruktion sind die D5100 besonders für kritische Füllstandmessungen in geschlossenen Drucktanks geeignet. Wenn sich zum Beispiel über der Tankflüssigkeit ein aggressives Gas befindet, das nicht in die Atmosphäre gelangen darf und/oder dessen Druck wegen der Reaktionsfähigkeit des Füllgases überwacht und geregelt werden muss, bietet sich der Einsatz der beschriebenen Differenzdrucktransmitter an, beispielsweise in Flüssiggastanks. Bemerkenswert ist in diesem Zusammenhang der niedrigste erhältliche Druckbereich von 0-1 psi (70 mbar), der besondere Anforderungen an die Edelstahlmembranen stellt. Damit sind beispielsweise Füllstandmessungen mit einer Füllhöhe von unter 70 cm möglich.