Druck ist keine einheitliche Messgröße. Ein Barometer und eine Wägezelle liefern beide einen Messwert, der als Druck bezeichnet wird, beantworten aber unterschiedliche Fragen. Der erste Schritt bei der Bauteilauswahl besteht daher darin, zu klären, welche Frage das Design eigentlich stellt. Absolutdruck, Relativdruck oder Differenzdruck beschreibt die Bezugsgröße, gegen die der Messwert ermittelt wird, und ein Bauteil, das für eine dieser Varianten ausgelegt ist, liefert für eine andere unsinnige Ergebnisse. Wird diese Bezugsgröße falsch gewählt, hilft auch die beste Auflösung nicht, denn der Fehler liegt in dem, womit das Bauteil vergleicht, noch bevor die Messgenauigkeit überhaupt eine Rolle spielt. Der Messbereich selbst ist dabei enorm groß, von wenigen Pascal in Strömungsanwendungen bis zu Hunderten von Bar in der Hydraulik, und kein einziges Sensorprinzip deckt diesen Bereich vollständig ab. Das ist der zweite Punkt, den eine Anwendung festlegen muss, bevor ein Bauteil ausgewählt wird.

Hinter dem Begriff steckt fast immer das Messen einer kleinen mechanischen Durchbiegung. Eine dünne Membran biegt sich unter Druck durch, und eine piezoresistive Messbrücke oder eine kapazitive Struktur wandelt diese Durchbiegung in ein elektrisches Signal um, das selten groß ist. Eine piezoresistive Messbrücke liefert ein kräftiges Signal, das jedoch mit der Temperatur driftet, während eine kapazitive Zelle kaum Strom verbraucht, aber mehr Beschaltung benötigt. Diese Wahl der Signalauswertung wirkt sich auf den gesamten weiteren Entwurf aus. Danach folgen die bekannten Probleme der Signalkette für kleine Signale sowie einige Besonderheiten, die nur Drucksensoren betreffen: was auf der Vorderseite der Membran anliegt, und worauf sich die Messung auf der Rückseite bezieht.

Druck als Höhenangabe

Der Drucksensor auf einer kleinen Platine dient häufig dazu, die Höhe abzuleiten. Der Luftdruck nimmt mit steigender Höhe auf eine bekannte, annähernd exponentielle Weise ab, sodass ein barometrischer Sensor zugleich als Höhenmesser fungiert, und ein Bauteil wie der BMP280 deckt den alltäglichen Anwendungsfall ab. Es ist ein kleines, stromsparendes Gerät für I²C oder SPI, günstig genug, um es ohne großen Aufwand in ein Smartphone oder einen Wetterdatenknoten einzubauen, und es gibt einen Absolutdruck zurück, den der Host in Meter umrechnet. Sein Rauschen ist für Wettertrends und grobe Höhenunterschiede ausreichend; was es nicht verspricht, ist die Stabilität, um eine einzelne Treppenstufe vom nächsten Treppenabsatz zu unterscheiden. Diese feinere Aufgabe erfordert ein anderes Bauteil.

Genau für diese feinere Aufgabe erhöht der BMP388 die Auflösung und reduziert das Rauschen, weit genug, um eine einzelne Etage in einem Gebäude aufzulösen. Er bietet einen konfigurierbaren Filter, der auf Kosten der Reaktionsgeschwindigkeit eine ruhigere Messung ermöglicht, einen Parameter, den der Entwickler an die Dynamik der zu messenden Höhenänderung anpasst.

Eine Drohne ist stärker auf den Barometriesensor angewiesen als die meisten Anwendungen, denn eine Höhenhaltung im Schwebeflug ist nur so stabil wie der darunterliegende Druckmesswert. Wenige Zentimeter Falschdrift lassen das Fluggerät auf und ab pendeln. Der MS5611 dient als Höhenmesser mit dem niedrigen Rauschen und der engen Wiederholbarkeit, die diese Aufgabe erfordert, und enthält werksseitige Kalibrierkoeffizienten, die der Host anwendet, um jeden Messwert zu linearisieren und temperaturzukorrigieren. Diese Korrektur ist es, die eine stabile Höhenanzeige von einer unterscheidet, die mit der Platinentemperatur über einen langen Flug hinweg driftet.

Da jede barometrische Messung mit der Temperatur schwankt, integriert der MPL3115A2 die Kompensation direkt und gibt die Höhe in Metern unmittelbar aus, was den Host von der Rechenarbeit befreit. Er ist die ruhige Wahl, wenn ein Design die Höhe mit minimalem Firmware-Aufwand direkt vom Bus lesen möchte.

Die vier Bauelemente messen dieselbe Größe und unterscheiden sich darin, wie fein und wie stabil sie das leisten. Das, mehr als der Preis, ist die Achse, entlang der sich ein barometrisches Design bewegt.

Einen realen Druck direkt messen

Nicht jede Anwendung dreht sich um genaue Höhenbestimmung. Viele benötigen einen realen Druck über einen breiten Messbereich, gemessen als Selbstzweck, und ein Bauteil wie der MPX5700AP misst mittleren Absolutdruck und gibt eine einfache Analogspannung zurück. Dieser Ausgang ist ratiometrisch zur Versorgungsspannung, was bedeutet, dass der Messwert ein Bruchteil der Versorgung ist. Das Bauteil setzt daher eine saubere, stabile Versorgung und einen ADC voraus, der auf dieselbe Spannung referenziert ist, andernfalls überlagern sich Versorgungsrauschen direkt auf das Ergebnis. Es ist die Art von Bauteil, das eine Pumpe oder einen Tank überwacht, wo ein Bruchteil eines Bar als Auflösung ausreicht und eine analoge Leitung zu einem freien ADC-Kanal den Aufwand spart, ein weiteres Gerät an den Bus anzuschließen. Eine solche Reihe umfasst üblicherweise mehrere Messbereiche, sodass eine Ausführung gewählt wird, deren Vollausschlag knapp über dem höchsten erwarteten Druck liegt, denn Spielraum darüber hinaus ist verlorene Auflösung.

Worauf sich die Messung bezieht

Die Entscheidung, die ein Druckdesign mehr prägt als die Bauteilnummer, ist die Frage, worauf sich die Messung bezieht. Ein Absolutdrucksensor misst gegenüber einem abgedichteten Vakuum hinter seiner Membran und gibt damit den tatsächlichen Druck an, was als Nebeneffekt auch das aktuelle Wetter abbildet. Ein Relativdrucksensor belüftet seine Rückseite zur Umgebungsluft und gibt an, um wie viel der Vorderseitendruck über dem Umgebungsdruck liegt, was für einen Reifen, eine Pumpe oder eine Manschette relevant ist. Ein Differenzdrucksensor hat zwei Anschlüsse und gibt ausschließlich den Druckunterschied zwischen ihnen an, etwa über einem Filter oder einer Blende. Diese drei Typen sind nicht gegeneinander austauschbar: Wird ein Relativdrucksensor dort eingesetzt, wo Absolutdruck erwartet wird, enthält jeder Messwert den aktuellen Luftdruck als systematischen Fehler; wird ein Differenzdrucksensor einseitig betrieben, überlagert der hohe Druck, den beide Anschlüsse gemeinsam führen, die kleine Differenz, die eigentlich gemessen werden sollte. Die Bezugsgröße bestimmt auch, was Überdruck bedeutet: Ein Differenzdrucksensor, der für eine kleine Druckdifferenz ausgelegt ist, kann während eines Druckstoßes an einem Anschluss den vollen Leitungsdruck erfahren, ein zerstörerisches Ereignis, das das Datenblatt mit einer eigenen Kenngröße getrennt vom Messbereich begrenzt. Die Belüftungsöffnung eines Relativdrucksensors ist eine kleine Schwachstelle für sich, da sie die Rückseite der Membran der Außenluft mit darin enthaltener Feuchtigkeit und Staub aussetzt. Deshalb wird der Lüftungsschlitz eines Relativdrucksensors in feuchter Umgebung häufig mit einer Schutzmembran abgedeckt. Nichts davon ist exotisch, und alles ist zu klären, bevor Genauigkeit oder Schnittstelle überhaupt zur Sprache kommen.

Was die Membran aushalten muss

Was die Membran auf ihrer Vorderseite berührt, entscheidet darüber, ob das Bauteil überhaupt überlebt. Eine blanke Siliziummembran verträgt saubere, trockene Luft gut, ist aber mit nahezu allem anderen überfordert. Daher wird bei einem Bauteil für feuchte oder korrosive Medien eine Edelstahlmembran mit einer Gel- oder Ölfüllung zwischen das Medium und das Silizium geschaltet, um den Druck zu übertragen, ohne dass das Medium das Halbleiterelement erreicht. Diese Isolation kostet etwas Empfindlichkeit und bringt eigene Temperatureffekte mit, ist aber der Preis für das Überleben im Medium. Darauf zu verzichten ist eine elegante Methode, einen Sensor alle Prüfungen in trockener Laborluft bestehen zu lassen, der dann einen Monat nach der Inbetriebnahme in einer realen Prozessumgebung korrodiert oder versottet.

Messbereich und Überlebensgrenze sind zwei verschiedene Angaben im Datenblatt, und die zweite wird häufig übergangen. Eine Membran, die dünn genug ist, um kleine Druckänderungen aufzulösen, kann von einem Druckstoß zerrissen werden, den die Verrohrung mühelos erzeugt. Daher verdienen der Prüfdruck, also wie weit das Bauteil über den Vollausschlag hinaus unbeschadet bleibt, sowie der Berststruck, bei dem es endgültig versagt, ebenso viel Beachtung wie der Messbereich selbst. Ein Wasserhammerimpuls beim Schließen eines Magnetventils erreicht routinemäßig ein Vielfaches des Betriebsdrucks und hat bereits zahlreiche Sensoren zerstört, die ausschließlich nach ihrem Nennmessbereich ausgewählt wurden. Als Faustregel gilt, dass der Prüfdruck etwa das Zwei- bis Dreifache des Vollausschlags beträgt und der Berstdruck noch darüber liegt; der einzig sichere Weg besteht jedoch darin, die eigenen Angaben des Bauteils gegen den schlimmsten Druckstoß abzuwägen, den das System erzeugen kann.

Selbst die Montage hinterlässt Spuren. Mechanische Spannungen beim Einlöten des Gehäuses oder beim Überdrehen einer Gewindeverbindung koppeln sich mechanisch in die Membran ein und äußern sich als Offset, den eine rein elektronische Kalibrierung des Chips nicht beseitigen kann, da er erst nach der Kalibrierung entsteht. Die Lösung liegt im Footprint und im mechanischen Design, nicht in der Firmware.

Kraft gemessen in wenigen Mikrovolt

Kraft und Gewicht sind enge Verwandte des Drucks und bringen die anspruchsvollste Signaleingangsstufe der Gruppe mit sich. Eine Wägezelle ist eine Dehnungsmessstreifen-Brücke, deren Ausgangssignal sich bei Nennlast um nur wenige Millivolt pro Volt Speisespannung ändert, manchmal weniger. Eine Zelle, die mit fünf Volt betrieben wird, liefert von Leerlauf bis Nennlast möglicherweise nur zehn Millivolt Hub. Ein so kleines Signal bedeutet, dass ein herkömmlicher Mikrocontroller-ADC, der direkt an der Brücke angeschlossen wird, mehr von seinem eigenen Rauschen als vom Nutzsignal misst. Die Speisespannung selbst muss sauber sein, und sie wird üblicherweise ratiometrisch mit der Wandlung arrangiert, sodass Schwankungen in der Versorgung sich im Verhältnis aufheben und nicht als Scheingewicht erscheinen.

Der HX711 wurde genau für diesen Zweck entwickelt, ein 24-Bit-Wandler mit einem rauscharmen programmierbaren Verstärker, der auf eine Brücke abgestimmt ist, und kaum mehr auf dem Chip. Er ist günstig und zweckgebaut, treibt die Speisespannung selbst und stellt an den Host nur die Anforderung, ein serielles Wort mit zehn oder achtzig Samples pro Sekunde auszutakten. Sein Verstärker bietet einige feste Verstärkungsstufen von bis zu etwa 128, so gewählt, dass ein Vollausschlag der Brücke nahezu den gesamten Wandlerbereich ausfüllt. Außerdem kann er zwischen zwei Kanälen umschalten, sodass ein einziger Chip zwei Zellen ausliest. Diese Fokussierung auf eine einzige Aufgabe ist der Grund, warum er unter einem großen Teil der Hobby- und Handelswaagen zu finden ist.

Der NAU7802 übernimmt dieselbe Aufgabe mit einer anderen Ausgewogenheit zwischen Auflösung, Versorgungsbereich und Abtastrate sowie einer sauberen I²C-Schnittstelle, die die Brückenvorstufe auf denselben Bus wie den Rest der Platine bringt. Er verfügt außerdem über einen eingebauten Regler für die Brückenspeisespannung, der die ratiometrische Schleife verbessert und ein externes Bauteil einspart. In jedem Fall bleibt die Verstärkung direkt an der Zelle, denn ein Mikrovolt-Signal nach dem Überqueren einer rauschbehafteten Platine sauber zu verstärken ist zu spät.

Eine Waage wird am Ende selten durch ihren Wandler begrenzt. Kriechen, das langsame Nachgeben einer belasteten Zelle in den Minuten nach dem Aufbringen eines Gewichts, zusammen mit dem Temperaturkoeffizienten der Zelle, bestimmt meist die Genauigkeit, die der Benutzer erlebt; die Hysterese zwischen Be- und Entlastung kommt hinzu. Deshalb tart eine sorgfältig ausgelegte Waage häufig, wartet einen Moment, bis sich der Messwert einschwingt, kompensiert gegen einen eingebauten Temperatursensor und behandelt die Art, wie die Zelle verschraubt und aufgehängt ist, genauso ernst wie das sie auslesende Silizium. Mechanik und Elektronik teilen hier ein gemeinsames Fehlerbudget, und der größere Anteil liegt meist im Stahl. Eine Waage mittelt außerdem mehrere Wandlungsergebnisse für eine stabilere Anzeige, abgestimmt auf die Reaktionsgeschwindigkeit, die ein Benutzer erwartet.

Die kleine Differenz

Manche Messwerte sind die kleine Differenz zwischen zwei nahezu gleichen Drücken, ein schmaler Wert, der auf einem großen gemeinsamen Niveau aufsitzt. Ein Bauteil wie der MPRLS ist auf niedrigen Differenzdruck ausgelegt, den Bereich der Strömungsmessung und medizinischen Beatmungskreise, in dem der Sensor eine kleine Differenz sauber herausarbeiten muss, während der statische Druck, den beide Anschlüsse gemeinsam führen, versucht, sie zu überlagern. Nullpunktstabilität ist hier wichtiger als absolute Genauigkeit, da der Messwert häufig nahe null liegt und eine langsame Drift dort als Strömung gelesen wird, die gar nicht stattfindet. Selbst die Montageorientierung kann sich auswirken, weil das Gewicht der Füllung auf der Membran den Nullpunkt mit dem Neigungswinkel verschiebt. Die Kalibrierung dieses Nullpunkts vor Ort, mit beiden Anschlüssen auf denselben Druck geöffnet, ist ein routinemäßiger Schritt, für den ein Differenzdruckdesign Vorkehrungen treffen muss.

Der rote Faden durch all diese Fälle ist, dass Bezugsgröße und Umgebung mehr entscheiden als das Sensorelement selbst. Ein barometrisches Bauteil und ein Differenzdruckgeber können auf ihrem jeweiligen Gebiet hervorragend sein und trotzdem die falsche Wahl darstellen, wenn die Bezugsgröße nicht passt oder das Medium die Membran angreift. Diese Fehler haben nichts mit der auf der Titelseite angegebenen Genauigkeit zu tun.

Die erste Frage lautet daher selten, welches Bauteil die engste Genauigkeit liefert. Sie lautet: Worauf bezieht sich die Messung, und was muss die Membran aushalten? Diese beiden Antworten kürzen den Katalog meist auf eine kurze Liste zusammen, bevor eine einzige technische Spezifikation verglichen wird.