Druckschalter und Drucksensoren

Bevor man Druck überwacht, lohnt sich ein Blick darauf, was Druck überhaupt ist. Druck ist Kraft pro Fläche: Eine Kraft, die auf eine bestimmte Fläche wirkt, erzeugt einen umso höheren Druck, je kleiner die Fläche ist. Das kennt jeder vom Reißnagel — die gleiche Fingerkraft auf eine winzige Spitze ergibt einen enormen Druck.

Die gesetzliche Einheit ist das Pascal (Pa), also ein Newton pro Quadratmeter. Pascal ist allerdings eine sehr kleine Einheit, deshalb arbeitet man in der Praxis fast immer mit bar. Der Zusammenhang ist einfach:

1 bar = 100 000 Pa = 100 kPa
1 bar entspricht etwa dem normalen Luftdruck auf Meereshöhe

Wichtig ist, gegen welchen Bezugspunkt man misst. Hier gibt es drei Varianten:

In der Mechatronik begegnet einem am häufigsten der Relativdruck, oft auch Überdruck genannt und mit „g“ für gauge gekennzeichnet (z. B. „6 barg“). Ein Manometer an einer Druckluftleitung zeigt ebenfalls Relativdruck — bei abgeschalteter Anlage steht es auf null, obwohl der Atmenschmosphärendruck nach wie vor wirkt.

Der Absolutdruck dagegen bezieht sich auf das absolute Vakuum als Nullpunkt. Der Differenzdruck misst die Differenz zwischen zwei Stellen. Klassisch ist die Filterüberwachung: Steigt der Druckunterschied vor und hinter einem Filter zu stark an, ist er verschmutzt.

Ein Druckschalter macht genau eine Sache: Er gibt ein elektrisches Signal aus, sobald ein eingestellter Druck erreicht wird. Es gibt nur zwei Zustände — geschaltet oder nicht geschaltet. Damit ist der Druckschalter ein binäres Bauteil, vergleichbar mit einem Endschalter, nur dass die Auslösung nicht durch Berührung, sondern durch Druck erfolgt.

Das Grundprinzip ist mechanisch und erstaunlich einfach. Der Druck wirkt auf eine Membran oder einen Kolben. Auf der Gegenseite drückt eine Feder dagegen. Solange der Druck zu klein ist, hält die Feder die Mechanik in Ruhelage. Übersteigt der Druck die Federkraft, bewegt sich die Membran und betätigt einen elektrischen Kontakt. Über die Vorspannung der Feder lässt sich einstellen, bei welchem Druck das passiert — das ist der Schaltpunkt.

Beim Schalten der Kontakte gibt es drei Bauarten, die man von einfachen Schaltern kennt:

• Schließer (NO, normally open): Kontakt offen in Ruhe, schließt beim Erreichen des Schaltpunkts.
• Öffner (NC, normally closed): Kontakt geschlossen in Ruhe, öffnet beim Schaltpunkt.
• Wechsler (CO, change over): Ein gemeinsamer Anschluss schaltet zwischen Schließer- und Öffnerkontakt um.

Man unterscheidet außerdem mechanische und elektronische Druckschalter. Der mechanische Druckschalter schaltet rein über die beschriebene Membran-Feder-Mechanik und hat oft eine Einstellschraube. Der elektronische Druckschalter misst den Druck intern mit einem Sensor und vergleicht ihn mit einem digital eingestellten Schwellwert. Er bietet ein Display, frei programmierbare Schaltpunkte und meist zusätzlich ein analoges Ausgangssignal — er ist damit eine Mischung aus Schalter und Sensor.

Ein Druckschalter, der bei exakt einem einzigen Druckwert schaltet, wäre in der Praxis unbrauchbar. Stell dir den Kompressor vor, der bei genau 8,00 bar abschaltet. Sobald er aus ist, sinkt der Druck minimal — und der Schalter würde sofort wieder einschalten. Bei jeder kleinen Druckschwankung um die 8,00 bar käme es zu schnellem Ein- und Ausschalten, dem sogenannten Schaltflattern. Das zerstört Schütze und Motoren in kurzer Zeit.

Die Lösung ist eine bewusste Lücke zwischen Einschalt- und Ausschaltpunkt. Diese Lücke heißt Schaltdifferenz oder Hysterese. Der Schalter schaltet bei einem oberen Druck ab und erst bei einem deutlich tieferen Druck wieder ein. Der Druckwert, bei dem er zurückschaltet, heißt Rückschaltpunkt.

Beim Druckschalter eines Kompressors heißt das zum Beispiel: abschalten bei 8 bar, wieder einschalten bei 6 bar. Die Schaltdifferenz beträgt dann 2 bar. Innerhalb dieser 2 bar passiert nichts — der Druck darf frei schwanken, ohne dass der Schalter reagiert. Erst beim Unterschreiten von 6 bar läuft der Kompressor wieder an.

Bei vielen mechanischen Druckschaltern ist der Schaltpunkt einstellbar, die Schaltdifferenz aber baulich fest. Hochwertigere und elektronische Geräte erlauben, beide Werte getrennt einzustellen — den oberen Schaltpunkt und den Rückschaltpunkt unabhängig voneinander.

In Datenblättern wird die Hysterese häufig nicht als absoluter Wert in bar angegeben, sondern als Prozentwert bezogen auf den Messbereichsendwert (FS, Full Scale). Ein Schalter mit 10 bar Messbereichsendwert und 2 bar Schaltdifferenz hat also eine Hysterese von 20 % FS. So lassen sich Geräte unterschiedlicher Messbereiche direkt vergleichen.

Wo der Druckschalter nur ein Ja/Nein liefert, gibt der Drucksensor den tatsächlichen Druckwert über den gesamten Messbereich aus — stufenlos und fortlaufend. Statt „Schwelle erreicht“ sagt er „aktuell 4,7 bar“. Damit kann eine SPS den Druck überwachen, regeln, anzeigen und protokollieren.

Im Inneren steckt fast immer eine Messmembran, die sich unter Druck verformt. Diese winzige Verformung wird in ein elektrisches Signal umgewandelt. Dafür haben sich mehrere Wirkprinzipien etabliert:

Am häufigsten begegnet einem das piezoresistive Prinzip mit Dehnungsmessstreifen — robust, genau und für die meisten industriellen Drücke geeignet. Das piezoelektrische Prinzip ist ein Sonderfall: Es liefert nur bei Druckänderungen ein Signal und eignet sich deshalb für dynamische Vorgänge wie Druckstöße, nicht für die Messung eines konstanten Drucks.

Drei Begriffe beschreiben die Qualität eines Drucksensors. Der Messbereich gibt an, von welchem bis zu welchem Druck das Gerät arbeitet — etwa 0 bis 10 bar. Die Kennlinie ist der Zusammenhang zwischen Druck und Ausgangssignal; im Idealfall verläuft sie schnurgerade. Wie gut die reale Kennlinie dieser idealen Geraden folgt, beschreibt die Linearität. Die Messabweichung (oft als Genauigkeit angegeben, ebenfalls in % FS) sagt, wie weit der angezeigte Wert vom wahren Wert abweichen darf.

Der entscheidende Unterschied zum Schalter bleibt: Ein Drucksensor liefert einen Messwert über den gesamten Bereich, ein Druckschalter nur ein Signal an einer Schwelle. Wer den genauen Druck wissen oder regeln will, braucht einen Sensor. Wer nur eine Grenze überwachen muss, kommt mit einem Schalter aus — günstiger und ohne nachgeschaltete Auswertung.

Ein Drucksensor muss seinen Messwert an die Steuerung übergeben. Dafür haben sich zwei analoge Einheitssignale durchgesetzt: das Stromsignal 4–20 mA und das Spannungssignal 0–10 V. Über den gesamten Messbereich ändert sich das Ausgangssignal proportional zum Druck — bei 0 bar fließen 4 mA, beim Messbereichsendwert 20 mA.

Warum beginnt das Stromsignal bei 4 mA und nicht bei 0? Das hat einen praktischen Grund: Drahtbrucherkennung. Ein gesundes Gerät liefert auch bei null Druck noch 4 mA. Misst die SPS 0 mA, ist die Leitung unterbrochen oder das Gerät defekt — ein echter Messwert von null und ein Fehler lassen sich so unterscheiden. Diesen Anfangswert von 4 mA nennt man den lebenden Nullpunkt. Beim 0–10-V-Signal geht das nicht, hier ist 0 V ein gültiger Messwert. Außerdem ist das Stromsignal unempfindlicher gegen Leitungswiderstände und Störungen über längere Strecken. Deshalb wird in der industriellen Praxis 4–20 mA bevorzugt.

Hinter der Umrechnung von Druck in ein Signal steckt nichts weiter als eine Geradengleichung. Jede lineare Kennlinie lässt sich schreiben als:

Für ein 4–20-mA-Signal über einen Messbereich von 0 bis p_FS is d = 4 mA (das Signal bei null Druck) und die Steigung k = (20 − 4) / p_FS. Daraus ergibt sich die fertige Skalierungsformel:

Genauso oft steht ein Techniker vor der umgekehrten Aufgabe: Er misst mit dem Multimeter einen Stromwert und will wissen, welcher Druck dahintersteckt. Dann stellt man die Gleichung um:

Für das 0–10-V-Signal gilt dieselbe Geradengleichung, nur ohne Offset. Das Signal startet bei null Volt, also ist d = 0 V und die Steigung k = 10 / p_FS:

Umgestellt nach dem Druck ergibt sich für das Spannungssignal:

Wenn der Drucksensor zusätzlich digital eingebunden werden soll, kommt IO-Link ins Spiel — eine Punkt-zu-Punkt-Schnittstelle, die Messwert, Parameter und Diagnose digital über dieselbe Leitung überträgt. Sie ersetzt zunehmend das reine Analogsignal, vor allem bei elektronischen Druckschaltern mit Sensorfunktion.

Elektronische Druckschalter haben neben dem Analogsignal oft noch einen schaltenden Ausgang in PNP- oder NPN-Technik. Welche Variante wann passt, hängt von der Eingangsbeschaltung der Steuerung ab — das ist ein eigenes Thema für sich und wird hier nicht vertieft.

Das passende Druckmessgerät zu finden, ist weniger eine Frage des Preises als der Anwendung. Einige Kriterien entscheiden, ob ein Gerät zuverlässig arbeitet oder schnell ausfällt.

Der Messbereich sollte zum erwarteten Druck passen und Reserve nach oben haben. Wichtig ist die Überlastfestigkeit: kurzzeitige Druckspitzen dürfen den Sensor nicht zerstören. Faustregel ist, den normalen Betriebsdruck etwa im mittleren Drittel des Messbereichs zu halten.

Das Medium bestimmt den Werkstoff. Hydrauliköl, Druckluft, Wasser, aggressive Chemikalien oder Lebensmittel stellen ganz unterschiedliche Anforderungen an Membran und Dichtung. Ein Sensor mit einer Membran aus normalem Stahl hat in einer aggressiven Flüssigkeit nichts verloren.

Weitere Punkte sind die geforderte Genauigkeit (in % FS), das passende Ausgangssignal (4–20 mA, 0–10 V oder IO-Link), der Prozessanschluss mit dem richtigen Gewinde sowie die Schutzart (IP) gegen Staub und Feuchtigkeit. In nassen oder schmutzigen Umgebungen braucht es eine hohe IP-Schutzart, sonst dringt Feuchtigkeit ein.

Beim Einbau zählt die richtige Einbaulage und der Schutz vor Druckspitzen. Pulsierende Drücke, etwa hinter einer Kolbenpumpe, belasten den Sensor stark — hier hilft eine Drossel oder ein Dämpfungselement, das die Spitzen glättet. Auch die Temperatur am Einbauort spielt eine Rolle: Zu heißes Medium kann die Elektronik schädigen, deshalb werden Sensoren manchmal über ein Kühlstück abgesetzt montiert.