Drucksensor mit Matlab/Simulink

Sensor: dPressure 500

Autor: Ilja Scheremeta Betreuer: Prof. Schneider

Aufgabenstellung

In dem Fach "Signalverarbeitende Systeme" aus dem Studiengang "Business and Systemsengineering" der Hochschule Hamm-Lippstadt obliegt jedem Studierenden die Aufgabe sich semesterbegleitend mit einem ausgewählten Sensor auseinander zu setzen. In diesem Zusammenhang soll der jeweilige Sensor im Laufe der Ausarbeitung mit MATLAB/Simulink ausgelesen und im Anschluss im HSHL Wiki sinnvoll und verständlich dokumentiert werden.

Der Sensor und seine Funktionsweise

Bei dem dPressure 500 Sensor für Lego Mindstorms NXT handelt es sich um einen analogen Silizium-Drucksensor, mit dem verschiedene Druckschwankungen gemessen werden können. Dieser Sensor arbeitet mit einem Mikroprozessor, welcher die A/D-Wandlung unterstützt und weist folgende technische Daten auf:

Abb. 1: dPressure 500

Messbereich: von 0kPa (Vakuum) bis 500kPa (70psi)

Messbereich (Rohsignal): von 0V bis 5V

Messbare Schwankungen: 0,25kPa (0,05psi)

Genauigkeit: +/- 2,5%

Mittlere Antwortzeit: 1ms

Betriebsversorgungsspannung (Vs): 4,75V bis 5,25V

Betriebsversorgungsstrom: 7mA

Betriebstemperatur: 0°C bis 85°C

Abb. 2: Die Funktionsweise des Sensors

In der Messtechnik gibt es je nach Messverfahren unterschiedliche Drucksensoren. Der dPressure500 gehört zu dem Typen des kapazitiven Differenzdrucksensors. Es bedeutet, dass hierbei die Differenz zweier Absolutdrücke p1 und p2 gemessen und miteinander verglichen wird. Aus diesem Grund besitzt der Sensor zwei separate Druckanschlüsse und arbeitet im Vergleich zu vielen anderen Drucksensoren ausschließlich in einem positiven Bereich, wobei p1 den Druck darstellt, der im Vergleich zu p2 verändert wird und p2 immer konstant bleibt (p1≥p2). In diesem Fall liegt der Messbereich zwischen 0kPa und 500kPa.

Außerdem besitzt dPressure500 demzufolge zwei Messkammer, die durch eine Siliziummembran hermetisch voneinander getrennt sind. Die Funktionsweise hierbei ist wie bei einem Plattenkondensator mit einem variablen Elektrodenabstand. Die Siliziummembran und die Gegenelektrode stellen an dieser Stelle die beiden Elektroden des Kondensators dar und die Luft dazwischen ist das Dielektrikum. Erhöht sich der Druck p1, so biegt sich die Membran durch und der Abstand zwischen den Elektroden und dadurch die Kapazität des Kondensators wird verringert. Durch die Veränderung des Abstandes wird auch der Stromfluss und somit die Ausgangsspannung Vout als das Rohsignal beeinflusst. Dessen Messbereich liegt zwischen 0V und 5V. Die Biegung der Membran bzw. der Abstand zwischen dem Siliziummembran und der Gegenelektrode ist also in diesem Zusammenhang ein Maß für die Größe des Differenzdruckes.

Vorverarbeitung

Abb. 3: Kennlinie des Sensors

Aus der Funktionsweise des Sensors dPressure500 kann entnommen werden, dass die Messwerte in Form von Spannung Vout in der Signalverarbeitungskette direkt an Arduino übertragen werden. Diese Werte müssen dann durch eine Funktion in die Druckeinheit Pascal umgewandelt werden. Das Verhältnis zwischen der Ausgangsspannung Vout und dem Druck kPa wird anhand von einer Kennlinie wie folgt dargestellt: