Druckmessung

Die Druckmessung ist die Messung der Kraft pro Flächeneinheit , die von einem Fluid ( Flüssigkeit oder Gas ) auf eine Oberfläche ausgeübt wird. Der Druck wird üblicherweise in Pascal (Pa) gemäß dem Internationalen Einheitensystem (SI) angegeben . Für die Messung von Druck und Vakuum wurden zahlreiche Verfahren entwickelt . Instrumente zur mechanischen Messung und Anzeige von Druck werden als Manometer, Vakuummeter oder Kombinationsmanometer (für Druck und Vakuum) bezeichnet . Das weit verbreitete Bourdon-Manometer ist ein mechanisches Gerät, das sowohl misst als auch anzeigt und wahrscheinlich das bekannteste Manometer ist.

Ein Vakuummeter dient zur Messung von Drücken unterhalb des Umgebungsdrucks , der als Nullpunkt festgelegt ist, in negativen Werten (z. B. entspricht −1 bar oder −760  mmHg dem absoluten Vakuum). Die meisten Messgeräte messen den Druck relativ zum Umgebungsdruck als Nullpunkt, daher wird diese Messform einfach als „Überdruck“ bezeichnet. Technisch gesehen ist jedoch jeder Druck oberhalb des absoluten Vakuums eine Form von Druck. Für sehr niedrige Drücke muss ein Messgerät verwendet werden, das das absolute Vakuum als Nullpunkt verwendet und den Druckwert als Absolutdruck anzeigt.

Andere Methoden der Druckmessung nutzen Sensoren, die den Druckmesswert an ein entferntes Anzeige- oder Steuerungssystem übermitteln können ( Telemetrie ).

Alltägliche Druckmessungen, beispielsweise des Reifendrucks von Fahrzeugen, erfolgen üblicherweise relativ zum Umgebungsluftdruck. In anderen Fällen erfolgen die Messungen relativ zu einem Vakuum oder einem anderen spezifischen Bezugspunkt. Zur Unterscheidung dieser Nullpunkte werden folgende Begriffe verwendet:

• Der absolute Druck wird anhand eines perfekten Vakuums auf Null normiert undentsprichtsomit dem Überdruck zuzüglich des Atmosphärendrucks. Absolutdrucksensoren werden in Anwendungen eingesetzt, die einen konstanten Referenzwert erfordern, beispielsweise in industriellen Hochleistungsanwendungen wie der Überwachung vonVakuumpumpen, der Flüssigkeitsdruckmessung, der industriellen Verpackung, der industriellen Prozesssteuerung undder Luftfahrtinspektion. ^{[ 1 ]}
• Der Überdruck wird auf den Umgebungsdruck bezogen und entspricht somit dem absoluten Druck abzüglich des atmosphärischen Drucks. Ein Reifendruckmesser ist ein Beispiel für die Überdruckmessung; zeigt er Null an, entspricht der gemessene Druck dem Umgebungsdruck. Die meisten Sensoren für Messungen bis 50 bar werden so hergestellt, da andernfalls Schwankungen des atmosphärischen Drucks (z. B. durch Witterungseinflüsse) zu einem Messfehler führen würden.
• Der Differenzdruck ist die Druckdifferenz zwischen zwei Punkten. Differenzdrucksensoren werden zur Messung verschiedener Größen eingesetzt, beispielsweise von Druckabfällen anÖl-oderLuftfiltern, von Flüssigkeitsständen (durch Vergleich des Drucks ober- und unterhalb der Flüssigkeit) oder von Durchflussmengen (durch Messung der Druckänderung an einer Verengung). Genau genommen sind die meisten Drucksensoren Differenzdrucksensoren; so ist beispielsweise ein Relativdrucksensor lediglich ein Differenzdrucksensor, bei dem eine Seite zur Umgebungsluft hin offen ist. EineDifferenzdruckzelleist ein Gerät zur Messung des Differenzdrucks zwischen zwei Eingängen. ^{[ 2 ]}

Der Bezugspunkt Null ergibt sich üblicherweise aus dem Kontext; zusätzliche Angaben werden nur bei Bedarf hinzugefügt. Reifendruck und Blutdruck sind per Konvention Überdrücke, während Atmosphärendruck , Vakuumdruck und Höhenmesserdruck absolute Werte sein müssen.

Bei den meisten Arbeitsmedien in geschlossenen Systemen ist die Messung des Überdrucks üblich. Die an das System angeschlossenen Druckmessgeräte zeigen den Druck relativ zum aktuellen Atmosphärendruck an. Anders verhält es sich bei der Messung extremer Vakuumdrücke; hier werden typischerweise Absolutdrücke verwendet, und es kommen andere Messgeräte zum Einsatz.

Differenzdrücke werden häufig in industriellen Prozesssystemen eingesetzt. Differenzdruckmessgeräte verfügen über zwei Einlässe, die jeweils mit einem der zu überwachenden Volumina verbunden sind. Dadurch wird die mathematische Operation der Subtraktion mechanisch durchgeführt, sodass kein Bediener oder Steuerungssystem zwei separate Messgeräte überwachen und die Differenz der Messwerte ermitteln muss.

Mäßige Vakuumwerte können ohne den richtigen Kontext mehrdeutig sein, da sie sowohl den Absolutdruck als auch den Überdruck ohne negatives Vorzeichen darstellen können. So entspricht ein Überdruck von 26 inHg einem Absolutdruck von 4 inHg, berechnet als 30 inHg (typischer Atmosphärendruck) − 26 inHg (Überdruck).

Der Luftdruck beträgt auf Meereshöhe typischerweise etwa 100  kPa , variiert jedoch mit der Höhe und den Wetterbedingungen. Bleibt der absolute Druck einer Flüssigkeit konstant, ändert sich der Manometerdruck derselben Flüssigkeit mit dem Luftdruck. Fährt ein Auto beispielsweise einen Berg hinauf, steigt der Reifendruck (Manometerdruck), da der Luftdruck sinkt. Der absolute Druck im Reifen bleibt dabei im Wesentlichen unverändert.

Die Verwendung des atmosphärischen Drucks als Referenzdruck wird üblicherweise durch ein „g“ für „Gauge“ nach der Druckeinheit gekennzeichnet, z. B. 70 psig. Dies bedeutet, dass der gemessene Druck der Gesamtdruck abzüglich des atmosphärischen Drucks ist . Es gibt zwei Arten von Referenzdruck: den belüfteten Referenzdruck (vg) und den geschlossenen Referenzdruck (sg).

Ein belüfteter Manometerdrucktransmitter beispielsweise ermöglicht es, dass der Außendruck über ein belüftetes Kabel oder eine Öffnung an der Seite des Geräts auf die negative Seite der Druckmessmembran einwirkt, sodass er stets den auf den Umgebungsdruck bezogenen Druck misst . Daher sollte ein belüfteter Manometerdrucksensor immer Nulldruck anzeigen, wenn der Prozessdruckanschluss zur Luft hin geöffnet ist.

Ein geschlossenes Manometer funktioniert sehr ähnlich, nur dass der Atmosphärendruck auf der negativen Seite der Membran eingeschlossen ist. Dieses Verfahren wird üblicherweise in Hochdruckbereichen wie der Hydraulik eingesetzt , wo Änderungen des Atmosphärendrucks die Messgenauigkeit nur geringfügig beeinflussen und daher keine Entlüftung erforderlich ist. Dadurch können einige Hersteller auch eine zusätzliche Druckbegrenzung als Sicherheitsmaßnahme für Druckgeräte vorsehen, falls der Berstdruck der primären Druckmessmembran überschritten wird.

Eine weitere Möglichkeit zur Erzeugung eines geschlossenen Referenzmesssystems besteht darin, auf der Rückseite der Messmembran ein Hochvakuum zu erzeugen . Dadurch wird das Ausgangssignal kompensiert, sodass der Drucksensor bei der Messung des Atmosphärendrucks einen Wert nahe Null anzeigt.

Ein gekapselter Manometer-Referenzdruckaufnehmer zeigt niemals genau Null an, da sich der atmosphärische Druck ständig ändert und der Referenzwert in diesem Fall auf 1 bar festgelegt ist.

Zur Herstellung eines Absolutdrucksensors erzeugt der Hersteller hinter der Messmembran ein Hochvakuum. Ist der Prozessdruckanschluss eines Absolutdrucktransmitters offen, misst er den tatsächlichen Luftdruck .

Ein gekapselter Drucksensor ist ähnlich wie ein Manometerdrucksensor, mit dem Unterschied, dass er den Druck relativ zu einem festen Druck misst und nicht zum Umgebungsdruck (der je nach Standort und Wetterlage variiert).

Lange Zeit wurde der Druck von Gasen wie Luft ignoriert, geleugnet oder als gegeben hingenommen. Doch bereits im 6. Jahrhundert v. Chr. behauptete der griechische Philosoph Anaximenes von Milet , dass alle Dinge aus Luft bestünden, deren Zustand sich lediglich durch unterschiedlichen Druck verändere. Er beobachtete, wie Wasser verdampfte und zu einem Gas wurde, und schloss daraus, dass dies auch für feste Materie gelte. Kondensierte Luft ergab kältere, schwerere Objekte, ausgedehntere Luft hingegen leichtere, wärmere. Dies entsprach der tatsächlichen Tatsache, dass Gase bei Erwärmung weniger dicht und bei Abkühlung dichter werden.

Im 17. Jahrhundert führte Evangelista Torricelli Experimente mit Quecksilber durch, die es ihm ermöglichten, die Anwesenheit von Luft nachzuweisen. Er tauchte ein an einem Ende verschlossenes Glasrohr in eine Schale mit Quecksilber und hob das verschlossene Ende wieder heraus, während das offene Ende untergetaucht blieb. Das Gewicht des Quecksilbers zog das Rohr nach unten und erzeugte am anderen Ende ein Teilvakuum. Dies bestätigte seine Annahme, dass Luft/Gas Masse besitzt und Druck auf die Umgebung ausübt. Zuvor war die gängigere Ansicht, selbst für Galilei , dass Luft schwerelos sei und das Vakuum die Kraft erzeugt, ähnlich wie bei einem Siphon. Die Entdeckung trug dazu bei, dass Torricelli zu folgender Schlussfolgerung gelangte:

Wir leben versunken am Grund eines Ozeans aus dem Element Luft, von dem durch unbestrittene Experimente bekannt ist, dass es Gewicht besitzt.

Dieser Test, bekannt als Torricellis Experiment , war im Wesentlichen die erste dokumentierte Druckmessung.

Blaise Pascal ging noch einen Schritt weiter und ließ seinen Schwager das Experiment in verschiedenen Höhenlagen an einem Berg durchführen. Dabei stellte er fest, dass der Druck tatsächlich umso höher ist, je tiefer man sich im Ozean der Atmosphäre befindet.

Die SI- Einheit für Druck ist das Pascal (Pa), gleich einem Newton pro Quadratmeter (N·m⁻² ^oder kg·m⁻¹ ^· s⁻² ⁾ . Diese spezielle Bezeichnung wurde 1971 eingeführt; zuvor wurde Druck im SI-System in Einheiten wie N·m⁻² angegeben ^. Der Nullpunkt wird, sofern angegeben, in Klammern hinter der Einheit genannt, z. B. 101 kPa (abs). Das Pfund pro Quadratzoll (psi) ist in den USA und Kanada weiterhin weit verbreitet, beispielsweise zur Messung des Reifendrucks. Oft wird der psi-Einheit ein Buchstabe angehängt, um den Nullpunkt der Messung anzugeben: psia für absolut, psig für relativ, psid für differenziell. Diese Praxis wird jedoch vom NIST nicht empfohlen . ^{[ 3 ]}

Da Druck früher üblicherweise durch die Verdrängung einer Flüssigkeitssäule in einem Manometer gemessen wurde, wird er oft als Höhe einer bestimmten Flüssigkeit angegeben ( z. B. in Zoll Wassersäule). Manometrische Messungen basieren auf der Berechnung der Druckhöhe . Am häufigsten werden Quecksilber (Hg) und Wasser als Manometerflüssigkeit verwendet . Wasser ist ungiftig und leicht verfügbar, während die Dichte von Quecksilber eine kürzere Säule (und somit ein kleineres Manometer) zur Messung eines bestimmten Drucks ermöglicht. Die Abkürzung „WC“ oder die Bezeichnung „Wassersäule“ findet sich häufig auf Messgeräten, die Wasser als Manometer verwenden.

Die Dichte von Flüssigkeiten und die lokale Schwerkraft können je nach lokalen Gegebenheiten von Messung zu Messung variieren, daher definiert die Höhe einer Flüssigkeitssäule den Druck nicht präzise. Messungen in „ Millimeter Quecksilbersäule “ oder „ Zoll Quecksilbersäule “ können daher in SI-Einheiten umgerechnet werden, sofern die lokalen Faktoren der Flüssigkeitsdichte und der Schwerkraft berücksichtigt werden . Temperaturschwankungen verändern den Wert der Flüssigkeitsdichte, während der Standort die Schwerkraft beeinflussen kann.

Obwohl sie nicht mehr bevorzugt werden, finden sich diese manometrischen Einheiten noch immer in vielen Bereichen. Der Blutdruck wird in den meisten Teilen der Welt in Millimeter Quecksilbersäule (siehe Torr ) gemessen, der zentrale Venendruck und der Lungendruck in Zentimetern Wassersäule sind weiterhin üblich, beispielsweise bei den Einstellungen von CPAP-Geräten. Der Druck in Erdgasleitungen wird in Zoll Wassersäule gemessen und als „Zoll WC“ angegeben.

Taucher verwenden manometrische Einheiten: Der Umgebungsdruck wird in Metern Meerwasser (msw) gemessen, was einem Zehntel Bar entspricht. ^{[ 4 ] [ 5 ]} In den USA wird die Einheit Fuß Meerwasser (fsw) verwendet, basierend auf der Standardgravitation und einer Meerwasserdichte von 64 lb/ft³ ^. Laut dem Tauchhandbuch der US Navy entspricht ein fsw 0,30643 msw.0,030 643  bar oder0,444 44  psi , ^{[ 4 ] [ 5 ]} obwohl an anderer Stelle angegeben wird, dass 33 fsw14,7 psi (eine Atmosphäre), was einem fsw von etwa 0,445 psi entspricht. ^{[ 6 ]} msw und fsw sind die gebräuchlichen Einheiten zur Messung der Druckbelastung von Tauchern und werden in Dekompressionstabellen sowie als Kalibriereinheit für Pneumofathometer und Druckmessgeräte in Überdruckkammern verwendet . ^{[ 7 ]} Sowohl msw als auch fsw werden relativ zum normalen Atmosphärendruck gemessen.

In Vakuumsystemen werden am häufigsten die Einheiten Torr (Millimeter Quecksilbersäule), Mikron (Mikrometer Quecksilbersäule) ^{[ 8 ]} und Zoll Quecksilbersäule ( inHg ) verwendet. Torr und Mikron bezeichnen üblicherweise den absoluten Druck, während inHg üblicherweise den Überdruck angibt.

Atmosphärische Drücke werden üblicherweise in Hektopascal (hPa), Kilopascal (kPa), Millibar (mbar) oder Atmosphären ( atm ) angegeben. Im amerikanischen und kanadischen Ingenieurwesen wird Spannung oft in kip gemessen . Spannung ist kein echter Druck, da sie keine skalare Größe ist . Im CGS- System war die Einheit des Drucks das Barye (ba), entsprechend 1 dyn·cm⁻² ^. Im MTS- System war die Einheit des Drucks das Pieze , entsprechend 1 Sthen pro Quadratmeter.

Viele weitere Hybrideinheiten werden verwendet, wie z. B. mmHg/cm² ^oder Gramm-Kraft/cm² ⁽ manchmal auch kg/cm², ^ohne die Krafteinheiten korrekt anzugeben). Die Verwendung der Bezeichnungen Kilogramm, Gramm, Kilogramm-Kraft oder Gramm-Kraft (oder ihrer Symbole) als Krafteinheit ist im SI-System verboten; die Krafteinheit im SI-System ist das Newton (N).

Der statische Druck ist in alle Richtungen gleichmäßig, daher sind Druckmessungen in einem ruhenden (statischen) Fluid richtungsunabhängig. Eine Strömung hingegen übt zusätzlichen Druck auf Flächen senkrecht zur Strömungsrichtung aus, während sie Flächen parallel zur Strömungsrichtung kaum beeinflusst. Diese richtungsabhängige Druckkomponente in einem bewegten (dynamischen) Fluid wird als dynamischer Druck bezeichnet . Ein in Strömungsrichtung ausgerichtetes Messgerät erfasst die Summe aus statischem und dynamischem Druck; diese Messung wird als Gesamtdruck oder Stagnationsdruck bezeichnet . Da der dynamische Druck auf den statischen Druck bezogen ist, ist er weder ein Relativdruck noch ein absoluter Druck; er ist ein Differenzdruck.

Während der statische Überdruck für die Bestimmung der Nettobelastung von Rohrwandungen von primärer Bedeutung ist, dient der dynamische Druck zur Messung von Durchflussmengen und Fluggeschwindigkeiten. Der dynamische Druck lässt sich durch die Differenzdruckmessung zwischen parallel und senkrecht zur Strömung angeordneten Messgeräten ermitteln. Pitot-Rohre führen diese Messung beispielsweise in Flugzeugen durch, um die Fluggeschwindigkeit zu bestimmen. Da das Messgerät die Strömung zwangsläufig umlenkt und Turbulenzen erzeugt, ist seine Form entscheidend für die Messgenauigkeit, und die Kalibrierkurven sind häufig nichtlinear.

Ein Drucksensor ist ein Gerät zur Druckmessung von Gasen oder Flüssigkeiten . Drucksensoren werden unter anderem auch als Druckwandler , Drucktransmitter , Druckgeber , Druckanzeiger , Piezometer und Manometer bezeichnet .

Druck ist die Kraft, die benötigt wird, um die Ausdehnung eines Fluids zu verhindern, und wird üblicherweise als Kraft pro Flächeneinheit angegeben. Ein Drucksensor fungiert in der Regel als Messwandler ; er erzeugt ein Signal in Abhängigkeit vom angelegten Druck.

Drucksensoren unterscheiden sich hinsichtlich Technologie, Design, Leistung, Anwendungsbereich und Kosten erheblich. Schätzungsweise existieren weltweit über 50 Technologien und mindestens 300 Hersteller von Drucksensoren. Es gibt auch dynamische Drucksensoren, die sehr schnelle Druckänderungen erfassen. Beispiele für Anwendungen dieser Sensoren sind die Messung des Verbrennungsdrucks in einem Motorzylinder oder einer Gasturbine. Diese Sensoren werden üblicherweise aus piezoelektrischen Materialien wie Quarz gefertigt.

Manche Drucksensoren fungieren als Druckschalter , die sich bei einem bestimmten Druck ein- oder ausschalten. Beispielsweise kann eine Wasserpumpe durch einen Druckschalter so gesteuert werden, dass sie anspringt, sobald Wasser aus dem System abgelassen wird und dadurch der Druck in einem Behälter sinkt.

Druckbereich, Empfindlichkeit, dynamisches Verhalten und Kosten variieren von Instrument zu Instrument um mehrere Größenordnungen. Der älteste Typ ist das Flüssigkeitssäulenmanometer (ein mit Quecksilber gefülltes vertikales Rohr), das 1643 von Evangelista Torricelli erfunden wurde. Das U-Rohr wurde 1661 von Christiaan Huygens erfunden. ^{[ 9 ]}

Es gibt zwei grundlegende Kategorien von analogen Drucksensoren: Kraftaufnehmer und andere Typen.

Kraftkollektortypen

Diese Art von elektronischen Drucksensoren verwendet im Allgemeinen einen Kraftaufnehmer (z. B. eine Membran, einen Kolben, ein Bourdon-Rohr oder einen Balg), um die Dehnung (oder Durchbiegung) aufgrund der einwirkenden Kraft über eine Fläche (Druck) zu messen.

• Piezoresistive strain gauge: Uses the piezoresistive effect of bonded or formed strain gauges to detect strain due to an applied pressure, electrical resistance increasing as pressure deforms the material. Common technology types are silicon (monocrystalline), polysilicon thin film, bonded metal foil, thick film, silicon-on-sapphire and sputtered thin film. Generally, the strain gauges are connected to form a Wheatstone bridge circuit to maximize the output of the sensor and to reduce sensitivity to errors. This is the most commonly employed sensing technology for general purpose pressure measurement.
• Capacitive: Uses a diaphragm and pressure cavity to create a variable capacitor to detect strain due to applied pressure, capacitance decreasing as pressure deforms the diaphragm. Common technologies use metal, ceramic, and silicon diaphragms. Capacitive pressure sensors are being integrated into CMOS technology^[10] and it is being explored if thin 2D materials can be used as diaphragm material.^[11]
• Electromagnetic: Measures the displacement of a diaphragm by means of changes in inductance (reluctance), linear variable differential transformer (LVDT), Hall effect, or by eddy current principle.
• Piezoelectric: Uses the piezoelectric effect in certain materials such as quartz to measure the strain upon the sensing mechanism due to pressure. This technology is commonly employed for the measurement of highly dynamic pressures. As the basic principle is dynamic, no static pressures can be measured with piezoelectric sensors.
• Strain-Gauge: Strain gauge based pressure sensors also use a pressure sensitive element where metal strain gauges are glued on or thin-film gauges are applied on by sputtering. This measuring element can either be a diaphragm or for metal foil gauges measuring bodies in can-type can also be used. The big advantages of this monolithic can-type design are an improved rigidity and the capability to measure highest pressures of up to 15,000 bar. The electrical connection is normally done via a Wheatstone bridge, which allows for a good amplification of the signal and precise and constant measuring results.^[12]
• Optische Verfahren nutzen die physikalische Veränderung einer optischen Faser zur Dehnungsmessung unter Druckeinwirkung. Ein gängiges Beispiel hierfür sind Faser-Bragg-Gitter . Diese Technologie kommt in anspruchsvollen Anwendungen zum Einsatz, beispielsweise bei Messungen in großer Entfernung, bei hohen Temperaturen oder wenn Technologien benötigt werden, die von Natur aus unempfindlich gegenüber elektromagnetischen Störungen sind. Ein weiteres analoges Verfahren verwendet einen elastischen Film, der aus mehreren Schichten besteht und dessen reflektierte Wellenlängen sich mit dem angelegten Druck (Dehnung) verändern. ^{[ 13 ]}
• Potentiometrisch : Nutzt die Bewegung eines Schleifers entlang eines Widerstandsmechanismus, um die durch den ausgeübten Druck verursachte Dehnung zu erfassen.

• Kraftausgleich : Kraftausgeglichene Bourdon-Röhren aus Quarzglas nutzen eine spiralförmige Bourdon-Röhre, um eine Kraft auf einen schwenkbaren Anker mit einem Spiegel auszuüben. Die Reflexion eines Lichtstrahls am Spiegel erfasst die Winkelverschiebung. Um die Kraft der Röhre auszugleichen und die Winkelverschiebung auf null zu bringen, wird Strom an Elektromagnete am Anker angelegt. Der an die Spulen angelegte Strom dient als Messgröße. Dank der extrem stabilen und reproduzierbaren mechanischen und thermischen Eigenschaften von Quarzglas und des Kraftausgleichs, der die meisten nichtlinearen Effekte eliminiert, erreichen diese Sensoren eine Genauigkeit von etwa 1 ppm des Messbereichsendwertes. ^{[ 14 ]} Aufgrund der extrem feinen Quarzglasstrukturen, die in Handarbeit gefertigt werden und für deren Herstellung Expertenwissen erforderlich ist, werden diese Sensoren im Allgemeinen nur für wissenschaftliche Zwecke und Kalibrierung eingesetzt. Sensoren ohne Kraftausgleich weisen eine geringere Genauigkeit auf, und die Winkelverschiebung kann nicht mit der gleichen Präzision wie bei einer Messung mit Kraftausgleich erfasst werden. Obwohl sie aufgrund ihrer größeren Abmessungen einfacher herzustellen sind, werden sie heutzutage nicht mehr verwendet.

Andere Arten

Diese Art von elektronischen Drucksensoren nutzt andere Eigenschaften (wie die Dichte), um den Druck eines Gases oder einer Flüssigkeit zu bestimmen.

• Resonanz : Diese Technologie nutzt die Änderungen der Resonanzfrequenz eines Sensormechanismus zur Messung von Spannungen oder Änderungen der Gasdichte, die durch Druck verursacht werden. Sie kann in Verbindung mit einem Kraftaufnehmer, wie beispielsweise den oben genannten, eingesetzt werden. Alternativ kann die Resonanztechnologie auch durch Einwirkung des Mediums auf das Resonanzelement selbst genutzt werden, wobei die Resonanzfrequenz von der Dichte des Mediums abhängt. Sensoren werden aus schwingenden Drähten, schwingenden Zylindern, Quarz und Silizium- MEMS hergestellt . Im Allgemeinen gilt diese Technologie als sehr zeitstabil. Der Quetschfilm-Drucksensor ist ein MEMS-Resonanzdrucksensor, der mit einer dünnen Membran arbeitet, die einen dünnen Gasfilm mit hoher Frequenz komprimiert. Da die Kompressibilität und Steifigkeit des Gasfilms druckabhängig sind, dient die Resonanzfrequenz des Quetschfilm-Drucksensors als Maß für den Gasdruck. ^{[ 15 ] [ 16 ]}
• Thermische Druckmessung : Nutzt die Änderung der Wärmeleitfähigkeit eines Gases aufgrund von Dichteänderungen zur Druckmessung. Ein gängiges Beispiel hierfür ist das Pirani-Manometer .
• Ionisation : Sie misst den Fluss geladener Gasteilchen (Ionen), der sich aufgrund von Dichteänderungen ändert, um den Druck zu bestimmen. Gängige Beispiele sind Heiß- und Kaltkathodenmanometer.

Ein Drucksensor, ein Resonanz- Quarzkristall -Dehnungsmessstreifen mit Bourdon-Rohr -Kraftkollektor, ist der zentrale Sensor von DART . ^{[ 17 ]} DART detektiert Tsunamiwellen vom Meeresgrund des offenen Ozeans aus. Es erreicht eine Druckauflösung von etwa 1 mm Wassersäule bei Druckmessungen in mehreren Kilometern Tiefe. ^{[ 18 ]}

Hydrostatische Manometer (wie z. B. das Quecksilber-Manometer) vergleichen den Druck mit der hydrostatischen Kraft pro Flächeneinheit am Boden einer Flüssigkeitssäule. Die Messungen hydrostatischer Manometer sind unabhängig von der Art des gemessenen Gases und können so ausgelegt werden, dass sie eine sehr lineare Kalibrierung aufweisen. Ihr dynamisches Ansprechverhalten ist jedoch gering.

Kolbenmanometer gleichen den Druck einer Flüssigkeit mit einer Feder aus (z. B. Reifendruckmesser mit vergleichsweise geringer Genauigkeit) oder mit einem festen Gewicht. In diesem Fall spricht man von einem Totgewichtsmanometer , das zur Kalibrierung anderer Manometer verwendet werden kann.

Flüssigkeitssäulenmanometer bestehen aus einer Flüssigkeitssäule in einem Rohr, dessen Enden unterschiedlichen Drücken ausgesetzt sind. Die Säule steigt oder fällt, bis ihr Gewicht (die Schwerkraft) im Gleichgewicht mit der Druckdifferenz zwischen den beiden Rohrenden (der Flüssigkeitsdruck) steht. Eine sehr einfache Ausführung ist ein U-förmiges Rohr, das halb mit Flüssigkeit gefüllt ist. Eine Seite ist mit dem Messbereich verbunden, während an der anderen Seite der Referenzdruck (z. B. Atmosphärendruck oder Vakuum) anliegt. Die Differenz der Flüssigkeitsstände entspricht dem angelegten Druck. Der Druck einer Flüssigkeitssäule der Höhe h und Dichte ρ wird durch die hydrostatische Druckgleichung P = hgρ beschrieben . Daher lässt sich die Druckdifferenz zwischen dem angelegten Druck P _{_a} und dem Referenzdruck P_{₀ in einem U-Rohr-Manometer durch Lösen der Gleichung} P_{_a} − P _₀ = hgρ bestimmen . Mit anderen Worten, der Druck an beiden Enden der Flüssigkeit (in der Abbildung blau dargestellt) muss ausgeglichen sein (da die Flüssigkeit statisch ist), und so gilt: P _a = P ₀ + hgρ .

Bei den meisten Messungen in Flüssigkeitssäulen ist das Messergebnis die Höhe h , üblicherweise in mm, cm oder Zoll angegeben. Die Höhe h wird auch als Druckhöhe bezeichnet . Bei Angabe als Druckhöhe wird der Druck in Längeneinheiten angegeben, und das Messmedium muss spezifiziert werden. Wenn Genauigkeit entscheidend ist, muss auch die Temperatur des Messmediums angegeben werden, da die Dichte von Flüssigkeiten temperaturabhängig ist . So könnte die Druckhöhe beispielsweise „742,2 mmHg“ oder „4,2 in H₂O bei 59 °F“ für Messungen mit Quecksilber bzw. Wasser als Manometerflüssigkeit angegeben werden _. Die _{Bezeichnungen „ Überdruck“ oder „Vakuum“ können hinzugefügt werden ,} um zwischen einem Druck über und unter dem Atmosphärendruck zu unterscheiden. Sowohl Millimeter Quecksilbersäule als auch Zoll Wassersäule sind gängige Druckhöhen, die mithilfe der Einheitenumrechnung und der oben genannten Formeln in SI-Einheiten umgerechnet werden können.

Bei Flüssigkeiten mit signifikant hoher Dichte müssen gegebenenfalls hydrostatische Korrekturen für den Höhenunterschied zwischen der bewegten Oberfläche des Manometer-Arbeitsmediums und dem gewünschten Messpunkt vorgenommen werden. Eine Ausnahme bildet die Differenzdruckmessung einer Flüssigkeit (z. B. über eine Blende oder ein Venturi-Rohr), bei der die Dichte ρ um die Dichte der zu messenden Flüssigkeit korrigiert werden muss. ^{[ 19 ]}

Obwohl prinzipiell jede Flüssigkeit verwendet werden kann, wird Quecksilber aufgrund seiner hohen Dichte (13,534 g/cm³) und seines niedrigen Dampfdrucks bevorzugt ^. Sein konvexer Meniskus ist vorteilhaft, da dadurch Druckfehler durch Benetzung des Glases vermieden werden. Unter außergewöhnlich sauberen Bedingungen kann das Quecksilber jedoch am Glas haften bleiben, und das Barometer kann selbst unter starkem Vakuum blockieren (Quecksilber kann einen negativen Absolutdruck aushalten). ^{[ 20 ]} Für geringe Druckdifferenzen werden üblicherweise Leichtöl oder Wasser verwendet (letzteres führte zu Maßeinheiten wie Zoll Wassersäule und Millimeter Wassersäule ₎ . Flüssigkeitssäulen-Manometer weisen eine sehr lineare Kalibrierung auf. Ihr dynamisches Ansprechverhalten ist jedoch schlecht, da die Flüssigkeit in der Säule nur langsam auf Druckänderungen reagiert.

Einer der Nachteile des Quecksilber-Manometers bzw. -Barometers ist, dass sein Messwert von der Temperatur abhängt, eine Tatsache, die durch die Verwendung von Quecksilber in Glasthermometern deutlich wird .

Bei Vakuummessungen kann die Arbeitsflüssigkeit verdampfen und das Vakuum verunreinigen, wenn ihr Dampfdruck zu hoch ist. Bei Flüssigkeitsdruckmessungen kann eine mit Gas oder einer leichten Flüssigkeit gefüllte Schleife die Flüssigkeiten trennen und so deren Vermischung verhindern. Dies ist jedoch unter Umständen nicht erforderlich, beispielsweise wenn Quecksilber als Manometerflüssigkeit zur Messung des Differenzdrucks einer Flüssigkeit wie Wasser verwendet wird. Einfache hydrostatische Manometer können Drücke von wenigen Torr (einigen 100 Pa) bis zu einigen Atmosphären (etwa 1000 bar) messen.1.000.000 Pa  ) . ​

Ein einschenkliges Flüssigkeitssäulenmanometer besitzt anstelle einer Seite des U-Rohrs ein größeres Reservoir und eine Skala neben der schmaleren Säule. Die Säule kann geneigt sein, um die Flüssigkeitsbewegung zusätzlich zu verstärken. Je nach Anwendung und Aufbau werden folgende Manometertypen verwendet ^{[ 21 ].}

1. Einfaches Manometer
2. Mikromanometer
3. Differenzialmanometer
4. Umgekehrtes Differenzialmanometer

A McLeod gauge isolates a sample of gas and compresses it in a modified mercury manometer until the pressure is a few millimetres of mercury. The technique is very slow and unsuited to continual monitoring, but is capable of good accuracy. Unlike other manometer gauges, the McLeod gauge reading is dependent on the composition of the gas, since the interpretation relies on the sample compressing as an ideal gas. Due to the compression process, the McLeod gauge completely ignores partial pressures from non-ideal vapors that condense, such as pump oils, mercury, and even water if compressed enough.

0.1 mPa is the lowest direct measurement of pressure that is possible with current technology. Other vacuum gauges can measure lower pressures, but only indirectly by measurement of other pressure-dependent properties. These indirect measurements must be calibrated to SI units by a direct measurement, most commonly a McLeod gauge.^[23]

Aneroid gauges are based on a metallic pressure-sensing element that flexes elastically under the effect of a pressure difference across the element. "Aneroid" means "without fluid", and the term originally distinguished these gauges from the hydrostatic gauges described above. However, aneroid gauges can be used to measure the pressure of a liquid as well as a gas, and they are not the only type of gauge that can operate without fluid. For this reason, they are often called mechanical gauges in modern language. Aneroid gauges are not dependent on the type of gas being measured, unlike thermal and ionization gauges, and are less likely to contaminate the system than hydrostatic gauges. The pressure sensing element may be a Bourdon tube, a diaphragm, a capsule, or a set of bellows, which will change shape in response to the pressure of the region in question. The deflection of the pressure sensing element may be read by a linkage connected to a needle, or it may be read by a secondary transducer. The most common secondary transducers in modern vacuum gauges measure a change in capacitance due to the mechanical deflection. Gauges that rely on a change in capacitance are often referred to as capacitance manometers.

Das Bourdon-Manometer nutzt das Prinzip, dass sich ein abgeflachtes Rohr ^{[ 24 ]} unter Druck wieder begradigt oder seine kreisförmige Querschnittsform annimmt. (Ein Partyhorn veranschaulicht dieses Prinzip.) Diese Querschnittsänderung ist kaum wahrnehmbar und geht mit moderaten Spannungen im elastischen Bereich leicht verarbeitbarer Materialien einher. Die Materialverformung des Rohrs wird verstärkt, indem es in eine C-Form oder sogar eine Helix geformt wird, sodass sich das gesamte Rohr unter Druck elastisch begradigt oder entrollt. Eugène Bourdon patentierte sein Manometer 1849 in Frankreich, und es fand aufgrund seiner überlegenen Einfachheit, Linearität und Genauigkeit weite Verbreitung. Bourdon gehört heute zur Baumer-Gruppe und produziert weiterhin Bourdon-Rohrmanometer in Frankreich. Edward Ashcroft erwarb 1852 Bourdons amerikanische Patentrechte und wurde zu einem bedeutenden Manometerhersteller. Ebenfalls 1849 patentierte Bernard Schaeffer in Magdeburg ein erfolgreiches Membran-Manometer (siehe unten), das zusammen mit dem Bourdon-Manometer die Druckmessung in der Industrie revolutionierte. ^{[ 25 ]} Nachdem Bourdons Patente 1875 abgelaufen waren, produzierte seine Firma Schaeffer & Budenberg auch Bourdon-Rohrmanometer.

In der Praxis wird ein abgeflachtes, dünnwandiges Rohr mit geschlossenem Ende an seinem hohlen Ende mit einem festen Rohr verbunden, das die zu messende Flüssigkeit enthält. Mit steigendem Druck beschreibt das geschlossene Ende einen Bogen. Diese Bewegung wird über ein üblicherweise verstellbares Verbindungsglied in die Rotation eines Zahnradsegments umgewandelt. Auf der Zeigerwelle befindet sich ein Ritzel mit kleinem Durchmesser, dessen Übersetzung die Bewegung zusätzlich verstärkt . Die Positionierung der Anzeigekarte hinter dem Zeiger, die Ausgangsposition der Zeigerwelle, die Länge und Ausgangsposition des Verbindungsglieds ermöglichen die Kalibrierung des Zeigers, um den gewünschten Druckbereich für Abweichungen im Verhalten des Bourdon-Rohrs anzuzeigen. Differenzdrücke können mit Manometern gemessen werden, die zwei verschiedene Bourdon-Rohre mit Verbindungsgliedern enthalten (üblicherweise werden sie jedoch mit Membranen oder Balgen und einem Ausgleichssystem gemessen).

Bourdon-Rohre messen den Überdruck relativ zum Umgebungsdruck, nicht den Absolutdruck ; Vakuum wird als umgekehrte Bewegung erfasst. Einige Aneroidbarometer verwenden an beiden Enden geschlossene Bourdon-Rohre (die meisten jedoch Membranen oder Kapseln, siehe unten). Bei schnell pulsierendem Druck, beispielsweise in der Nähe einer Kolbenpumpe , wird häufig eine Drossel im Verbindungsrohr verwendet, um unnötigen Verschleiß der Zahnräder zu vermeiden und einen Mittelwert zu erhalten. Bei mechanischen Vibrationen des gesamten Manometers kann das Gehäuse (einschließlich Zeiger und Zifferblatt) mit Öl oder Glycerin gefüllt werden . Typische hochwertige moderne Manometer erreichen eine Genauigkeit von ±1 % des Messbereichs (Nenndurchmesser 100 mm, Klasse 1 EN 837-1), und ein besonders genaues Manometer kann sogar eine Genauigkeit von 0,1 % des Skalenendwerts aufweisen. ^{[ 26 ]}

Kraftausgeglichene Bourdon-Rohr-Sensoren aus Quarzglas arbeiten nach demselben Prinzip, nutzen jedoch die Reflexion eines Lichtstrahls an einem Spiegel zur Messung der Winkelverschiebung. Elektromagnete gleichen die Kraft im Rohr aus und bringen die Winkelverschiebung auf null zurück. Der an die Spulen angelegte Strom dient als Messgröße. Dank der extrem stabilen und reproduzierbaren mechanischen und thermischen Eigenschaften von Quarz und des Kraftausgleichs, der nahezu alle physikalischen Bewegungen eliminiert, erreichen diese Sensoren eine Genauigkeit von etwa 1  ppm des Messbereichsendwertes. ^{[ 27 ]} Aufgrund der extrem feinen, manuell herzustellenden Quarzglasstrukturen sind diese Sensoren im Allgemeinen auf wissenschaftliche Anwendungen und Kalibrierungszwecke beschränkt.

In den folgenden Abbildungen eines Kombinationsmanometers (Vakuum und Überdruck) wurden Gehäuse und Sichtfenster entfernt, sodass nur noch Zifferblatt, Zeiger und Prozessanschluss sichtbar sind. Dieses spezielle Manometer ist ein Kombinationsmanometer für Vakuum und Überdruck, das in der Kfz-Diagnostik eingesetzt wird.

• Die linke Seite des Zifferblatts, die zur Vakuummessung dient, ist auf ihrer äußeren Skala in Zoll Quecksilbersäule und auf ihrer inneren Skala in Zentimeter Quecksilbersäule kalibriert.
• Der rechte Teil des Zifferblatts dient zur Messung des Kraftstoffpumpendrucks bzw. des Ladedrucks und ist auf der äußeren Skala in Pfund pro Quadratzoll und auf der inneren Skala in ^kg / cm² unterteilt.

Zu den mechanischen Details gehören stationäre und bewegliche Teile.

Stationäre Teile:

Bewegliche Teile:

1. Stationäres Ende des Bourdon-Rohrs. Dieses ist über den Empfängerblock mit dem Einlassrohr verbunden.
2. Bewegliches Ende des Bourdon-Rohrs. Dieses Ende ist abgedichtet.
3. Drehpunkt und Drehzapfen
4. Verbindungsglied zwischen Drehzapfen und Hebel (5) mit Stiften zur Gelenkrotation
5. Hebel, eine Erweiterung des Sektorgetriebes (7)
6. Sektorgetriebe-Achsenbolzen
7. Sektorgetriebe
8. Die Achse der Anzeigenadel besitzt ein Stirnrad, das mit dem Sektorrad (7) kämmt und durch die Stirnfläche hindurch die Anzeigenadel antreibt. Aufgrund des geringen Abstands zwischen dem Hebelarmansatz und dem Drehzapfen sowie des Unterschieds zwischen dem effektiven Radius des Sektorrads und dem des Stirnrads wird jede Bewegung des Bourdon-Rohrs stark verstärkt. Eine kleine Bewegung des Rohrs bewirkt eine große Bewegung der Anzeigenadel.
9. Spiralfeder zur Vorspannung des Getriebes, um Zahnspiel und Hysterese zu eliminieren

Ein zweiter Typ von Aneroidmanometern nutzt die Auslenkung einer flexiblen Membran , die Bereiche mit unterschiedlichem Druck trennt. Die Auslenkung ist bei bekannten Drücken reproduzierbar, sodass der Druck mittels Kalibrierung bestimmt werden kann. Die Verformung einer dünnen Membran hängt von der Druckdifferenz zwischen ihren beiden Seiten ab. Die Referenzseite kann zur Atmosphäre hin offen sein, um den Überdruck zu messen, mit einem zweiten Anschluss verbunden sein, um den Differenzdruck zu messen, oder gegen ein Vakuum oder einen anderen festgelegten Referenzdruck abgedichtet sein, um den Absolutdruck zu messen. Die Verformung kann mechanisch, optisch oder kapazitiv gemessen werden. Es werden Keramik- und Metallmembranen verwendet. Der nutzbare Messbereich liegt oberhalb von 10⁻² ^Torr ( etwa 1 Pa ). ^{[ 28 ]} Für Absolutdruckmessungen werden häufig geschweißte Druckkapseln mit Membranen auf beiden Seiten eingesetzt. Membranformen umfassen:

• Wohnung
• Gewellt
• abgeflachtes Rohr
• Kapsel

Bei Messgeräten zur Erfassung kleiner Drücke oder Druckdifferenzen bzw. zur Messung des Absolutdrucks werden Zahnrad und Zeiger von einer geschlossenen und abgedichteten Balgkammer, dem sogenannten Aneroid , angetrieben . (Frühe Barometer nutzten eine Flüssigkeitssäule, beispielsweise aus Wasser oder flüssigem Quecksilber , die durch ein Vakuum gehalten wurde. ) Diese Balgkonstruktion findet Verwendung in Aneroidbarometern (Barometern mit Zeiger und Skala), Höhenmessern , Höhenbarographen und den Höhentelemetrieinstrumenten von Wetterballon - Radiosonden . Diese Geräte nutzen die abgedichtete Kammer als Referenzdruck und werden durch den Außendruck angetrieben. Andere empfindliche Flugzeuginstrumente wie Geschwindigkeitsmesser und Steigratenmesser ( Variometer ) sind sowohl mit dem inneren Teil der Aneroidkammer als auch mit einer externen Umhüllungskammer verbunden.

Diese Manometer nutzen die Anziehungskraft zweier Magnete, um den Differenzdruck in die Bewegung eines Zeigers umzuwandeln. Mit steigendem Differenzdruck bewegt sich ein Magnet, der entweder an einem Kolben oder einer Gummimembran befestigt ist. Ein rotierender Magnet, der mit einem Zeiger verbunden ist, bewegt sich dann synchron mit. Um unterschiedliche Druckbereiche zu erzeugen, kann die Federrate erhöht oder verringert werden.

The spinning-rotor gauge works by measuring how a rotating ball is slowed by the viscosity of the gas being measured. The ball is made of steel and is magnetically levitated inside a steel tube closed at one end and exposed to the gas to be measured at the other. The ball is brought up to speed (about 2500 or 3800 rad/s), and the deceleration rate is measured after switching off the drive, by electromagnetic transducers.^[29] The range of the instrument is 5⁻⁵ to 10² Pa (10³ Pa with less accuracy). It is accurate and stable enough to be used as a secondary standard. During the last years this type of gauge became much more user friendly and easier to operate. In the past the instrument was famous for requiring some skill and knowledge to use correctly. For high accuracy measurements various corrections must be applied and the ball must be spun at a pressure well below the intended measurement pressure for five hours before using. It is most useful in calibration and research laboratories where high accuracy is required and qualified technicians are available.^[30] Insulation vacuum monitoring of cryogenic liquids is a well suited application for this system too. With the inexpensive and long term stable, weldable sensor, that can be separated from the more costly electronics, it is a perfect fit to all static vacuums.

Metal strain gauge

The strain gauge is generally glued (foil strain gauge) or deposited (thin-film strain gauge) onto a membrane. Membrane deflection due to pressure causes a resistance change in the strain gauge which can be electronically measured.

Piezoresistive strain gauge

Uses the piezoresistive effect of bonded or formed strain gauges to detect strain due to applied pressure.

Piezoresistive silicon pressure sensor

The sensor is generally a temperature compensated, piezoresistive silicon pressure sensor chosen for its excellent performance and long-term stability. Integral temperature compensation is provided over a range of 0–50 °C using laser-trimmed resistors. An additional laser-trimmed resistor is included to normalize pressure sensitivity variations by programming the gain of an external differential amplifier. This provides good sensitivity and long-term stability. The two ports of the sensor, apply pressure to the same single transducer, please see pressure flow diagram below.

Dies ist eine stark vereinfachte Darstellung, aber sie zeigt den grundlegenden Aufbau der internen Anschlüsse des Sensors. Besonders wichtig ist hier die „Membran“, da sie den Sensor selbst darstellt. Ist sie leicht konvex geformt (in der Zeichnung stark übertrieben dargestellt)? Dies ist wichtig, da es die Genauigkeit des Sensors im Einsatz beeinflusst.

Die Form des Sensors ist wichtig, da er für die Messung in Luftstromrichtung kalibriert ist (siehe rote Pfeile). Dies ist der Normalbetrieb des Drucksensors und liefert einen positiven Messwert auf dem Display des digitalen Manometers. Wird Druck in umgekehrter Richtung angelegt, kann dies zu Messfehlern führen, da die Luftbewegung versucht, die Membran entgegen der Strömungsrichtung zu bewegen. Die dadurch entstehenden Fehler sind zwar gering, können aber dennoch relevant sein. Daher ist es für die Messung des Überdrucks stets ratsam, den höheren Druck an den positiven (+ve) Anschluss und den niedrigeren Druck an den negativen (-ve) Anschluss anzulegen. Dasselbe gilt für die Messung der Differenz zweier Unterdrücke: Der höhere Unterdruck sollte immer an den negativen (-ve) Anschluss angelegt werden. Die Druckmessung mit der Wheatstone-Brücke sieht in etwa so aus…

Das effektive elektrische Modell des Messumformers sowie eine grundlegende Signalaufbereitungsschaltung sind im Anwendungsschema dargestellt. Der Drucksensor ist eine vollaktive Wheatstone-Brücke, die mittels dickschichtiger, lasergetrimmter Widerstände temperaturkompensiert und offsetjustiert wurde. Die Brücke wird mit einem Konstantstrom angesteuert. Der Brückenausgang liegt bei +0 und -0 V, der Verstärkungsbereich wird über den Verstärkungs-Programmierwiderstand (r) eingestellt. Die elektrische Schaltung ist mikroprozessorgesteuert und ermöglicht Kalibrierung, zusätzliche Funktionen wie Skalenauswahl, Datenhaltefunktion, Nullpunktkorrektur und Filterung sowie die Aufzeichnungsfunktion zum Speichern und Anzeigen von Maximal- und Minimalwerten.

Kapazitiv

Nutzt eine Membran und einen Druckraum, um einen variablen Kondensator zu erzeugen , der die durch den ausgeübten Druck verursachte Dehnung erkennt.

Magnetisch

Misst die Auslenkung einer Membran mittels Änderungen der Induktivität (Reluktanz), LVDT , Hall-Effekt oder nach dem Wirbelstromprinzip .

Piezoelektrisch

Nutzt den piezoelektrischen Effekt in bestimmten Materialien wie Quarz, um die durch Druck verursachte Dehnung des Sensormechanismus zu messen.

Optische

Nutzt die physikalische Veränderung einer optischen Faser, um durch ausgeübten Druck verursachte Dehnung zu erkennen.

Potentiometrisch

Nutzt die Bewegung eines Schleifers entlang eines Widerstandsmechanismus, um die durch den ausgeübten Druck verursachte Dehnung zu erfassen.

Resonant

Nutzt die Veränderungen der Resonanzfrequenz in einem Sensormechanismus, um Spannungen oder Veränderungen der Gasdichte zu messen, die durch den ausgeübten Druck verursacht werden.

Im Allgemeinen steigt mit zunehmender Dichte eines realen Gases – was auf einen erhöhten Druck hindeuten kann – auch dessen Wärmeleitfähigkeit. Bei dieser Art von Messgerät wird ein Draht durch Stromfluss erhitzt. Die Temperatur des Drahtes kann dann mit einem Thermoelement oder einem Widerstandsthermometer (RTD) gemessen werden. Diese Temperatur hängt von der Wärmeabgabe des Drahtes an das umgebende Gas und somit von seiner Wärmeleitfähigkeit ab . Eine gängige Variante ist das Pirani-Manometer , das einen einzelnen Platindraht sowohl als Heizelement als auch als RTD verwendet. Diese Manometer messen im Bereich von 10⁻³ ^Torr  bis 10 Torr , ihre Kalibrierung reagiert jedoch empfindlich auf die chemische Zusammensetzung der gemessenen Gase.

Ein Pirani-Manometer besteht aus einem Metalldraht, der dem zu messenden Druck ausgesetzt ist. Der Draht wird durch einen Stromfluss erhitzt und durch das umgebende Gas gekühlt. Sinkt der Gasdruck, verringert sich der Kühleffekt, wodurch die Gleichgewichtstemperatur des Drahtes steigt. Der Widerstand des Drahtes ist temperaturabhängig : Durch Messung der Spannung am Draht und des Stroms lässt sich der Widerstand (und somit der Gasdruck) bestimmen. Dieses Manometer wurde von Marcello Pirani erfunden .

Bei Zweidraht-Thermometern dient eine Drahtspule als Heizelement, die andere zur Temperaturmessung durch Konvektion . Thermoelement- und Thermistor-Thermometer funktionieren nach diesem Prinzip: Sie nutzen ein Thermoelement bzw. einen Thermistor zur Messung der Temperatur des beheizten Drahtes.

Ionisationsvakuummeter sind die empfindlichsten Messgeräte für sehr niedrige Drücke (auch als Hartvakuum oder Hochvakuum bezeichnet). Sie messen den Druck indirekt, indem sie die elektrischen Ionen erfassen, die beim Beschuss eines Gases mit Elektronen entstehen. Gase mit geringerer Dichte erzeugen weniger Ionen. Die Kalibrierung eines Ionisationsvakuummeters ist instabil und hängt von der Art des gemessenen Gases ab, die nicht immer bekannt ist. Sie können mit einem McLeod-Vakuummeter kalibriert werden , das deutlich stabiler und unabhängig von der Gaszusammensetzung ist.

Bei der thermionischen Emission werden Elektronen freigesetzt, die mit Gasatomen kollidieren und positive Ionen erzeugen . Diese Ionen werden von einer geeignet vorgespannten Elektrode, dem sogenannten Kollektor, angezogen. Der Strom im Kollektor ist proportional zur Ionisierungsrate, welche wiederum vom Druck im System abhängt. Daher lässt sich durch Messung des Kollektorstroms der Gasdruck bestimmen. Es gibt verschiedene Arten von Ionisationsmanometern.

Die meisten Ionisationsmanometer gibt es in zwei Ausführungen: Heißkathoden- und Kaltkathodenmanometer. Bei der Heißkathodenversion erzeugt ein elektrisch beheizter Glühfaden einen Elektronenstrahl. Die Elektronen durchdringen das Manometer und ionisieren die umgebenden Gasmoleküle. Die entstehenden Ionen werden an einer negativen Elektrode aufgefangen. Der Strom hängt von der Ionenanzahl ab, welche wiederum vom Druck im Manometer abhängt. Heißkathodenmanometer haben eine Genauigkeit von 10⁻³ ^Torr  bis 10⁻¹⁰ ^Torr  . Das Prinzip der Kaltkathodenversion ist dasselbe, nur dass die Elektronen durch eine Hochspannungsentladung erzeugt werden. Kaltkathodenmanometer haben eine Genauigkeit von 10⁻² ^Torr  bis 10⁻⁹ ^Torr  . Die Kalibrierung von Ionisationsmanometern reagiert sehr empfindlich auf die Geometrie des Geräts, die chemische Zusammensetzung der gemessenen Gase, Korrosion und Oberflächenablagerungen. Ihre Kalibrierung kann durch Aktivierung bei Atmosphärendruck oder niedrigem Vakuum ungültig werden. Die Zusammensetzung von Gasen im Hochvakuum ist in der Regel unvorhersehbar, daher muss für genaue Messungen ein Massenspektrometer in Verbindung mit einem Ionisationsmanometer verwendet werden. ^{[ 31 ]}

Ein Heißkathoden-Ionisationsmanometer besteht im Wesentlichen aus drei Elektroden, die zusammen eine Triode bilden , wobei die Kathode der Glühfaden ist. Die drei Elektroden sind Kollektor (oder Anode), Glühfaden und Gitter . Der Kollektorstrom wird mit einem Elektrometer in Pikoampere gemessen . Die Glühfadenspannung gegen Erde beträgt üblicherweise 30 Volt, die Gitterspannung 180–210 Volt Gleichspannung, sofern nicht eine optionale Elektronenbeschussfunktion vorhanden ist . Durch Erhitzen des Gitters kann dieses ein hohes Potenzial von etwa 565 Volt erreichen.

Das gebräuchlichste Ionisationsmanometer ist das Bayard-Alpert-Manometer mit heißer Kathode , bei dem sich ein kleiner Ionenkollektor im Inneren des Gitters befindet. Die Elektroden können von einem Glaskolben mit einer Öffnung zum Vakuum umgeben sein, üblicherweise wird das Manometer jedoch direkt in die Vakuumkammer eingeführt, wobei die Messspitzen durch eine Keramikplatte in der Kammerwand geführt werden. Heißkathodenmanometer können beschädigt werden oder ihre Kalibrierung verlieren, wenn sie im heißen Zustand atmosphärischem Druck oder sogar einem niedrigen Vakuum ausgesetzt sind. Die Messwerte eines Heißkathoden-Ionisationsmanometers sind stets logarithmisch.

Die vom Glühfaden emittierten Elektronen bewegen sich mehrmals in Hin- und Herbewegungen um das Gitter, bevor sie schließlich in dieses eintreten. Während dieser Bewegungen kollidieren einige Elektronen mit einem Gasmolekül und bilden ein Ion-Elektron-Paar ( Elektronenionisation ). Die Anzahl dieser Ionen ist proportional zur Dichte der Gasmoleküle multipliziert mit dem vom Glühfaden emittierten Elektronenstrom. Diese Ionen strömen in den Kollektor und bilden dort einen Ionenstrom. Da die Dichte der Gasmoleküle proportional zum Druck ist, wird der Druck durch Messung des Ionenstroms bestimmt.

Die Empfindlichkeit von Heißkathoden-Vakuummetern gegenüber niedrigen Drücken wird durch den photoelektrischen Effekt begrenzt. Elektronen, die auf das Gitter treffen, erzeugen Röntgenstrahlen, die im Ionenkollektor photoelektrisches Rauschen hervorrufen. Dies begrenzt den Messbereich älterer Heißkathoden-Vakuummeter auf 10⁻⁸ ^Torr  und den des Bayard-Alpert-Vakuummeters auf etwa 10⁻¹⁰ ^Torr  . Zusätzliche Drähte auf Kathodenpotential in der Sichtlinie zwischen Ionenkollektor und Gitter verhindern diesen Effekt. Bei Extraktions-Vakuummetern werden die Ionen nicht von einem Draht, sondern von einem offenen Kegel angezogen. Da die Ionen nicht entscheiden können, welchen Teil des Kegels sie treffen, durchdringen sie die Öffnung und bilden einen Ionenstrahl. Dieser Ionenstrahl kann dann weitergeleitet werden an:

• Faraday-Becher
• Mikrokanalplattendetektor mit Faraday-Becher
• Quadrupol-Massenspektrometer mit Faraday-Becher
• Quadrupol-Massenspektrometer mit Mikrokanalplattendetektor und Faraday-Becher
• Ionenlinse und Beschleunigungsspannung werden auf ein Target gerichtet, um eine Sputterkanone zu bilden . In diesem Fall lässt ein Ventil Gas in den Gitterkäfig strömen.

Es gibt zwei Untertypen von Kaltkathoden- Ionisationsmanometern: das Penning-Manometer (erfunden von Frans Michel Penning ) und das invertierte Magnetron , auch Redhead-Manometer genannt . Der Hauptunterschied zwischen den beiden liegt in der Position der Anode relativ zur Kathode . Beide besitzen keinen Glühfaden und benötigen zum Betrieb eine ^{Gleichspannung} von etwa 4 kV . Invertierte Magnetrons können Drücke bis zu 1 × 10⁻¹² Torr messen .

Ebenso können Kaltkathodenmanometer bei sehr niedrigen Drücken Schwierigkeiten beim Starten haben, da das nahezu vollständige Fehlen eines Gases die Erzeugung eines Elektrodenstroms erschwert – insbesondere bei Penning-Manometern, die ein axialsymmetrisches Magnetfeld nutzen, um Elektronenwege in der Größenordnung von Metern zu erzeugen. In der Umgebungsluft werden geeignete Ionenpaare allgegenwärtig durch kosmische Strahlung gebildet; bei einem Penning-Manometer erleichtern Konstruktionsmerkmale den Aufbau eines Entladungspfads. Beispielsweise ist die Elektrode eines Penning-Manometers üblicherweise fein verjüngt, um die Feldemission von Elektronen zu begünstigen.

Die Wartungsintervalle von Kaltkathoden-Vakuummetern werden im Allgemeinen in Jahren gemessen, abhängig von der Gasart und dem Betriebsdruck. Der Einsatz eines Kaltkathoden-Vakuummeters in Gasen mit einem hohen Anteil organischer Bestandteile, wie z. B. Pumpenölfraktionen, kann zur Bildung empfindlicher Kohlenstofffilme und -partikel im Inneren des Vakuummeters führen, die schließlich entweder einen Kurzschluss zwischen den Elektroden verursachen oder die Entladungsbildung behindern.

Vergleich von Druckmessgeräten ^{[ 32 ]}

Physikalische Phänomene	Instrument	Grundgleichung	Begrenzende Faktoren	Praktischer Druckbereich	Ideale Genauigkeit	Ansprechzeit
Mechanisch	Flüssigkeitssäulenmanometer	${\displaystyle \Delta P=\rho gh}$		atm bis 1 mbar
Mechanisch	Kapsel-Zifferblattanzeige		Reibung	1000 bis 1 mbar	±5 % des Skalenendwerts	Langsam
Mechanisch	Dehnungsmessstreifen			1000 bis 1 mbar		Schnell
Mechanisch	Kapazitätsmanometer		Temperaturschwankungen	atm bis 10 −6 mbar	±1 % des Messwerts	Langsamer mit montiertem Filter
Mechanisch	McLeod	Boyle-Mariotte Gesetz		10 bis 10 −6 mbar [ 33 ]	±10 % des Messwerts zwischen 10−4 und 5⋅10−2 mbar
Transport	Rotierender Rotor ( Widerstand )			10−1 bis 10−7 mbar ​	±2,5 % des Messwerts zwischen 10−7 und 10−2 mbar 2,5 bis 13,5 % zwischen 10−2 und 1 mbar
Transport	Pirani ( Wheatstone-Brücke )		Wärmeleitfähigkeit	1000 bis 10 −3 mbar (konstante Temperatur) 10 bis 10 −3 mbar (konstante Spannung)	±6 % des Messwerts zwischen 10−2 und 10 mbar	Schnell
Transport	Thermoelement ( Seebeck-Effekt )		Wärmeleitfähigkeit	5 bis 10 −3 mbar	±10 % des Messwerts zwischen 10−2 und 1 mbar
Ionisation	Kaltkathode (Penning)		Ionisierungsausbeute	10−2 bis 10−7 mbar ​	+100 bis -50 % des Messwerts
Ionisation	Heiße Kathode (Ionisation durch thermionische Emission induziert)		Niedrigstrommessung; parasitäre Röntgenstrahlung	10−3 bis 10−10 mbar ​	±10% zwischen 10−7 und 10−4 mbar ±20 % bei 10−3 und 10−9 mbar , ±100 % bei 10−10 mbar

Wenn sich Fluidströmungen nicht im Gleichgewicht befinden, können lokale Drücke höher oder niedriger als der mittlere Druck im Medium sein. Diese Störungen breiten sich von ihrer Quelle als longitudinale Druckschwankungen entlang des Ausbreitungsweges aus. Dies wird auch als Schall bezeichnet. Schalldruck ist die momentane lokale Druckabweichung vom mittleren Druck, die durch eine Schallwelle verursacht wird. Schalldruck kann mit einem Mikrofon in Luft und einem Hydrophon in Wasser gemessen werden. Der effektive Schalldruck ist der Effektivwert des momentanen Schalldrucks über ein bestimmtes Zeitintervall. Schalldrücke sind im Allgemeinen klein und werden oft in Mikrobar angegeben.

• Frequenzgang von Drucksensoren
• Resonanz

Die American Society of Mechanical Engineers (ASME) hat zwei separate Normen zur Druckmessung entwickelt: B40.100 und PTC 19.2. B40.100 enthält Richtlinien für Manometer mit analoger und digitaler Druckanzeige, Membrandichtungen, Dämpfungsglieder und Druckbegrenzungsventile. PTC 19.2 bietet Anweisungen und Hinweise zur genauen Bestimmung von Druckwerten gemäß den ASME-Leistungsprüfnormen. Die Wahl der Methode, der Messgeräte, der erforderlichen Berechnungen und der anzuwendenden Korrekturen hängt vom Zweck der Messung, der zulässigen Messunsicherheit und den Eigenschaften des Prüflings ab.

Es werden die Methoden zur Druckmessung und die Protokolle zur Datenübertragung erläutert. Hinweise zur Einrichtung der Messgeräte und zur Bestimmung der Messunsicherheit werden gegeben. Informationen zu Gerätetyp, Bauart, anwendbarem Druckbereich, Genauigkeit, Ausgangssignal und relativen Kosten werden bereitgestellt. Darüber hinaus werden Informationen zu Druckmessgeräten für den Feldeinsatz, wie z. B. Kolbenmanometer, Manometer und Vakuummessgeräte, bereitgestellt.

Diese Methoden dienen der Bewertung der Messunsicherheit auf Basis aktueller Technologien und ingenieurtechnischer Erkenntnisse unter Berücksichtigung veröffentlichter Gerätespezifikationen sowie Mess- und Anwendungstechniken. Diese Ergänzung bietet Hinweise zur Anwendung von Methoden zur Bestimmung der Druckmessunsicherheit.

• EN 472 : Manometer - Vokabular.
• EN 837-1: Manometer. Bourdon-Rohr-Manometer. Abmessungen, Messtechnik, Anforderungen und Prüfung.
• EN 837-2: Manometer. Auswahl- und Installationsempfehlungen für Manometer.
• EN 837-3: Manometer. Membran- und Kapselmanometer. Abmessungen, Messtechnik, Anforderungen und Prüfung.

• B40.100-2013: Manometer und Manometerzubehör.
• PTC 19.2-2010 : Der Leistungsprüfcode für Druckmessungen.

Drucksensoren haben viele Anwendungsgebiete:

• Drucksensorik

Hierbei handelt es sich um die relevante Messgröße, den Druck , ausgedrückt als Kraft pro Flächeneinheit. Dies ist nützlich für Wetterinstrumente, Flugzeuge, Automobile und alle anderen Maschinen, die über eine Druckmessfunktion verfügen.

• Höhenmessung

Dies ist nützlich in Flugzeugen, Raketen, Satelliten, Wetterballons und vielen anderen Anwendungen. All diese Anwendungen nutzen den Zusammenhang zwischen Druckänderungen und der Höhe. Dieser Zusammenhang wird durch die folgende Gleichung beschrieben: ^{[ 34 ]} Diese Gleichung ist für einen Höhenmesser bis zu einer Höhe von 11.000 m (36.090 Fuß) kalibriert . Außerhalb dieses Bereichs entsteht ein Fehler, der für jeden Drucksensor unterschiedlich berechnet werden kann. Diese Fehlerberechnungen berücksichtigen den durch die Temperaturänderung mit zunehmender Höhe verursachten Fehler. $${\displaystyle h=(1-(P/P_{\mathrm {ref} })^{0.190284})\times 145366.45\mathrm {ft} }$$

Barometrische Drucksensoren erreichen eine Höhenauflösung von unter einem Meter, was deutlich besser ist als bei GPS-Systemen (Höhenauflösung ca. 20 Meter). In Navigationsanwendungen werden Höhenmesser eingesetzt, um zwischen verschiedenen Straßenebenen für die Autonavigation und verschiedenen Geschossebenen in Gebäuden für die Fußgängernavigation zu unterscheiden.

• Durchflussmessung

Hierbei werden Drucksensoren in Verbindung mit dem Venturi-Effekt zur Durchflussmessung eingesetzt. Gemessen wird der Differenzdruck zwischen zwei Segmenten eines Venturi-Rohrs mit unterschiedlicher Öffnungsweite. Die Druckdifferenz zwischen den beiden Segmenten ist direkt proportional zum Durchfluss durch das Venturi-Rohr. Da die Druckdifferenz relativ gering ist, wird fast immer ein Niederdrucksensor benötigt.

• Niveau-/Tiefenmessung

A pressure sensor may also be used to calculate the level of a fluid. This technique is commonly employed to measure the depth of a submerged body (such as a diver or submarine), or level of contents in a tank (such as in a water tower). For most practical purposes, fluid level is directly proportional to pressure. In the case of fresh water where the contents are under atmospheric pressure, 1psi = 27.7 inH₂O / 1Pa = 9.81 mmH₂O. The basic equation for such a measurement is $${\displaystyle P=\rho gh}$$ where P = pressure, ρ = density of the fluid, g = standard gravity, h = height of fluid column above pressure sensor

• Leak testing

A pressure sensor may be used to sense the decay of pressure due to a system leak. This is commonly done by either comparison to a known leak using differential pressure, or by means of utilizing the pressure sensor to measure pressure change over time.

• Groundwater measurement

A piezometer is either a device used to measure liquid pressure in a system by measuring the height to which a column of the liquid rises against gravity, or a device which measures the pressure (more precisely, the piezometric head) of groundwater^[35] at a specific point. A piezometer is designed to measure static pressures, and thus differs from a pitot tube by not being pointed into the fluid flow. Observation wells give some information on the water level in a formation, but must be read manually. Electrical pressure transducers of several types can be read automatically, making data acquisition more convenient.

Die ersten Piezometer in der Geotechnik waren offene Brunnen oder Steigrohre (manchmal auch Casagrande-Piezometer genannt ) ^{[ 36 ]} , die in einen Grundwasserleiter installiert wurden . Ein Casagrande-Piezometer besitzt typischerweise ein massives Verrohrungssystem bis zur gewünschten Tiefe und ein geschlitztes oder mit einem Sieb versehenes Verrohrungssystem innerhalb der Zone, in der der Wasserdruck gemessen wird. Das Verrohrungssystem wird mit Ton, Bentonit oder Beton im Bohrloch abgedichtet, um zu verhindern, dass Oberflächenwasser das Grundwasser verunreinigt. In einem ungespannten Grundwasserleiter entspricht der Wasserstand im Piezometer nicht exakt dem Grundwasserspiegel , insbesondere wenn die vertikale Komponente der Fließgeschwindigkeit signifikant ist. In einem gespannten Grundwasserleiter unter artesischen Bedingungen zeigt der Wasserstand im Piezometer den Druck im Grundwasserleiter an, jedoch nicht unbedingt den Grundwasserspiegel. ^{[ 37 ]} Piezometerbrunnen können einen deutlich kleineren Durchmesser als Förderbrunnen haben; Steigrohre mit 5 cm Durchmesser sind üblich.

Piezometer in robusten Gehäusen können vergraben oder in den Boden gedrückt werden, um den Grundwasserdruck am Installationsort zu messen. Die Druckmessgeräte (Transducer) arbeiten mit Schwingdraht-, pneumatischen oder Dehnungsmessstreifen und wandeln den Druck in ein elektrisches Signal um. Diese Piezometer sind mit Kabeln an die Oberfläche angeschlossen, wo sie von Datenloggern oder tragbaren Auslesegeräten erfasst werden können. Dies ermöglicht schnellere oder häufigere Messungen als mit offenen Steigrohr-Piezometern.

• US Navy (1. Dezember 2016). US Navy Diving Manual Revision 7 SS521-AG-PRO-010 0910-LP-115-1921 (PDF) . Washington, DC: US ​​Naval Sea Systems Command. Archiviert (PDF) vom Original am 28. Dezember 2016.

• Selbstgebautes Manometer
• Manometer