Druckmesstechnik: Grundlagen

Warum ist die Druckmesstechnik wichtig?

Druck ist eine der meistgemessenen Prozessgrößen in der Industrie. Durch die Messung von Druck ist es möglich, Sicherheit und Qualität über verschiedene industrielle Prozesse hinweg zu gewährleisten. Aber was ist Druck? Vereinfacht gesagt, kann Druck als eine Kraft definiert werden, die auf eine Fläche wirkt und gleichmäßig verteilt ist. Die Druckmesstechnik wird häufig verwendet, um indirekt andere Prozessgrößen wie Durchfluss, Füllstand und Dichte zu bestimmen.

Rechnerisch betrachtet, wird Druck definiert als:

Druck (Pa) = Kraft (N) ÷ Fläche (m2)

Die SI-Einheit für Druck ist Pa (Pascal), was 1 Newton pro Quadratmeter (N/m²) entspricht; es gibt jedoch auch andere technische Einheiten. Die gebräuchlichsten sind: bar, psi, kgf/cm², kPa, mmH2O und mmHg.

Bei unter Druck stehenden Flüssigkeiten und Gasen verteilt sich der in einem Gefäß enthaltene Druck gleichmäßig über die gesamte Innenfläche – dies wurde von dem Physiker Blaise Pascal im Pascalschen Gesetz definiert.

Abbildung 1 – Kräfteverteilung innerhalb einer Fläche

Abbildung 1 – Kräfteverteilung innerhalb einer Fläche

Was ist der Unterschied zwischen Absolutdruck und Relativdruck?

Abbildung 2 - Druckskalen

Abbildung 2 - Druckskalen

Drucktransmitter können den Prozessdruck mit zwei verschiedenen Skalen messen: der Absolut- und der Relativdruckskala. Der Hauptunterschied zwischen Absolut- und Relativdruck ist die Referenz, die sie verwenden. Die Absolutskala beginnt beim absoluten Vakuum, während die Relativdruckskala beim atmosphärischen Druck beginnt. Absolut- und Relativdruckmessgeräte haben unterschiedliche Bauformen. Der Hauptgrund dafür ist, dass beim Relativdruck der atmosphärische Druck von Ort zu Ort und je nach Wetterbedingungen variiert und daher ständig kompensiert werden muss.

Drucktransmitter für Absolutdruck

Mit Absolutdrucktransmittern wird der Prozessdruck mit dem absoluten Vakuum als Referenz gemessen. Das absolute Vakuum ist ein unveränderlicher Wert, weshalb der gemessene Druck nicht weiter kompensiert werden muss. Da die Absolutdruckskala bei 0 bar abs beginnt, hat diese Skala keine negativen Werte.

Auf Meeresspiegelhöhe zeigt ein handelsüblicher Sensor ohne zusätzlichen Druck ungefähr 1,013 bar abs an, was dem atmosphärischen Druck entspricht.

Rechnerisch kann der Absolutdruck wie folgt dargestellt werden:

Pabs = Pgauge + Patm

Wobei:

Pabs = Absolutdruck

Pgauge = Relativdruck

Patm = Atmosphärendruck

Drucktransmitter für Absolutdruck werden typischerweise in der Industrie für Vakuumanwendungen, wie z.B. Vakuumverpackungen, Vakuumtrockner und auch für den Volumenausgleich von Gasen eingesetzt.

Abbildung 3 - Aufbau eines Absolutdrucksensors

Abbildung 3 - Aufbau eines Absolutdrucksensors

Relativdruckmessgeräte

Abbildung 4 - Aufbau eines Relativdrucksensors

Abbildung 4 - Aufbau eines Relativdrucksensors

Relativdruckmessgeräte, auch Relativdrucktransmitter genannt, messen den Prozessdruck mit dem Atmosphärendruck als Referenz. Da der Atmosphärendruck jedoch von Ort zu Ort und je nach Wetterbedingungen variiert, muss er kompensiert werden.

Das Messgerät ist so aufgebaut, dass der Sensor den Prozessdruck misst und eine kleine Öffnung zur Atmosphäre die Kompensation des atmosphärischen Drucks ermöglicht; folglich wird der Überdruck bzw. Relativdruck gemessen. Die Relativdruckskala beginnt bei 0 bar g und kann negative Werte bis -1,013 bar g annehmen, was dem absoluten Vakuum entspricht.

Ein handelsüblicher Relativdrucksensor, auf den kein zusätzlicher Druck ausgeübt wird, zeigt ungefähr 0 bar g an, unabhängig davon, ob er sich auf Meereshöhe oder in unterschiedlichen Höhen befindet.

Relativdruckwerte werden durch eine drucktechnische Einheit, gefolgt von „g“, oder vereinfacht durch die drucktechnische Einheit dargestellt. Z. B.: 10 bar g oder 10 bar.

Rechnerisch kann der Relativdruck wie folgt dargestellt werden:

Pgauge = Pabs + Patm

Wobei:

Pabs = Absolutdruck

Pgauge = Relativdruck

Patm = Atmosphärendruck

Relativdruckmessgeräte werden für eine Vielzahl von Anwendungen eingesetzt, z. B. zur Drucküberwachung und -regelung von hydraulischen und pneumatischen Systemen, Tanks, Rohrleitungen, Luftkanälen und Füllstandsmesstechnik an offenen Tanks.

Zu den Relativdruckmessgeräten

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Differenzdrucktransmitter

Differenzdrucktransmitter werden zur Messung der Druckdifferenz zwischen zwei Punkten eingesetzt. Sie sind so aufgebaut, dass der Sensor zwei Prozessanschlüsse hat, die als Hochdruck- und Niederdruckanschluss bezeichnet oder einfach als HP bzw. LP dargestellt werden. Der auf der Hochdruckseite gemessene Druck wird von dem auf der Niederdruckseite gemessenen Druck subtrahiert, und als Ergebnis wird der Differenzdruck gemessen.

Differenzdrucktransmitter sind vielseitige Geräte und können in verschiedenen Industrieanwendungen eingesetzt werden, wie z. B. in der Füllstandmesstechnik an druckbeaufschlagten Tanks, in der Durchflussmesstechnik von Flüssigkeiten, Gasen und Dampf sowie für die Dichtemessung von Flüssigkeiten.

Abbildung 5 - Aufbau eines Differenzdrucksensors

Abbildung 5 - Aufbau eines Differenzdrucksensors

Hydrostatische Druckmessgeräte

Abbildung 6 – Hydrostatische Druckmessgeräte

Abbildung 6 – Hydrostatische Druckmessgeräte

Hydrostatische Druckmessgeräte werden bei der Füllstandsmesstechnik eingesetzt. Durch die Messung des Drucks, den eine Flüssigkeitssäule über dem Sensor ausübt, ist es möglich, den Füllstand zu bestimmen. Der vom Sensor gemessene Druck ist proportional zur Höhe der Flüssigkeitssäule, die sich über dem Sensor befindet, unabhängig von der Form des Behälters, wie der Physiker Simon Stevin im Stevinschen Theorem feststellte.

Hydrostatische Druckmessgeräte folgen dem gleichen Messprinzip wie Relativdruckmessgeräte, sind jedoch als Tauchsonde ausgeführt. Da der Sensor eingetaucht ist, wird ein Entlüftungsrohr für den atmosphärischen Druckausgleich zusammen mit dem elektrischen Kabel montiert. Das Entlüftungsrohr sollte niemals blockiert werden, da sonst die Genauigkeit des Sensors beeinträchtigt werden kann.

Konventionelle Relativdruckmessgeräte werden auch häufig zur Füllstandsmessung an offenen Tanks verwendet. Bei einigen Anwendungen wie Bohrlöchern oder unterirdischen Tanks ist es jedoch nicht möglich, einen Transmitter extern an der Tankwand zu installieren. In diesem Fall können tauchfähige hydrostatische Druckmessgeräte eingesetzt werden.

Entdecken Sie hydrostatische Druckmessgeräte

Abbildung 7 – Relativdruckmessgeräte (links); Hydrostatische Druckmessgeräte (rechts)

Abbildung 7 – Relativdruckmessgeräte (links); Hydrostatische Druckmessgeräte (rechts)


Wie wählt man einen Drucktransmitter?

Die Auswahl eines geeigneten Drucktransmitters kann eine Herausforderung sein, da es eine Vielzahl von Modellen gibt, die eine große Bandbreite an verschiedenen Anwendungen in der Industrie mit unterschiedlichen Anforderungen und Prozessbedingungen abdecken. Die Beantwortung einiger Fragen gibt einen besseren Einblick darüber, welches Gerät ausgewählt werden sollte:

1) Was ist die Anwendung?

Die Anforderungen der Anwendung bestimmen den Typ des erforderlichen Geräts. Für einige Anwendungen muss ein Relativdruckmessgerät verwendet werden, für andere wäre ein Absolutdruckmessgerät besser. Soll bei Erreichen eines bestimmten Druckes ein Alarm oder ein Relais ausgelöst werden, so sind Druckschalter zu empfehlen. Wenn nur eine lokale Anzeige benötigt wird, können Manometer eine kostengünstige Lösung sein.

2) Welcher Messbereich wird gefordert?

Es sollte ein Drucktransmitter mit einem für die Anwendung kompatiblen Messbereich gewählt werden, um seine maximale Effizienz zu gewährleisten. Zu große Transmitter haben Genauigkeitsprobleme, wenn sie mit niedrigen Drücken arbeiten. Zu kleine Transmitter würden einfach keinen Druck oberhalb ihres maximalen Bereichs messen und der Sensor könnte auch durch zu hohen Druck beschädigt werden. Auch ein zu starkes Vakuum kann einige Sensoren beschädigen. Daher ist es wichtig, bei Anwendungen mit Vakuum die Vakuumfestigkeit des ausgewählten Sensors zu überprüfen.

3) Was sind die Eigenschaften des Mediums?

Bestimmte Arten von Flüssigkeiten und Gasen können mit einigen Materialien chemisch reagieren. Flüssigkeiten, die Partikel enthalten, können auf bestimmte Materialien abrasiv wirken und so zu vorzeitigem Verschleiß führen. Daher muss die Kompatibilität zwischen der gemessenen Flüssigkeit und den Sensormaterialien überprüft werden. Die gängigsten Sensormaterialien sind: Edelstahl, Keramik oder Edelstahl beschichtet mit speziellen Legierungen wie Gold-Rhodium. Metallsensoren können im Vergleich zu einem keramischen Sensor mit höheren Drücken arbeiten. Keramiksensoren sind jedoch unter Vakuumanwendungen leistungsfähiger und resistenter. Was die Festigkeit betrifft, so sind keramische Sensoren im Vergleich zu metallischen Sensoren beständiger gegen Abrieb, chemische Korrosion und Druckstöße.

4) Welche Genauigkeit wird gefordert?

Je nach Anwendung kann die Genauigkeit ein Schlüsselfaktor für die Einhaltung von Qualitätsstandards im Prozess oder im Endprodukt sein. Die verschiedenen Modelle von Sensoren und Transmittern können unterschiedliche Genauigkeitsgrade aufweisen. Es gibt Sensoren, die für jede Art von Anwendung geeignet sind: für Anwendungen, bei denen ein hohes Maß an Genauigkeit entscheidend ist, oder für Anwendungen, bei denen die Genauigkeit nicht so wichtig ist.

5) Wie hoch ist die Prozesstemperatur?

Jeder Transmitter hat einen Temperaturbereich, für den er ausgelegt ist. Es lohnt sich also zu prüfen, ob der gewählte Transmitter für die geforderte Prozesstemperatur geeignet ist. Einige Sensoren sind speziell für den Betrieb unter kryogenen oder hohen Temperaturen ausgelegt.

6) Welcher Prozessanschluss wird benötigt?

Der Prozessanschluss ist der mechanische Teil, der den Sensor mit dem Prozess verbindet. Adapter sollten immer vermieden werden. Daher ist es wichtig, einen Sensor mit einem kompatiblen Prozessanschluss zu wählen. Für hygienische Anwendungen wird der Einsatz von Prozessanschlüssen mit Hygienezulassung empfohlen, um Verunreinigungen im Prozess zu vermeiden.

7) Welches Ausgangssignal wird benötigt?

Wenn der Messwert an eine Steuerungstechnik oder ein anderes Gerät gesendet werden soll, lohnt es sich zu prüfen, ob das Ausgangssignal des Transmitters von diesem Gerät unterstützt wird. Die gebräuchlichsten Ausgangstypen sind 4-20 mA und 0-10 V für Drucktransmitter, PNP/NPN und Relais für Druckschalter. Geräte mit industriellen Kommunikationsprotokollen wie HART-Kommunikation und IO-Link sind ebenfalls weit verbreitet.

Sind weitere Informationen über Druckmessgeräte erforderlich?

Sind Sie sich nicht sicher, welches Druckmessgerät für Ihre Bedürfnisse am besten geeignet ist? Unser Ingenieurteam unterstützt Sie gerne bei der Auswahl:

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