Druckmesstechnik: Grundlagen

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/m^²) entspricht; es gibt jedoch auch andere technische Einheiten. Die gebräuchlichsten sind: bar, psi, kgf/cm^², 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 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.

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:

P_abs = P_gauge + P_atm

Wobei:

P_abs = Absolutdruck

P_gauge = Relativdruck

P_atm = 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 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.

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

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)

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