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Druckmessung Archives - STS Switzerland (DE)
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Dehnungsmessstreifen (DMS) in der Druckmesstechnik

Dehnungsmessstreifen (DMS) in der Druckmesstechnik

Bei Dehnungsmessstreifen (DMS) handelt es sich um Messeinrichtungen, die durch mechanische Verformungen ihren elektrischen Widerstand ändern. Genutzt werden sie in einer Vielzahl von Messinstrumenten, neben Waagen und Kraftaufnehmern gehören auch Druckaufnehmer dazu.

Druckmessgeräte verwenden verschiedene physikalische Grössen, darunter Induktivität, Kapazität oder Piezoelektrizität. Die häufigste physikalische Grösse, mit der Druckmessumformer arbeiten, ist jedoch der elektrische Widerstand, der an sich verformenden metallischen oder den piezoresistiven Effekt nutzenden Halbleiter-Dehnungsmessstreifen zu beobachten ist. Hier wird der Druck über eine mechanische Vorformung ermittelt. Die Dehnungsmessstreifen werden auf einem elastischen Träger aufgebracht. Es ist dabei wichtig, dass die Dehnungsmessstreifen den Bewegungen des Trägers folgen können. Wirkt ein Druck auf den Träger, kommt es durch die ausgelöste Verformung zu einer Querschnittsänderung der Leiterbahnen. Dies bewirkt wiederum eine Änderung des elektrischen Widerstandes. Es ist letztlich diese Änderung des elektrischen Widerstandes, die ein Druckmessumformer erfasst und über die der Druck ermittelt wird.

Abbildung 1: Dehnungsmesstreifen verformen sich unter Druck

Es wird also durch die auf den Leiter wirkende Verformung dessen Länge l geändert (Δl). Da das Volumen gleich bleibt, ändert sich der Querschnitt und damit der Ohmsche Widerstand R:

ΔR/R = k Δl/l

Die Widerstandsänderung ΔR verhält sich proportional zur Längenänderung ^l. Der Proportionalitätsfaktor k ist von der Geometrie und den Materialeigenschaften abhängig. Während k bei metallischen Leitern 2 ist, kann er bei Halbleitern sehr hoch sein. Durch die relativ hohen k-Faktoren von Halbleitern sind diese empfindlicher und können daher bereits kleinste Druckänderungen messen. Allerdings ist die Temperaturabhängigkeit dadurch ebenfalls höher.

Die Widerstandsänderung bei metallischen DMS ergibt sich aus den Veränderungen der Abmessungen (Geometrie). Bei den Halbleiter-DMS ist die Änderung auf Veränderungen der Kristallstruktur zurückzuführen (piezoresistiver Effekt).

Die Auswertung der durch eine druckbedingte Verformung ausgelöste Widerstandsänderung erfolgt über eine Brückenschaltung. Zu diesem Zwecke werden die DMS zu einer Wheatstonschen Messbrücke verschalten (Abbildung 2). Zwei der DMS werden in radialer, zwei in tangentialer Richtung gelegt. Somit werden bei einer Verformung zwei gedehnt und zwei gestaucht. Damit Temperatureffekte kompensiert werden können und ein möglichst lineares Signal erzeugt wird, ist es wichtig, dass die DMS die gleichen Widerstände haben und mit einer exakten Geometrie angeordnet werden.

Abbildung 2: Brückenschaltung

Metallische DMS

Bei metallischen DMS wird zwischen Folien-DMS und Dünnfilm-DMS unterschieden.

Folien-DMS bestehen aus gewalzter, nur wenige Mikrometer dicken Folie. Üblicherweise wird Konstantan als Werkstoff verwendet, aber auch Karma und Modco werden eingesetzt, besonders wenn ein grösserer Temperaturbereich nötig ist oder die Temperaturen unter -150 °C liegen. Konstantan hat einen sehr geringen k-Faktor von 2,05 und ist somit nicht sehr empfindlich. Dafür zeigt der Werkstoff eine geringe Temperaturabhängigkeit, weshalb er auch am häufigsten für Folien-DMS genutzt wird.

Folien-DMS werden eher in Kraftaufnehmern eingesetzt. Für die Druckaufnehmer sind sie oftmals nicht empfindlich genug. So sind Werte von weniger als 1 bar nicht mit ihnen zu erfassen. Auch ist der Temperaturbereich vergleichsweise eingeschränkt, sodass je nach Ausführung bereits Temperaturen von 80 °C nicht überschritten werden sollten.

Dünnfilm-DMS werden mit der sogenannten Dünnschichttechnik hergestellt, beispielsweise Aufdampfen oder Aufsputtern. Der Fertigungsvorgang ist also etwas aufwendiger und damit auch kostspieliger als bei Folien-DMS. Dafür ist ein Temperaturbereich von 170 °C möglich. Auch die Langzeitstabilität ist sehr hoch.

Metallische Dünnfilm-DMS ermöglichen langzeitstabile, jedoch auch zum Teil recht teure Messgeräte. Dabei gilt: Je geringer die zu erfassenden Drücke, desto höher der Fertigungspreis. Geringe Drücke von weniger als 6 bar werden mit einer schlechten Genauigkeit erfasst.

Halbleiter-DMS

Halbleiter-DMS arbeiten mit dem piezoresistiven Effekt. Als Werkstoff dient in den meisten Fällen Silizium. Halbleiter-DMS sind tendenziell empfindlicher als metallische DMS. Auch werden sie üblicherweise durch eine Trennmembran von dem Medium getrennt. Der Druck wird dann über eine Übertragungsflüssigkeit weitergegeben.

Abbildung 3: Piezoresitive Messeinheit

Bei Halbleitermaterialien ist der piezoresistive Effekt etwa 50-fach stärker ausgeprägt als bei metallischen DMS. Entweder werden die Halbleiter-DMS auf einen Träger geklebt oder direkt aufgesputtert. Letzteres ermöglicht eine intensive Verbindung und ermöglicht Hysteresefreiheit sowie Alterungs- und Temperaturbeständigkeit. Obwohl der piezoresistive Effekt nicht allein den Halbleiter-DMS vorbehalten ist, hat sich die Bezeichnung „piezoresistiver Druckaufnehmer“ für solche Messinstrumente eingebürgert, bei denen die elastische, sich unter Druck deformierende Struktur und die Widerstände in einem Chip integriert sind. Piezoresistive Druckaufnehmer können klein und (abgesehen von der Membrane) ohne bewegliche Teile gebaut werden. Die Herstellung beruht auf den normalen Halbleiterfabrikationsmethoden. Gleichzeitig ergibt sich die Möglichkeit, Widerstände und die elastische, sich unter Druck deformierende Membrane in einem Chip zu integrieren und damit eine Druckmesszelle in Chipgrösse herzustellen.

 

Piezo-Dünnfilm-DMS werden auf einem Siliziumträger aufgebracht und durch eine isolierende Schicht vom Träger getrennt. Das erhöht den Fertigungsaufwand und damit auch den Preis. Dafür sind Temperaturbereiche von -30 °C bis 200 ° C möglich. Dank des sehr elastischen Verhaltens von Silizium ist nur mit einer geringen Hysterese zu rechnen. Der hohe k-Faktor bewirkt eine hohe Empfindlichkeit. Somit sind piezoresistive Druckmessumformer bei kleinsten Druckbereichen im mbar Bereich die erste Wahl. Darüber hinaus können Geräte mit sehr geringen Abmessungen produziert werden, was sich positiv auf die Einsatzmöglichkeiten auswirkt. Die Langzeitstabilität ist wie auch die EMV-Verträglichkeit gut. Letztere ist natürlich vom Trägermaterial abhängig. Dafür erfordert die Temperaturkompensation etwas mehr Aufwand. Doch auch diese Herausforderung lässt sich gut in den Griff bekommen. Mehr zur Temperaturkompensation lesen Sie hier.

Dickfilm-DMS werden auf keramische oder metallische Membranen gedruckt. Mit einer Dicke von 20 Mikrometern sind sie bis zu 1000-fach dicker als Dünnfilm-DMS. Aufgrund des geringen Fertigungsaufwand sind sie günstiger im Preis, durch die Alterung der Dickschicht jedoch auch nicht sehr langzeitstabil.

Fazit: Die Art der verwendeten DMS hat einen grossen Einfluss auf das Messinstrument. Faktoren wie Preis, Genauigkeit und Langzeitstabilität spielen eine wichtige Rolle bei der Wahl des passenden Druckmessumformers. Am leistungsfähigsten haben sich unserer Erfahrung nach Druckmessumformer mit Piezo-Dünnfilm-DMS gezeigt, da sie dank ihrer Empfindlichkeit weite Druckbereiche mit hoher Präzision erfassen können und eine gute Langzeitstabilität aufweisen.

Mechanische Simulation im Vorfeld anspruchsvoller Druckmessvorhaben

Mechanische Simulation im Vorfeld anspruchsvoller Druckmessvorhaben

Ingenieurwissenschaftliche Methoden und moderne Technologien ermöglichen es Herstellern, Druckmessumformer so zu konstruieren, dass sie den Anforderungen der Praxis gerecht werden. Das ist besonders im Hinblick auf anspruchsvolle Anwendungen unerlässlich.

Bei der Erschließung von Offshore-Ölfeldern sind die Rahmenbedingungen denkbar schwierig. Fernab vom Festland und in grosser Tiefe werden Druckmessumformer hohen Belastungen ausgesetzt. Ein Funktionsversagen ist extrem kostspielig, da bei Versagen das Modul aus der Tiefsee geborgen und anschließend wieder installiert werden muss. Es ist essentiell, vorab verlässliche Aussagen über die Funktionstüchtigkeit unter den zu erwartenden Bedingungen zu treffen. Daher werden die einzelnen Komponenten der Druckmessumformer zunächst einer mechanischen Simulation den Umweltbedingungen in der Tiefsee ausgesetzt.

Abbildung 1: FEM-Simulation eines Sensor-Gehäuses

Im Rahmen der mechanischen Simulation kommt die Finite-Elemente-Methode (FEM) zum Einsatz. Dabei handelt es sich um ein gängiges numerisches Verfahren zur Untersuchung der Festigkeit von Körpern mit einer geometrisch komplexen Form. Dabei wird der zu untersuchende Festkörper, also beispielsweise das Gehäuse eines Druckmessumformers, in finite Elemente, sprich Teilkörper, aufgeteilt. Es handelt sich also um eine physikalische Modellierung mittels rechenintensiver Software, anhand derer ermittelt wird, ob die finiten Elemente und letztlich auch die Gesamtkonstruktion den zu erwartenden Kräften standhalten würde. Im Rahmen der Ölexploration geht es in erster Linie um die sehr hohen Drücke. Bei einer Meerestiefe von 2.500 Metern – keinesfalls ungewöhnlich bei diesem Anwendungsgebiet – lastet ein Druck von 250 bar auf das Gehäuse. Neben diesem Aussendruck ist auch der Prozessdruck zu berücksichtigen, der durchaus auch erheblich höher sein kann (es kann beispielsweise zu Druckspitzen kommen).

Bei der Finite-Elemente-Methode werden also noch keine fertigen Druckmessumformer auf ihre Festigkeit hin untersucht, sondern möglichst realitätsgenaue Modellierungen. Wird eine Lösung gefunden, die den Spezifikationen des Anwenders entspricht, wird das Produkt im Rahmen eines Experiments getestet – dieses findet dann nicht mehr virtuell statt. Bei einer individuellen Druckmesslösung für Anwender in der Offshore Ölförderung ist hier in erster Linie das Experiment in der Druckkammer von Bedeutung. Durch diese hyperbarischen Tests werden die Ergebnisse der Finite-Elemente-Methode validiertund die Belastungsgrenze der Komponenten oder des Gesamtsystems eruiert. So kann letztlich sichergestellt werden, das Anwender mit besonderen Anforderungen an die Sensorik ein Produkt erhalten, dass zuverlässig seinen Dienst verrichtet.

Abbildung 2: Schliffbilder zweier Sensorgehäuse. Links: keine Druckbeaufschlagung, rechts: nach einem hyperbarischen Test bei 1500 bar. Es treten keine Veränderungen auf, das Gehäuse ist stabil.

In Abbildung 2 sind die Schliffbilder zweier baugleicher Sensorgehäuse zu sehen. Das links gezeigte Gehäuse wurde keinem Druck ausgesetzt, das rechte wurde beaufschlagt mit einem Druck von 1.500 bar. Das entspricht einer Wassersäule von 15 Kilometern und damit weitaus mehr als am tiefsten Punkt der See. Durch eine Optimierung des Bauteils mittels der Finite-Elemente-Methode konnte es so modelliert werden, dass es diesem enormen Druck standhält. Zum Vergleich: Der Marianengraben als tiefster Punkt des Meeres ist 11 Kilometer tief.  Druckmessungen im Marianengraben sollten damit also kein Problem darstellen. Der Sicherheitsaufschlag für die meisten Anwendungen ist hier also sehr hoch und ein zuverlässiges Funktionieren ist gewährleistet.

Weitere Anwendungsfälle der Finite-Elemente-Methode

Nicht nur für Hochdruckanwendungen sind mechanische Simulationen sinnvoll. Wie an anderer Stelle bereits beschrieben, ist die Temperatur ein wichtiger Einflussfaktor bei der piezoresistiven Druckmessung. Nehmen wir als Beispiel die Abgasleitung eines Kraftfahrzeuges. Hier herrschen sehr hohe Temperaturen, die die Grenzen eines Druckmessumformers übersteigen können. Mittels der Finite-Elemente-Methode wird in diesem Anwendungsfall also untersucht, wie der Druckmessumformer konstruiert werden muss, damit nicht mehr als 150 °C auf die Messzelle wirken.

Auch im Niederdruckbereich können mechanische Simulationen sinnvoll sein. Denn mechanische Veränderungen haben im Niederdruck viel grössere Auswirkungen: Während Messabweichungen im mbar Bereich bei einer Hochdruckanwendung kaum ausschlaggebend sein dürften, ist dies bei einem Messbereich unter einem bar bereits signifikant. Ein Beispiel: Das Verbindungselement zwischen Messchip und Gehäuse ist in der Regel ein Klebstoff. Ist das Drehmoment bei der Montage des Druckmessumformers zu hoch, könnte diese Verbindung gelöst oder auch nur geringfügig verändert werden, und es würden Verspannungen auf die Messzelle übertragen. Das kann bereits zu gravierenden Messfehlern führen. Auch die Eigenschaften des verwendeten Klebers lassen sich durch die Finite-Elemente-Methode modellieren. Ziel muss es dabei natürlich sein, nicht die Belastungsgrenze des Verbindungselements herauszufinden und dem Anwender mitzugeben, sondern eine Lösung zu finden, die alle möglichen Drehmomente während der Montage problemlos aushält.

Der Aufwand mechanischer Simulationen lohnt sich auf lange Sicht. Nicht nur können Produkte dahingehend konstruiert werden, dass sie geforderten Spezifikationen entsprechen. Dadurch wird es auch möglich, das Design dahingehend zu optimieren, dass die Produkte so anwenderfreundlich wie möglich sind.

Verschmutzung als Ursache für Drift bei Drucksensoren

Verschmutzung als Ursache für Drift bei Drucksensoren

Man kennt das Sprichwort: Wo gehobelt wird, fallen Späne. In der Entwicklung neuer Verbrennungsmotoren bedeutet das konkret: Russpartikel oder Ölablagerungen können die eingesetzte Sensorik verschmutzen.

Die Folge solcher Verschmutzungen sind zunehmend ungenaue Messergebnisse. Wird beispielsweise das Abgassystem eines neuen Verbrennungsmotors mit Druckmessumformern überwacht, so wird sich im Laufe der Zeit mehr und mehr Feinstaub auf der Membran des Sensors absetzen. Die Membranen piezoresistiver Drucksensoren sind sehr dünn, damit sie hochpräzise Messergebnisse liefern. Bildet sich mit der Zeit aber eine Russschicht auf ihr, verringert dies die Empfindlichkeit des Druckmessumformers.

Druckmessumformer vor Feinstaub schützen

Anwender merken diese Drift des Sensors, indem sie Referenzdruckmessungen durchführen. Sie werden erhebliche Differenzen zwischen den Werten dieses Referenzdruckmessers und dem verschmutzten Sensor feststellen. Oftmals geben aber schon die Erfahrungswerte der Anwender Aufschluss, wenn die Messsignale zu stark von den zu erwartenden Ergebnissen abweichen. Auch starke Schwankungen in den Messwerten können ein Indikator für Verschmutzung sein.

Generell empfiehlt STS Anwendern, bei denen der Sensor mit Schmutz in Kontakt kommt, diesen nach maximal 100 Betriebsstunden zu warten. Darüber hinaus kann man auch versuchen, den Sensor so gut wie möglich vor Verschmutzung zu schützen. Dazu gibt es zwei gängige Methoden.

Methode 1: Schutzfolie

Die erste Methode ersetzt nicht die Wartung des Sensors nach maximal 100 Stunden, erleichtert aber die Reinigung und schont die Membran. Hier wird einfach eine metallische, sehr dünne Schutzfolie auf die Membran aufgebracht, um diese vor Verunreinigungen zu bewahren. Nach maximal 100 Betriebsstunden wird diese Folie einfach abgezogen und durch eine neue ersetzt.

Methode 2: Kühladapter

Mit dieser Methode können Anwender zwei Fliegen mit einer Klappe schlagen. Indem dem Druckanschluss ein Kühladapter bzw. ein klimatisches Ventil vorgeschraubt wird, wird die Membrane weitestgehend vor Verschmutzung geschützt. Das klimatische Ventil öffnet sich nur, wenn es tatsächlich etwas zu messen gibt. Wenn also keine permanente Drucküberwachung gefordert ist, kann dies eine gute Methode sein, um den Verschmutzungsgrad des eingesetzten Sensors minimal zu halten.

Zur gleichen Zeit lässt sich über dieses Kühlelement auch eine konstante Sensortemperatur sicherstellen. Neben Membranverschmutzung hat schliesslich auch die Temperatur einen Effekt auf die Messgenauigkeit piezoresistiver Druckmessumformer (Mehr zum Einfluss von Temperatur auf die Genauigkeit von Drucksensoren lesen Sie hier).

Reinigung von Drucksensoren bei Ölverschmutzungen

Bei der Entwicklung von Schiffsmotoren kommt es zu Verunreinigungen durch Schweröl. Besonders eingesetzte Additive setzen sich dabei auf der Membran ab und können diese gar beschädigen. Diese Ablagerungen verringern die Sensibilität des Druckmessumformers. Daher muss auch hier regelmässig gewartet werden.

Um die Verschmutzungen und die Folgen davon möglichst gering zu halten, sollte schon bei der Wahl eines Drucksensors auf dessen Beschaffenheit geachtet werden. Empfohlen wird eine Edelstahlmembran, die frontbündig ist und keine Kanäle, in denen sich kleinste Ablagerungen bilden können, aufweist. Auch gilt: je glatter, desto besser. Denn auf einer rauen Membran lagern sich schneller unerwünschte Partikel ab. Sie ist auch schwerer zu reinigen.

Um einen verschmutzten Drucksensor zu reinigen, entfernt man diesen aus der Anwendung. Als Reinigungsmittel empfiehlt sich Isopropanol (IPA). Während das Sensorgehäuse keine besondere Vorsicht erfordert, sollte die Membran ohne starken Druck behandelt werden, beispielsweise mithilfe von Wattestäbchen. Auf keinen Fall sollte mit Druckluft gearbeitet werden. Die Membranen sind sehr dünn, wird zu viel Druck ausgeübt, kommt es zu Verformungen.

Vibrationen: Der Drucksensor schwingt mit

Vibrationen: Der Drucksensor schwingt mit

In so gut wie allen Anwendungen, die im Zusammenhang mit Kompressoren, Turbinen und Motoren stehen, kommt es zu Vibrationen, die natürlich auch auf die Messsensorik wirken. Ohne entsprechende Vorkehrungen, kann dies die Funktionalität der eingesetzten Druckmessumformer beeinträchtigen.

Die Auswirkungen von Vibrationen auf Drucksensoren können gravierend sein: Einerseits kann durch Überlagerung das Messsignal gestört werden. Überträgt sich die Schwingung auf das Ausgangssignal, erhalten Anwender keine brauchbaren Messergebnisse. Dieser Effekt lässt sich ohne zeitliche Verzögerung beobachten. Durch Dauerbelastung kann es auch zu einer Materialermüdung kommen. Schweissnähte können brechen, Schraubverbindungen lösen sich. Ob verfälschte Messergebnisse oder gebrochene mechanische Verbindungen: Vibrationen können Drucksensoren unbrauchbar machen. Zum Glück lassen sich diese unerwünschten Effekte weitestgehend minimieren.

Schäden an der Druckmesstechnik durch Vibrationen vorbeugen

Prävention ist die beste Massnahme. Dazu gehört, dass Anwender Kenntnis von den auftretenden Vibrationen in der jeweiligen Anwendung haben. Es gilt also im ersten Schritt, die Vibrationsfrequenz einer Anwendung zu ermitteln. Vibrationen verursachen nicht per se Schäden. In den Datenblättern der Hersteller ist oft unter „Prüfungen“ aufgeschlüsselt, in welchem Frequenzbereich keine Störungen auftreten. Dabei findet die Norm DIN EN 60068-2-6 Anwendung. Bei dem beschriebenen Prüfverfahren wird der Prüfling über eine vorgegeben Prüfdauer einem definierten Frequenzbereich unterworfen. Ziel ist es, die charakteristischen Frequenzen des Prüflings zu spezifizieren. Das Prüfverfahren wird in Abbildung 1 dargestellt.

Abbildung 1: Qualifizierung eines Prototypen: Drucksensor wird in einen Aluminiumblock eingeschraubt, der mechanisch (Vibration, Beschleunigung) belastet wird.

Ist mit starken Vibrationen zu rechnen, die die Spezifikationen des Drucksensors übersteigen, kommen in erster Linie zwei Herangehensweisen in Betracht. In der ersten geht es um die räumliche Dimension: Wie gross ist der Druckmessumformer und wo wird er montiert? Es gilt: Je schwerer und grösser ein Druckmessumformer, desto grösser die Wirkung der Schwingungen und umso geringer die Widerstandsfähigkeit. Es kann also von Vorteil sein, einen kleinen Drucksensor in stark schwingenden Anwendungen zu verwenden, wie beispielsweise den ATM.mini, der aufgrund seiner geringen Masse von Vibrationen wenig beeinträchtigt wird.

Abgesehen von den Dimensionen des Druckmessumformers ist auch dessen Position in der Anwendung entscheidend. Liegt er in der Vibrationsachse, bekommt er weniger Schwingungen ab. Wird er allerdings quer zur Vibrationsachse montiert, muss er das volle Ausmass der Vibrationen aushalten.

Darüber hinaus kann der Druckmessumformer selbst so ausgerüstet werden, dass er Vibrationen besser verkraftet. Hierfür wird der Drucksensor mit einer weichen Vergussmasse aufgegossen, die die Vibrationen dämpft und somit die mechanischen Teile entsprechend schützt. In Abbildung 2 ist diese Vergussmasse als transparent-gläzend zu erkennen.

Abbildung 2: Drucksensor mit Vergussmasse 

Zusammenfassend lässt sich festhalten, dass starke Vibrationen die Messsensorik schädigen können. Durch die Wahl eines für die Anwendung passenden Drucksensors (Frequenzbereich, Dimensionen) sowie einer optimalen Montage (bspw. in der Vibrationsachse) lassen sich die Auswirkungen der Schwingungen minimieren. Weiteren Schutz bietet das Aufgiessen des Sensors mit einer dämpfenden Vergussmasse (siehe Abbildung 2).

Die Grundlagen hygienegerechter Druckmessung

Die Grundlagen hygienegerechter Druckmessung

Die Anforderungen an Druckmessumformer sind in der Lebensmittel- und Pharmaindustrie sowie in der Biotechnologie und angeschlossenen Industrien (beispielsweise die Verpackungs- und Abfüllindustrie) besonders hoch. Im Folgenden beschreiben wir, was von Anwendern dieser Industriezweige bei der Wahl eines geeigneten Druckmessumformers zu beachten ist.

Das Hauptaugenmerk bei der Druckmessung in den oben genannten Industrien liegt natürlich auf der Hygiene. Die Kontamination der Produkte sowie die Vermehrung von Keimen muss zum Schutz von Mensch und Umwelt unterbunden werden. In sensiblen Umgebungen eingesetzte Druckmessumformer müssen daher mit den Vorschriften der jeweiligen Behörden (Europa: EHEDG; USA: FDA) konform sein. Neben den verwendeten Materialien sind auch die Konstruktion der Druckmessumformer zu beachten.

Aufbau des Druckmessumformers

Hygienegerechte Druckmessumformer müssen leicht zu reinigen sein und Keimen entsprechend wenig Angriffsfläche bieten. Dies beginnt bei der Bauweise der Messinstrumente. Toträume, Spalten und Kanten sind daher zu vermeiden, da sich an diesen Stellen Keime sammeln können und die Reinigung erschwert wird.

Ein ebenso wichtiger Aspekt ist der Anschluss. Die Druckmessumformer müssen schnell demontierbar sein, da in sensiblen Anwendungen häufig gereinigt wird und die Dichtungen regelmässig gewechselt werden. Dieser Umstand schliesst Schraubgewinde in der Regel aus. Es gibt aber auch noch einen weiteren Grund unabhängig der Demontage: Schraubgewinde bieten Verunreinigungen mehr Angriffsfläche. Darum haben hygienegerechte Druckmessumformer in der Regel Milch Flansche, Clamp Flansche und DIN Flansche.

Es gilt also, alle Komponenten bündig zu koppeln und auf eine effiziente Montage/Demontage zu achten.

Materialien des Druckmessumformers

Auch bei den Materialien steht der Aspekt der Reinigung im Vordergrund. Dies beginnt mit den Oberflächen der gewählten Materialien. Sowohl Membran als auch andere mit dem Medium in Kontakt stehende Elemente des Drucktransmitters sollen über eine möglichst geringe Rauheit verfügen. Je rauer ein Material, desto eher können Keime daran anhaften und desto schwieriger ist die Reinigung. Eine Rauheit von 0,8 μm ist in hygienegerechten Anwendungen Standard, wenngleich nicht für jeden Prozess optimal. Um höchsten Ansprüchen zu genügen, sollte auf eine Rauheit von ≤ 0.4 μm geachtet werden.

Rauheit entsteht natürlich auch durch Korrosion. Daher spielt das Gehäusematerial eine wichtige Rolle bei hygienegerechten Druckmessumformern. Es sollten nur hochwertige Edelstahle mit einem geringen Ferritanteil verwendet werden, um Korrosion weitestgehend auszuschliessen. Als Beispiel sei hier der Werkstoff 1.4404, auch als V4A Stahl bekannt, genannt, der dank seines 2%-igen Molybdän-Anteils erhöhten Anforderungen an die Korrosionsbeständigkeit gerecht wird. Bezüglich der Eignung von Konstruktionswerkstoffen für einzelne Prozesse gibt die EHEDG Richtlinien aus.

Das Gebot der Glattheit trifft selbstverständlich auch auf die Dichtungsmaterialien zu, die chemisch und thermisch beständig sein müssen. Sind sie es nicht, werden sie mit der Zeit porös und bieten somit Keimen eine ideale Angriffsfläche. STS verwendet für seine hygienegerechten Drucktransmitter Viton, ein Fluorelastomer mit hoher thermischer und chemischer Beständigkeit, das Kohlenwasserstoffen selbst bei höheren Temperaturen standhält, ohne aufzuquellen oder porös zu werden.

Die Anforderung an die verwendeten Materialien ergibt sich aus den Reinigungsprozessen der Lebensmittel- und Pharmaindustrie sowie der Biotechnologie: In geschlossenen Anlagen eingesetzte Druckmessumformer müssen Cleaning in Place (CIP)- und Sterilisation in Place (SIP)-Reinigungsverfahren aushalten. In diesen Verfahren werden Anlagen ohne weitere Demontage gereinigt. Um die Beanspruchung auf die Materialien deutlich zu machen, soll das CIP-Verfahren kurz dargestellt werden:

  1. Im ersten Schritt werden grobe Verunreinigung durch ein Vorspülen mit Wasser entfernt.
  2. Als nächstes wird ein alkalisches Mittel verwendet.
  3. Mit Wasser wird das alkalische Reinigungsmittel ausgespült.
  4. Um Kalk und ähnliche Ablagerungen zu entfernen, werden die Anlagen mit einer Säure gespült.
  5. Die Säure wird mit Wasser ausgespült.
  6. Ein Desinfektionsmittel wird zu Abtötung von Mikroorganismen eingesetzt.
  7. Spülung mit Reinstwasser.

Bei dem SIP-Verfahren wird Wasserdampf mit einer durchschnittlichen Temperatur von 140 Grad Celsius in die Anlage gegeben. Die Druckmessumformer müssen also auch entsprechende Temperaturen unbeschadet überstehen.

Ein letzter Aspekt bei der Materialwahl ist die Druckübertragungsflüssigkeit. Bei „normalen“ Drucktransmittern werden oftmals Silikonöle verwendet. Diese können aber bei einer Beschädigung des Druckmessumformers die Prozessmedien verunreinigen. Bier würde beispielsweise nicht mehr schäumen, um ein vergleichsweise harmlosen Beispiel aus der Lebensmittelindustrie zu nennen. Es dürfen entsprechend nur von den Behörden gelistete Flüssigkeiten zum Einsatz kommen.

ATM/F – Hygienegerechter Transmitter

Weitere Aspekte / Sonderfälle

Während die oben genannten Aspekte zu einer hygienegerechten Druckmessung gehören, gibt es noch zwei weitere Punkte, die für manche Anwender von Belang sein könnten. Darunter zählt sicherlich die Explosionssicherheit mit ATEX-Zertifizierung. Darüber hinaus kann auch die Möglichkeit der Nachjustage, die die meisten Drucktransmitter nicht mehr haben, ein wichtiger Kostenfaktor sein. In besonders kritischen Prozessen der Biotechnologie oder Pharmaindustrie müssen die eingesetzten Messinstrumente alle drei Monate validiert werden. Können diese in einem Kalibrierlabor gegebenenfalls neu eingestellt werden, ist dies ein nicht zu verachtender Vorteil.

Ein weiterer Sonderfall kann die Kombination von Druck- und Temperaturmessung sein. Ein Kunde von STS brauchte beispielsweise neben der Druckmessung auch eine Temperaturüberwachung an einer Verpackungsmaschine für sterile Injektionsnadeln. Wenn beide Anwendungen in einem hygienegerechten Instrument vereint werden können, minimiert dies sowohl den Platzbedarf als auch den Reinigungsaufwand.

Dieser Sonderfall ist letztlich aber auch exemplarisch für die Druckmessung in sensiblen Umgebungen: Anwender müssen strenge Vorschriften erfüllen. Und diese können sich von Prozess zu Prozess unterscheiden (beispielsweise hinsichtlich der erlaubten Materialien). Dank des modularen Bauprinzips von STS können hygienegerechte Druckmessumformer jedoch binnen kürzester Zeit auf individuelle Anforderungen hin angepasst werden.

Rückführung bei der Kalibrierung von Druckmessumformern

Rückführung bei der Kalibrierung von Druckmessumformern

Mechanische, chemische und thermische Belastungen lassen die Genauigkeit eines Druckmessumformers mit der Zeit abnehmen. Daher sollten sie regelmässig kalibriert werden. In diesem Zusammenhang spielt der Begriff Rückführung eine wichtige Rolle.

Bei der Kalibrierung von Druckmessumformern geht es darum, deren Präzision zu überprüfen und veränderte Messwerte frühzeitig zu erkennen. Eine Kalibrierung findet somit vor einer Justierung statt, bei der eventuelle Funktionsstörungen behoben werden. Eine Kalibrierung wird unter Zuhilfenahme eines Referenzgerätes (Normal) vorgenommen. Die Genauigkeit dieses Referenzgeräts muss zu einem nationalen Normal rückführbar sein, um wichtigen Normenreihen wie EN ISO 9000 und EN 45000 zu entsprechen.

Die Kalibrierhierarchie

Um eine Vergleichbarkeit der Messergebnisse zu gewährleisten, müssen sich diese über eine Kette von Vergleichsmessungen auf ein nationales Normal rückführen lassen. Wenn wir uns diese Hierarchie als Pyramide vorstellen, so nimmt die Genauigkeit aufsteigend zu. An der Spitze steht das nationale Normal, wie es die Nationalen Institute für Metrologie nutzen. In Deutschland ist dies die für das Messwesen zuständige Physikalisch Technische Bundesanstalt (PTB). Bei dem Bezugsnormal (auch Primärnormal) handelt es sich in der Regel um eine Druckwaage. Mit einer Messunsicherheit von < 0,005% bietet sie die grösstmögliche Genauigkeit.

Um ihrem Auftrag nachzukommen, Wissenschaft und Wirtschaft Dienstleistungen im Bereich der Kalibrierung anzubieten, arbeitet die PTB mit akkreditierten Kalibrierlaboratorien zusammen. Diese nutzen Werks- oder Gebrauchsnormale, die in regelmässigen Abständen mit den Bezugsnormalen der nationalen Institute kalibriert werden. Gebrauchsnormale stehen in der Hierarchie direkt unter den Bezugsnormalen und weisen eine typische Messunsicherheit von > 0,005 % bis 0,05 % auf. Werksnormale, wie sie auch im Rahmen der Qualitätssicherung bei der Fertigung eingesetzt werden, haben eine typische Messunsicherheit von > 0,05 % bis 0,6 %. Auf der niedrigsten Stufe der Hierarchie befinden sich innerbetriebliche Prüfgeräte

Jedes dieser Referenzgeräte wird mithilfe des in der Hierarchie nächsthöheren Normals kalibriert. Die Messunsicherheit des Normals sollte dabei drei- bis viermal geringer sein als die des zu kalibrierenden Referenzgeräts.

Das innerbetrieblich genutzte Prüfgerät muss auf das nationale Normal zurückgeführt werden können. Rückführung beschreibt also den Prozess, bei dem die Anzeige eines Messgerätes in einer oder mehreren Stufen – je nachdem um welche Art Gerät es sich dabei handelt – mit einem Primärnormal für die betreffende Messgrösse verglichen werden kann. Die Deutsche Akkreditierungsstelle (DakkS) hat für eine Rückführung folgende Elemente festgelegt:

  1. Die Vergleichskette darf nicht unterbrochen werden (z.B. indem eine Stufe übersprungen wird und ein Prüfgerät direkt mit dem Bezugsnormal verglichen wird).
  2. Die Messunsicherheit muss für jede Stufe der Kette bekannt sein, damit die Gesamtunsicherheit für die komplette Kette berechnet werden kann.
  3. Jeder einzelne Schritt der Messkette muss dokumentiert werden.
  4. Jede Stelle, die einen oder mehrere Schritte der Rückführung durchführt, muss ihre Kompetenz durch entsprechende Akkreditierungen nachweisen können.
  5. Die Vergleichskette muss bei Primärnormalen zur Darstellung der SI-Einheiten enden.
  6. In regelmässigen Abständen müssen Nachkalibrierungen durchgeführt werden. Die Zeitabstände hängen von einer Vielzahl Faktoren ab, unter anderem der Gebrauchshäufigkeit sowie der Gebrauchsart.

Detailliertere Informationen zur Rückführung von Mess- und Prüfmitteln auf nationale Normale stellt die DAkkS hier zur Verfügung.

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