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Drucksensortechnologie Archives - STS Switzerland (DE)
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Temperaturkompensation: Der Schlüssel zur Genauigkeit

Temperaturkompensation: Der Schlüssel zur Genauigkeit

Bei der Wahl des richtigen Druckmessumformers ist das Wissen um die auftretenden Temperaturen von grösster Wichtigkeit. Denn ist die eingesetzte Messtechnik nicht entsprechend temperaturkompensiert, kommt es zu gravierenden Ungenauigkeiten und anderen Risiken.

Darum müssen Anwender schon vorab wissen, welche Temperaturen bei ihrem konkreten Anwendungsfall zu erwarten sind. Dabei geht es um zwei Werte: Die Mediumtemperatur und die Umgebungstemperatur. Beide Werte sind von Belang. Die Mediumtemperatur ist der Wert, mit der der Druckanschluss in Kontakt kommt. Die Umgebungstemperatur ist der Wert, der in der Umgebung der Anwendung auftritt und letztlich die elektrischen Anschlüsse betrifft. Beide Werte können sich stark voneinander unterscheiden und unterschiedliche Folgen haben.

Warum ist die Temperatur ein wichtiger Faktor?

Die in piezoresistiven Druckmessumformern eingesetzten Materialien weisen eine gewisse Temperaturabhängigkeit auf (Hier lesen Sie mehr zum Thema Temperaturverhalten piezoresistiver Druckmessumformer). Daher verändert sich das Messverhalten des Druckaufnehmers auch mit der Temperatur. In der Folge kommt es zu temperaturbedingten Nullpunktverschiebungen und Spannefehlern. Einfach ausgedrückt: Wird ein Druck von 10 bar bei 25 °C und ein zweites Mal bei 100 °C angefahren, erhält man unterschiedliche Messwerte. Für Anwender bedeutet dies beim Blick ins Datenblatt, dass hervorragende Genauigkeitswerte letztlich wenig nützen, wenn die Temperaturkompensation nicht ausreichend ist.

Abgesehen von der Vermeidung gravierender Messfehler, ist die mechanische Funktionalität des Messinstruments von der auftretenden Temperatur abhängig. Das betrifft in erster Linie Komponenten wie elektrische Anschlüsse und verwendete Kabel zur Messwertübertragung. Hier halten die wenigsten Standardmaterialien Temperaturen um oder gar über 100 °C aus. Die Kabeldosen und Kabel können schmelzen oder in Brand geraten. Neben der Messgenauigkeit hat die Temperatur also auch Einfluss auf die Betriebssicherheit.

Glücklicherweise müssen Anwender nicht mit diesen Risiken leben, da sich die Druckmessumformer für unterschiedliche Temperaturverhältnisse optimieren lassen – einerseits durch Temperaturkompensation, anderseits durch zusätzliche Kühlelemente und besonders hitzebeständige Materialien.

Temperaturfehler lassen sich vermeiden

Hersteller von Druckmessumformern arbeiten mit Temperaturkompensation. Produkte von STS sind beispielsweise standardmässig für Betriebstemperaturen von -0 °C bis 70 °C optimiert. Je weiter sich die Anwendungstemperatur von diesen Angaben entfernt, desto grösser wird die Messungenauigkeit. Ein Messinstrument, das für einen Bereich von 0 °C bis 70 °C optimiert ist, aber bei Temperaturen um die 100 °C eingesetzt wird, erreicht die angegebenen Genauigkeitswerte nicht mehr. In diesem Fall muss ein Sensor eingesetzt werden, der für Temperaturen um die 100 °C kompensiert ist.

Es gibt zwei Arten der Temperaturkompensation:

  • Passive Kompensationen: Temperaturabhängige Widerstände werden in die Wheatstonesche Messbrücke eingeschaltet
  • Aktive Kompensation (Polynomkompensation): In einem Wärmeschrank werden bei steigenden Temperaturen verschiedene Drücke angefahren. Diese werden mit den Werten eines Kalibriernormals abgeglichen. Die daraus ermittelten Temperaturkoeffizienten werden in die Elektronik des Druckmessumformers eingegeben, damit dieser in der Praxis Temperaturfehler „aktiv“ kompensieren kann.

Die aktive Temperaturkompensation ist die zu bevorzugende Methode, da sie zu den genausten Ergebnissen führt.

Die Temperaturkompensation hat allerdings auch ihre Grenzen. Wie bereits erwähnt, beeinflusst die Temperatur nicht nur die Präzision eines Druckmessumformers. Ab Temperaturen von 150 °C leiden auch die mechanischen Komponenten der Messzelle. Bei diesen Temperaturen können sich Kontaktierungen und Klebungen lösen, der Sensor wird beschädigt. Sind sehr hohe Mediumtemperaturen zu erwarten, braucht es zusätzliche Kühlelemente, um die Funktionalität des Sensors sicherzustellen.

Kühlelemente bei sehr hohen Mediumtemperaturen

Um den Druckmessumformer vor sehr hohen Temperaturen zu schützen, gibt es vier Varianten, die je nach Anwendung und Temperatur zum Einsatz kommen können.

Variante A: Mediumtemperaturen bis etwa 150 °C

Bei dieser Variante wird zwischen Messzelle und Verstärker ein Kühlrippenelement integriert. Hier geht es folglich darum, die Elektronik von der Anwendung abzusetzen, damit diese durch die hohen Temperaturen nicht beschädigt wird.

Variante B: Temperaturen über 150 °C

Ist das Medium ausserordentlich heiß, wird vor den Druckanschluss bereits ein Kühlelement geschraubt (zum Beispiel beidseitig verschraubbare Kühlrippen). Der Druckanschluss kommt somit nur mit dem abgekühlten Medium in Kontakt. Die vorgelagerten Kühlrippen haben dabei keinerlei Auswirkung auf die Genauigkeit des Sensors. Handelt es sich beim Medium um sehr heissen Dampf, wird ein Wassersackrohr oder Siphon als Kühlelement verwendet.

Variante C: Sehr hohe Temperaturen (bis 250 °C)

Ist die Mediumtemperatur sehr hoch, kann ein vorgesetztes Druckmittlersystem mit Kühlstrecke verwendet werden. Diese Variante ist allerdings recht gross und beeinflusst die Genauigkeit negativ.

Druckmessumformer mit vorgesetztem Druckmittler mit Kühlstrecke bis 250°C Medientemperatur

Variante D: Spezialfall Wärmeschrank oder Klimakammer

Sind Druckmessungen in einem Wärmeschrank mit Umgebungstemperaturen bis zu 150 °C nötig, kann die Elektronik des Druckmessumformers nicht ebenfalls diesen Temperaturen ausgesetzt werden, ohne beschädigt zu werden. In diesem Fall befindet sich lediglich die Messzelle (mit Druckanschluss und Edelstahl-Gehäuse) im Schrank. Über ein Hochtemperatur- FEP-Kabel ist diese mit der abgesetzten Elektronik (ebenfalls untergebracht in einem Edelstahl-Gehäuse) ausserhalb des Schranks verbunden.

Fazit: Beratung ist der Schlüssel

Die Präzision von piezoresistiven Druckmessumformern wird von den Temperaturverhältnissen beeinflusst. Die auf den Druckanschluss wirkenden Temperaturen können passiv oder aktiv kompensiert werden, damit der eingesetzte Drucksensor die Ansprüche hinsichtlich der Genauigkeit über den zu erwartenden Temperaturbereich erfüllt. Des Weiteren ist aber auch der Einfluss der Umgebungstemperatur auf die mechanischen Komponenten des Messinstruments zu beachten. Durch vorgeschaltete Kühlelemente und hitzebeständige Materialien ist auch dies in den Griff zu bekommen. Anwender sollten daher auf eine umfassende Beratung durch Hersteller setzen und darauf achten, dass sich die angebotenen Druckmessumformer auf ihre spezifischen Anwendungen hin optimieren lassen.

Kalibrierung von Drucktransmittern

Kalibrierung von Drucktransmittern

Aufgrund mechanischer, chemischer oder thermischer Einflüsse verändert sich die Genauigkeit eines Messgeräts im Laufe der Zeit. Dieser Alterungsprozess ist normal und lässt sich nicht ausschliessen. Daher ist es wichtig, diese Veränderungen rechtzeitig mithilfe einer Kalibrierung zu erkennen.

Die Kalibrierung von Druckmessgeräten ist aus verschiedenen Gründen wichtig: Einerseits geht es um die Einhaltung von festgelegten Normen wie ISO 9001, um nur eine herauszugreifen. Anderseits ergeben sich für Hersteller auch ganz konkrete Vorteile, wie Prozessverbesserungen und Kosteneinsparungen (beispielsweise durch die Verwendung korrekter Mengen von Rohstoffen). Das kann sich richtig lohnen: Laut einer 2008 von der Nielsen Research Company durchgeführten Studie kosten fehlerhafte Kalibrierungen produzierenden Unternehmen im Schnitt 1,7 Millionen Dollar im Jahr. Darüber hinaus muss die Kalibrierung auch als zentraler Bestandteil der Qualitätssicherung angesehen werden. In einigen Branchen wie der chemischen Industrie sind regelmässige und fehlerfreie Kalibrierungen auch ein sicherheitsrelevanter Faktor.

Definition: Kalibrierung, Justierung und Eichung

Die Begriffe Kalibrierung, Justierung und Eichung werden oftmals synonym verwendet. Alle drei Begriffe weisen jedoch signifikante Unterschiede auf. Bei einer Kalibrierung wird die Anzeige des zu prüfenden Messinstruments mit den Ergebnissen eines Normals verglichen. Ein Normal ist ein Referenzgerät, dessen genaue Funktion als gesichert gilt. Durch Vergleichsmessungen muss jedes Messgerät in einer Kette von Vergleichsmessungen auf ein nationales Normal zurückgeführt werden können („Rückführbarkeit“). Als Primärnormale, also die in der Kalibrierhierarchie ganz oben stehende Normale, dienen für Druckmessgeräte in der Regel Druckwaagen (auch Kolbenmanometer), die in nationalen Instituten und Kalibrierlaboren eingesetzt werden.

Bei der Justierung (auch Justage) findet ein Eingriff in das Messgerät statt, um Messabweichungen zu minimieren. Man versucht also, durch Alterung entstandene Ungenauigkeiten zu korrigieren. Einer Justierung geht somit im Regelfall eine Kalibrierung voraus. Es erfolgt demnach ein direkter Eingriff am Messinstrument. Auf eine Justierung erfolgt daher auch eine weitere Kalibrierung, um die Korrektur zu überprüfen und zu dokumentieren.

Beim Eichen handelt es sich um eine besondere Form des Kalibrierens. Sie findet immer dann Anwendung, wenn das zu prüfende Gerät einer Eichpflicht unterliegt. Dies trifft immer dann zu, wenn die Messgenauigkeit im öffentlichen Interesse liegt. Das ist immer dann der Fall, wenn die Messergebnisse direkten Einfluss auf den Preis eines Produktes haben. Als ein Beispiel sind hier Durchflussmessgeräte an Zapfsäulen zu nennen. In Deutschland liegen Eichungen im Verantwortungsbereich von den Landeseichämtern und staatlich anerkannten Prüfstellen.

Die Kalibrierung von Druckmessgeräten: Bedingungen

Vor einer Kalibrierung muss die Kalibrierfähigkeit des Messgerätes festgestellt werden. Der Deutsche Kalibrierdienst (DKD) hat die Richtlinie DKD-R 6-1 zur Kalibrierung von Druckmessgeräten herausgegeben. Bei der Kalibrierung mechanischer Druckmessgeräte verlangt der DKD einige Tests, die sich in Beschaffenheitsprüfungen (u.a. Sichtprüfung auf Beschädigungen, Kontamination und Sauberkeit, Sichtprüfungen hinsichtlich Beschriftung) und Funktionsprüfungen (Dichtheit des Leitungssystems des Kalibriergegenstandes, Elektrische Funktionsfähigkeit, einwandfreie Funktion der Bedienelemente) gliedern.

Gleich im folgenden Kapitel der Richtlinie DKD-R 6-1 weist der DKD auf die Umgebungsbedingungen der Kalibrierung hin: So ist die Kalibrierung bei einer stabilen Umgebungstemperatur vorzunehmen. Darüber hinaus gilt es als ideal, wenn sie unter den tatsächlichen Einsatzbedingungen des Messgeräts durchgeführt wird.

Die Kalibrierung von Druckmessgeräten: Ablauf

Ist die Kalibrierfähigkeit festgestellt und sind die Umgebungsbedingungen ideal, kann die Kalibrierung beginnen. Das Druckmessgerät ist dabei möglichst als Gesamtheit (Messkette) zu kalibrieren. Auch die vorgeschriebene Einbaulage soll berücksichtigt werden.

In der Richtlinie DKD-R 6-1 des DKD werden für unterschiedliche Genauigkeitsklassen verschiedene Kalibrierabläufe beschrieben. An dieser Stelle beschränken wir uns auf Kalibrierablauf A für die Genauigkeitsklasse < 0,1. Dieser Kalibrierablauf ist auch der umfangreichste.

Kalibrierabläufe nach DKD-R 6-1 Richtlinie

Bei der Kalibrierung von Geräten der Genauigkeitsklasse A schreibt der DKD drei Belastungen bis zum Messbereichsendwert vor, bevor die eigentlichen Messreihen erfolgen. Der maximale Druck muss dabei jeweils 30 Sekunden gehalten und wieder vollständig abgebaut werden.

Im Anschluss werden durch eine kontinuierliche Druckerhöhung neun gleichmässig über den Messbereich verteilte Punkte angesteuert. Dabei gilt der Nullpunkt als erster Messpunkt. Die anvisierten Messpunkte müssen „von unten“ erreicht werden. Folglich kann die Druckerhöhung nur langsam erfolgen. Wird der anvisierte Messpunkt übertroffen, kommt es aufgrund der Hysterese zu einer Verfälschung der Resultate. In diesem Fall muss der Druck drastisch verringert werden, um den zu erreichenden Messpunkt von unten zu erreichen. Ist der Wert erreicht, muss auch dieser für mindestens 30 Sekunden gehalten werden, bevor er abgelesen wird.

Dieses Verfahren wird für alle weiteren Messpunkte durchgeführt. Der Endpunkt stellt eine Besonderheit dar: Er wird für weitere zwei Minuten gehalten und dann erneut abgelesen und dokumentiert.

Ist dies geschehen, erfolgt der zweite Teil der ersten Messreihe. Diese läuft nun umgekehrt. Jetzt werden die einzelnen Messpunkte von oben nach unten anvisiert. Der Druck soll dabei nur langsam gesenkt werden, damit der angepeilte Wert dieses Mal nicht unterschritten wird. Die zweite Messreihe endet mit dem Messen des Nullpunkts.

Die zweite Messreihe beginnt, nachdem das Messgerät drei Minuten im drucklosen Zustand war. Der Zyklus des Auf- und Abdrückens über die einzelnen Messpunkte wird nun wiederholt.

Kalibrierablauf A nach DKD-R 6-1 Richtlinie

Innerbetriebliche Kalibrierung von Drucktransmittern

Bei den meisten industriellen Anwendung ist eine Kalibrierung durch ein Kalibrierlabor nicht nötig und oftmals auch nicht praktikabel. Für die Kalibrierung von Druckmessgeräten vor Ort eigenen sich tragbare Druckkalibratoren. Diese sind zwar nicht so präzise wie eine Druckwaage, dennoch in der Regel vollkommen ausreichend. In diesen mit einer Hand tragbaren Geräten sind Gebrauchsnormal und Druckerzeugung vereint. Bei der Kalibrierung eines Drucktransmitters wird nach Aufbau der Druckverbindung und elektrischen Verbindung zwischen Transmitter und Prüfgerät bei geöffneten Ventilen ein Nullpunktabgleich durchgeführt. Die einzelnen Druckprüfpunkte können dann mit der integrierten Pumpe angesteuert werden. Die entstehenden elektrischen Signale werden gemessen und über die integrierten Datenlogger gespeichert. Ausgelesen werden die Daten dann an einem PC.

 

Wie Drucktransmitter auch bei Kälte zuverlässig arbeiten

Wie Drucktransmitter auch bei Kälte zuverlässig arbeiten

Umgebungstemperaturen haben einen grossen Einfluss auf die Funktionsfähigkeit und Genauigkeit von Drucktransmittern. Besonders arktische Temperaturen stellen hierbei eine Herausforderung dar.

Bei der Druckmessung auf piezoresistiver Basis dienen auf eine Siliziummembrane eindiffundierte Halbleiter als Dehnmessstreifen. Wirkt ein Druck auf die Membran, verformen sich diese Dehnmessstreifen und es kommt zu einer Widerstandsänderung. Diese Änderung ergibt letztlich den ermittelten Druck. Allerdings sind die Widerstände auch temperaturabhängig. So nimmt die Empfindlichkeit der Drucksensoren mit sinkender Temperatur ab. Der Druckmessumformer ist also nicht mehr so präzise wie bei Raumtemperatur.

Aufgrund dieser Eigenschaft geben Hersteller von Druckmessumformern auch immer das Verhalten ihrer Produkte unter bestimmten Temperaturbedingungen an. Um ein möglichst lineares Verhalten zu erzielen, sind Drucktransmitter heute über einen relativ weiten Temperaturbereich elektrisch kompensiert (Temperaturkompensation). Das bedeutet, dass Temperaturfehler automatisch herausgerechnet werden. Dadurch können piezoresistive Drucktransmitter über einen relativ weiten Temperaturbereich präzise Messergebnisse liefern. Gänzlich eliminieren lassen sich Temperatureffekte allerdings nicht. Aus diesem Grund sind in den Datenblättern der Hersteller in der Regel Genauigkeitsangaben für verschiedene Temperaturbereiche angegeben.

Extreme Kälte: Drucktransmitter ohne O-Ringe

Kälte beeinflusst nicht nur die Widerstände in den eingesetzten Halbleitern. Es gibt vier weitere Faktoren, die Beachtung finden sollten, wenn nach einem passenden Messinstrument für Aussenanwendungen in kalten Regionen gesucht wird. Dazu zählt die Verwendung von Dichtungsringen. Temperaturen von unter -20 Grad Celsius führen dazu, dass die Dichtungsmaterialien zwischen dem Druckanschluss und der Membrane spröde werden. Durch Leckagen wird der Sensor schliesslich unbrauchbar. Darum sollten in Regionen mit extremer Kälte keine Drucktransmitter mit O-Ringen verwendet werden. Ein kompakter Drucktransmitter, bei dem Druckanschluss und Messzelle direkt miteinander verschweisst sind, ist hier die richtige Wahl.

Vereisung: Auf Überlastdruck achten

Auch Einfrieren kann die Funktionalität eines Sensors beeinflussen. Nehmen wir hier Erdgasbohrungen in arktischen Regionen als Beispiel: In den gasführenden Rohren kann sich auch Wasser befinden. Wenn dieses Wasser gefriert, erhöht sich der auf den Drucktransmitter einwirkende Druck eventuell auf ein Mass, für das dieser nicht gebaut wurde. Die Konsequenz kann ein Reissen der Membran sein. Besteht also die Gefahr, dass der Sensor vereist, ist auf einen entsprechenden Überlastdruck zu achten.

Bei der piezoresistiven Druckmessung wird der Druck indirekt auf die Siliziummembran über ein Übertragungsmedium gegeben. Das ist in der Regel ein Öl. Mit fallenden Temperaturen nimmt die Viskosität von Öl zu. Je nach Öl und Temperatur kann es gelieren oder hart werden. Diese Veränderung beeinflusst die Funktionsweise des Druckmessumformers ebenfalls negativ.

Ebenfalls in Betracht zu ziehen ist die Betauungsfestigkeit: Wenn sich im Gehäuse des Drucktransmitters wasserdampfhaltige Luft befindet, bildet sich bei kalten Umgebungstemperaturen Kondenswasser, das die Elektronik beschädigen und den Sensor zerstören kann.

Fazit

Anwender, die Drucktransmitter unter kalten Temperaturen einsetzen, sollten darauf achten, dass die einzelnen Komponenten ohne O-Ringe direkt verschweisst sind und betauungsfest sind. Darüber hinaus ist zu evaluieren, ob der Drucktransmitter vereisen kann, beispielsweise wenn er in Kontakt mit Wasser kommt. In diesem Fall ist ein Drucktransmitter mit einem entsprechenden Überlastdruck zu wählen. Wie bei jeder Anwendung sollte der Druckmessumformer natürlich für den zu erwartenden Temperaturbereich kompensiert sein.

Pegelsonden durch Erdung vor Überspannung schützen

Pegelsonden durch Erdung vor Überspannung schützen

Bei der Füllstandsüberwachung ist auf eine ausreichende Erdung der Pegelsonden zu achten, um gravierende Schäden zu verhindern. Ist diese unzureichend oder nicht vorhanden, kann dies drei gravierende Effekte nach sich ziehen.

  1. Because of insufficient potential equalization in conductive media such as water, corrosion can occur. This is a gradual process, which can be observed in long-term applications. The voltage differences between the sensor and its surrounding fluid lead to electrolytic corrosion. The metal housing becomes gradually perforated and liquid then penetrates into the housing itself. Damage to the electronics will then be the consequence here. This process can be observed both in open waters and in fill level monitoring within vessels, where the potential difference between the level sensor, medium and vessel wall can cause electrochemical corrosion.
  2. Filling level sensors are connected to the control system by cables or plugged into telemetric systems. Through these connections, atmospheric voltages can be passed on to the sensor. Overstrain to the electronics will be the end result in this case.
  3. If lightning strikes near the level probe, a very high voltage difference will exist over the shorter term. The increased voltage in the water will then seek the shortest path to earth here via the level sensor.

Grounding and lightning protection of level sensors

To protect level sensors from these effects, they can be equipped with lightning protection. For this purpose, a transient overvoltage protection is integrated into the level probe, which will react to rapidly rising voltage differences. Should a sudden voltage surge occur, the lightning arrester will trigger a short circuit within the electrical circuitry to channel that overvoltage to ground. This surge protector normally operates in a non-conductive state, but does conduct voltage transients so that they can flow to ground without causing any damage. It should be noted, however, that with a direct lightning strike to the immersion probe, even overvoltage protection cannot prevent damage.

Additionally, an earth connection that should have a resistance of less than 100 ohms is used for grounding. For fill level monitoring in liquid-carrying tanks made of metal or even plastic, care must be taken that all of the isolated metallic components are connected together to ground. In open waters, a greater effort is generally required to create a low resistance to ground. For this reason, an earthing grid is often set into the ground for these applications.

Users are generally advised to discuss a grounding concept with the manufacturers in regard to their respective application.

Druckmessung: Anschlüsse und Dichtungen

Druckmessung: Anschlüsse und Dichtungen

Der Druckanschluss (auch: Prozessanschluss) ist das Element, über das das Prozessmedium auf den Drucksensor geleitet wird. Wie bei den Dichtungen gibt es verschiedene Ausführungen. Wie immer entscheidenden die Anforderungen der jeweiligen Anwendung über die Wahl der passenden Komponenten.

Es gibt eine Vielzahl von Druckanschlüssen, um den Bedürfnissen unterschiedlicher Branchen sowie den nationalen Standards unterschiedlicher Länder gerecht zu werden. Grundlegend ist die Unterscheidung zwischen Druckanschlüssen mit innenliegender und frontbündiger Membran.

Druckanschlüsse

Bei Druckanschlüssen mit innenliegender Membran (Abbildung 1) gelangt das Druckmedium über einen Kanal zur Sensormembran. Diese Art von Druckanschluss ist in der Regel etwas kostengünstiger und wird oft in Anwendungen mit Flüssigkeiten und Gasen eingesetzt. Bei festeren Prozessmedien besteht die Gefahr einer Verschmutzung des Kanals, was letztlich zu einer Beeinflussung der Messergebnisse führen kann. Auch für den Einsatz in sterilen Anwendungen sind Druckanschlüsse mit innenliegender Membran ungeeignet.

Abbildung 1: Druckanschluss mit innenliegender Membran

Bei frontbündigen Druckanschlüssen (Abbildung 2) wird der Druckkanal durch eine Edelstahlmembran frontbündig abgeschlossen. Der Druck wird folglich indirekt über eine Übertragungsflüssigkeit an den sensiblen Sensorchip gegeben. Diese Art von Druckanschlüssen werden eingesetzt, wenn eine rückstandslose Reinigung (beispielsweise im Rahen des CIP-Verfahrens) angezeigt ist. Auch bei viskosen, festen und abrasiven Medien sind frontbündige Druckanschlüsse zu bevorzugen.

Abbildung 2: Druckanschluss mit frontbündiger Membran

Gewinde und Dichtungen

Die Druckanschlüsse verfügen in der Regel über ein Gewinde, mit dem sie an die Messstelle befestigt werden können. Diese Gewinde können je nach Region unterschiedlicher Gestalt sein. In Westeuropa sind zylindrische Rohrgewinde (G) am gebräuchlichsten.

Ähnlich vielfältig wie die Gewindearten sind die verfügbaren Dichtungen, die zwischen Gehäuse und Gewinde eingesetzt werden. Auch hier sind branchenspezifische und regionale Lösungen zu beachten. Im Kern geht es dabei in der Regel um die Werkstoffe, die je nach Druckmedium auszuwählen sind. In sterilen Anwendungen (bspw. Food Industry) werden zum Beispiel O-Ringe aus Viton verwendet, da es sich hierbei um ein Fluorelastomer mit hoher thermischer und chemischer Beständigkeit handelt. Dadurch hält der Werkstoff auch den CIP- und SIP-Verfahren stand.

Gegebenenfalls kann es eine Anwendung auch erfordern, dass gänzlich auf Dichtungsringe verzichtet wird. So sind einige Gewindearten ohne den Einsatz von Dichtungsringen dicht. Diese kegeligen, rein metallisch dichtenden Verbindungen erzielen die Dichtwirkung dort, wo die konischen Dichtflächen der Komponenten durch das Anziehen der Gewindemutter verkeilt werden.

Bei abrasiven Medien oder extremer Kälte oder Hitze ist der Verzicht auf O-Ringe zur Dichtung wichtig. Ist beispielsweise ein Kraftstoff wie Diesel oder Benzin das Druckmedium, müssen Messzelle und Druckanschluss miteinander verschweisst werden. Die für Dichtungsringe verwendeten Elastomere würden unter Einfluss der abrasiven Medien schnell porös werden. Dennoch ist ein direktes Verschweissen nicht in jeder Situation ratsam. Auch hier entscheidet letztlich das Medium über die Art der Dichtung: So können Schweissnähte beim Einsatz in Brack- und Salzwasser korrodieren. Hier braucht es dann eine Verbindung mit O-Ring.

Dank des modularen Aufbaus der Drucktransmitter von STS können Druckanschlüsse und Dichtungskonzepte flexibel gestaltet und an so gut wie jede Anforderung angepasst werden.

Temperaturverhalten piezoresistiver Druckmessumformer

Temperaturverhalten piezoresistiver Druckmessumformer

Piezoresistive Druckmessumformer zeichnen sich durch ihre hohe Empfindlichkeit aus, was Messungen von kleinsten Drücken emöglicht. Allerdings weisen die eingesetzten Materialien auch eine recht hohe Temperaturabhängigkeit auf, welche kompensiert werden muss.

Das Verhalten eines piezoresistiven Druckaufnehmers verändert sich mit der Temperatur. Während temperaturbedingte Nullpunktverschiebungen offensichtlich sind und vom Anwender leicht erkannt und überprüft werden können, sind temperaturbedingte Änderungen der Empfindlichkeit und der Linearität weniger auffällig und werden deshalb oft übersehen.

Ursachen für Nullpunktverschiebung

Die Ursache für die Nullpunktverschiebung ist eine Summe verschiedenster Effekte:

  • verschiedene Widerstandswerte der Messbrücke auf dem Silizium Chip
  • verschiedene Temperaturkoeffizienten der einzelnen Widerstände in der Messbrücke
  • die Siliziummembrane ist nicht homogen, sondern mit einer Siliziumoxydschicht überzogen (unterschiedliche Ausdehnungskoeffizienten)
  • mechanische Spannungen bei der Montage der Messzelle auf ihrem Träger (Chip, Glas, Glasdurchführung)
  • die Ausdehnung des Öls in Verbindung mit der Steifigkeit der Stahlmembrane (daher wird mit einem Füllkörper das Ölvolumen auf wenige µL minimiert)

Je nach Aufbau des Druckaufnehmers und Druckbereich fallen die einzelnen Effekte mehr oder weniger stark ins Gewicht. Wichtig ist in der Praxis nicht, woraus sich die thermische Nullpunktverschiebung zusammensetzt, sondern wie gut kompensierbar sie ist. Erwünscht ist ein möglichst lineares Verhalten über einen möglichst grossen Temperaturbereich.

Beste Ergebnisse mit Polynom-Kompensation

Auch die Linearitat verändert sich mit der Temperatur. Falls solche Temperatureffekte berücksichtigt und kompensiert werden sollen, ist dies meist nur im Rahmen einer kompletten mathematischen Modellierung des Aufnehmerverhaltens sinnvoll und möglich. Dieses mathematische Modell beschreibt das gesamte Druck- und Temperaturverhalten eines Aufnehmers genauestens. Es bedarf aber eines Rechners oder digitaler Kompensationsmethoden, um dieses mathematische Modell anwenden zu können.

Bei STS wird dies bei den OCS-Produkten mittels Polynom-Kompensation erzielt. Der piezoresistive Drucktransmitter des Datenlogger DL.OCS/N/RS485 zur Wasserüberwachung erreicht durch Polynom-Kompensation beispielsweise eine Genauigkeit von 0,03 % FS sowie einen Gesamtfehler von nur 0.05 %FS in einem Temperaturbereich von -5…+50 °C.

Die meisten Druckmessumformer von STS sind standardmässig für Betriebstemperaturen von -0°C bis 70°C optimiert – ein guter Wert, um bei den meisten Anwendungen präzise Resultate zu erzielen. In manchen Fällen ist es für jedoch von Vorteil, wenn die Sensoren auf die in der jeweiligen Anwendung auftretenden Temperaturverhältnisse hin optimiert geliefert werden. STS ist darauf spezialisiert, anwendungsspezifische Drucksensoren innerhalb kürzester Zeit bereitzustellen.

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