Die Grundlagen hygienegerechter Druckmessung

Die Grundlagen hygienegerechter Druckmessung

by | Tuesday, 30 June, 2020 | 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.

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Rückführung bei der Kalibrierung von Druckmessumformern

Rückführung bei der Kalibrierung von Druckmessumformern

by | Tuesday, 30 June, 2020 | Druckmessung

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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Hochgenaue Druckmessung bei hohen Temperaturen

Hochgenaue Druckmessung bei hohen Temperaturen

by | Tuesday, 30 June, 2020 | Druckmessung

In manchen Anwendungen müssen Druckmessumformer bei sehr hohen Temperaturen zuverlässig arbeiten. Autoklaven, die in der Medizin- und Lebensmitteltechnik zur Sterilisation von Geräten und Instrumenten verwendet werden, sind sicherlich eine dieser anspruchsvollen Anwendungen.

Ein Autoklav ist eine Druckkammer, die in einer Vielzahl von Industrien für unterschiedliche Anwendungen verwendet wird. Sie zeichnen sich durch hohe Temperaturen und einen vom Umgebungsluftdruck verschiedenen Druck aus. Medizinische Autoklaven werden zum Beispiel verwendet, um Geräte zu sterilisieren, indem Bakterien, Viren und Pilze bei 134 °C zerstört werden. In der Druckkammer eingeschlossene Luft wird entfernt und durch heissen Dampf ersetzt. Die gängigste Methode, dies zu erreichen, ist das Gravitationsverfahren: Dampf tritt in die Kammer ein und füllt die oberen Bereiche. Dabei wird die kühlere Luft nach unten verdrängt. Diese wird dort über einen Abfluss aus der Kammer geführt. Dieser Prozess endet, sobald die gesamte Luft entfernt wurde und die Temperatur im Autoklav 134 °C beträgt.

Sehr genaue Messung bei hohen Temperaturen

Druckmessumformer werden in Autoklaven zur Überwachung und Validierung eingesetzt. Da Standard-Drucksensoren üblicherweise bei Raumtemperatur kalibriert werden, können sie unter den in Autoklaven auftretenden heissen und nassen Bedingungen nicht die beste Genauigkeit liefern. Piezoresistive Drucksensoren sind relativ temperaturempfindlich. Temperaturfehler können jedoch ausgeglichen werden. Mittels einer entsprechenden Kalibrierung können die Geräte für die in einzelnen Anwendungen auftretenden Temperaturen optimiert werden. Wenn Sie beispielsweise einen Standard-Druckmessumformer verwenden, der bei Raumtemperatur eine Genauigkeit von 0,1 Prozent erreicht, kann das Gerät bei Verwendung in einem Autoklaven mit Temperaturen von bis zu 134 °C nicht die gleiche Genauigkeit liefern.

Ein Unternehmen aus der pharmazeutischen Industrie fragte daher bei STS nach einer Lösung, die auch in einem Autoklav höchste Präzision liefert: gefordert war ein Drucktransmitter, der bei 134 °C einen Gesamtfehler von weniger als 0,1 Prozent über einen Druckmessbereich von -1 bis 5 bar leistet.

Mittels einer entsprechenden Kalibrierung können Drucksensoren für unterschiedliche Temperaturbereiche optimiert werden. Die Kalibrierung eines Drucksensors für bestimmte Temperaturbereiche war im Fall des oben angesprochenen Kunden aus der Pharmaindustrie jedoch nur eine der Herausforderungen, die es zu meistern galt: Nicht nur das Sensorelement sollte bei 134 °C im Autoklav hochgenau arbeiten, auch der komplette Drucktransmitter inklusive aller Elektronik sollte in die Druckkammer. Leider können wir an dieser Stelle nicht näher darauf eingehen, wie wir einen digitalen Drucktransmitter zusammenbauen konnten, der die geforderten Genauigkeitswerte einhält und dessen Komponenten den heissen und feuchten Bedingungen im Autoklav standhalten. Wir können aber verraten, dass es möglich ist.

Kurzum: Piezoresistive Drucksensoren reagieren empfindlich auf Temperaturänderungen. Mit dem richtigen Know-how können sie jedoch für die Anforderungen einzelner Anwendungen optimiert werden. Darüber hinaus kann nicht nur das Sensorelement entsprechend kalibriert werden, der gesamte Drucktransmitter kann so gebaut werden, dass auch heisse und nasse Bedingungen bewältigt werden können.

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Grundlagen der Durchflussmessung

Grundlagen der Durchflussmessung

by | Tuesday, 30 June, 2020 | Druckmessung

Der Durchfluss eines Gases oder einer Flüssigkeit wird aus verschiedenen Gründen gemessen, dazu zählen sicherlich auch kaufmännische Überlegungen als Teil eines Vertrages oder in Produktionsprozessen. Der Durchfluss beziehungsweise Volumenstrom (Volumen / Zeit) lässt sich unter anderem über die Messgrösse Druck erfassen.

Der Volumenstrom kann anhand verschiedener Methoden gemessen werden. Dazu zählen neben Ultraschalldurchflusssensoren, magnetisch-induktiven Durchflusssensoren auch Sensoren, die nach dem Differenzdruckverfahren arbeiten, darunter Messblende, Venturi-Rohr und Prandtsches Staurohr. Bei der Auswertung der gemessenen Werte wird für alle nach dem Differenzdruckverfahren arbeitenden Sensoren die Bernoullische Gleichung herangezogen:

Q = V/t = VmA

Q = Volumenstrom
Vm = mittlere Geschwindigkeit
t = Zeit
A = Fläche
V = Volumen

Nehmen wir die Messung des Volumenstroms mittels einer Blende als Beispiel. Durch das Anbringen der Blende an dem Rohr wird dieses an einer Stelle verengt:

Abbildung 1: Durchflussmessung mittels Blende. 

Bei reibungsloser Strömung sollte vor und nach der Blende der gleiche Druck herrschen:

p1 + ½ ρv12=p2+ ½ ρv22

p = Druck
ρ = Dichte
v = Geschwindigkeit

Diese Annahme beruht auf der Kontinuitätsgleichung, die besagt, dass alles, was in ein Rohr fliesst am Ende auch wieder rauskommt:

v1A1 = v2A2

v = Geschwindigkeit 
A = Fläche 

Abbildung 2: Strömungsmessung

Unter realen Bedingungen kommt es aber zu Reibung und dadurch bedingt zu einem Druckabfall:

p + ½ ρv2 + wR = const.

P= Druck
ρ = Dichte
v = Geschwindigkeit
wR = Arbeit der Reibungskraft pro Volumen

Abbildung 3: Druckabfall durch Reibung

Dieser Druckabfall ist wichtig zur Ermittlung des Volumenstroms. Allerdings hängt der Reibungseffekt von vielen Faktoren ab. Aus diesem Grund wird eine empirische Formel herangezogen, die wiederum auf Erfahrungswerte zurückgreift. Der Volumenstrom ergibt sich letztlich aus der Wurzel der Druckdifferenz:

Q = 4000 αεd2√∆p/ρ    

Q = Volumenstrom
α = empirische Durchflusszahl
ε = Expansionszahl
d = Innendurchmesser der Blende
∆p = Differenzdruck
ρ = Dichte

Um diese Formel für Anwender etwas handlicher zu machen, werden alle konstanten Werte der Messeinrichtung und des Messmediums als Konstante c zusammengefasst. Daraus ergibt sich beispielsweise für ein Fluid folgende Gleichung:

Q = c √∆p

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Druckmessung: Kompressible Medien vs. inkompressible Medien

Druckmessung: Kompressible Medien vs. inkompressible Medien

by | Tuesday, 30 June, 2020 | Druckmessung

Bei der Druckmessung gibt es eine Vielzahl Faktoren zu beachten. Dazu gehören natürlich auch die Eigenschaften des Mediums.

Eine grundlegende Unterscheidung ist jene, ob es sich um ein kompressibles oder inkompressibles Medium handelt. Unter kompressiblen Medien versteht man Stoffe, deren Dichten und somit auch das Volumen druckabhängig ist. Das trifft auf Gase zu. Inkompressible Medien haben unabhängig des Druckes ein konstantes Volumen. Zu dieser Kategorie zählen eher Flüssigkeiten. Es gilt jedoch festzuhalten, dass Inkompressibilität ein Idealfall ist, der in der Realität nicht existiert. Dennoch bezeichnet man in der Praxis Flüssigkeiten wie Wasser oder Hydraulik-Öl als inkompressibel, da sie in erster Näherung inkompressibel sind. Man nimmt also von Wasser in Wasserleitungen unter Normalbedingungen Inkompressibilität an, da dies Berechnungen enorm vereinfacht und die dadurch entstehenden Fehler vernachlässigbar sind.

Ein Beispiel hierfür ist die Berechnung des Volumenstroms. Da Flüssigkeiten in erster Näherung inkompressibel sind, sich die Dichte also nicht ändert, wenn bei konstantem Volumenfluss der Strömungsquerschnitt geweitet oder verengt wird (und somit eine Druckänderung herbeigeführt wird), gilt das Kontinuitätsgesetz:

Q = A1 •v1 = A2 • v2.

Für Gase gilt das Kontinuitätsgesetz in dieser Form aufgrund ihrer Kompressibilität nicht.

Damit haben wir dem nächsten Punkt bereits etwas vorgegriffen. Auch die Unterscheidung zwischen Statik und Dynamik ist wichtig. Mit Statik wird ein Kräftegleichgewicht bezeichnet. In diesem Fall tritt aufgrund des Ausgleichs von Druckunterschieden keine Strömung auf.

Anders ist dies bei der Dynamik. Hier unterschiedet man zwischen verschiedenen Strömungsarten:

  • Stationäre Strömung: Eine stationäre Strömung liegt vor, wenn die Strömungsgeschwindigkeit über die Zeit konstant ist.
  • Instationäre Strömung: Von einer instationären Strömung spricht man, wenn zeitliche Veränderungen auftreten. Das ist zum Beispiel bei Pumpen und Ventilöffnungen der Fall. Es kommt zu dynamischen Schlägen bis hin zu Druckspitzen, die auch die Rohrleitungen beschädigen können.
  • Laminare Strömung: Bei einer laminaren Strömung strömt das Fluid in sich nicht miteinander vermischenden Schichten. Es kommt zu keinen Verwirbelungen, die einzelnen Schichten können unterschiedliche Geschwindigkeiten aufweisen.

Auch Reibung spielt eine grosse Rolle. Dabei unterschiedet man zwischen äußerer und innerer Reibung. Erstere bezeichnet die Reibung, die zwischen dem Fluid und einer Wand auftritt (z.B. der Innenwand der Rohrleitung, durch die das Fluid fliesst). Eine innere Reibung findet man beispielsweise im Falle einer laminaren Strömung, wo die einzelnen Schichten des Fluids aneinander reiben. Die Reibung, die auf die Strömung wirkt, hängt von verschiedenen Parametern ab und erfordert komplexe Berechnungen. Die Parameter sind Wandrauheit, Strömungsgeschwindigkeit, Dichte und Viskosität. Letzte steht wiederum in Abhängigkeit zur Temperatur, was die Berechnung weiterhin erschwert.

Kommen wir zur Unterscheidung zwischen Statik und Dynamik zurück: Von einer statischen Druckmessung sprechen wir, wenn wir den Schweredruck (auch hydrostatischer Druck) erfassen wollen. Damit ist der Druck gemeint, der sich in einem ruhenden Fluid unter Einfluss der Erdanziehungskraft einstellt. Der hydrostatische Druck wird beispielsweise zur Erfassung von Füllständen in Tanks gemessen. Auch hier ist die Unterscheidung zwischen kompressiblen und inkompressiblen Medien essenziell, da die Berechnung des hydrostatischen Drucks von beispielsweise Wasser ungleich einfacher ist als die eines kompressiblen Gases.

Die Masse von inkompressiblen Medien ist die Dichte mal Volumen, also ist gleich Dichte mal Grundfläche mal Höhe. Für die Berechnung des hydrostatischen Drucks gilt:

p = F/ A = ρAhg/A = ρgh

ρ = Druck
F = Kraft
A = Fläche
p = Dichte
h = Höhe
g = Erdbeschleunigung

Der Druck verhält sich in dieser Gleichung proportional zur Tiefe. Die Form bzw. der Querschnitt des Behältnisses spielt dabei keine Rolle. Der hydrostatische Druck ist also unabhängig vom Volumen in einem Gefäss, sondern von der Füllhöhe. Dieses Phänomen kennt man auch als hydrostatisches Paradoxon.

Abbildung 1: Hydrostatisches Paradoxon

Hier lesen Sie mehr zur Hydrostatischen Füllstandsüberwachung auf piezoresistiver Basis in Tanks.

Während der statische Druck also zur Füllstandmessung genutzt wird, sind dynamische Druckmessungen nötig, um einen Volumenstrom bzw. eine Durchflussmenge zu messen.

Mehr dazu lesen Sie hier.

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Elektronische Druckmessung: Vergleich der gängigen Messprinzipien

Elektronische Druckmessung: Vergleich der gängigen Messprinzipien

by | Tuesday, 30 June, 2020 | Druckmessung

Elektronische Druckmessumformer kommen in einer Vielzahl Anwendungen zum Einsatz, von der Maschinentechnik über die verarbeitende Industrie bis hin zur Lebensmittel- und Pharmaindustrie. Die Erfassung der physikalischen Grösse Druck kann über verschiedene Messprinzipien erfolgen. Wir stellen die gängigen Prinzipien vor.

In der elektronischen Druckmessung wird üblicherweise zwischen Dünnfilmsensoren, Dickschichtsensoren und piezoresistiven Drucksensoren unterschieden. Gemein ist allen drei Messprinzipien, dass die physikalische Grösse Druck in ein messbares elektrisches Signal umgewandelt wird. Grundlegend für alle drei Messprinzipien ist ebenso eine Wheatstonesche Messbrücke, einer Messeinrichtung zur Erfassung elektrischer Widerstände, die aus vier zusammengeschalteten Widerständen besteht.

Piezoresistive Drucksensoren: Hochpräzise und kostengünstig

Piezoresistive Drucksensoren basieren auf Halbleiter-Dehnungsmessstreifen (DMS). Das verwendete Material hierfür ist Silizium. Auf einem Siliziumchip werden vier zu einer Wheatstoneschen Messbrücke verbundene Widerstände eindiffundiert. Bei Druck verformt sich der Siliziumchip. Durch diese Verformung ändert sich die Leitfähigkeit der eindiffundierten Widerstände. Aus dieser Widerstandsänderung kann letztlich der Druck abgelesen werden.

Da das piezoresistive Sensorelement sehr empfindlich ist, muss es vor dem Einfluss des Messmediums abgeschirmt werden. Der Sensor befindet sich daher in einem Druckmittler. Die Druckübertragung erfolgt über eine das Sensorelement umgebende Flüssigkeit. In der Regel handelt es sich dabei um ein Silikonöl. In hygienegerechten Anwendungen wie in der Lebensmittel- oder Pharmaindustrie werden allerdings auch andere Übertragungsflüssigkeiten eingesetzt. Eine trockene Messzelle, aus der im Schadensfall keine Flüssigkeit austritt, ist nicht möglich.

Die Vorteile:

  • sehr hohe Empfindlichkeit, Drücke im mbar-Bereich messbar
  • hoher Messbereich möglich, von mbar bis 2’000 bar
  • sehr hohe Überlastsicherheit
  • hervorragende Genauigkeit von bis zu 0,05 Prozent der Spanne
  • kleine Sensorbauform
  • sehr gutes Hystereseverhalten und gute Wiederholbarkeit
  • Basistechnologie vergleichsweise günstig
  • statische und dynamische Drücke

Die Nachteile:

  • benötigt Übertragungsmedium
  • Temperaturkompensation erforderlich

Dünnfilmsensoren: Langzeitstabil und preisintensiv

Anders als bei piezoresistiven Drucksensoren basieren Dünnfilmsensoren auf einem metallischen Grundkörper. Auf diesen werden die vier zu einer Wheatstoneschen Messbrücke verschalteten Widerstände mit einem so genannten Sputter-Verfahren aufgebracht. Der Druck wird also ebenfalls durch eine durch Verformung verursachte Widerstandsänderung erfasst. Neben den Dehnungsmessstreifen können auch Temperaturkompensationswiderstände eingefügt werden. Eine Übertragungsflüssigkeit wie bei piezoresistiven Drucksensoren ist nicht nötig.

Die Vorteile:

  • sehr kleine Baugrösse
  • Drücke bis zu 8.000 bar sind messbar
  • ausgezeichnete Langzeitstabilität
  • keine Temperaturkompensation nötig
  • hohe Genauigkeit
  • hoher Berstdruck
  • statische und dynamische Drücke

Die Nachteile:

  • geringere Empfindlichkeit als piezoresistive Drucksensoren, daher sind tiefe Drücke schlechter messbar
  • Basistechnologie vergleichsweise teuer

Dickschichtsensoren: Besonders korrosionsbeständig

Als Basiswerkstoff für Dickschichtsensoren dient Keramik (Aluminiumoxid-Keramik). Diese Drucksensoren sind monolithisch, was bedeutet, dass der Sensorkörper aus nur einem Werkstoff besteht. Dieser Umstand stellt eine ausgezeichnete Langzeitstabilität sicher. Darüber hinaus ist Keramik gegenüber aggressiven Medien besonders korrosionsfest. Bei dieser Art von Sensor wird die Wheatstonesche Messbrücke mittels Dickschichttechnologie auf den Grundkörper gedruckt und bei hoher Temperatur eingebrannt.

Die Vorteile:

  • sehr gute korrosionsbeständigkeit
  • keine Temperaturkompensation nötig
  • hohe Langzeitstabilität
  • erfordert keinen Druckmittler

Die Nachteile:

  • zur Messung dynamischer Drücke eher ungeeignet
  • nach oben begrenzter Druckbereich (etwa 400 bar)
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