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Relativdruck Archives - STS Deutschland
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Die physikalische Grösse Druck und die unterschiedlichen Druckarten

Die physikalische Grösse Druck und die unterschiedlichen Druckarten

Neben der Temperatur zählt der Druck zu den am häufigsten gemessenen physikalischen Grössen in industriellen Anwendungen. Es gibt allerdings verschiedene Masseinheiten für und Arten von Druck. Im Folgenden erklären wir die grundlegenden Begriffe.

Druck beschreibt die auf eine Fläche (A) wirkende Kraft (F) und wird mit dem Formelzeichen p angegeben:

p= F/A

Nach dem internationalen Einheitssystem wird die SI-Einheit von Druck Pascal (Pa) genannt. Die Bezeichnung geht auf den französischen Mathematiker Blaise Pascal (1623 – 1662) zurück und wird aus den SI-Einheiten Meter und Newton wie folgt abgeleitet: 1 Pa = 1 N/m2.

Das Pascal ist eine sehr kleine Druckeinheit. In industriellen Anwendungen greift man daher in der Regel auf die Einheit bar zurück. Die verwendeten Einheiten zur Angabe eines Druckes variieren von Anwendungsgebiet zu Anwendungsgebiet. So wird Pa für Druckmessungen in Reinräumen benutzt. Die Meteorologie greift auf die Einheit hPa zurück. Der Blutdruck wird hingegen in der Einheit mmHg gemessen. Wie sich diese einzelnen Einheiten zueinander verhalten wird in der unten stehenden Umrechnungstabelle deutlich.

Abbildung 1: Umrechungstablle Druckeinheiten

Die Druckarten

Für Anwender ist es wichtig, die verschiedenen Druckarten unterscheiden zu können, um den idealen Drucktransmitter für ihre Anwendung zu wählen.

Für die Druckmessung ist die Unterteilung in Absolut-, Differenz- und Relativdruck entscheidend.

Absolutdruck

Der absolute Druck bezieht sich auf den Druck Null. Damit ist ein luftleerer Raum gemeint, wie er beispielsweise in den Weiten des Universums oder in einem idealen Vakuum herrscht. Der Messdruck ist demnach immer grösser als der Referenzdruck. Zur besseren Unterscheidung von den anderen Druckarten wird der Absolutdruck mit dem Index abs kenntlich gemacht: Pabs.

Absolutdrucksensoren nutzen als Referenzdruck ein im Sensorelement eingeschlossenes Vakuum. Dieses befindet sich auf der Sekundärseite der Membran. Neben meteorologischen Anwendungen werden Absolutdrucksensoren auch oft in der Verpackungsindustrie eingesetzt (z.B. bei der Herstellung von Vakuumverpackungen).

Abbildung 2: Übersicht der unterschiedlichen Druckarten

Relativdruck 

Der Relativdruck referenziert den atmosphärischen Druck. Der atmosphärische Druck wird mit dem Index amb gekennzeichnet. Dabei handelt es sich um den Druck, der durch die erdumhüllende Luftschicht wirkt. Dieser Druck nimmt bis zu einer Höhe von ca. 500 Kilometer kontinuierlich ab (ab dieser Höhe herrscht absoluter Druck). Der atmosphärische Druck entspricht auf Meereshöhe in etwa 1013 mbar und schwankt bei Hoch- und Tiefdrucklagen um zirka fünf Prozent.

Im Unterschied zu einem Absolutdrucksensor ist die Sekundärseite eines Relativdrucksensors offen, um einen Druckausgleich zum Atmosphärendruck zu gewährleisten. Neben Relativdruck ist auch die Bezeichnung Überdruck üblich. Von einem positiven Überdruck spricht man, wenn der absolute Druck höher als der Atmosphärendruck ist. Ist dies nicht der Fall, wird von einem negativen Überdruck gesprochen (früher war auch die Bezeichnung Unterdruck gebräuchlich).

Als praktisches Beispiel für eine Relativdruckmessung soll der Reifendruck eines Fahrzeuges dienen: Werden bei einem Luftdruck von 1 bar einem Reifen 2 bar relativer Druck zugeführt entspricht dies 3 bar Absolutdruck.

Differenzdruck

Beim Differenzdruck wird der Druckunterschied zwischen zwei beliebigen Drücken angegeben. Aus diesem Grund besitzen Differenzdrucksensoren zwei Druckanschlüsse.

Ein Anwendungsbeispiel für die Differenzdruckmessung ist die hydrostatische Druckmessung in geschlossenen Tanks.

Mehr dazu lesen Sie hier.

Installation von Drucksensorik: Das Medium ist für Position entscheidend

Installation von Drucksensorik: Das Medium ist für Position entscheidend

Im Idealfall werden Druckmessumformer direkt im zu überwachenden Prozess installiert. Ist das nicht möglich, entscheidet das zu überwachende Prozessmedium über die Positionierung der Sensorik.

 

Es gibt verschiedene Gründe, warum Druckmessumformer nicht direkt im Prozess montiert werden können:

  • in der Anwendung ist zu wenig Platz für die Montage
  • die Drucksensorik wird nachträglich installiert
  • der direkte Kontakt zwischen Prozessmedium und Messsensorik ist nicht erwünscht (beispielsweise aufgrund zu hoher Temperaturen)

Wenn der Druckmessumformer nicht direkt im Prozess angebracht werden kann, wird die Verbindung zwischen Prozess und Messinstrument über eine Bypassleitung (auch Wirkdruckleitung oder Abzweigleitung) hergestellt. Diese Verbindungsleitung ist je nach Art der Anwendung mit Gas oder Flüssigkeit gefüllt. In der Regel gibt es an der Bypassleitung in der Nähe des Prozesses und in der Nähe des Druckmessumformers je ein Absperrventil. Dadurch kann die Messvorrichtung (oder Teile davon) abgebaut oder verändert werden, ohne dabei den eigentlichen Prozess zu unterbrechen.

Das ist besonders hilfreich, wenn der Druckmessumformer Wartungsarbeiten wie Kalibrierungen unterworfen wird. Durch das Absperrventil am Messinstrument bleibt das Messmedium in der Bypassleitung.

Bei der Verlegung der Bypassleitungen gilt es, einige wichtige Punkte zu beachten. Sie sollte so kurz wie möglich sein, abgerundete Krümmungen haben, frei von Verschmutzungen sein und Gefälle bzw. Steigungen sollten möglichst steil sein (nicht geringer als 8 %). Des Weiteren gibt es medienspezifische Anforderungen. So soll bei Flüssigkeiten auf eine vollständige Entlüftung geachtet werden. Bei der Relativ- und Absolutdruckmessung kommt eine Bypassleitung zum Einsatz. Bei der Differenzdruckmessung sind es zwei. Hier sind je nach Prozess weitere Installationshinweise zu beachten.

Positionierung der Druckmessumformer zum Prozess

Je nach Art des Prozesses ist es wichtig, ob der Druckmessumformer oberhalb oder unterhalb des Prozesses montiert wird. Im Folgenden soll auf die wichtigsten Unterschiede zwischen Flüssigkeiten, Gase und Dampf führenden Rohrleitungen eingegangen werden.

Flüssigkeiten

Bei Flüssigkeitsmessungen an Rohrleitungen sollte der Druckmessumformer unterhalb des Prozesses installiert werden, damit mögliche Gasblasen wieder zurück in den Prozess entweichen. Des Weiteren ist darauf zu achten, dass bei hohen Temperaturen das Prozessmedium ausreichend gekühlt wird. In diesem Fall gilt die Bypassleitung auch als Kühlstrecke.

Gas

Bei Gasmessungen an Rohrleitungen ist der Druckmessumformer nach Möglichkeit oberhalb des Prozesses zu montieren. So kann eventuell anfallendes Kondensat zurück in den Prozess fliessen, ohne die Messungen zu beeinträchtigen.

Dampf

Dampfmessungen sind aufgrund der hohen Temperaturen und der Kondensatbildung etwas aufwendiger. Beide Aspekte gehen Hand in Hand: Kühlt der Dampf auf dem Weg zum Druckmessumformer ab, bildet sich Kondensat. Sammelt sich dieses im Messinstrument, kann es das Messergebnis beeinflussen.

Entsprechend muss bei der Dampfmessung darauf geachtet werden, dass die Temperatur des Mediums entsprechend gekühlt wird und das anfallende Kondensat nicht in den Druckmessumformer gelangt. Daher ist vorab eine Höhe zu definieren, bis zu der sich Kondensat sammeln kann. Diese wird dann in der Messbereichsauslegung berücksichtigt. Bei der Absolut- und Relativdruckmessung ist die Bypassleitung zu diesem Zwecke wie ein S geschwungen. Sie führt vom Dampf-führenden Rohr steil nach oben, bevor sie wieder nach unten führt. In diesem ersten Rohrbogen sammelt sich das Kondensat und kann zurück in den Prozess fliessen.

Bei der Differenzdruckmessung ist dies noch etwas aufwendiger. In beiden Bypassleitungen sollen die gleichen Bedingungen herrschen. Das bedeutet, dass die Kondensatsäule auf Hoch- und Niederdruckseite gleich ist. Aus diesem Grund werden bei der Dampfmessung mit Differenzdruckmessumformern Kondensatgefässe verwendet, die sich noch vor dem Entnahme-Absperrventil der Bypassleitung befinden. Das überschüssige Kondensat wird über diese Gefässe zurück in den Prozess geleitet. Auf Seite des Druckmessumformers sollte des Weiteren mit einem Fünffach-Absperrventil gearbeitet werden, damit die Sensorik beim Ausblasen der Bypassleitung nicht durch das heisse Medium nachhaltig beeinträchtigt werden kann.

Die Lage kann Genauigkeit von Druckmessumformern beeinflussen

Die Lage kann Genauigkeit von Druckmessumformern beeinflussen

Die Genauigkeit einer Druckmessung kann durchaus von der Lage des Druckmessumformers beeinflusst werden. Besonders im Niederdruckbereich sollte darauf geachtet werden.

Beim Thema Lageabhängigkeit kann es zu Ungenauigkeiten kommen, wenn sich die Position des Druckmessumformers in der Praxis von jener während der Kalibration beim Hersteller unterscheidet. Bei STS ist es üblich, dass Druckmessumformer in senkrechter Position nach unten zeigend kalibriert werden (siehe Beitragsbild oben). Montieren Anwender einen dieser so kalibrierten Drucksensoren in entgegengesetzter Position, also senkrecht nach oben, kann es zu Ungenauigkeiten bei der Druckmessung kommen.

Der Grund hierfür ist einfach: In letzterer Position beeinflusst das Eigengewicht des Druckmessumformers dessen Präzision. Membrane, Füllkörper und Übertragungsflüssigkeit wirken durch die Erdanziehungskraft auf den eigentlichen Sensorchip. Dieses Verhalten ist allen piezoresistiven Druckmessgeräten gemein. Allerdings ist es nur im Niederdruckbereich von Bedeutung.

Montage von Druckmessumformern: Achtung im Niederdruckbereich

Je niedriger der zu messende Druck, desto höher ist in diesem Fall die Messabweichung. Bei einem 100 mbar Sensor beträgt die Messabweichung 1 Prozent. Je höher der Messbereich, desto geringer der Effekt. Bereits ab einem Druck von 1 bar ist er praktisch vernachlässigbar.

Die Messungenauigkeit lässt sich von Anwendern leicht erkennen, besonders wenn ein Relativdrucksensor verwendet wird. Arbeiten Anwender im Niederdruckbereich und ist eine Montage des Messinstruments nicht in der Position möglich, in der es werksseitig kalibriert wurde, so sollte in der richtigen Lage erneut kalibriert werden. Alternativ können Anwender die Messabweichung auch selbst an der Steuerung rechnerisch kompensieren.

Dieser Mehraufwand lässt sich für Anwender natürlich durch eine kompetente Anwendungsberatung auch einfach umgehen. Zwar werden STS Druckmessumformer standardmässig senkrecht nach unten kalibriert, so ist es jedoch ohne Weiteres möglich, die Kalibrierung in einer anderen Position vorzunehmen. Daher unser Rat: Kommunizieren Sie die Einbaulage ihres Druckmessumformers vorab mit uns und Sie erhalten ein perfekt auf Ihre Anwendung abgestimmtes Messinstrument.

Wir beraten Sie gerne.

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