Differenzdruckmessgerät: der Druckwächter der Industrie
1. Funktionsprinzip: vollständige Verknüpfung von der Sensorreaktion bis zur Signaldarstellung
Das Kernstück eines Differenzdruckmessgeräts besteht darin, die Druckdifferenz in ein messbares Signal umzuwandeln. Verschiedene Gerätetypen erreichen diese Umwandlung durch unterschiedliche Sensorstrukturen, die sich in zwei technische Richtungen unterteilen lassen: mechanische und elektronische Sensoren.
(2) Elektronisches Differenzdruckmessgerät: elektrische Umwandlung mechanischer Signale
Das elektronische Differenzdruckmessgerät erfasst Änderungen der elektrischen Eigenschaften durch die Verformung des Sensorelements und gibt nach der Schaltungsverarbeitung ein digitales Signal aus, das eine höhere Präzision und intelligente Funktionen aufweist:
Piezoresistiv: Kernstück ist ein druckempfindlicher Halbleiterchip. Die Siliziummembran verformt sich unter dem Einfluss einer Druckdifferenz elastisch, wodurch sich der piezoresistive Koeffizient des Siliziumgitters ändert und somit der Widerstandswert der Wheatstone-Brücke aus dem Gleichgewicht gerät. Nach Kompensation der Temperaturdrift durch Lasertrimmung gibt das System ein elektrisches Signal aus, das linear mit der Spannungsdifferenz korreliert. Die Genauigkeit liegt zwischen ±0,1 % und ±0,5 %, die Ansprechzeit unter 5 ms. Zudem unterstützt es die Übertragung über 4–20 mA und das HART-Protokoll.
Kapazitiver Sensor: Bei diesem Sensortyp dienen parallele Platten als Messkern. Die Druckdifferenz bewirkt eine Änderung des Abstands zwischen der beweglichen und der festen Platte, was zu einer Änderung der Kapazität führt. Dieser Sensortyp zeichnet sich durch extrem hohe Empfindlichkeit aus und kann kleinste Druckdifferenzen im μPa-Bereich messen. Dank seiner guten Stabilität und geringen Temperaturdrift eignet er sich für Anwendungen mit hohen Genauigkeitsanforderungen.
(1) Mechanisches Differenzdruckmessgerät: Verstärkung und Weiterleitung mechanischer Verformung
Mechanische Differenzdruckmessgeräte benötigen keine Stromversorgung und nutzen die mechanische Verformung des Sensorelements sowie die Signalverstärkung des Übertragungsmechanismus zur Messung. Gängige Typen und Funktionsprinzipien sind im Folgenden beschrieben:
Flüssigkeitssäulen-Druckmessgerät: Nach dem physikalischen Prinzip „ΔP = ρgh“ (ρ ist die Dichte der Flüssigkeit, g die Erdbeschleunigung und h die Höhendifferenz der Flüssigkeitssäule) wird die Druckdifferenz in die Höhendifferenz der Flüssigkeit im Glasrohr umgerechnet. Als Medium werden üblicherweise Wasser, Alkohol oder Quecksilber verwendet. Das Gerät ist einfach aufgebaut und erreicht eine Genauigkeit von ±0,5 %, reagiert jedoch langsam und wird leicht durch den Einbauwinkel und die Temperatur beeinflusst. Beispielsweise kann bei der Kalibrierung von Niederdruckgasen im Labor die Druckdifferenz direkt durch Beobachtung des Flüssigkeitsstandunterschieds an beiden Enden des U-förmigen Rohrs abgelesen werden.
Membrandrucksensor: Eine elastische Membran aus Metall oder Gummi dient als zentrales Sensorelement. Der Druckunterschied bewirkt eine Verformung der Membran. Diese Verformung wird durch einen Hebel oder ein Getriebe verstärkt und treibt den Zeiger auf der Skala an. Der Messbereich reicht von wenigen Pa bis zu mehreren zehn kPa. Der Sensor zeichnet sich durch eine gute Stoßfestigkeit und eine Genauigkeit von ca. ±1 % bis ±2,5 % aus. Er ist jedoch verschleißanfällig und eignet sich daher für die Durchflussüberwachung und die Blockierungsalarmierung in Industrieanlagen.
Federrohrtyp: Zwei symmetrische Federrohre sind jeweils an den Hoch- und Niederdruckanschluss angeschlossen. Die Druckdifferenz bewirkt eine Verformung der Federrohre in entgegengesetzte Richtungen. Die Verformung wird über die I-förmige Halterung übertragen und mittels Getriebemechanismus in Zeigerwerte umgewandelt. Diese Konstruktion zeichnet sich durch hohe Hochdruckbeständigkeit, die Messung von Druckdifferenzen im MPa-Bereich und eine ausgezeichnete Stoßfestigkeit aus. Sie findet breite Anwendung in der Überwachung von Hochdruckleitungen in der Petrochemie.