Frontbündige Drucksensoren für viskose und feststoffhaltige Messstoffe

Übliche Druckmessumformer haben eine Druckkanalbohrung, die zwischen dem Prozessanschluss und der Membran des eigentlichen Drucksensors liegt. Wenn Flüssigkeiten mit hoher Viskosität oder mit Feststoffen darin gemessen werden sollen, kann diese Bohrung verstopfen und die Druckmessung wird beeinträchtigt. Der Sensor kann sogar beschädigt werden. Deshalb werden in solchen Fällen frontbündige Drucksensoren eingesetzt. Dieser Artikel erläutert die wichtigsten Typen von frontbündigen Sensoren, deren Vor- und Nachteile sowie deren Einsatzbereiche.

Alle Druckmessumformer mit frontbündigen Sensoren ermöglichen eine totraumfreie Abdichtung sowie ein einfaches Reinigen aller medienberührenden Oberflächen. Dies ist insbesondere in Anwendungen entscheidend, in denen das gemessene Medium gewechselt wird und eine Querkontamination vermieden werden muss. Häufig werden Druckmessumformer mit frontbündiger Membran für die Messung von Füllstand eingesetzt. Der hydrostatische Druck, der durch die Flüssigkeit im Tank entsteht, ist in den meisten Anwendungen nicht hoch; 1 bar entspricht einem Füllstand von rund 10 Meter bei Wasser. Beim Einsatz zur Messung vom Druck in Pumpensystemen ist ein etwas höherer Druckbereich erforderlich, in der Regel zwischen 10 und 100 bar.

Der am meisten verbreitete Typ von frontbündigen Druckmessumformern ist jener mit piezoresistiven Sensoren. Das eigentliche Sensorelement ist ein in Öl eingebettetes Siliziummesselement. Dieses Öl, meist ein Silikonöl, wirkt als Druckübertragungsmedium und ist durch eine Trennmembran mit einer charakteristischen Wellenstruktur vom Messmedium geschützt. Medienberührend ist nur die Trennmembran, die allerdings sehr dünn sein muss, um den Messwert nicht zu beeinflussen.

Der Vorteil der piezoresistiven Sensoren ist die hohe Empfindlichkeit, dank der geringe Messspannen und höhere Genauigkeiten möglich sind. Sie sind für die Messung von Absolutdruck und Relativdruck mit Messspannen von unter 100 mbar Druck bis zu mehreren 100 bar geeignet. Die Trennmembran kann aus verschiedenen Materialien hergestellt und wenn gewünscht sogar beschichtet werden. Die Standardausführung besteht üblicherweise aus Stahl 1.4435 (AISI316L). Alternativ gibt es Varianten in korrosionsresistenten Materialien wie Nickellegierungen oder Titan. Piezoresistive Sensoren eignen sich gut für homogene, eher pastöse Medien und für Flüssigkeiten, die keine oder nur kleine, weiche Feststoffe enthalten. Harte Partikel können die sehr dünne, nur ca. 20 - 70 Mikrometer dicke Trennmembran beschädigen und damit zu einem irreversiblen Signal-Offset führen. Wenn die Membrane nicht nur deformiert, sondern sogar durchstossen wird, tritt das Öl des Drucksensors aus und kann je nach Anwendung das ganze System kontaminieren. Ein weiterer Nachteil der piezoresistiven Sensoren ist die geringere Langzeitstabilität des Siliziums unter erhöhten Temperaturen. Dies kann zu einem Signaldrift führen.

Keramische Drucksensoren kommen idealerweise dann zum Einsatz, wenn die zu messende Flüssigkeit abrasive Teile oder harte Feststoffe enthält. Denn die keramische Messmembran ist sehr hart und gegen die meisten Medien in technischen Anwendungen korrosionsbeständig. Bei keramischen Drucksensoren befindet sich eine Widerstandsbrücke auf der Rückseite einer dünnen Keramikplatte, die über eine glasähnliche, ausserordentlich robuste Verbindung auf dem ebenfalls keramischen Sensorgrundkörper angebracht ist. Der gesamte keramische Sensor wird im Metallgehäuse des Messumformers fixiert und mittels einer Elastomerdichtung, meist einem O-Ring, abgedichtet. Das Metallgehäuse kann aus den unterschiedlichsten Materialien hergestellt werden. Trafag bietet neben verschiedenen Legierungen von Edelstahl auch Versionen in Titan für eine maximale Korrosionsresistenz an. Keramische Drucksensoren eignen sich für die Messungen von absolutem und relativem Druck und Messspannen ab rund 100 mbar bis zu etwa 400 bar. Während bei geringen Messspannen (kleiner als 2 bar) die Keramikmembran ebenfalls dünn und empfindlich ist, kann bei grösseren Messspannen eine wesentlich dickere Membran eingesetzt werden. Diese bietet auch gegenüber Fehlmanipulationen wie Reinigung mit harten Gegenständen, beispielsweise Stahlbürsten oder Schraubenziehern, einen gewissen Widerstand. Die Trennmembran des piezoresistiven Sensors dagegen ist immer ungefähr gleich dünn und entsprechend empfindlich. Hauptnachteil der keramischen Sensoren ist ihre geringere Genauigkeit, und die Tatsache, dass sie nicht direkt mit dem Gehäuse verschweisst ist, sondern nur über Elastomerdichtungen mit ihm verbunden ist. Die Elastomerdichtung erfordert konstruktiv immer einen kleinen Absatz oder eine Vertiefung, wodurch eine absolut glatte Oberfläche wie bei piezoresistiven oder Dünnfilm-auf-Stahl-Sensoren nicht möglich ist.

Frontbündige Dünnfilm-auf-Stahl-Sensoren bieten eine maximale Langzeitstabilität durch die aufgesputterten Widerstandsbrücken. Die Membran wird direkt mit dem Gehäuse des Messumformers verschweisst. Sie ist deutlich dicker und widerstandsfähiger als bei piezoresistiven Sensoren, aber nicht ganz so unempfindlich wie bei keramischen Sensoren für hohen Druck. Frontbündige Stahlsensoren eignen sich deshalb für die Druckmessung an viskosen, pastösen und adhäsiven sowie feststoffhaltigen Medien. Sie werden ebenfalls bei Flüssigkeiten mit Partikeln eingesetzt, die leicht abrasiv sind und bieten einen guten Widerstand gegen härtere Feststoffe. Bei kristallisierenden Flüssigkeiten wie beispielsweise gefrierendem Wasser, bieten sie den Vorteil, dass sie durch das duktile, also sehr elastische Membranmaterial deutlich robuster gegenüber der Volumenausdehnung sind als piezoresistive und keramische Sensoren. Damit können sie bei Beschädigung durch Überdruck im Medium oder die Ausdehnung von gefrierenden Flüssigkeiten eine Leckage besser verhindern. Frontbündige Dünnfilm-auf-Stahl Sensoren sind allerdings bisher wenig verbreitet, weil ihre Herstellung sehr anspruchsvoll ist und nur von ganz wenigen Anbietern beherrscht wird. Zudem ist die üblicherweise für Dünnfilm-auf Stahl-Sensoren eingesetzte Legierung des Stahls 1.4542 (17-4PH) nur beschränkt korrosionsresistent.

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