Drucktransmitter

Drucktransmitter sind elektronische Druckmessgeräte und werden zur Messung und Überwachung von Druck eingesetzt. Die Bezeichnung Druckmessumformer ist ein Synonym für Drucktransmitter, bezeichnet aber das gleiche. Vielfach wird auch der Begriff Drucksensor für Drucktransmitter resp. Druckmessumformer genutzt, ist aber kein Synonym, da er im engeren Sinne lediglich einen Teil des Drucktransmitters bezeichnet.

Erhältlich sind sie in den verschiedensten Ausführungen bezüglich Druck- und Elektroanschlüssen, Messverfahren, elektrischen Ausgangssignalen und Zulassungen (CE, EX, Bahn und Schiff). Hochstehende Technik und präzise Fertigung sichern ein einwandfreies Funktionieren speziell dort, wo hohe Anforderungen an Langzeitstabilität, Vibrationsfestigkeit, elektromagnetische Verträglichkeit, Schockbeständigkeit oder Temperaturunempfindlichkeit gestellt werden.

Aus was besteht ein Druckmessumformer?

Ein Druckmessumformer besteht aus einem Sensor (auch Druckaufnehmer genannt), der über ein physikalisches Prinzip Druck oder eine Druckveränderung in ein elektrisches Signal umwandelt, sowie einer Messumformer-Elektronik, die das Sensor-Signal aufbereitet und zu einem standardisierten elektrischen Ausgangssignal umwandelt. Das Ausgangssignal wird am elektrischen Anschluss bereitgestellt. Der Druck auf den Sensor wird über den Druckanschluss, auch Prozess-Anschluss genannt, aufgebracht. Sensor und Elektronik werden in einem Gehäuse untergebracht, welches diese beiden empfindlichen Komponenten vor Umwelteinflüssen schützt und mit dem elektrischen Anschluss sowie mit dem Druckanschluss verbindet.

Video/Artikel: Wie funktioniert ein Drucktransmitter?

Was sind die Auswahl-Kriterien für einen Druckmessumformer?

Die wichtigsten Auswahlkriterien für einen Druckmessumformer sind neben dem geeigneten Messbereich, der geforderten Genauigkeit und dem gewünschten Ausgangsignal vor allem die Eignung in der Anwendung. Während der Messbereich, die Genauigkeit und das Ausgangssignal relativ zu bestimmende Parameter sind, erfordert es oft gewisse Erfahrung und ein sorgfältiges Abwägen verschiedener Aspekte, welcher Drucktransmitter sich für eine bestimmte Anwendung am besten eignet.

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Druckart: Man unterscheidet in der Druckmesstechnik zwischen Absolutdruck, Relativdruck und Differenzdruck. Absolutdruck referenziert immer auf das absolute Vakuum als Null-Punkt. Als Relativdruck-Messung wird die Messung vom Differenzdruck zwischen einem Medium und dem Umgebungs- oder Atmosphärendruck (ca. 1 bar) bezeichnet. Unser Blogbeitrag erklärt die Unterschiede detailliert.

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Messbereich: Dies ist der Druckbereich zwischen dem minimalen Druck, bei dem das Ausgangs-Signal 0% ausgibt, und dem maximalen Druck, bei dem das Ausgangssignal 100% ausgibt. Die Differenz zwischen dem minimalen und dem maximalen Wert wird als Spanne bezeichnet und dient in der Druckmesstechnik als Referenz für fast alle Genauigkeitsangaben. In der Regel ist der Messbereich bei Druckmessumformern standardisiert auf eine bestimmte Druckmesseinheit, z.B. bar, mbar oder psi. Neben dem reinen Signal-Bereich gilt es auch Überdruck- und Berstdruck-Grenzen zu beachten. Dies ist insbesondere bei Anwendungen wichtig, bei denen Druckspitzen, auch ganz kurzzeitige, deutlich über dem Messbereich vorkommen können. Die Zusammenhänge zwischen dem Messbereich (Nennbereich), Überdruck und Berstdruck sind in unserem Blogbeitrag «Defekte Drucktransmitter wegen Druckspitzen? Hohe Überdruckfestigkeit ist die Lösung» im Detail erläutert.

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Genauigkeitsklasse: In der Praxis bei Beratung von Kunden zeigt sich, dass die Definition der erforderlichen Genauigkeitsklasse respektive der zulässigen Messunsicherheit des Druckmessgerätes eine grosse Herausforderung ist. Zum einen umfasst die Genauigkeitsklasse verschiedene Aspekte oder Parameter der Messunsicherheit, die in den meisten Anwendungen nicht die gleiche Bedeutung haben. Zum anderen ist es meist auch schwierig zu bestimmen, wie genau die Messung anwendungsseitig tatsächlich notwendig ist. Eine höhere Genauigkeit hat fast immer einen massiven Einfluss auf die Produktekosten, deshalb ist es wichtig, in diesem Kriterium gut abzuwägen, was nun zwingend erforderlich ist. In diesen Blogbeiträgen finden Sie weitere Informationen zur Genauigkeit und Präzision in der Druckmessung:

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Ausgangssignal: Beim Ausgangssignal unterscheidet man zwischen drei wesentlichen Kategorien: Unverstärktes Sensorsignal, Analoge (Standard-) Signale und digitale Signale. Die Ausgabe des unverstärkten Sensorsignals ist bei Druckmessgeräten sehr selten, im Gegensatz etwa zu Temperaturmessgeräten, die sehr oft ohne zusätzliche Elektronik direkt das Signal des PT100/PT1000 Widerstandes zur Verfügung stellen. Wenn das unverstärkte Sensorsignal ausgegeben wird, ist das Druckmessgerät auch kein Transmitter oder Messumformer im engeren Sinne, sondern nur eine Messzelle mit einem Gehäuse und wird oft auch Transducer genannt. Am meisten verbreitet in der industriellen Druckmesstechnik sind auch heute noch analoge Signale, allen voran das 4...20 mA Stromsignal. Vorteil der analogen Signale sind die deutlich günstigeren Kosten für Druckmessumformer und oft auch für die nachgelagerte Auswerteelektronik. Die Kosten der digitalen Transmitter und der Auswerte-Einheiten sind in den letzten Jahren deutlich gesunken und die Verbreitung von Sensor-Bus-Systemen wie IO-Link oder CANopen nimmt in der Druckmessung rasant zu. Die Hauptvorteile der digitalen Signale sind die höhere Sicherheit gegen Fehler, Diagnose- und Parametriermöglichkeiten sowie die Kombination von mehreren Messparametern in einem Gerät, beispielsweise Druck und Temperatur. Ebenfalls zu den Druckmessumformern mit digitalen Signalen gezählt werden die elektronischen Druckschalter. Alle Informationen zu elektronischen Druckschaltern finden Sie hier.

Sensor: Kern des Druckmessgerätes ist der Drucksensor. Bei Druckmessumformern ist dieser Druckaufnehmer in der Regel ein Element, bei dem aufgrund des anliegenden Druckes die Deformation einer Membrane zu einer Veränderung des elektrischen Widerstandes von eigens dafür aufgebrachten Elementen führt. Die häufigsten Sensortechnologien sind Dünnfllm auf Stahl, Dickschicht auf Keramik und piezoresistive Sensoren. Bei Dünnfilm-auf-Stahl-Sensoren werden die Widerstände auf eine Edelstahl-Membrane gesputtert. Hauptvorteil dieser Drucksensoren ist die exzellente Langzeitstabilität und die hohe Robustheit gegenüber Druckspitzen und Temperatureinflüssen sowie Abdeckung weiter Druckbereiche von etwa 200 mbar bis über 3'000 bar. Dickschicht-auf-Keramik-Sensoren basierend auf einem keramischen Grundkörper, auf dem durch die Strukturen der Widerstandsbrücken aufgebracht und dann eingebrannt werden. Die keramische Membran ist äusserst robust gegen fast alle korrosiven Flüssigkeiten und Gase und kommt deshalb bevorzugt zum Einsatz, wo aggressive Chemikalien gemessen werden sollen. Die Messbereiche beginnen bei etwa 100 mbar und reichen bis ca. 400 bar. Bei piezoresistive Druckaufnehmern ändert sich bei Druck der Widerstand von Silizium-Halbleiterelementen. Diese Halbleiter-Elemente sind durch eine Ölfüllung und eine dünne Trennmembran vom Messmedium isoliert. Aufgrund der hohen Sensitivität und der geringen Hysterese des Silizium-Elementes eignen sich piezoresistive Sensoren vor allem für niedrige Drücke im mbar-Bereich und wenn eine höhere Genauigkeit gefordert ist. Weitere Informationen zu den verschiedenen Sensortypen finden Sie in unseren Blogbeiträgen.

Druckanschluss / Prozessanschluss:
Der Druckanschluss verbindet das Druckmessgerät mit dem Prozess, bei dem der Druck gemessen werden soll. Der Druckmessaufnehmer im inneren der Messumformers muss dicht mit dem Druckanschluss verbunden werden (geschweisst oder mit Elastomerdichtungen). Am Markt existieren unzählige verschiedene Druckanschlüsse, deren Geometrie und Dimensionen der Druckanschlüsse sind in Normen (z.B. der Manometer-Anschluss in DIN EN 837-1) festgelegt sind. Entscheidend ist bei der Wahl neben branchenspezifischen Präferenzen vor allem die Dichtungsart: Metallisch dichtend oder mit Elastomer-Dichtungen. Die metallischen Dichtungen sind – neben Kupfer- und Stahlringen, die ähnlich funkionieren wie die Elastomerdichtungen – entweder konische Gewinde oder Dichtungs-Konen, die jeweils durch das Gegenstück mechanisch deformiert werden, dass die Dichtwirkung entsteht. Bei Drücken über 1'000 bar werden meist metallisch dichtende Lösungen gewählt.

Bei Elastomerdichtungen – O-Ringen oder Profildichtungen – kommen zylindrische Befestigungsgewinde zum Einsatz, und in einer Nut wird die Elastomerdichtung verpresst, dass die Dichtwirkung sichergestellt ist. Das Elastomermaterial muss so gewählt werden, dass es mit den gemessenen Medien kompatibel ist und über den gesamten Temperatur-Bereich dichtet.

Die meisten Druckanschlüsse sind so konzipiert, dass der Druckaufnehmer mit einer Druckkanal-Bohrung mit dem Messmedium verbunden ist. Wenn allerdings an hochviskosten, pastösen oder kristallierenden Flüssigkeiten Druck oder Füllstand gemessen werden soll, werden frontbündige Prozessanschlüsse eingesetzt. In unserem Blogbeitrag erfahren Sie alles über Frontbündige Druckmessumformer.

Whitepaper zu frontbündigen Drucksensoren

Elektrischer Anschluss:
Beim elektrischen Anschluss ist die Vielfalt geringer, weil fast jedes Industrie-Segment jeweils nur relativ wenige Steckertypen einsetzt. Ausführungen mit Kabel direkt am Druckmessumformer werden eher selten eingesetzt, weil die Verkabelung aufwändiger ist als bei Ausführungen mit Stecker.

Hauptkriterien für die Auswahl des geeigneten Anschlusses ist die Dichtigkeit gegen Flüssigkeiten und Staub, die Vibrationsfestigkeit, die Kosten von Messgerät und Verkabelung inklusive Kommissionierung. Eine besondere Anforderung, die nur bei Drucktransmittern zum Tragen kommt und bei vielen elektrischen Anschlüssen in der Praxis zu unerwarteten Problemen bei der Druckmessung führt, ist der korrekte Druckausgleich vom Transmitter-Innenraum und der Umgebung. Wissenswerte Informationen zu diesem Thema finden Sie in unserem Blogbeitrag.

Whitepaper: Drucktransmitter richtig entlüften

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