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Kategorie: Wissen

Technische Grundlagen elektronische Druckmesstechnik

  • SIL 2 und SIL 2 ergibt nicht automatisch SIL 2

    Beim Einsatz von Drucksensoren in sicherheitsrelevanten Anwendungen muss man sich früher oder später die Frage stellen, ob die SIL-Bewertung des geplanten Drucksensors für die Anwendung ausreicht. Oft neigt der Anwender dazu Drucksensoren mit höheren SIL-Einstufungen zu bevorzugen, da diese vermeintlich eine höhere Sicherheit bieten als Sensoren mit niedrigerer Einstufung.

    Leider kann man sich bei der Auswahl der Komponenten für einen Sicherheitskreis nicht nur auf den SIL-Level beschränken. Beispielsweise ist nicht garantiert, dass ein Sicherheitskreis aus Aktor, Sensor und Auswerteeinheit SIL 2 erreicht, wenn alle Komponenten nach SIL 2 eingestuft wurden.

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  • Einsatzgebiete von Drucksensoren 4 – Zusammenfassung

    In den vorherigen Artikeln zum Thema Einsatzgebiete der verschiedenen Drucksensoren habe ich aufgezeigt, welche besonderen Eigenschaften durch die unterschiedlichen Bauformen entstehen. Entscheidend bei der Auswahl des richtigen Sensors für eine aktuell zu lösende Problemstellung ist der zu messende Druckbereich und die Umgebungsbedingungen.

    Bei kleinen Messbereichen (z. B. < 10 bar) ist es sehr wichtig, ob ein belüfteter Relativdruck-, unbelüfteter Relativdruck oder Absolutdrucksensor eingesetzt wird, da bei 10 bar Prozessdruck die Wahl des Bezugspunktes (0 oder 1 bar) und die Schwankung des Umgebungsdruckes (z. B. +/- 230 mbar, siehe Artikel „Unterschied Relativdruck zu Absolutdruck“) die Anzeige des Messwertes zwischen 8,77 bar und 11,23 bar verschiebt (1,23/10 bar x 100% = 12,3% Messungenauigkeit).

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  • Einsatzgebiete von Drucksensoren 3 – Absolutdrucksensoren

    Elektronische Drucksensoren messen üblicherweise die Änderung des Druckes durch die Verformung einer Membran. Wird diese Membran von einer Seite dem Prozessdruck ausgesetzt und auf der anderen Seite „belüftet“, also dem Umgebungsdruck ausgesetzt, so wird die Verformung um genau diesen Umgebungsdruck verringert. Daher ist das Messergebnis eine Druckdifferenz zum Umgebungsdruck. Bei Absolutdrucksensoren wird die „innere“, also dem Prozessdruck abgewandte Seite evakuiert und hermetisch dauerhaft verschlossen. Somit ist die gemessene Verformung der Membran unabhängig vom Umgebungsdruck und bezieht sich immer auf das dort eingeschlossene Vakuum. Diese Bauform ermöglicht erst die Messung des aktuell vorhandenen Umgebungsdruckes, da Vakuum („0 bar Umgebungsdruck“) einen fixen Bezugspunkt darstellt, der unabhängig von der aktuellen Wetterlage und dem Aufstellungsort des Sensors ist.

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  • Einsatzgebiete von Drucksensoren 2 – Unbelüftete Relativdrucksensoren

    Elektronische Drucksensoren messen üblicherweise die Änderung des Druckes durch die Verformung einer Membran. Wird diese Membran von einer Seite dem Prozessdruck ausgesetzt und auf der anderen Seite „belüftet“, also dem Umgebungsdruck ausgesetzt, so wird die Verformung um genau diesen Umgebungsdruck verringert. Daher ist das Messergebnis eine Druckdifferenz zum Umgebungsdruck. Der Umgebungsdruck kann auf Grund der aktuellen Wetterlage bis zu +/-30 mbar und auf Grund des Aufstellungsortes (Druckunterschied zwischen Meereshöhe und 2000 m) bis zu 200 mbar betragen.

    In Anwendungsfällen mit hohen Drücken (z. B. 400 bar) und gleichzeitig hoher Verschmutzungsgefahr wie z. B. beim Wasserstrahlschneiden werden auch sogenannte „unbelüftete“, also Drucksensoren mit einem in der Fertigung verschlossenen Gehäuse eingesetzt. Da bei solchen hohen Druckbereichen die Schwankungen des Umgebungsdruckes verglichen mit dem Prozessdruck vernachlässigbar klein sind (max. +/- 230 mbar), ist es nicht wichtig bei welchem Umgebungsdruck und wie zuverlässig das Gehäuse verschlossen wird.

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  • Einsatzgebiete von Drucksensoren 1 – Belüftete Relativdrucksensoren

    In der Lebensmittelherstellung, bei petrochemischen Anlagen, im Kunststoffspritzguss und vielen weiteren industriellen Anwendungen werden Druckmessungen zur Steuerung der Anlagen und Maschinen benötigt.

    Oftmals steht der Anwender dann vor der Frage: Welchen Drucksensor muss ich einsetzen, einen Relativdrucksensor oder einen Absolutdrucksensor?

    In dieser Artikelserie möchte ich die Unterschiede der verschiedenen verfügbaren Drucksensoren und die jeweiligen Einsatzmöglichkeiten vorstellen.

    Der entscheidende Unterschied zwischen Relativ- und Absolutdruckmessung ist die Wahl des Referenzdruckes, also des Skalennullpunktes. Bei der Relativdruckmessung wird der Druck immer in Relation („relativ“) zum aktuell vorhandenen Umgebungsdruck (ca. 1013 mbar) gemessen.  

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  • Nachweis der Eigensicherheit eines ATEX zugelassenen Drucksensors

    In Anlagen oder Maschinen, in denen explosionsgefährdete Stoffe verarbeitet oder erzeugt werden, muss im europäischen Raum die Richtlinie 94/9/EG ATEX eingehalten werden. Diese sieht vor, dass in Europa nur nach ATEX zugelassene Geräte in explosionsgefährdeten Bereichen eingesetzt werden dürfen.

    Hierbei ist eine oftmals gewählte Schutzart von Drucksensoren die Eigensicherheit. Damit ein Ex-Drucksensor, also ein nach ATEX zugelassener Drucksensor, mit eigensicherer Zündschutzart und Zulassung betrieben werden darf, so ist er mit einem eigensicheren Ex-Speisetrenner zu verwenden.

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  • Vermeidung des Eindringens von Feuchtigkeit über das Kabel von Pegelsonden bzw. Tauchsonden

    Möchte man einfach und verlässlich Füllstände von Flüssigkeiten messen, so löst man dies oftmals über eine hydrostatische Druckmessung, z. B. mittels Pegelsonden / Tauchsonden. Die charakteristische Tauchanwendung bedingt dabei jederzeit eine maximale Feuchtigkeitsbelastung, jedoch nicht nur am medienberührenden Gehäuse des Drucksensors, sondern entlang des gesamten, eingetauchten Kabels. Auch außerhalb des direkt eingetauchten Bereiches sind das Kabel und insbesondere das Kabelende aufgrund von Spritzwasser und Kondensaten häufig mit Feuchtigkeit belastet. Dies gilt nicht nur während des Betriebes sondern in besonderem Maße während der Installation und Inbetriebnahme bzw. bei fälligen Wartungs- und Umbauarbeiten.

    Unabhängig von der Zielanwendung, ob in der Wasser- und Abwasseraufbereitung oder in der Tanküberwachung, ein Feuchtigkeitseintritt ins Kabelende der Pegelsonde kann bei ungenügenden Schutzmaßnahmen früh und unumkehrbar erfolgen und hat in fast allen Fällen den vorzeitigen Ausfall des Gerätes zur Folge. Der Feuchtigkeitseintritt in den Kabelausgang hinab bis in die Elektronik der Tauchsonde muss deshalb durch vorbeugende Maßnahmen seitens des Anwenders aktiv vermieden werden.
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  • Reinigung von Pegelsonden bzw. Tauchsonden

    Wählt man zur Messung von Füllständen die spezifische Drucksensor-Bauform der Pegelsonde bzw. Tauchsonde so wird diese häufig unter Umgebungsbedingungen eingesetzt, bei denen herkömmliche Füllstandssensoren scheitern. Widrigste Bedingungen wie schmutzige Medien, abrasive Inhaltsstoffe und Schlammbildung beim Einsatz in Klärwerken, Brack- und Abwassertanks oder auch Faultürmen, bedingen besondere Anforderungen an die Konstruktion einer Pegelsonde.

    Eine der Hauptanforderungen an Pegelsonden ist die konstruktive Umsetzung einer möglichst geringen Verschmutzungsanfälligkeit des Drucksensors. Deshalb verzichtet man auf die typische Bauform mit engen Druckkanälen, die in solchen Applikationen zu Verstopfung neigen würden. Die Pegelsonde und deren druckbeaufschlagte Sensormembran sind bereits durch die konstruktive Gestaltung auf eine besonders geringe Verschmutzungsanfälligkeit hin optimiert. Dennoch kann der Dauereinsatz in verschmutzten Medien zu einem Festsetzen von Schmutzpartikeln auf der Edelstahlmembran führen. (mehr …)

  • Korrosionsschutz durch Erdung von Pegelsonden bzw. Tauchsonden

    Korrosion von Drucksensoren ist in industriellen Anwendungen eher ein vernachlässigbares Phänomen, da beim Großteil der Anwendungen Öle, insbesondere Hydrauliköle zum Einsatz kommen und der Kontakt mit dem Druckmedium praktisch immer auf den Druckkanal und Sensor, also eine eng begrenzten Bereich des Gerätes beschränkt bleibt. In der Füllstandsmessung mittels Pegelsonden sind die Geräte jedoch vollständig und dauerhaft in Berührung  mit oftmals wässrigen Medien. Hier kann auf Grund falscher oder nicht vorhandener Erdung  bzw. ungenügendem Potentialausgleich starke Korrosion und damit eine Beeinträchtigung der Funktion auftreten.

    Korrosion an einer Pegelsonde führt speziell im Hinblick auf deren Konstruktion und Anwendung meist zu feuchtigkeitsbedingten Sensorausfällen. Korrosionserscheinungen bei Pegelsonden beschränken sich in den seltensten Fällen auf eine reine oberflächige Korrosion, die zumeist aus einem dem Medium unangemessenem Gehäusewerkstoff resultiert. In der Regel herrscht hier Lochfraß oder Spaltkorrosion vor. Diese führt zu punktuellen, tief in den Werkstoff eindringenden, Korrosionserscheinungen. Diese Korrosionsformen führen oftmals bereits nach kurzer Zeit zu einem Materialabtrag durch die komplette Gehäusewandung und resultieren schlussendlich in vollständigem Feuchtigkeitseintritt in den Pegelsondenkörper. Die eindringende Feuchtigkeit verursacht in der elektrischen Schaltung  Schädigungen und letztendlich den Ausfall des Drucksensors.

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  • Auswahlkriterien zur Vermeidung feuchtigkeitsbedingter Ausfälle von Pegelsonden bzw. Tauchsonden

    Pegelsonden werden bestimmungsgemäß in Tauchanwendungen eingesetzt, d. h. vollständig ins Medium eingetaucht und müssen daher jederzeit einer maximalen Mediumsbelastung standhalten. Ob in der Wasser- und Abwasseraufbereitung oder auch in der Tanküberwachung, ein Flüssigkeitseintritt kann durch den Pegelsondenkörper selbst, durch das Kabel oder auch durch das Kabelende der Pegelsonde erfolgen.

    Als Anwender kann man den Flüssigkeitseintritt am Drucksensor bzw. Sensorgehäuse nur durch die Produktauswahl beeinflussen um Ausfällen vorzubeugen. Es empfiehlt sich hierbei eine qualitativ hochwertige Pegelsonde auszuwählen, die speziell und ausschließlich für die Zielanwendung konstruiert und getestet wurde. Einen Standard-Drucksensor mit einem Kabelausgang  “passend zu machen“, sollte man in solch fordernden Einsatzumgebungen unbedingt vermeiden, auch wenn solche „Pegelsonden“ oftmals am Markt angeboten werden. Grundsätzlich muss auch ein für das zu messende Medium geeignetes Drucksensor- bzw. Gehäusematerial gewählt werden, um chemische Zersetzungsprozesse und Korrosion zu vermeiden. Für die einfache Anwendung in unkritischen Medien, genügt die Wahl eines rostfreien Edelstahls der Güte 316L . In bestimmten Anwendungen und/oder kritischen bzw. aggressiven Medien hingegen, empfiehlt sich der Einsatz eines speziellen, dem Medium angepassten Pegelsondenmaterials, wie z. B. Hastelloy.

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