Verschiedene Arten von Druckmessumformern

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Es gibt eine Vielzahl von Druckwandler-Designs für den Einsatz in zahlreichen Industrie- und Laboranwendungen. Dazu gehören unter anderem industrielle Druckwandler, Flüssigkeitsdruckwandler und Mikrodruckwandler.

Druckmessumformer gibt es in verschiedenen Formen und Größen, aber die meisten Messumformer haben einen zylinderförmigen Mittelteil, in dem sich die Membran und die Messdruckkammer befinden, einen Druckanschluss an einem Ende, der in der Regel mit einem Gewinde, einer Schraube, einer Widerhakenverbindung oder offen ist, und am anderen Ende einen Anschluss für die Signalübertragung.

Mechanische Methoden zur Druckmessung sind seit Jahrhunderten bekannt. U-Rohr-Manometer gehörten zu den ersten Druckanzeigern. Ursprünglich bestanden diese Rohre aus Glas und wurden bei Bedarf mit Skalen versehen. Manometer sind jedoch groß, unhandlich und für die Integration in automatische Regelkreise nicht gut geeignet. Daher werden Manometer in der Regel in Laboren oder als lokale Anzeigegeräte verwendet. Je nach verwendetem Referenzdruck können sie den Absolutdruck, den Manometerdruck und den Differenzdruck anzeigen.

Differenzdruckwandler werden häufig in der Durchflussmessung eingesetzt, wo sie für die Differenzdruckmessung über einen Venturi, Blende oder einem anderen Primärelement. Die erfasste Druckdifferenz steht in Zusammenhang mit der Strömungsgeschwindigkeit und damit mit dem Volumenstrom. Viele Merkmale moderner Drucktransmitter stammen vom Differenzdruck-Transmitter. Tatsächlich könnte man den Differenzdruck-Transmitter als Vorbild für alle Drucktransmitter betrachten.

Der „Manometerdruck” wird relativ zu den atmosphärischen Bedingungen definiert. In den Teilen der Welt, in denen weiterhin englische Einheiten verwendet werden, wird der Manometerdruck durch Hinzufügen eines „g” zur Einheitenbezeichnung angegeben. Daher wird die Druckeinheit „Pfund pro Quadratzoll Manometer” mit psig abgekürzt. Bei Verwendung von SI-Einheiten ist es üblich, den verwendeten Einheiten „Manometer” hinzuzufügen, z. B. „Pa Manometer”. Wenn die Druckmessung in absoluten Einheiten erfolgt, ist die Referenz das vollständige Vakuum und die Abkürzung für „Pfund pro Quadratzoll absolut“ lautet psia.
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Häufig werden die Begriffe Manometer, Sensor, Wandler und Transmitter synonym verwendet. Der Begriff Manometer bezieht sich in der Regel auf eine in sich geschlossene Anzeige, die den erfassten Prozessdruck in die mechanische Bewegung eines Zeigers umwandelt. Ein Druckwandler kann das Sensorelement eines Manometers mit einem mechanisch-elektrischen oder mechanisch-pneumatischen Wandler und einer Stromversorgung kombinieren. Ein Drucktransmitter ist ein standardisiertes Druckmesspaket, das aus drei Grundkomponenten besteht: einem Druckwandler, seiner Stromversorgung und einem Signalaufbereiter/Retransmitter, der das Wandlersignal in einen standardisierten Ausgang umwandelt.
Drucktransmitter können die gewünschte Druckmessung als analoges pneumatisches (3-15 psig), analoges elektronisches (4-20 mA DC) oder digitales elektronisches Signal senden. Wenn Wandler direkt mit digitalen Datenerfassungssystemen verbunden sind und sich in einiger Entfernung von der Datenerfassungshardware befinden, sind Signale mit hoher Ausgangsspannung vorzuziehen. Diese Signale müssen bei längeren Übertragungswegen sowohl gegen elektromagnetische als auch gegen Hochfrequenzstörungen (EMI/RFI) geschützt werden.
Auch Begriffe, die sich auf die Leistung von Druckwandlern beziehen, müssen definiert werden. Die Genauigkeit eines Wandlers bezieht sich auf den Grad der Übereinstimmung des gemessenen Druckwerts mit einem anerkannten Standard. Sie wird in der Regel als Prozentsatz des Skalenendwerts oder des tatsächlichen Messwerts des Instruments angegeben. Bei Geräten mit prozentualem Skalenendwert nimmt der Fehler zu, wenn der Absolutwert der Messung sinkt. Die Wiederholbarkeit bezieht sich auf die Übereinstimmung zwischen mehreren aufeinanderfolgenden Druckmessungen derselben Variablen. Die Linearität ist ein Maß dafür, wie gut die Ausgangssignale des Wandlers linear mit steigendem Druck ansteigen. Der Hysteresefehler beschreibt das Phänomen, dass derselbe Prozessdruck zu unterschiedlichen Ausgangssignalen führt, je nachdem, ob der Druck von einem niedrigeren oder höheren Druck aus erreicht wird.

Von mechanisch zu elektronisch

Die ersten Manometer verwendeten flexible Elemente als Sensoren. Bei Druckänderungen bewegte sich das flexible Element, und diese Bewegung wurde genutzt, um einen Zeiger vor einer Skala zu drehen. Bei diesen mechanischen Drucksensoren erfasste ein Bourdon-Rohr, eine Membran oder ein Balgelement den Prozessdruck und verursachte eine entsprechende Bewegung.
Ein Bourdon-Rohr ist C-förmig und hat einen ovalen Querschnitt, wobei ein Ende des Rohrs mit dem Prozessdruck verbunden ist (Abbildung 3-1A). Das andere Ende ist verschlossen und mit dem Zeiger oder dem Transmittermechanismus verbunden. Um ihre Empfindlichkeit zu erhöhen, können Bourdon-Rohr-Elemente zu Spiralen oder Wendeln verlängert werden (Abbildungen 3-1B und 3-1C). Dadurch erhöht sich ihre effektive Winkel-Länge und somit die Bewegung an ihrer Spitze, was wiederum die Auflösung des Wandlers erhöht.
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Zur Familie der flexiblen Drucksensorelemente gehören auch Faltenbälge und Membranen (Abbildung 3-2). Membranen sind beliebt, weil sie weniger Platz benötigen und weil die von ihnen erzeugte Bewegung (oder Kraft) für den Betrieb elektronischer Wandler ausreicht. Sie sind auch in einer Vielzahl von Materialien für die Druckmessung in korrosiven Anwendungen erhältlich.
Nach den 1920er Jahren entwickelten sich automatische Steuerungssysteme, und in den 1950er Jahren waren Transmitter und zentrale Kontrollräume bereits weit verbreitet. Daher musste das freie Ende eines Bourdon-Rohrs (Balg oder Membran) nicht mehr mit einem lokalen Zeiger verbunden sein, sondern diente dazu, einen Prozessdruck in ein übertragenes (elektrisches oder pneumatisches) Signal umzuwandeln. Zunächst war die mechanische Verbindung mit einem pneumatischen Drucktransmitter verbunden, der in der Regel ein Ausgangssignal von 3-15 psig für die Übertragung über Entfernungen von mehreren hundert Fuß oder sogar noch weiter mit Verstärker-Repeatern erzeugte. Später, als die Halbleiterelektronik ausgereift war und die Übertragungsentfernungen zunahmen, wurden Drucktransmitter elektronisch. Die frühen Modelle erzeugten Gleichspannungsausgänge (10–50 mV; 1–5 V; 0–100 mV), wurden aber später als 4–20-mA-Gleichstromausgangssignale standardisiert.
Aufgrund der inhärenten Einschränkungen mechanischer Bewegungsausgleichsvorrichtungen wurden zunächst Kraftmessdosen und später Halbleiter-Druckwandler eingeführt. Die ersten ungebundenen Drahtdehnungsmessstreifen wurden Ende der 1930er Jahre eingeführt. Bei diesem Gerät wird der Drahtfaden an einer unter Spannung stehenden Struktur befestigt und der Widerstand im gespannten Draht gemessen. Diese Konstruktion war von Natur aus instabil und konnte die Kalibrierung nicht aufrechterhalten. Außerdem gab es Probleme mit der Verschlechterung der Verbindung zwischen dem Drahtfaden und der Membran sowie mit der Hysterese, die durch thermoelastische Dehnung im Draht verursacht wurde.
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Die Suche nach einem verbesserten Sensor für Dehnungs- und Druckmessungen führte zunächst zur Einleitung von geklebten Dünnschicht- und schließlich von diffusen Halbleiter-Dehnungsmessstreifen. Diese wurden zunächst für die Automobilindustrie entwickelt, fanden aber kurz darauf Eingang in den allgemeinen Bereich der Druckmessung und -übertragung in allen industriellen und wissenschaftlichen Anwendungen. Halbleiter-Drucksensoren sind empfindlich, kostengünstig, genau und mit hoher Wiederholbarkeit. (Weitere Einzelheiten zum Betrieb von Dehnungsmessstreifen finden Sie in Kapitel 2.)
Viele pneumatische Transmitter sind nach wie vor im Betrieb, insbesondere in der Petrochemie. Da Steuerungssysteme jedoch immer stärker zentralisiert und computerisiert werden, wurden diese Geräte durch analoge elektronische und in jüngerer Zeit durch digitale elektronische Transmitter ersetzt.

Arten von Messwandlern
short-image-description Abbildung 3 bietet Wissenschaftlern und Ingenieuren, die vor der Aufgabe stehen, einen Drucksensor aus einer Vielzahl verfügbarer Modelle auszuwählen, einen allgemeinen Überblick. Diese Tabelle zeigt die Vakuum- und Druckmessbereiche, die verschiedene Sensortypen erfassen können, sowie die verwendeten internen Referenzwerte (Vakuum oder atmosphärischer Druck), sofern vorhanden.
Da elektronische Druckwandler dieser Art für industrielle und labortechnische Datenerfassungs- und Steuerungsanwendungen am nützlichsten sind, werden die Funktionsprinzipien und Vor- und Nachteile der einzelnen Typen in diesem Abschnitt näher erläutert.

Technologien in Druckwandlern

Hier finden Sie kurze Beschreibungen der verschiedenen Arten von Druckwandlern, einschließlich der Funktionsprinzipien und Vor- und Nachteile der einzelnen Typen.

Dehnungsmessstreifen

Dehnungsmessstreifen-Druckmessumformer sind weit verbreitet, insbesondere für Messungen mit geringem Druckbereich und für Differenzdruckmessungen. Diese Geräte können den Manometerdruck erfassen, wenn der Niederdruckanschluss zur Atmosphäre hin offen ist, oder den Differenzdruck, wenn sie an zwei Prozessdrücke angeschlossen sind. Wenn die Niederdruckseite eine versiegelte Vakuumreferenz ist, fungiert der Transmitter als Absolutdruck-Transmitter.

Dehnungsmessstreifen-Transmitter sind für Messbereiche von 3 Zoll Wassersäule bis zu 200.000 psig (1400 MPa) erhältlich. Die Ungenauigkeit reicht von 0,1 % der Spanne bis zu 0,25 % des Skalenendwerts. Zusätzliche Fehlerquellen können eine Abweichung von 0,25 % des Skalenendwerts über sechs Monate und ein Temperatureinfluss von 0,25 % des Skalenendwerts pro 1000 °F sein.

Kapazitive Druckmessumformer

Kapazitive Druckmessumformer wurden ursprünglich für den Einsatz in der Niedervakuumforschung entwickelt. Die Kapazitätsänderung resultiert aus der Bewegung eines Membranelements. Je nach Art des Drucks kann der kapazitive Messumformer entweder ein Absolut-, Relativ- oder Differenzdruckmessumformer sein.

Kapazitive Druckmessumformer sind unter anderem wegen ihres großen Messbereichs von Hochvakuum im Mikrometerbereich bis zu 10.000 psig (70 MPa) weit verbreitet. Differenzdrücke von nur 0,01 Zoll Wassersäule können problemlos gemessen werden. Und im Vergleich zu Dehnungsmessstreifen-Messumformern weisen sie nur eine geringe Drift auf. Es sind verbesserte Ausführungen erhältlich, die eine Genauigkeit von 0,1 % des Messwerts oder 0,01 % des Skalenendwerts aufweisen. Ein typischer Temperatureinfluss beträgt 0,25 % des Skalenendwerts pro 1000 °F.

short-image-description Kapazitive Sensoren werden häufig als Sekundärnormale verwendet, insbesondere in Anwendungen mit geringem Differenzdruck und niedrigem Absolutdruck. Sie reagieren außerdem sehr schnell, da die physikalische Wegstrecke der Membran nur wenige Mikrometer beträgt. Neuere kapazitive Druckmessumformer sind korrosionsbeständiger und weniger empfindlich gegenüber Streukapazitäten und Vibrationen, die bei älteren Modellen zu „Messwertschwankungen” führten.

Edelstahl ist das am häufigsten verwendete Membranmaterial, aber für korrosive Anwendungen bieten hochlegierte Nickellegierungen wie Inconel oder Hastelloy eine bessere Leistung. Tantal wird auch für hochkorrosive Anwendungen bei hohen Temperaturen verwendet. Als Sonderfall können Silbermembranen zur Messung des Drucks von Chlor, Fluor und anderen Halogenen in ihrem elementaren Zustand verwendet werden.

Potentiometrische Druckwandler

Der potentiometrische Drucksensor bietet eine einfache Methode, um einen elektronischen Ausgang von einem mechanischen Manometer zu erhalten. Das Gerät besteht aus einem Präzisionspotentiometer, dessen Schleifarm mechanisch mit einem Bourdon- oder Balgelement verbunden ist. Die Bewegung des Schleifarms über das Potentiometer wandelt die mechanisch erfasste Sensorauslenkung mithilfe einer Wheatstone-Brückenschaltung in eine Widerstandsmessung um. using a Wheatstone bridge circuit.

Die mechanische Beschaffenheit der Verbindungen zwischen dem Schleifarm und dem Bourdonrohr, dem Balgelement oder dem Membranelement führt zu unvermeidbaren Fehlern bei dieser Art der Messung. Temperatureinflüsse verursachen zusätzliche Fehler aufgrund der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten der metallischen Komponenten des Systems. Fehler entstehen auch durch den mechanischen Verschleiß der Komponenten und der Kontakte.

short-image-description Potentiometrische Wandler können extrem klein hergestellt und auf engstem Raum installiert werden, beispielsweise im Gehäuse eines 4,5-Zoll-Manometers. Sie liefern außerdem ein starkes Ausgangssignal, das ohne zusätzliche Verstärkung ausgelesen werden kann. Dadurch können sie in Anwendungen mit geringem Stromverbrauch eingesetzt werden. Außerdem sind sie kostengünstig. Potentiometrische Wandler können Drücke zwischen 5 und 10.000 psig (35 kPa bis 70 MPa) erfassen. Ihre Genauigkeit liegt zwischen 0,5 % und 1 % des Skalenendwerts, ohne Drift und Temperatureinflüsse.

Resonanzdraht-Druckmessumformer

Der Resonanzdraht-Druckmessumformer wurde Ende der 1970er Jahre eingeführt. Bei dieser Konstruktion wird ein Draht an einem Ende von einem statischen Element und am anderen Ende von der Messmembran gehalten. Eine Oszillatorschaltung bewirkt, dass der Draht mit seiner Resonanzfrequenz schwingt. Eine Änderung des Prozessdrucks verändert die Drahtspannung, was wiederum die Resonanzfrequenz des Drahtes verändert. Eine digitale Zählerschaltung erkennt diese Verschiebung. Da diese Frequenzänderung sehr präzise erfasst werden kann, eignet sich dieser Wandlertyp sowohl für Anwendungen mit niedrigem Differenzdruck als auch zur Erfassung von Absolut- und Manometerdruck.

Der wichtigste Vorteil des Resonanzdraht-Druckwandlers besteht darin, dass er ein inhärent digitales Signal erzeugt und daher direkt an einen stabilen Quarzoszillator in einem Mikroprozessor gesendet werden kann. Zu den Einschränkungen zählen die Empfindlichkeit gegenüber Temperaturschwankungen, ein nichtlineares Ausgangssignal und eine gewisse Empfindlichkeit gegenüber Stößen und Vibrationen. Diese Einschränkungen werden in der Regel durch den Einsatz eines Mikroprozessors minimiert, der Nichtlinearitäten sowie Schwankungen der Umgebungs- und Prozesstemperatur kompensiert.

Resonanzdraht-Messumformer können Absolutdrücke ab 10 mm Hg, Differenzdrücke bis zu 750 in. Wasser und Manometerdrücke bis zu 6.000 psig (42 MPa) erfassen. Die typische Genauigkeit beträgt 0,1 % der kalibrierten Spanne, mit einer Drift von 0,1 % über sechs Monate und einem Temperatureinfluss von 0,2 % pro 1000 °F. .