Was ist ein Drucktransmitter? Funktionsprinzip, Typen und Kaufratgeber

Ein Drucktransmitter gehört zu den Teilen, an die niemand denkt, bis er im schlimmsten Moment ausfällt. Es sitzt ruhig auf einer Rohrverschraubung, speist eine Zahl in ein Bedienfeld ein und verrichtet jahrelang seinen Dienst -, bis eine schlechte Kalibrierung oder eine korrodierte Membran einen Prozess zu einem ungeplanten Stillstand führt. Wenn Sie ein Gerät für einen neuen Bau angeben, ein ausgefallenes Gerät ersetzen oder einfach nur herausfinden möchten, warum die Angebote, die Sie erhalten haben, zwischen 80 und 600 US-Dollar für scheinbar dasselbe Gerät liegen, soll dieser Leitfaden die Fragen beantworten, die während dieses Prozesses tatsächlich auftauchen.

Was genau ist ein Drucktransmitter?

A Drucktransmittermisst den Druck einer Flüssigkeit, eines Gases oder Dampfs und wandelt diesen Messwert in ein standardisiertes elektrisches Signal - typischerweise 4-20 mA, 0-10 V oder ein digitales Protokoll wie HART oder Modbus um, das ein SPS-, DCS- oder SCADA-System direkt lesen kann. Das Signal macht es zu einem „Sender“ und nicht nur zu einem Sensor: Es ist so konzipiert, dass es sich über ein Kabel, manchmal Hunderte von Metern, fortbewegt, ohne sich zu verschlechtern.

Drucktransmitter vs. Wandler vs. Messgerät

Die Leute verwenden diese drei Begriffe locker und in einer Ausschreibung kann das zu echter Verwirrung führen.

• Manometer: Vollständig mechanisch, nur lokale Anzeige möglich, kein elektrisches Signal.
• Druckwandler: Wandelt Druck in einen elektrischen Wert um, normalerweise jedoch in ein rohes Signal mit niedrigem Pegel (Millivolt), das noch einer externen Verstärkung bedarf.
• Drucktransmitter: verfügt über eine integrierte Verstärkung und Signalaufbereitung, so dass ein sauberes, einsatzbereites--Signal ausgegeben wird, - ohne dass beim Kunden zusätzliche Hardware erforderlich ist.

Wenn Ihr Steuerungssystem den Messwert protokollieren oder darauf reagieren muss, benötigen Sie einen Sender. Wenn jemand nur einen Blick auf eine Zahl auf einer Tafel werfen muss, ist ein Messgerät billiger und einfacher.

Wie ein Drucktransmitter tatsächlich funktioniert

Ohne Markenzeichen und Datenblattjargon macht jeder Druckmessumformer die gleichen drei Dinge: Er erkennt eine winzige physikalische Verformung, wandelt diese Verformung in einen elektrischen Wert um und wandelt diesen Wert in ein nutzbares Signal um.

Die Wahrnehmungsphase

Der Prozessdruck drückt gegen eine Membran, normalerweise durch einen ölgefüllten Isolator, der verhindert, dass die eigentliche Prozessflüssigkeit die Elektronik berührt. Diese Membran biegt sich - häufig um den Bruchteil eines Millimeters - und das Sensorelement nimmt diese Biegung je nach Sensortechnologie als Änderung des Widerstands, der Kapazität oder der Resonanzfrequenz auf.

Die Konditionierungsphase

Die Rohausgabe des Sensors ist schwach, nicht{0}}linear und selbst empfindlich gegenüber Temperaturschwankungen. Interne Elektronik verstärkt es, korrigiert Temperaturdrift, linearisiert die Kurve und gibt ein standardisiertes Signal aus. Hier liegt auch der Hauptgrund für den Preisunterschied zwischen einem 90-Dollar-Sender und einem 400-Dollar-Sender, - nicht im Sensor selbst, sondern darin, wie gut die Elektronik Temperatur- und Langzeitdrift kompensiert.

Warum 4–20 mA zum Standard wurden

Ein Sender, der 0 bar anzeigt, gibt 4 mA aus, nicht 0 mA. Das ist Absicht. Wenn der Schleifenstrom auf Null fällt, erkennt das Steuersystem sofort, dass ein Drahtbruch oder ein toter Sender vorliegt, anstatt es mit einem echten Nulldruckzustand zu verwechseln. Es handelt sich um eine kleine Designentscheidung, aber sie ist der Grund dafür, dass 4-20 mA jahrzehntelang in industriellen Umgebungen eingesetzt wird, obwohl neuere digitale Alternativen verfügbar sind.

Ein kurzes Beispiel

Nehmen Sie einen Sender mit einer Nennleistung von 0-16 bar an einer Pumpenauslassleitung. Im Ruhezustand liegt der Druck bei 0 bar und die Schleife zeigt 4 mA an. Sobald die Pumpe läuft und der Leitungsdruck auf 8 bar - die Hälfte der Nennspanne - steigt, steigt das Signal proportional auf 12 mA. Beim vollen Druck des Senders von 16 bar erreicht die Schleife 20 mA. Die SPS wandelt diesen Strom wieder in bar oder psi um und kann einen Alarm auslösen, sobald er einen festgelegten Schwellenwert überschreitet.

Die wichtigsten Sensortechnologien

Piezoresistiv (Dehnmessstreifen)

Das Arbeitstier der Branche. Dehnungsmessstreifen werden in einer Wheatstone-Brückenanordnung auf eine Silizium- oder Metallmembran geklebt oder diffundiert. Das Biegen der Membran verändert den Widerstand der Messgeräte und bringt die Brücke aus dem Gleichgewicht, wodurch eine Spannung proportional zum Druck entsteht. Es ist kostengünstig, mechanisch robust und deckt einen großen Bereich - von einigen Millibar bis zu mehreren Tausend Bar ab -, weshalb es in den meisten allgemeinen industriellen Anwendungen zum Einsatz kommt.

Kapazitiv

Die Membran bildet hier eine Platte eines Kondensators, wobei durch Druck der Abstand zu einer festen Referenzplatte verändert wird. Kapazitive Sensoren sind dafür bekannt, dass sie ihre Kalibrierung über einen längeren Zeitraum beibehalten. Daher tauchen sie häufig in Anwendungen auf, bei denen die Korrektur einer Drift kostspielig ist. - Differenzdruck-Durchflussmessung und Tankfüllstand sind die beiden häufigsten Beispiele.

Resonantes Silizium

Ein mikrobearbeitetes Siliziumelement vibriert mit einer festgelegten Frequenz und durch ausgeübten Druck wird diese Frequenz auf eine Weise verschoben, die mit sehr hoher Präzision gemessen werden kann. Diese Sender kosten zwar mehr, sind aber dann die richtige Wahl, wenn die Anwendung eine Drift-- Messung im eichamtlichen Verkehr wirklich nicht tolerieren kann, beispielsweise wenn sich ein kleiner Messfehler direkt in Geld niederschlägt.

Piezoelektrisch (nur dynamischer Druck)

Piezoelektrische Elemente erzeugen unter Belastung eine Ladung, die jedoch mit der Zeit abfließt, sodass sie keinen stabilen statischen Messwert halten können. Sie werden nicht für die alltägliche Prozessüberwachung verwendet -, sondern sind für die Erfassung schneller Druckereignisse wie Verbrennungsspitzen oder hydraulischer Stöße konzipiert, bei denen die Reaktionsgeschwindigkeit wichtiger ist als die statische Genauigkeit.

Ein wissenswertes Praxisbeispiel

In einer Verpackungslinie, die einen CIP-Kreislauf (Clean-in-) durchführte, kam es zu zeitweiligen Druckalarmen, die nicht mit dem übereinstimmten, was die Bediener auf dem mechanischen Manometer neben dem Sender sahen. Der Sender selbst wurde auf dem Prüfstand einwandfrei getestet. Die eigentliche Ursache war eingeschlossene Luft in der Impulsleitung, die den Sensor speist - ein häufiges, langweiliges Problem, das häufiger mit einem fehlerhaften Instrument verwechselt wird, als es sollte. Sobald die Leitung entlüftet und wieder aufgefüllt war, stimmten die Messwerte überein und die Alarme hörten auf. Es ist eine Erinnerung daran, dass ein Sender nur so genau ist wie seine Installation; Der Sensor verdient selten die Schuld, die er bekommt.

Spezifikationen, die beim Vergleich von Angeboten wirklich wichtig sind

Zwei Sender können auf dem Papier nahezu identisch aussehen und nach der Installation dennoch sehr unterschiedliche Leistungen erbringen. Bevor Sie eine Bestellung unterzeichnen, überprüfen Sie Folgendes:

• Genauigkeit- wird als Prozentsatz des Skalenendwerts angegeben (±0,1 % FS, ±0,25 % FS usw.). Wenn man mehr Genauigkeit kauft, als der Prozess benötigt, treibt das nur die Kosten in die Höhe, ohne dass es einen Nutzen bringt.
• Reichweite und Überdruckbewertung- Ihr Arbeitsdruck sollte bequem innerhalb der Nennspanne liegen und genügend Spielraum haben, um gelegentliche Spitzen zu überstehen.
• Ausgangssignal- 4-20mA bleibt die Standardeinstellung; HART, Modbus RTU oder Profibus PA sind die zusätzlichen Kosten wert, wenn Sie eine integrierte-Diagnose benötigen.
• Benetzte Materialien- 316L Edelstahl deckt die meisten allgemeinen Anwendungen ab; Korrosive oder hochreine Medien können Hastelloy, Monel oder Tantal erfordern.
• Prozessanbindung- Gewindetyp und -größe müssen genau mit den vorhandenen Anschlüssen übereinstimmen; Dies ist der häufigste Bestellfehler.
• Schutzart und Bereichsklassifizierung- IP65/IP67 für die meisten industriellen Umgebungen; ATEX-, IECEx- oder eigensichere Klassifizierungen für Gefahrenzonen.

Wo Käufer normalerweise stolpern

Der größte Fehler besteht nicht darin, die falsche Sensortechnologie auszuwählen -, sondern darin, Angebote rein nach dem Preis zu vergleichen, ohne zu prüfen, ob es sich bei den Einheiten tatsächlich um Äpfel handelt--. Einem Messumformer, der zu einem Bruchteil des Preises eines Mitbewerbers angeboten wird, fehlt oft etwas: kein Kalibrierzertifikat, keine Temperaturkompensation über den gesamten Bereich oder ein benetztes Material, das der tatsächlichen Prozessflüssigkeit nicht standhält. Diese Lücke tritt in der Regel erst nach Monaten der Inbetriebnahme auf, dann übersteigen die Kosten für einen Ausfall und einen Ersatzaustausch bei weitem die bei der ursprünglichen Bestellung eingesparten Kosten.

Es lohnt sich, direkt nach einem Kalibrierungszertifikat (ISO 17025 oder gleichwertige Rückverfolgbarkeit), dem tatsächlichen Temperaturkompensationsbereich - (nicht nur dem Betriebsbereich -) und einer Bestätigung der Kompatibilität des benetzten Materials mit Ihren spezifischen Medien und nicht nur nach einer allgemeinen Tabelle zur chemischen Beständigkeit zu fragen.

Typische Anwendungen

• Wasser- und Abwasseraufbereitung - Pumpensteuerung, Tankfüllstand über hydrostatischen Druck
• Öl-, Gas- und petrochemische --Pipelineüberwachung, Bohrlochkopf- und Raffinerieprozesssteuerung
• HVAC und Gebäudeautomation - Kühlerdruck, statischer Kanaldruck
• Lebensmittel- und Getränke---Hygienetransmitter für CIP-Systeme und Prozessbehälter
• Hydraulik und Pneumatik - mobile Geräte, Prüfstände, Spritzguss
• Stromerzeugung - Kesselspeisewasser- und Dampfkopfdruck

Installationsgewohnheiten, die es wert sind, übernommen zu werden

• Entlüften Sie die Impulsleitungen vor der Inbetriebnahme, um zu vermeiden, dass eingeschlossene Luft die Flüssigkeitsdruckwerte verfälscht
• Überprüfen Sie noch einmal-die Montageausrichtung der Differenzdruckgeräte -, da sie sich auf den Versatz auswirkt
• Passen Sie Dichtungs- und Dichtungsmaterialien an die Prozessflüssigkeit an, nicht nur an das, was bereits im Regal erhältlich ist
• Führen Sie eine Neukalibrierung nach einem Zeitplan durch, anstatt darauf zu warten, dass ein Messwert „abweicht“.
• Lassen Sie zu, dass die Anlauftransienten niemals den Nennüberdruckgrenzwert überschreiten, auch nicht kurzzeitig. - Membranschäden durch eine Spitze sind oft dauerhaft, selbst wenn der normale Betrieb innerhalb des zulässigen Bereichs bleibt

Häufig gestellte Fragen

Kann ein Drucktransmitter Vakuum messen?

Ja, wenn es für einen zusammengesetzten Bereich ausgelegt ist, der einen Unterdruck - etwa -1 bis 5 bar umfasst. Dies wird nicht von jedem Modell unterstützt, daher muss dies vor der Bestellung im Datenblatt bestätigt werden.

Wie oft sollte ein Drucktransmitter neu kalibriert werden?

Jährlich ist die übliche Basislinie für die meisten industriellen Kreisläufe, obwohl sicherheitskritische oder eichpflichtige Anwendungen kürzere Intervalle erfordern können. Hochstabile Sensortypen können dieses Intervall manchmal verlängern, es sollte jedoch anhand des spezifischen Prozesses und etwaiger behördlicher Anforderungen überprüft und nicht angenommen werden.

Was ist der Unterschied zwischen Relativ-, Absolut- und Differenzdrucktransmittern?

Überdruck wird im Verhältnis zum atmosphärischen Druck gemessen und ist der am häufigsten verwendete Typ. Der absolute Druck wird relativ zu einem vollständigen Vakuum gemessen. Der Differenzdruck misst die Differenz zwischen zwei getrennten Punkten und wird häufig zur Durchflussmessung und zum Füllstand hydrostatischer Tanks verwendet.

Bedeutet ein höherer Preis immer eine bessere Genauigkeit?

Nein. Der Preis spiegelt Zertifizierungen, Verarbeitungsqualität, Marke und Lieferzeit ebenso wider wie Genauigkeit. Es ist durchaus möglich, dass ein Sender der mittleren Preisklasse -ein Premium--Markensender in Bezug auf die reale{{4}Weltstabilität übertrifft -. Die Angaben zur Genauigkeit im Datenblatt sind ein besserer Indikator als der Preis.

Letzte Gedanken

Ein Drucktransmitter ist ein kleines Stück Hardware, das stillschweigend eine Aufgabe erfüllt, von der ein Regelkreis oder eine Sicherheitsverriegelung abhängt. Wenn man versteht, was tatsächlich im Inneren passiert - das Sensorelement, die Aufbereitungselektronik, der standardisierte Ausgang -, ist es viel einfacher, ein Datenblatt kritisch zu lesen und bessere Fragen zu stellen, bevor eine Bestellung aufgegeben wird, anstatt nur nach dem Preis zu entscheiden. Im Zweifelsfall reicht es in der Regel aus, die Prozessmedien, den Druckbereich und die erforderlichen Zertifizierungen an einen Lieferanten zu senden, um eine passende Sensorempfehlung zu erhalten, ohne dass viel hin und her-und{5}} muss.

Referenzen

• Internationale Gesellschaft für Automatisierung (ISA) -Terminologie der Prozessinstrumentierung, ISA-51.1
• National Institute of Standards and Technology (NIST) - Grundlagen der Druckmessung, nist.gov
• ATEX-Richtlinie 2014/34/EU - Geräte zur Verwendung in explosionsgefährdeten Bereichen
• IEC 60529 - Schutzgrade durch Gehäuse (IP-Code)
• ISO/IEC 17025 - Allgemeine Anforderungen an die Kompetenz von Prüf- und Kalibrierlaboratorien