Druck- und Druckdifferenzmessung

Hubert de Vries

In diesem Aufsatz wird über die Einsatzbereiche und Anwendungsmöglichkeiten im Bereich der Druck- und der Druckdifferenzmessung berichtet. Als kurzer Einstieg dient ein Blick in die Historie solcher Geräte. Hierbei sind auch Erläuterungen zur Arbeitsweise und Dimension dieser Apparate an Hand von Beispielen diverser Druckmeßumformer aufgeführt. Ein wichtiger Schwerpunkt ist die Bedeutung von Druck- und Druckdifferenzmessern in der allgemeinen Versorgungstechnik.

Die Druck- oder Druckdifferenzmessung im Bereich des Maschinenbaues verdient höchste Aufmerksamkeit. Dennoch kann oft festgestellt werden, daß dieses Gebiet bei manchen Anlagen stiefmütterlich behandelt wurde. Gerade bei Anlagen, die für lebensnotwendige Aufgaben oder kontinuierliche Industrieprozesse erstellt wurden, gilt die Drucküberwachung als das wichtigste Glied in der Kette der Überwachungsgeräte. Aber nicht nur bei solchen Anlagen, sondern auch bei Anlagen, die mit konstantem Vordruck arbeiten müssen, gilt es, eine möglichst genaue Druckmessung zu installieren. Diese greift direkt in die Regelung der gesamten Anlage ein. Darüber hinaus hat die Druck- und Druckdifferenzmessung eine wahre technische Revolution durchgemacht.

Bild 1: Das wohl bekannteste Druckmeßgerät.

War es früher üblich, z.B. eine Druckmessung mittels einer gefärbten Flüssigkeit in einem U-Rohr aus Glas- oder Kunststoff anzuzeigen, so werden heute Geräte installiert, die sich durch höchste Präzision auszeichnen. Hinzu kommt die Wartungsfreundlichkeit und die Umweltverträglichkeit, die bei der Konstruktion dieser neuen Geräte eine besondere Rolle spielten. Im nachfolgenden werden einige Gerätekonstruktionen beschrieben und vor allem praktische Anwendungsbeispiele aufgeführt.

Bild 2: Maßskizze einer Kontakt-Ringwaage.

Zur Geschichte

Die Druckmessung (Bild 1) und insbesondere die Druckdifferenzmessung ist älter und traditionsreicher als die Versorgungstechnik überhaupt. Namhafte Wissenschaftler haben sich schon lange vor dem Mittelalter damit beschäftigt, Druck zu messen und vor allem den gemessenen Wert entsprechend anzuzeigen. Das wohl bekannteste Verfahren ist das U-Rohr, welches mit einer Flüssigkeit gefüllt wurde, wodurch eine optische Druckdifferenz-Kontrolle gegeben war. Da diese Differenz mit einem Längenmaß gemessen wurde, gab es lange Zeit Schwierigkeiten mit der Bezeichnung Druckdifferenz. Diese Schwierigkeiten bestanden eben darin, daß die Druckdifferenz in jeweils unterschiedlichen Einheiten ausgedrückt wurde. Es hat lange gedauert, bis Konstrukteure sich diesem Thema annahmen, damit ein Gerät entstand, welches einen Druck oder eine Druckdifferenz messen und auch gleichzeitig in beliebiger Einheit anzeigen konnte. Die wohl älteste Konstruktion ist die sogenannte Ringwaage (Bild 2). Diese Druck- und Druckdifferenzmeßgeräte bestehen im Prinzip auch aus einem

Bild 3: Prinzip der Drucküberwachung einer Heizungsanlage.

U-förmig gebogenen Ringkörper, der mit einer Sperrflüssigkeit gefüllt ist. Diese Geräte werden gemäß den VDI-Richtlinien Nr. 2068 als Überwachungsorgan zugelassen. Im Bild 3 wird ein Beispiel einer Drucküberwachung bei Heizkesselanlagen gezeigt. Hier geht es also um den Druck des Abgases, der auch für die Überwachung einer reinen Heizungsanlage wichtig ist. In der Versorgungstechnik jedoch finden diese Ringwaagen kaum noch Verwendung. Mit ein Grund hierfür ist die mittelbare Kontaktmöglichkeit der möglichst aufbereiteten Luft mit der eingefüllten Sperrflüssigkeit. Dies gilt natürlich auch für das U-Rohr.

Bild 4: Prinzip der Druckmessung mittels Membrane.

Konstruktive Erneuerungen

In versorgungstechnischen Anlagen älterer Bauart findet man oft noch die vorhin erwähnten Geräte. Diese Apparate wurden z.B. nicht nur für die reine Druckanzeige eingesetzt, sondern auch als reine Überwachungsgeräte. Aufgabe war vielfach die Überwachung von Filtern, Ventilatoren, Jalousieklappen und sonstigen Bauteilen, die im Bereich der Versorgungstechnik Verwendung finden. Aufgrund der vorher erwähnten Nachteile der einzufüllenden Sperrflüssigkeit, aber auch vielfach mit der Begründung der Überlastsicherheit, wurde nach anderen Konstruktionen gesucht. Bei der Suche nach der Lösung der Meßaufgabe wurde ein Gerät mit einer sogenannten Meßmembrane entwickelt (Bilder 4 und 5). Hier wirkt der Druck bzw. der Differenzdruck auf eine geführte Membrane. Die hierdurch erzeugte Kraft wird durch eine Meßfeder wegabhängig kompensiert. Die Bewegung der Membrane wird mittels Biegerohr über eine Durchführung aus dem Druckraum nach außen auf den Istwertanzeiger übertragen. Hierdurch entsteht gleichzeitig der Vorteil, daß sich der Nullpunkt jeweils einstellen läßt. Darüber hinaus besteht bei dieser Konstruktion der Vorteil, daß die Bewegung der Membrane von einem Differentialtransformator in ein elektrisches Signal umgebaut werden kann. Diese Geräte können auch mit Sollwertanzeigen ausgerüstet werden und sind insbesondere als Überwachungsorgan einsetzbar. Da die Meßmembrane aus verschiedenen Werkstoffen gefertigt werden kann, können die Geräte für vielfältige Medien eingesetzt werden. Bild 5 zeigt ein solches Gerät, ausgerüstet mit einem Minimal- und Maximal-Kontaktanzeiger.

Bild 5: Membran-Druckdifferenzgerät

Für höhere Druckbereiche wird in der Regel das Piezo-Prinzip oder das Rohrfeder-Prinzip angewandt. Bei der Rohrfederkonstruktion wird das Prinzip des druckabhängigen Weges benutzt. Dieser Weg wird über einen Differential-Transformator mit nachgeschalteter Elektronik und einem eingeprägten Strom von z.B. 4 - 20 mA eingesetzt. Hier ist jedoch fast ausschließlich von Niederdruckgeräten die Rede, deren Einsatzgebiet technisch wesentlich ausgedehnter ist.

Bild 6: Membrandurckanzeiger

Abmessungen

Die vorhin beschriebene Gerätekonstruktion hat sich im Laufe der Jahre bestens bewährt (Bild 6). Vor allem auch die Möglichkeit der Integration in Regelsystemen ermöglicht ein breites Einsatzgebiet. Je nach Qualität der Anlage kann dieses Gerät hauptsächlich für überwachende und meßtechnische Aufgaben eingesetzt werden. Bei Anlagen, in denen nur eine Anzeige gewünscht wird, ist dieses Gerät besonders attraktiv. Dennoch war der Wunsch vorhanden, ein sehr kleines Gerät zu entwickeln, bei dem auch der Einsatz an Material minimal sein sollte. Das Ergebnis war ein Differenzdrucksensor. Dieses Gerät kann kleinste Drücke oder Differenzdrücke erfassen (Bild 7). Hier wird der zu messende Differenzdruck über zwei Anschlußtüllen auf die jeweilige Seite der geführten Membrane angeschlossen. Die Auslenkung dieser Meßmembrane wird von einer Meßfeder wegabhängig kompensiert. Bei diesem Differenzdrucksensor setzt ein induktiver Wegaufnehmer mit einer Auswerteelektronik die Membranauslenkung in ein elektrisches Spannungssignal um. Bei diesem Sensor ist die Elektronik vom Druckraum getrennt. Dieses Gerät ist auch leicht zu installieren und bedienen. Da dieses Gerät sehr kompakt konstruiert wurde und preisgünstig gefertigt werden kann, gilt es als alternative Lösung des anfangs besprochenen U-Rohr-Meßprinzips.

Bild 7: Differenzdruck-Überwachungsgerät mit Fernübertragung.

Druckmeßumformer

Bei den hier beschriebenen Geräten wurde eines noch nicht deutlich erwähnt: Das Problem bei Druckmessungen im Niederdruckbereich ist die Meßspanne. Dies ist besonders bei der Reinraumtechnik der Fall. Hier werden z.B. Geräte mit einer Meßspanne bis zu 0,1 mbar gewünscht. Konstrukteure von namhaften Druckmeßgeräteherstellern griffen diese Aufgabe auf, und es entstand ein Druckmeßumformer, der diesen Anforderungen gerecht wurde. Bild 4 zeigt diese Konstruktion, Bild 8 das eigentliche Gerät.

Bild 8: Druckmeßumformer mit Digitalanzeige.

Hier wird der zu messende Druck über die Anschlußtüllen (1) auf die Meßmembrane (2) gegeben. Die von bandgelagerten Lenkern (3) geführte Membrane ist über eine Durchführung (4) kraftschlüssig mit einer in einem Magnetfeld (5) befindlichen Tauchspule (6) verbunden. Ein von einem Lagesensor (7) angesteuerter Regler (8) steuert den elektrischen Strom in der Tauchspule. Dies geschieht so lange, bis die Kraft der Tauchspule die von der Membrane erzeugte Kraft kompensiert. Der elektrische Strom in der Tauchspule ist somit ein exaktes Maß des zu messenden Druckes. Eine nachgeschaltete Elektronik (9) setzt den Tauchspulstrom in ein genormtes Ausgangssignal um. Sowohl dieses Gerät als auch die vorhin besprochenen Geräte können auch für Durchflußmessungen eingesetzt werden. Bei dieser Aufgabe kann dieses und auch die anderen Geräte mit einem Meßumformer mit einem radizierten Ausgangssignal ausgerüstet werden.

Bild 9: Schematische Darstellung der Überwachung einer Klimaanlage

Das besondere an diesem Druckmeßumformer ist die Möglichkeit der Umkalibrierung. Die Verschlußkappe (10) kann entfernt werden und der Meßumformer durch Auflegen von Gewichten auf andere gewünschte Meßbereiche kalibriert werden. Hierdurch entfällt gleichzeitig ein aufwendiges und teures Umkalibrieren. Dieses Gerät, das in seiner Konstruktion sehr robust gestaltet wurde, gilt als richtungsweisend für die Druck- und Druckdifferenzmeßtechnik.

Bild 10: Zentrale Leittechnik, angewandt in einer versorgungstechnischen Anlage

Überwachung in der Versorgungstechnik

In der Lüftungs- und Klimatechnik ist die Überwachung der Anlagentechnik oberstes Gebot. Vielfach jedoch weisen die Anlagen Konzeptionsmängel auf. Deshalb werden zum Schluß zwei Konzeptionsbeispiele für die Überwachung von versorgungstechnischen Anlagen dargestellt (Bilder 9 und 10). Hierin ist natürlich auch die Drucküberwachung aufgenommen und integriert in ein Gesamtüberwachungssystem. Vor allem soll hier herausgestellt werden, daß die Überwachung z.B. einer Lüftungs- oder Klimaanlage mittels den hier aufgezeichneten Geräten vollkommen sicher arbeiten kann. Es treten z.B. keine Störungen durch Verschmutzungen oder durch Wartungsarbeiten auf. Die Druck- und Druckdifferenzmessung gilt als mit das wichtigste einer modernen Lüftungs- und Klimaanlage.

Bei richtiger Anwendung der hier aufgezeichneten Geräte kann die versorgungstechnische Anlage eine absolut sichere Betriebsweise erhalten.

B i l d e r : Arthur Grillo, Ratingen

[Zurück] [Übersicht] [www.ikz.de]