Polyscope Gastartikel zum Thema Druckmesstechnik
Unter dem Titel "Druckmesstechnik: Eine komplexe Angelegenheit mit langer Geschichte" erschien am 20.10.2022 unser Gastartikel im Polyscope, dem Fachmagazin für Industrieelektronik und Automation. Der Bericht blickt anfänglich bis weit in die Vergangenheit. Nämlich bis ins 18. Jahrhunderts und ins Zeitalter der Industriellen Revolution. Blaise Pascal und James Watt spielen aber letztlich nur die Nebenrollen. Im Zentrum stehen die komplexen physikalischen Zusammenhänge der Grösse Druck und die hochleistungsfähige Druckmesstechnik des 21. Jahrhunderts.
Druckmesstechnik: Eine komplexe Angelegenheit mit langer Geschichte
Über ein Viertel Jahrtausend liegen zwischen der Erfindung der Dampfmaschine und der neusten Generation hochgenauer und leistungsstarker Druckmesstechnik. Eine enorme Zeitspanne, in der wir den Prinzipen der Druckmessung treu blieben, sich das Angebot an Druckmesstechnik und die Anforderungen an die Instandhaltung aber grundlegend geändert haben.
England, Ende des 18. Jahrhunderts. Eine Innovation, welche sich aufmacht, die Arbeitswelt zu verändern und die Produktionsweise rund um den Globus zu revolutionieren. Die Erfindung und der Bau der ersten Dampfmaschine im Jahr 1765 läutet die Industrialisierung ein, welche gut 60 Jahre später richtig Fahrt aufnimmt – mit der Eröffnung der ersten Eisenbahnstrecke der Welt im Nordosten des Vereinigten Königreichs. Druck, erzeugt aus Wasserdampf, war der Motor der Industriellen Revolution und hat bis heute nicht an Bedeutung eingebüsst.
Während die Dampfmaschine vor rund 200 Jahren Einzug in Webereien und Spinnereien sowie in der Kohle-, Eisen- und Stahlproduktion hält, spielt Druck heute in all seiner Vielfalt in zahlreichen Bereichen eine wichtige Rolle. In der Stromerzeugung, Biologie, Pharmazie, Meteorologie, Automobilherstellung und Atomkraft – um nur einige zu nennen – ist die physikalische Zustandsgrösse Druck allgegenwärtig und wird mit zunehmender Genauigkeit gemessen. Sei es bei der Druckmessung von Wasserdampf in einem Kessel, der Ermittlung des Flüssigkeitstands in Tanks, Behältern oder Wasserläufen, bei Anwendungen in der verarbeitenden Industrie, der Produktion oder der Chemie, die zuverlässige Messung von Druck ist für die Wirtschaftlichkeit, Effizienz, Qualität und Sicherheit in Unternehmen entscheidend.
Die physikalische Grösse Druck
So präsent und vielseitig Druck im physikalischen Sinne in unserem Alltag ist, das Prinzip ist simpel und einfältig. Der Druck ist die Kraft, die auf eine Fläche einwirkt. Oder, wie der französischen Mathematiker und Physiker Blaise Pascal (1623-1662) ausführte, gibt der Druck an, mit welcher Kraft ein Körper auf eine Fläche von einem Quadratmeter wirkt. Obwohl unterschiedliche Druckeinheiten genutzt werden, wird Blaise Pascals Beschreibung seit dem Jahr 1971 auch im internationalen Einheitensystem genutzt. Seither nennt sich die SI-Einheit für Druck Pascal (Pa) und ist von der SI-Einheit für Kraft (Newton) und der Länge (Meter) abgeleitet. Weitere Einheiten wie Bar, Mbar, Psi (Pfund pro Quadratzoll) oder mH2O (Meter Wasser) werden in unterschiedlichen Disziplinen verwendet und sind je nach geografischem Standort oder historischen Messwerten mehr oder weniger verbreitet.
Die grundlegenden Messprinzipien
Bei der Messung der Grösse Druck wird zwischen zwei grundlegenden Prinzipien unterschieden, welche vier verschieden Druckreferenzen umfassen. Die zwei wesentlichen Methoden der Druckmessung sind die Absolut- und Differenzdruckmessungen. Ein Absoluter Druck bezieht sich auf den Druck in einem Vakuum, der im luftleeren Raum des Universums herrscht. Dadurch, dass bei der Absolutdruckmessung die Differenz zum Vakuum (Druck = 0) gemessen wird, nimmt der Umgebungsdruck keinen Einfluss auf das Messergebnis. Beim Differenzdruck wird explizit die Differenz gegenüber dem Umgebungsdruck, also dem atmosphärischen Luftdruck, welcher durch das Wetter und die Höhe über dem Meeresspiegel bestimmt ist, oder dem Druck in einem angrenzenden Behälter gemessen.
Die vier Druckreferenzen sind der Absolutdrucksensor (A), der Überdrucksensor (Sealed Gauge, SG), der Differenzdrucksensor (Differential Pressure, Dp) und das Manometer (Gauge Pressure, G). Die beiden erstgenannten messen den Druck relativ zu einem Vakuum. Bei Überdrucksensoren ist allerdings so eingestellt, dass bei 1 bar absolut «Null» angezeigt wird. Die beiden letzteren Sensoren messen die Druckdifferenz zwischen zwei Punkten. Beim Differenzdrucksensor ist dies die Differenz zwischen zwei eingehenden Signalen über den jeweiligen Eingang. Bei Manometer erfolgt die Druckmessung relativ zum atmosphärischen Druck, da der negative Anschluss zur Atmosphäre hin geöffnet bleibt.
Das Angebot und Einsatzgebiet der Druckmesstechnik
Das Angebot an Druckmesstechnik ist vielschichtig, erfüllt hochspezifische Anforderungen und vereint Druckmessung, Regeltechnik, Software, Mechanik und Elektrik. Auf alle Produkte einzugehen, würde den Rahmen dieses Artikels sprengen, weswegen die unterschiedlichen Lösungen in die Sparten Sensoren, Testinstrumente, Kalibriergeräte, Druckcontroller und Anzeigen zusammengefasst und verdichtet beschrieben, werden.
Druckcontroller und Druckanzeigen werden unter anderem als Druckkalibrator im Laborbereich, als Überwachungsgerät oder Anzeigen in Fertigungsstrassen genutzt. Sie zeigen den gemessenen Druck an, messen Hydraulik- oder Gasdruck, konvertieren Druckmessungen in konventionelle Einheiten und regeln den Druckausgang, der innerhalb einer bestimmten Genauigkeit vom Anwender festgelegt wird. Mit Druckcontrollern werden sowohl Druckkalibrationen sowie auch Fertigungsprozesse automatisiert, wodurch eine Effizienzsteigerung erreicht werden kann.
Tragbare Kalibratoren und Testinstrumente gewährleisten den korrekten und effizienten Betrieb von Geräten, welche als Prozesssteuerungsinstrumente zur Einhaltung von Qualitäts-, Produktivitäts- und Sicherheitsstandards eingesetzt werden. Sie sind für die Installation, Wartung und Kalibrierung, die Systemmessung und -überwachung oder die Einrichtung und Diagnose von Prozessschleifen konzipiert. Oft handlich, stabil, wetterfest und multifunktional, sind die Gerät, welche Druck generieren, Geräte mit Strom versorgen und elektrische Signale messen, ideal für Arbeiten ausserhalb der Labor- oder Werkstattumgebung. Multifunktionale Varianten bieten zudem Funktionen zur Messung und Simulation von Druck-, Temperatur- und elektrischen Parametern.
Im Vergleich zu Kalibratoren sind Testinstrumente – der Begriff umfasst Prüfmanometer, Handprüfgeräte, Handdruckanzeiger sowie pneumatische und hydraulische Handpumpen - für gewöhnlich weniger genau, stellen jedoch ähnliche Mess- und Simulationsfunktionen bereit.
Drucksensoren und Druckmesswandler wandeln die physikalische Messgrösse Druck in ein Standard-Industriesignal um. Sie werden aus unterschiedlichen Materialien für spezifische Anwendungsbereiche gefertigt, bestehen grundsätzlich aber aus einem Druckanschluss, einem Druckmodul und dem elektrischen Anschluss. Der Einsatz in der Luft- und Raumfahrt oder der Industrie erfordert oft massgeschneiderte Lösungen, welche die Konfiguration der Sensoren nach Material, Durchmesser, Druckbereich, elektrische Verbindung und Leistung, Temperatur und Genauigkeit erfordern.
Die periodische Kalibrierung der Druckmesstechnik
Inwiefern das Verfahren, welches James Watt um 1770 bei der Wartung der Dampfmaschinen in seinem Geburtsort Glasgow anwendete, mit den heutigen Kalibrierverfahren vergleichbar ist, sei dahingestellt. Letztlich dürfte der Prozess aber sinnverwandt sein – die Prüfung eines Messgerätes durch den Vergleich mit einem Referenzgerät mit bekannter Genauigkeit. Es ist heute noch ein Vorgang, welcher periodisch von dafür geschulten Personen vorgenommen wird und für die ordnungsgemässen Funktionen der Prozesssteuerung in Anlagen sorgt und zur Sicherheit beiträgt. Weitere Argumente für die Kalibrierung sind die Produktqualität, welche durch regelmässige Kalibrierungen erhöht wird und die Prozesseffizienz, da die Kalibrierung zuverlässige Messungen gewährleistet. Weil Geräte im Laufe der Zeit zu Abweichungen (Drifts) neigen, reduziert die vorbeugende Wartung die Wahrscheinlichkeit von Ausfällen erheblich. Insofern im Unternehmen Geräte hergestellt werden, stellt die Kalibrierung zudem sicher, dass diese den angegebenen Spezifikationen entsprechen.
Im Kontext der Kalibrierung muss zudem der Begriff der Rückführbarkeit kurz erläutert werden. Immerhin wird von Unternehmen, welche nach einem Qualitätsstandart arbeiten oder den Nachweis seiner Kundschaft erbringen müssen, eben diese rückgeführte Kalibrierung gefordert. Rückgeführt bedeutet, dass die bei einer Kalibrierung verwendeten Referenzgeräte durch eine ununterbrochene Kette von Vergleichsmessungen an nationale oder internationale Normale angeschlossen sein müssen. Die Rückführbarkeit wird über eine Kalibrier-Hierarchie garantiert, in welcher nationale Metrologie Institute ganz oben, gefolgt von akkreditierten Laboren, stehen. Nicht akkreditierte Labore, zu welchen meist auch Inhouse-Labore zählen, bilden das Fundament.
Der Akt der Kalibrierung
Als Kalibrierstandard (Referenzgerät) werden zwei Arten verwendet. Der Primärstandart oder der Sekundär- / Transferstandard. Ein Beispiel für einen Primärstandard ist die Druckwaage. Sie erzeugt Druck, indem Kraft (die Gewichte) auf eine bekannte Fläche (den Kolben) ausgeübt wird. Als Sekundärstandard kann ein Druckregler eingesetzt werden. Um die Drucksensoren der Geräte entgegen ihrer Natur zu linearisieren, sollten mindestens 5 Messpunkte kalibriert und wo nötig justiert werden. Um den natürlichen Hysterese Verhalten entgegenzuwirken, werden die Messpunkte von unten nach oben und retour gemessen. Dabei werden die Druckpunkte angefahren, das Referenzgerät erzeugt also Druck, die Punkte stabilisiert, damit thermische Effekte keinen Einfluss auf Messwerte haben, und der gemessene Wert aufgezeichnet – mehrmals, automatisiert oder manuell.
Die Kalibrierung wird als bestanden (passed) betitelt, wenn die gemessenen Punkte die Spezifikationen des Gerätes erfüllen. Bei Druckmessgeräten ist insbesondere die Genauigkeit des Prozentsatzes des Skalenwerts zu beachten, welcher die Messungenauigkeit spezifiziert. Per Definition ist der Skalenendwert (Full Scale, FS) der maximale Wert, den das Gerät messen kann. Der Messwert (Reading, Rdg) ist ein beliebiger Wert, der im Bereich des Skalenendwert des Geräts gemessen wird. Beispielsweise misst ein 100 bar Messgerät mit einer Abweichung von 1% FS mit einer Genauigkeit von bis zu 1 bar im gesamten Messbereich des Geräts. Das bedeutet, dass die Abweichung im unteren Messbereich des Geräts im Verhältnis zum gemessenen Druck hoch ist (bei 10 bar beträgt die Abweichung +/-1bar). Ein 100 bar Messgerät mit einer Messgenauigkeit von 1% Rdg weist beim Messen von 100 bar im Vergleich eine Abweichung von 1 bar und bei der Messung von 10 bar eine von lediglich 0.1 bar auf. Solche Geräte können jedoch den Prozentsatz des Messwerts nur in einem begrenzten Bereich genau messen (z.B. von 20% bis 100% des Skalenendwert). Für alle Messwerte unter 20% des Skalenendwertbereichs wird die Abweichung in % FS ausgedrückt.
Die Druckmesstechnik ist – da besteht kein Zweifel – eine komplexe Angelegenheit. Jeder, der mit der Messgrösse Druck arbeitet, sollte die Grundsätze der Physik und deren diffizilen Zusammenhänge verstehen. Im Gegensatz zu Blaise Pascal oder James Watt können wir heute jedoch auf leistungsstarke, hochgenaue und stabile Messgeräte und kompetente Anbieter vertrauen.