Einleitung

Druck ist die Kraft, die auf einen bestimmten Bereich ausgeübt wird. Druck kann von allen Formen der Materie ausgeübt werden; Feststoffe, Flüssigkeiten und sogar Gase. Die Messung des Flüssigkeitsdrucks ist besonders nützlich im Hinblick auf die Prozessüberwachung und -steuerung in industriellen Automatisierungssystemen. Dieser Artikel soll diskutieren Differenzdrucktransmitter. Sie sind einer der am häufigsten verwendeten Drucksensoren, um Druckinformationen wie die Durchflussrate von flüssigkeitsbasierten Systemen zu erhalten.

Was ist ein Differenzdrucktransmitter?

Bei der Überwachung des Drucks in Flüssigkeiten gibt es drei Messtechniken:

• Überdruck

Manometerdruck ist die Druckdifferenz zwischen der gemessenen Flüssigkeit und dem atmosphärischen Druck.

• Absoluter Druck

Der kombinierte Atmosphären- und Flüssigkeitsdruck wird als absoluter Druck bezeichnet.

• Differenzdruck-

Der Differenzdruck ist der Druckunterschied an zwei verschiedenen Punkten in derselben Flüssigkeit / demselben Gas.

Während all diese Techniken unterschiedlich klingen mögen, sind alle drei miteinander verwandt.

Ein Differenzdrucktransmitter (auch DP-Transmitter genannt) ist eine spezielle Art von Drucksensor. Es kann zwei verschiedene Drücke messen und voneinander subtrahieren; daher der Name Differential. Differenzdrucksensoren werden üblicherweise in flüssigen Übertragungsmedien verwendet, um die Durchflussrate zu bestimmen.

Die Drucktransmitter und Druckwandler gehen oft zusammen. In Bezug auf die Funktionalität unterscheiden sie sich jedoch voneinander. Druckmessumformer sind einfacher als Druckmessumformer und enthalten sehr wenig elektronische Schaltungen. Beide Sensortypen sind piezoresistiv oder dünnschichtig an einem Prozessanschluss montiert. 

Druckwandler geben analoge Signale direkt vom Piezoelement aus. Das Signal liegt üblicherweise im Millivoltbereich. Sie benötigen eine externe Verarbeitungsschaltung, um dieses Rohsignal aufzubereiten, um es später einer Steuerung wie einer SPS zuzuführen.

Druckmessumformer haben jedoch zusätzliche eingebaute Verarbeitungsschaltkreise. Dazu gehören Linearisierung, Verstärkung und weitere Konditionierung des Signals, das an einen entfernten Empfänger übertragen werden soll. Sie bestehen aus integrierten Wandler- und Senderschaltkreisen, die eine einzelne Einheit bilden, die in der Lage ist, ein Signal zu erzeugen, das direkt in eine SPS eingespeist werden kann.

Funktionsprinzip des Differenzdrucktransmitters

Wie oben erwähnt, haben Differenzdrucktransmitter mehrere Abschnitte, die die Drucksignale erfassen, aufbereiten und übertragen. In der mechanischen Konstruktion gibt es drei Hauptteile:

1. Primärelement
2. Sekundäres Element
3. Elektronik

Das primäre Element ist eine spezielle mechanische Konstruktion, die eine Druckdifferenz in den Flüssigkeitsstrom einbringt. Dies kann ein Venturirohr, eine Blende, ein Pitotrohr, eine Strömungsdüse oder ein Laminarströmungselement sein.

Das Primärelement erzeugt eine Druckdifferenz im Flüssigkeitsstrom, indem es eine künstliche Barriere unter Verwendung einer der oben erwähnten mechanischen Barrieren hinzufügt. Das Sekundärelement nimmt die Drücke an zwei Stellen vor und nach der Barriere auf.

Das primäre Element wird oft als "High-Side" und das sekundäre Element als "Low-Side" bezeichnet. Dies sollte nicht so missverstanden werden, dass die Hochdruckseite einen höheren Druck und die Niederdruckseite einen niedrigeren Druck hat.

Der Primärabschnitt hat eine Verbindung mit dem Sekundärelement durch irgendeine Form einer isolierenden Fluidkupplung oder einer mechanischen Kopplung. Die Flüssigkeit basiert oft auf Silikon, da Silikon ein guter Wärmeisolator ist und chemisch stabil ist. In Differenzdruckmessumformern sind als sekundäres Element mehrere Arten von Sensoren verfügbar:

1. Differenzkapazitiver Druckwandler
2. Schwingdraht-Druckaufnehmer
3. DMS-Druckaufnehmer

Das sekundäre Element wandelt die erfasste Druckdifferenz in ein kleines Spannungssignal um. Die Elektronik nimmt dieses Spannungssignal auf und bereitet es weiter auf. Dazu gehören Filterung, Normierung, Verstärkung, Abtastung und Umwandlung in ein Strom-/Spannungssignal.

Der Elektronikabschnitt gibt dann einen linearen Ausgang aus, der sich auf den gemessenen Druckbereich bezieht. Wenn der Sensor beispielsweise 0-100 psi Differenzdruck messen kann und es sich um einen Stromausgangstyp handelt, gibt er 4 mA bei 0 psi und 20 mA bei 100 psi aus. Jeder Druck dazwischen hat den entsprechenden Stromwert. (zB 8mA für 50psi)

Differenzdruckmessumformer-Elemente

Wie oben erwähnt, haben Differenzdruckwandler 3 Hauptelemente; primäre, sekundäre und elektronische Montageelemente.

Schauen wir uns kurz die gemeinsamen Primärelemente und ihre Konstruktion an.

Primärelemente

• Messblenden

Blenden sind eine der einfachsten Formen von Primärelementen. Sie führen einen Druckabfall in den Durchfluss ein, indem sie eine Drosselung einführen. Die Öffnung hat immer einen kleineren Durchmesser als das anzuschließende Rohr.

Der Blenden-Druckmessumformer hat zwei Druckausgangsanschlüsse zum Anschluss des Geräts an ein externes Drucküberwachungsgerät. Bei Differenzdrucktransmittern ist dies mit dem sekundären Element des Geräts verbunden.

• Venturi-Rohr

Bei einigen Drucktransmittern ist das primäre Element ein Venturi-Rohr. Es ist eine spezielle Anordnung, die auch den Durchfluss begrenzt und eine Druckdifferenz erzeugt. Anders als die Öffnungsstelle hat das Venturirohr eine allmählichere Form und die Drücke werden an zwei verschiedenen Stellen gemessen.

Das Venturi-Rohr hat einen Einlass, einen konvergierenden Teil, einen Hals (kleiner als ein typischer Rohrdurchmesser) und einen divergierenden Teil, der den Durchmesser wieder auf den ursprünglichen Rohrdurchmesser vergrößert. Die Druckmessungen erfolgen am Einlaufteil und am Halsteil, das zwei Durchmesser hat.

Das Prinzip zur Messung des Drucks ist verwandt mit dem Kontinuitätsgleichung und Bernoullis Gleichung in der Theorie der Strömungsmechanik gefunden. Primärelemente vom Venturing-Typ finden sich hauptsächlich in Durchflussmessern zur Bestimmung der Durchflussrate.

• Staurohr

Pitot-Rohre werden hauptsächlich zur Messung von Strömungsgeschwindigkeiten verwendet. Sie bestehen aus einem gebogenen Rohr, das zwei Öffnungen hat

Ein Ende des Rohrs ist zu einem statischen Punkt in der Flüssigkeit offen, an dem ein niedriger Druck herrscht, und das andere Ende befindet sich direkt in einer Linie mit der Strömung, wie unten gezeigt:

Wenn die Durchflussrate zunimmt, wird die im gebogenen Abschnitt des Rohrs steckende Flüssigkeit verdrängt, um ein Flüssigkeitsmanometer zu erzeugen, das die Durchflussrate anzeigt.

Die Installation solcher Pitotrohre mit zwei Anschlüssen kann jedoch umständlich sein. Und hat folgende Einschränkungen:

• Wenn die Geschwindigkeit zu niedrig ist, kann der Druckunterschied schwer zu messen sein.
• Wenn die Geschwindigkeit zu hoch ist (dh Überschall/schneller als die Schallgeschwindigkeit), macht dies auch die primären Anforderungen der Bernoulli-Gleichung zunichte und macht sie ungültig.
• Wenn der Schlauch verstopft ist, weicht der resultierende Druck von den tatsächlichen Druckwerten ab.

Daher gibt es spezielle Einpunkt-Pitotrohre mit der Bezeichnung „Pitotrohre vom Mittelungstyp“, die eine Reihe von vorgeschalteten Sensorrohren haben, wie unten gezeigt.

Dieser Aufbau überwindet die beim Pitotrohr erwähnten Probleme.

• Durchflussdüse

Strömungsdüsen sind eine andere Art von Primärelementen, die in Differenzdruckwandlern zu finden sind. Sie ähneln Orifice Tubes, haben aber mehrere Vorteile gegenüber ihnen.

Es gibt einige Arten von Wolfsdüsen: Flanschdüsen, Flanschdüsen mit integrierten Niederdruckhähnen und Einschweißdüsen.

Die speziellen Einschweißdüsen sind besonders nützlich bei Hochdruckanwendungen und Rohrleitungen mit kleinem Durchmesser, bei denen keine Flansche verwendet werden können. Die folgende Abbildung zeigt einen Einschweiß-Strömungsstutzen, der zwischen den Rohren platziert und fest verschweißt wird.

Hier einige der Vorteile von Strömungsdüsen gegenüber Blendenelementen:

• Strömungsdüsen enthalten als Blenden keine scharfen Kanten. Dadurch sind Strömungsdüsen im Laufe der Zeit weniger anfällig für Verschleiß.
• Strömungsdüsen werden bei der Messung von Hochgeschwindigkeitsflüssigkeiten bevorzugt.

Weit verbreitet in Hochdruck- und Hochtemperaturanwendungen wie Hochgeschwindigkeitsdampfströmung in Turbinen.

• Laminar-Flow-Element

Ein weiteres interessantes Primärelement ist das Laminar-Flow-Element. Dieses besteht aus mehreren Rohren, die viel länger sind als der Durchmesser des Hauptrohrs, um die Strömung zu verlangsamen und laminar zu machen.

Diese Laminarrohre führen zu einem permanenten Druckabfall, der aufgrund der durch die Rohre verursachten Reibung stromabwärts nicht ausgeglichen werden kann. Der Druckabfall ist quantifizierbar, indem man die verwendet Hagen-Poiseuille-Gleichung.

Laminar-Flow-Elemente werden verwendet, um eine lineare Beziehung zwischen der Durchflussrate und dem Druckabfall zu erhalten, wodurch die Notwendigkeit einer Quadratwurzelcharakterisierung zur Linearisierung des Messwerts entfällt.

Auf Laminarelementen basierende Geräte benötigen jedoch eine Temperaturkompensation, da die Temperatur die Viskosität der Flüssigkeit und damit den endgültigen Messwert beeinflusst.

Sekundäre Elemente

Das sekundäre Element eines Differenzdrucktransmitters besteht aus den Geräten, die die physikalische Größe (Druck) in ein elektrisches Signal umwandeln. Dies geschieht durch die Verwendung eines „Wandlers“, der eine der folgenden Formen annehmen kann:

• DMS-Druckaufnehmer

DMS-Aufnehmer werden für engspannige Druck- und Differenzdruckmessungen eingesetzt. Sie haben einen Dehnungsmessstreifen, einen Widerstand, der seinen Widerstand entsprechend der auf ihn ausgeübten Dehnung ändert. Der Dehnungsmessstreifen ist an einer Membran befestigt, damit der Druck in Dehnung umgewandelt werden kann.

Sie können in allen Arten von Druckmessumformern als Wandlerelement zur Messung von Relativ-, Absolut- und Differenzdruck verwendet werden.

• Kapazitiver Druckwandler

Die kapazitiven Wandler verwenden eine sich entsprechend dem angelegten Druck bewegende Membran, um die Druckdifferenz zu bestimmen. Die Membran wird unter Verwendung eines Füllfluids, wie z. B. Flüssigsilikon, mit dem Primärelement verbunden.

Dabei handelt es sich um einen komplexen Schaltkreis, der schwingt. Die Oszillationsfrequenz wird durch die Kapazitätsänderung beeinflusst, die sich letztendlich in ein Gleichstromsignal als Ausgangssignal des Sensors umwandelt.

• Resonanzdraht-Druckaufnehmer

Ein Resonanzdraht-Druckaufnehmer besteht aus einem Resonanzdraht entsprechend einer integrierten Oszillatorschaltung. Jede Druckänderung bewirkt eine Änderung der Drahtspannung. Die Spannungsänderung ändert die Schwingungsfrequenz. Da dies sehr genau gemessen werden kann, sind Resonanzdrahtwandler häufig in Niederdruckdifferenzanwendungen zu finden.

Resonanzdraht-Druckaufnehmer sind unter stabilen Temperaturbedingungen sehr stabil, aber nicht linear. Daher erfordern diese die Unterstützung eines Mikroprozessors, um die Nichtlinearität zu kompensieren.

Elektronik

Die Elektronik eines Druckmessumformers verstärkt, bereitet und wandelt das Rohsignal weiter, um es an eine SPS oder eine andere Steuerung zu übertragen. Die Ausgabe kann sein,

1. Spannungsausgang

Je nach Konfiguration ein 0-10 V oder 0-5 V Ausgang.

2. Aktueller Output

Ein 4-20-mA-Stromausgang zum Einspeisen in eine SPS-Eingangskarte.

3. Digitaler Ausgang

Ein Schwellwertausgang oder ein digitaler Kommunikationsdatenstrom wie ein RS232- oder RS485-kompatibler Ausgang, der einen hochgenauen, digital abgetasteten Druckmesswert liefert.

Konstruktion von Differenzdrucktransmittern

Differenzdrucktransmitter bestehen aus drei Hauptteilen, dem Primärelement, den Sekundärelementen und dem Elektronikgehäuse.

Das Primärelement wird direkt in den Schlauch montiert und dient als Druckbeobachtungselement. Dies führt eine Druckdifferenz in den Fluidstrom ein und liefert zwei Ausgänge von zwei Punkten mit bekanntem, unterschiedlichem Fluiddruck.

Das Sekundärelement wird normalerweise außerhalb der Rohrleitung direkt auf dem Primärelement montiert. Dieser wandelt den physikalischen Druck in ein kleines elektrisches Signal um.

Das letzte Element ist die Elektronik, in die die Signalkonditionierung und die Senderschaltung eingebaut sind. Diese Stufe liest die Messung vom sekundären Element, verstärkt, filtert und konditioniert weiter, um die Messung an eine SPS oder einen anderen geeigneten Empfänger zu übertragen.

Wo wird die Differenzdruckmessung (DP) eingesetzt?

Die häufigste Anwendung für Differenzdruck ist die Differenzdurchflussmessung. Diese Art von Anwendung findet sich sowohl in häuslichen als auch in industriellen Umgebungen, wie z. B. bei der Messung der Flüssigkeitsdurchflussrate in Öl-/Wasserabgabesystemen.

Andere Anwendungen für DP umfassen Filterüberwachung, Füllstandsmessung und in einigen Fällen die Überwachung des Bohrkopfdrehmoments. In der Filterüberwachung wird DP verwendet, um die Filter ständig auf Verstopfung zu überwachen. Wenn ein Filter verstopft ist, wird der Differenzdruck erhöht und der Messwert wird dann verwendet, um das Problem zu identifizieren.

In einigen Anwendungen erfolgt die Überwachung des Gasdrucks, des Flüssigkeitspumpendrucks und die Lecksuche in Wasserleitungen auch durch Messung des Differenzdrucks.

Wofür wird ein Differenzdrucktransmitter verwendet?

Ein Differenzdrucktransmitter ist in der Lage, gemäß einer Feinkalibrierung eine Differenzdruckmessung auszugeben. Der Ausgang kann ein Spannungs-, Strom- oder digitaler Ausgang sein, der mit industrieller Standardausrüstung kompatibel ist.

Externe Druckmessumformer werden verwendet, um die Rohdaten von Differenzdruckwandlern zu erhalten und sie in elektrische Signale umzuwandeln, die linear und entsprechend den gemessenen Druckwerten quantifizierbar sind.

Zusammenfassung

Differenzdrucktransmitter sind integrierte Geräte, mit denen die Druckdifferenz in einem Fluidsystem gemessen werden kann. Die Messungen eines Differenzdrucktransmitters können verwendet werden, um die Durchflussrate, den Druck (Manometer-, Differenz- und Absolutdruck) und in einigen Fällen sogar das Vorhandensein von Flüssigkeit/Gas zu messen. Dieser Artikel wurde ausgestrahlt, um eine Einführung in industrielle Differenzdrucktransmitter, ihren Aufbau und eine kurze Vorstellung von den verschiedenen Arten von Differenzdrucktransmittern zu geben, die erhältlich sind.