Arten von Druckmessumformern

Einfache Selbstvorstellung des Drucktransmitters

Als Drucksensor mit standardisiertem Ausgangssignal ist ein Drucktransmitter ein Gerät, das eine Druckgröße aufnimmt und diese proportional in ein standardisiertes Ausgangssignal umwandelt. Er kann die physikalischen Druckparameter von Gasen, Flüssigkeiten usw., die von der Wägezelle erfasst werden, in standardisierte elektrische Signale (z. B. 4–20 mA DC) umwandeln, um sekundäre Instrumente wie Anzeigegeräte, Schreiber, Regler usw. zur Messung, Anzeige und Prozessregelung zu versorgen.

Die Klassifizierung von Druckmessumformern

Üblicherweise werden die von uns besprochenen Druckmessumformer nach folgendem Prinzip unterteilt:
Für Hochfrequenzmessungen werden kapazitive, resistive, induktive, Halbleiter- und piezoelektrische Druckmessumformer eingesetzt. Resistive Druckmessumformer sind dabei am weitesten verbreitet. Der kapazitive Druckmessumformer 3051S von Rosemount gilt als Beispiel für ein High-End-Produkt.

Drucktransmitter können je nach Art der druckempfindlichen Komponenten in verschiedene Typen unterteilt werden, darunter Metall-, Keramik-, diffundiertes Silizium-, monokristalline Silizium-, Saphir-, Sputterfilm-Transmitter usw.

• Metallische Drucktransmitter weisen eine geringe Genauigkeit auf, sind aber wenig temperaturempfindlich und eignen sich daher für Bereiche mit einem breiten Temperaturbereich und geringen Genauigkeitsanforderungen.
• Keramische Drucksensoren bieten eine höhere Genauigkeit, reagieren aber empfindlicher auf Temperaturschwankungen. Keramik zeichnet sich zudem durch Schlag- und Korrosionsbeständigkeit aus, was sie im Bereich der Reaktionstechnik nutzbar macht.
• Die Druckübertragungsgenauigkeit von diffundiertem Silizium ist sehr hoch, die Temperaturdrift jedoch groß, weshalb vor der Anwendung in der Regel eine Temperaturkompensation erforderlich ist. Selbst nach der Temperaturkompensation ist eine Druckmessung oberhalb von 125 °C nicht möglich. Bei Raumtemperatur ist der Empfindlichkeitskoeffizient von diffundiertem Silizium jedoch fünfmal höher als der von Keramik, weshalb es häufig in der Hochpräzisionsmessung eingesetzt wird.
• Drucktransmitter aus monokristallinem Silizium sind die präzisesten Sensoren in der industriellen Anwendung. Sie stellen eine Weiterentwicklung von diffundiertem Silizium dar. Entsprechend höher ist auch der Preis. Derzeit ist Yokogawa aus Japan der führende Hersteller von monokristallinen Silizium-Drucktransmittern.
• Der Saphir-Drucktransmitter ist unempfindlich gegenüber Temperaturänderungen und weist auch unter hohen Temperaturbedingungen gute Arbeitseigenschaften auf; Saphir besitzt eine extrem hohe Strahlungsbeständigkeit; es tritt keine PN-Drift auf; er funktioniert auch unter widrigsten Betriebsbedingungen einwandfrei und ist zuverlässig. Hohe Leistung, gute Genauigkeit, minimaler Temperaturfehler und ein hervorragendes Preis-Leistungs-Verhältnis.
• Der mittels Sputtern hergestellte Dünnschicht-Drucktransmitter kommt ohne Klebstoff aus und weist eine höhere Langzeitstabilität und Zuverlässigkeit als der klebende Dehnungsmessstreifen-Sensor auf. Er ist weniger temperaturempfindlich: Bei einer Temperaturänderung von 100 °C beträgt die Nullpunktdrift lediglich 0,5 %. Sein Temperaturverhalten ist dem des diffusionsbeschichteten Silizium-Drucksensors deutlich überlegen; zudem kann er direkt mit gängigen korrosiven Medien in Kontakt gebracht werden.

Funktionsprinzipien verschiedener Arten von Druckmessumformern

• Das Funktionsprinzip des kapazitiven Drucktransmitters.

Wenn Druck direkt auf die Oberfläche der Messmembran wirkt, verformt sich diese geringfügig. Die hochpräzise Schaltung auf der Messmembran wandelt diese Verformung in ein hochlineares Spannungssignal um, das proportional zum Druck und zur Anregungsspannung ist. Dieses Spannungssignal wird anschließend mithilfe eines speziellen Chips in ein branchenübliches Stromsignal von 4–20 mA oder ein Spannungssignal von 1–5 V umgewandelt.

• Das Funktionsprinzip des diffundierten Silizium-Drucktransmitters

Der Druck des Messmediums wirkt direkt auf die Membran des Sensors (üblicherweise eine 316L-Membran) und bewirkt eine Mikroverschiebung der Membran, die proportional zum Druck des Mediums ist. Dadurch ändert sich der Widerstandswert des Sensors. Diese Änderung wird mit einer Wheatstone-Schaltung erfasst, umgewandelt und als Standardmesssignal ausgegeben, das diesem Druck entspricht.

• Funktionsprinzip des monokristallinen Silizium-Drucktransmitters

Piezoresistive Drucksensoren nutzen den piezoresistiven Effekt von einkristallinem Silizium. Als elastisches Element dient ein einkristalliner Siliziumwafer. Bei Druckänderungen erfährt das Silizium eine Dehnung, wodurch sich der direkt auf ihm diffundierte Dehnungswiderstand proportional zum gemessenen Druck ändert. Das entsprechende Spannungsausgangssignal wird anschließend mittels einer Brückenschaltung erfasst.

• Funktionsprinzip des keramischen Drucktransmitters

Der Druck wirkt direkt auf die Vorderseite der Keramikmembran und verursacht eine leichte Verformung. Der Dickschichtwiderstand ist auf der Rückseite der Keramikmembran aufgebracht und aufgrund des piezoresistiven Effekts des Varistors mit einer Wheatstone-Brücke (geschlossener Brückengleichrichter) verbunden. Die Brücke erzeugt ein hochlineares Spannungssignal, das proportional zum Druck und zur Anregungsspannung ist. Diese Schaltung wird üblicherweise zur Druckmessung in Luftkompressoren eingesetzt, wobei vermehrt Keramik verwendet wird.

• Funktionsprinzip des Dehnungsmessstreifen-Drucktransmitters

Die am häufigsten verwendeten Dehnungsmessstreifen-Drucktransmitter sind metallische Widerstands-Dehnungsmessstreifen und Halbleiter-Dehnungsmessstreifen. Metallische Widerstands-Dehnungsmessstreifen sind empfindliche Bauteile, die die Dehnungsänderung des Prüflings in ein elektrisches Signal umwandeln. Es gibt zwei Arten: Draht-Dehnungsmessstreifen und Metallfolien-Dehnungsmessstreifen. Üblicherweise wird der Dehnungsmessstreifen mittels eines Spezialklebers fest mit dem Prüfling verbunden. Bei einer Spannungsänderung des Prüflings verformt sich auch der Widerstands-Dehnungsmessstreifen, wodurch sich sein Widerstandswert und somit die an den Widerstand angelegte Spannung ändert. Dehnungsmessstreifen-Drucktransmitter sind auf dem Markt relativ selten.

• Saphir-Drucktransmitter

Der Saphir-Drucktransmitter nutzt das Dehnungswiderstandsprinzip, verwendet hochpräzise Silizium-Saphir-Sensorkomponenten und wandelt das Drucksignal mittels einer speziellen Verstärkerschaltung in ein elektrisches Standardsignal um.

• Sputterfilm-Drucktransmitter

Das mittels Sputtern aufgebrachte druckempfindliche Element wird mikroelektronisch gefertigt und bildet eine stabile Wheatstone-Brücke auf der Oberfläche einer elastischen Edelstahlmembran. Wirkt der Druck des Messmediums auf die Membran, erzeugt die Wheatstone-Brücke auf der gegenüberliegenden Seite ein zum Druck proportionales elektrisches Ausgangssignal. Aufgrund ihrer hohen Stoßfestigkeit werden gesputterte Schichten häufig in Anwendungen mit häufigen Druckstößen eingesetzt, beispielsweise in Hydraulikanlagen.

Vorsichtsmaßnahmen bei der Auswahl von Druckmessumformern

• Auswahl des Messbereichs des Messumformers:

Ermitteln Sie zunächst den maximalen Messwert des Drucks im System. Im Allgemeinen empfiehlt sich die Wahl eines Messumformers mit einem Messbereich, der etwa 1,5-mal größer als der Maximalwert ist. Alternativ kann auch der normale Messbereich des Messumformers genutzt werden. Eine weitere gängige Methode ist die Verwendung eines Messumformers mit einem Drittel bis zwei Dritteln des normalen Messbereichs.

• Welches Druckmedium?

Zähflüssige Flüssigkeiten und Schlämme können die Druckanschlüsse verstopfen. Lösungsmittel oder korrosive Substanzen können die Materialien im Messumformer zerstören, die in direktem Kontakt mit diesen Medien stehen.
Das Material des allgemeinen Druckmessumformers, das mit dem Medium in Kontakt kommt, ist Edelstahl 316. Wenn das Medium gegenüber Edelstahl 316 nicht korrosiv ist, sind grundsätzlich alle Druckmessumformer zur Messung des Drucks des Mediums geeignet;
Ist das Medium gegenüber Edelstahl 316 korrosiv, sollte eine chemische Abdichtung und eine indirekte Messung erfolgen. Die Verwendung eines mit Silikonöl gefüllten Kapillarrohrs zur Druckführung kann den Druckmessumformer vor Korrosion schützen und seine Lebensdauer verlängern.

• Welche Genauigkeit der Sender benötigt:

Die Genauigkeit wird durch Nichtlinearität, Hysterese, Nicht-Wiederholgenauigkeit, Temperatur und Nullpunktabweichung bestimmt. Je höher die Genauigkeit, desto höher der Preis. Im Allgemeinen liegt die Genauigkeit von Drucktransmittern aus diffundiertem Silizium bei 0,5 oder 0,25, während kapazitive oder monokristalline Silizium-Drucktransmitter eine Genauigkeit von 0,1 oder sogar 0,075 aufweisen.

• Anschluss des Senders:

Druckmessumformer werden üblicherweise an Rohrleitungen oder Behältern installiert. Ein kleiner Teil wird jedoch auch zusammen mit Durchflussmessern eingesetzt. Es gibt in der Regel drei Montagearten für Druckmessumformer: Gewinde-, Flansch- und Klemmanschluss. Daher muss vor der Auswahl des Druckmessumformers der Prozessanschluss berücksichtigt werden. Bei Gewindeanschlüssen ist die Gewindespezifikation zu ermitteln. Bei Flanschanschlüssen sind die Flanschspezifikationen des Nenndurchmessers zu beachten.

Einführung in die Drucktransmitterindustrie

Weltweit sind rund 40 Länder in der Forschung und Produktion von Sensoren tätig. Die USA, Japan und Deutschland sind dabei die Regionen mit der größten Sensorproduktion. Zusammen decken diese drei Länder mehr als 50 % des weltweiten Sensormarktes ab.

Der Markt für Druckmessumformer in meinem Land ist heutzutage ein gesättigter Markt mit hoher Marktkonzentration. Die dominierende Stellung belegen jedoch ausländische Unternehmen wie Emerson, Yokogawa, Siemens usw. Markenprodukte erreichen einen Marktanteil von rund 70 % und haben bei großen und mittelgroßen Projekten einen klaren Wettbewerbsvorteil.

Dies ist auf die Folgen der frühen Einführung der „Technologie-Marktstrategie“ in meinem Land zurückzuführen, die die staatseigenen Unternehmen meines Landes schwer getroffen und zeitweise in eine Krise gestürzt hat. Gleichzeitig sind jedoch einige Hersteller, vertreten durch Chinas Privatunternehmen, still und leise aufgetaucht und haben sich etabliert. Der zukünftige Markt für Druckmessumformer in China birgt viele Unbekannte.