Bei kleinen Messbereichen (z. B. < 10 bar) ist es sehr wichtig, ob ein belüfteter Relativdruck-, unbelüfteter Relativdruck oder Absolutdrucksensor eingesetzt wird, da bei 10 bar Prozessdruck die Wahl des Bezugspunktes (0 oder 1 bar) und die Schwankung des Umgebungsdruckes (+/- 230 mbar) die Anzeige des Messwertes zwischen 8,77 bar und 11,23 bar verschiebt (1,23/10 bar x 100% = 12,3% Messungenauigkeit).

Bei sehr hohen Drücken (z. B. größer 1000 bar) wird es jedoch immer unwichtiger, welcher Sensortyp eingesetzt wird, da der maximale Fehler von 1,23 bar nur zu einer Messungenauigkeit von

1,23 bar / 1000 bar x 100% = 0,123 % führt.

Diese hier beschriebenen Einsatzfälle stellen nur ausgewählte Beispiele für die zum Teil sehr unterschiedlichen Einsatzgebiete der verschiedenen Drucksensoren dar und zeigen, dass im Einzelfall die spezifischen Genauigkeitsanforderungen und Umgebungsbedingungen berücksichtigt werden müssen.

Lesen Sie zu diesem Thema auch den Fachartikel „Alles absolut relativ – Unterschiede bei der Absolut- und Relativdruckmessung“ erschienen im Magazin „fluid“ 03/2012.

Der elektronische Druckschalter PSD-31 wird als Produktneuheit von WIKA auf der Hannover Messe 2012 (Halle 11 – Stand C40) ausgestellt. Zusammen mit der Produktfamilie von elektronischen Schaltern (Druckschalter, Temperaturschalter und Füllstandsschalter) für den Einsatz in der Fluidtechnik im Maschinenbau.

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Andere Anwendungen mit kleineren Druckbereichen, die zum Beispiel eine Messung von Vakuum erfordern, benötigen Absolutdrucksensoren für eine hohe Genauigkeit. Zum Beispiel in der Fleischwarenverpackung, muss ein Vakuum einer definierten Güte hergestellt werden, um eine Mindesthaltbarkeit sicher einhalten zu können. Die Restmenge Sauerstoff in der Verpackung, also der Restdruck gegenüber Vakuum, ist nämlich direkt proportional zur Haltbarkeit des verpackten Lebensmittels. Eine Messungenauigkeit durch Wetteränderungen von +/- 30 mbar würde bei den üblichen Restdrücken von 65 mbar in Lebensmittelverpackungen zu erheblichen Schwankungen der garantierbaren Haltbarkeit führen.

Diese hier beschriebenen Applikationen sind nur einige, ausgewählte Beispiele für die zum Teil sehr unterschiedlichen Einsatzgebiete der verschiedenen Drucksensoren und zeigen, dass in jedem Einzelfall die spezifischen Genauigkeitsanforderungen und Umgebungsbedingungen berücksichtigt werden müssen.

Weitere Artikel zu diesem Thema:
“Einsatzgebiete von Drucksensoren 1 – Belüftete Relativdrucksensoren”
“Einsatzgebiete von Drucksensoren 2 – Unbelüftete Relativdrucksensoren”

Lesen Sie zu diesem Thema auch den Fachartikel „Alles absolut relativ – Unterschiede bei der Absolut- und Relativdruckmessung“ erschienen im Magazin „fluid“ 03/2012.

In Anwendungsfällen mit hohen Drücken (z. B. 400 bar) und gleichzeitig hoher Verschmutzungsgefahr wie z. B. beim Wasserstrahlschneiden werden auch sogenannte „unbelüftete“, also Drucksensoren mit einem in der Fertigung verschlossenen Gehäuse eingesetzt. Da bei solchen hohen Druckbereichen die Schwankungen des Umgebungsdruckes verglichen mit dem Prozessdruck vernachlässigbar klein sind (max. +/- 230 mbar), ist es nicht wichtig bei welchem Umgebungsdruck und wie zuverlässig das Gehäuse verschlossen wird.

Die Messungenauigkeit beim Wasserstrahlschneiden durch den Einfluss des Umgebungsdruckes führt zu keiner nennenswerten Fehlmessung, denn der Wasserstrahl erreicht bis zu 6000 bar Prozessdruck und ein variabler Umgebungsdruck im Bereich von +/-230 mbar verursacht keine große Messungenauigkeit (0,23/6000*100%=0,00383%). Auf Grund der großen Verschmutzungsgefahr empfiehlt es sich hierbei ein „unbelüftetes“ Gehäuse zu verwenden, da so kein Eindringen von Wasser oder Schmutz durch eine sonst vorhandene Belüftungsöffnung möglich ist. Es ist daher ratsam in diesem Fall einen unbelüfteten Relativdrucksensor einzusetzen.

Weitere Artikel zu diesem Thema:
“Einsatzgebiete von Drucksensoren 1 – Belüftete Relativdrucksensoren”
“Einsatzgebiete von Drucksensoren 3 – Absolutdrucksensoren”

Lesen Sie zu diesem Thema auch den Fachartikel „Alles absolut relativ – Unterschiede bei der Absolut- und Relativdruckmessung“ erschienen im Magazin „fluid“ 03/2012.

Oftmals steht der Anwender dann vor der Frage: Welchen Drucksensor muss ich einsetzen, einen Relativdrucksensor oder einen Absolutdrucksensor?

In dieser Artikelserie möchte ich die Unterschiede der verschiedenen verfügbaren Drucksensoren und die jeweiligen Einsatzmöglichkeiten vorstellen.

Der entscheidende Unterschied zwischen Relativ- und Absolutdruckmessung ist die Wahl des Referenzdruckes, also des Skalennullpunktes. Bei der Relativdruckmessung wird der Druck immer in Relation („relativ“) zum aktuell vorhandenen Umgebungsdruck (ca. 1013 mbar) gemessen.  

Damit ein Sensor Relativdruck oder Absolutdruck messen kann, muss er eine Druckänderung im Medium erfassen und mit der Druckreferenz (relativ = Umgebungsdruck, absolut = absolutes Vakuum) vergleichen können.

Elektronische Drucksensoren messen üblicherweise die Änderung des Druckes durch die Verformung einer Membran. Wird diese Membran von einer Seite dem Prozessdruck ausgesetzt und auf der anderen Seite „belüftet“, also dem Umgebungsdruck ausgesetzt, so wird die Verformung um genau diesen Umgebungsdruck verringert. Daher ist das Messergebnis eine Druckdifferenz zum Umgebungsdruck.

Zum Beispiel bei drucklosen Tanks, in denen Flüssigkeiten gelagert werden und bei denen der Behälter oberhalb der Flüssigkeit frei mit der Umgebung verbunden, also „belüftet“ ist, kann über einen ebenfalls belüfteten Relativdrucksensor der aktuelle Füllstand als Ableitung aus dem hydrostatischen Druck der Flüssigkeitssäule gemessen werden. Hierbei ist es insbesondere bei kleineren Tanks und Behältern wichtig, durch die gemeinsame Belüftung von Sensor und Tank den Einfluss des Umgebungsdruckes bei der Messung auszuschalten, da sonst die errechnete Füllhöhe im Tank bei gleicher Menge Flüssigkeit in Abhängigkeit des Umgebungsdruckes schwankt. Diese Schwankung kann auf Grund der aktuellen Wetterlage bis zu +/-30 mbar und auf Grund des Aufstellungsortes (Druckunterschied zwischen Meereshöhe und 2000 m) bis zu 200 mbar betragen.

Bei Wasser erzeugen 5 m Füllhöhe im Tank einen hydrostatischen Druck von +500 mbar. Daher würde ein Absolutdrucksensor in Abhängigkeit der Wetterlage bei unveränderter Wassermenge eine Füllhöhe von 4,7 bis 5,3 Metern anzeigen. Da die Füllmenge sehr häufig aus der Tankgeometrie und der gemessenen Füllhöhe berechnet wird, kann sich daraus eine beträchtliche Fehlmessung des Tankinhaltes ergeben.

Weitere Artikel zu diesem Thema:
“Einsatzgebiete von Drucksensoren 2 – Unbelüftete Relativdrucksensoren”
“Einsatzgebiete von Drucksensoren 3 – Absolutdrucksensoren”

Lesen Sie zu diesem Thema auch den Fachartikel „Alles absolut relativ – Unterschiede bei der Absolut- und Relativdruckmessung“ erschienen im Magazin „fluid“ 03/2012.

Hierbei ist eine oftmals gewählte Schutzart von Drucksensoren die Eigensicherheit. Damit ein Ex-Drucksensor, also ein nach ATEX zugelassener Drucksensor, mit eigensicherer Zündschutzart und Zulassung betrieben werden darf, so ist er mit einem eigensicheren Ex-Speisetrenner zu verwenden.

Der Betreiber der Anlage bzw. Maschine muss durch den sogenannten „Nachweis der Eigensicherheit“ im „Explosionsschutzdokument“ (= Bestandteil der gesamten Anlagendokumentation) dokumentieren, dass die verwendete Gerätekombination (z. B. Drucksensor und SPS-Eingangskarte) eigensicher ist.

In Stromkreisen mit nur einem zugehörigen Betriebsmittel (= Gerät in dem nicht alle Stromkreise eigensicher sind, z. B. SPS-Eingangskarte im Nicht-Ex-Bereich), kann üblicherweise der „vereinfachte“ Nachweis der Eigensicherheit angewendet werden.

Der einfache Nachweis der Eigensicherheit wird in der Praxis oft durch den Anlagenbetreiber als Vergleich der einzelnen Werte aus den Gerätezulassungen erbracht.

Unabhängig von der Zielanwendung, ob in der Wasser- und Abwasseraufbereitung oder in der Tanküberwachung, ein Feuchtigkeitseintritt ins Kabelende der Pegelsonde kann bei ungenügenden Schutzmaßnahmen früh und unumkehrbar erfolgen und hat in fast allen Fällen den vorzeitigen Ausfall des Gerätes zur Folge. Der Feuchtigkeitseintritt in den Kabelausgang hinab bis in die Elektronik der Tauchsonde muss deshalb durch vorbeugende Maßnahmen seitens des Anwenders aktiv vermieden werden.

Um den Füllstand mit höchster Genauigkeit messen zu können, muss der variierende Umgebungsdruck über der Oberfläche des Mediums, somit also zusätzlich „aufliegend“ auf der Flüssigkeitssäule, zu dem auf den Drucksensor wirkenden hydrostatischen Druck kompensiert werden (vergl. Artikel: hydrostatische Füllstandsmessung und Berechnung der Füllhöhe). Somit ist folgerichtig bei unzureichenden Schutzmaßnahmen ein Feuchtigkeitsausfall durch Flüssigkeitseintritt zu befürchten, sowohl über das Belüftungsröhrchen als auch über das eigentliche Kabel selbst.

Zum Ausgleich des aufliegenden Umgebungsdruckes wird also vom Sensorelement innerhalb der Pegelsonde durch das Kabel bis hinauf zum Kabelende ein Belüftungsröhrchen geführt. Auf Grund des Kapillareffektes kann aber auch neben dem erwünschten Luftausgleich Feuchtigkeit bis hinunter in die Sensorik transportiert werden. Dringt also nicht nur Luft, sondern auch Feuchtigkeit in das Röhrchen ein, kann der Sensor und die ihn umgebende Elektronik im Inneren der Sonde irreparabel beschädigt werden. Dies kann zu Messfehlern und im schlimmsten Fall sogar bis zum Ausfall der Sonde führen. Um einem vorzeitigen Ausfall vorzubeugen, muss also der Feuchtigkeitseintritt in das Belüftungsröhrchen unbedingt verhindert werden. Einen zusätzlichen Schutz gegen das Eindringen von Feuchtigkeit durch das Belüftungsröhrchen bietet das Anbringen eines luftdurchlässigen, aber wasserundurchlässigen Filterelements am Ende des Belüftungsröhrchens.

Nicht zuletzt erfolgt der Flüssigkeitstransport bei hoher Feuchtigkeitsbelastung auch entlang des bedingt geschützten Innenlebens des Kabels, z. B. entlang der Litzen, bis hinunter zur Pegelsonde. Als führender Hersteller versucht man durch eine geeignete konstruktive Gestaltung den Flüssigkeitstransport in die Elektronik der Pegelsonde möglichst zu verhindern. Durch Gasdiffusion und Kapillareffekte ist ein hundertprozentiger Schutzeffekt über die vollständige Lebensdauer der Pegelsonde jedoch nie zu erreichen. Es empfiehlt sich daher, das Kabel immer nur in einer dem Installationsort angepassten, wasserundurchlässigen Anschlussbox mit entsprechender IP-Schutzart (z. B. IP65) aufzulegen. Ist dieser Kabelverbindungskasten der Witterung oder starken Temperaturschwankungen ausgesetzt, so ist auch auf einen kontrollierten Druckausgleich zu achten, um sogenannte „Schwitzwasserbildung“ und Pumpeffekte zu vermeiden. Um dieser technischen Anforderung zu begegnen, kann als Zubehör zur Pegelsonde eine Anschlussbox mit integrierter luftdurchlässiger, wasserundurchlässiger Membran bestellt werden.

Schlussendlich kann ein Feuchtigkeitseintritt natürlich nicht nur über ein ungeschütztes Kabelende, sondern auch durch die Verletzung des Kabelmantels oder durch Flüssigkeitsdiffusion aufgrund einer unzureichenden Medienbeständigkeit des Kabelmaterials erfolgen. Im Artikel „Auswahlkriterien zur Vermeidung feuchtigkeitsbedingter Ausfälle bei Pegelsonden bzw. Tauchsonden“ wird dieses Fehlerbild detailliert beschrieben.

Bei weiteren Fragen, wenden Sie sich einfach an unsere technische Beratung.

Eine der Hauptanforderungen an Pegelsonden ist die konstruktive Umsetzung einer möglichst geringen Verschmutzungsanfälligkeit des Drucksensors. Deshalb verzichtet man auf die typische Bauform mit engen Druckkanälen, die in solchen Applikationen zu Verstopfung neigen würden. Die Pegelsonde und deren druckbeaufschlagte Sensormembran sind bereits durch die konstruktive Gestaltung auf eine besonders geringe Verschmutzungsanfälligkeit hin optimiert. Dennoch kann der Dauereinsatz in verschmutzten Medien zu einem Festsetzen von Schmutzpartikeln auf der Edelstahlmembran führen.

Um höchste Genauigkeiten und schnellste Reaktionszeiten bei Änderungen des Füllstandes zu erreichen, ist diese Edelstahlmembran fertigungsseitig bereits auf wenige Mikrometer Dicke hin minimiert. Daher muss eine Reinigung der Membran entsprechend sorgsam erfolgen. Es sollte unbedingt auf den Einsatz spitzer oder kantiger Werkzeuge verzichtet werden. Auch von den in der Praxis gern genutzten Schraubendrehern oder Kugelschreibern muss man dringend abraten. Ist die Reinigung der Sensormembran erforderlich, so sollte ein Durchspülen mittels schwachen Wasserstrahls oder ein vorsichtiges Ausblasen mittels Druckluft erfolgen.

Eine Beschädigung der Membran durch Eindellen oder Einkerben, auch wenn scheinbar nur optischer Natur, führt zu deutlichen Einbußen in der Genauigkeit der Füllstandsmessung. Die Verformung der Membran verschiebt zum einen häufig den Nullpunkt der Druckmessung in der internen Messelektronik und verzerrt zusätzlich die werksseitig auf die unbeschädigte Membran abgestimmte Linearisierung des Ausgangssignals. Somit erzeugt eine Pegelsonde mit beschädigter Membran eine verfälschte Messung des aktuellen Füllstandes und kann deshalb nicht mehr als zuverlässiges Messmittel gelten. Ein kompletter Austausch des beschädigten Gerätes ist somit also zwingend erforderlich.

Korrosion an einer Pegelsonde führt speziell im Hinblick auf deren Konstruktion und Anwendung meist zu feuchtigkeitsbedingten Sensorausfällen. Korrosionserscheinungen bei Pegelsonden beschränken sich in den seltensten Fällen auf eine reine oberflächige Korrosion, die zumeist aus einem dem Medium unangemessenem Gehäusewerkstoff resultiert. In der Regel herrscht hier Lochfraß oder Spaltkorrosion vor. Diese führt zu punktuellen, tief in den Werkstoff eindringenden, Korrosionserscheinungen. Diese Korrosionsformen führen oftmals bereits nach kurzer Zeit zu einem Materialabtrag durch die komplette Gehäusewandung und resultieren schlussendlich in vollständigem Feuchtigkeitseintritt in den Pegelsondenkörper. Die eindringende Feuchtigkeit verursacht in der elektrischen Schaltung  Schädigungen und letztendlich den Ausfall des Drucksensors.

Marktübliche Pegelsonden beinhalten als Erdungskonzept generell einen innerhalb des Kabelmantels mitlaufenden Schirm bzw. ein mitlaufendes Schirmgeflecht. Dies dient sowohl zur Schirmung der Leitung gegen Störeinflüsse der teilweise an der Oberfläche verlegten Kabel als auch zur Erdung der Tauchsonde bzw. der Herstellung eines Potentialausgleichs über den Schirm.

Pegelsonden werden häufig in wässrigen, leitfähigen Medien eingesetzt. Dieses die Pegelsonde umgebende Medium/Wasser kann aufgrund der elektrischen Leitfähigkeit zur Bildung eines galvanischen Elementes führen. Das galvanische Element bildet sich hierbei aus der meist metallischen Behälterwand und dem metallischen Gehäuse der Pegelsonde. Daher ist es wichtig, dass die Pegelsonde an das gleiche Erdpotential wie der Behälter angeschlossen ist, da sonst eine schnelle Korrosion der Pegelsonde durch Erdausgleichsströme verursacht werden kann. Wird kein Potentialausgleich hergestellt, kann die Potentialdifferenz zwischen Sonde, Flüssigkeit und Behälterwand dazu führen, dass Teile des Gehäusewerkstoffes der Pegelsonde elektrochemisch in Lösung gehen und so ein aktiver Materialabtrag stattfindet.

Korrosion durch Ausgleichsströme tritt jedoch nicht nur in metallischen Behältern auf, sondern oftmals auch wenn die Pegelsonde isoliert oder in Erdbrunnen montiert wird. Hierbei entstehen durch kleinste, in jedem Werkstoff vorhandene, Gefügeunterschiede im Gehäuse der Pegelsonde lokale galvanische Elemente. Diese lokalen galvanischen Elemente verursachen Ausgleichsströme auf der Gehäuseoberfläche der Pegelsonde.

In beiden Fällen führen diese Erdausgleichsströme bzw. Potentialausgleichsströme generell zu Spalt- oder Lochfraßkorrosion am chemisch unedelsten Bereich der Pegelsonde. Dieser Masseabtrag am sprichwörtlich schwächsten Gehäusebereich führt zu einem örtlich eng begrenzten, jedoch umfangreichen Korrosionsangriff bis hin zum Sensorausfall.

Es empfiehlt sich daher bei jedem Einsatz einer Pegelsonde in leitfähigen Medien ein entsprechendes Erdungskonzept mit vollständigem Potentialausgleich vorzusehen, um frühe und kostspielige Produkt- und Produktionsausfälle zu vermeiden.

Eine elektrische Signalverarbeitung benötigt immer eine Spannungsversorgung, also eine „aktive Seite“, und einen „Verbraucher“, wie z. B. einen Drucksensor, der die „passive Seite“ darstellt.  Manchmal wird der aktive Teil der Zusammenschaltung auch als Stromquelle / Spannungsquelle und der passive Teil als „Stromsenke“ bezeichnet. Damit eine elektrische Schaltung funktioniert, muss Strom in einem Kreislauf durch sie hindurchfließen – auch wenn ein Gerät üblicherweise Verbraucher genannt wird, so wird der Strom nicht verbraucht, sondern fließt nur von der Strom- oder Spannungsquelle durch den Verbraucher zur Stromquelle zurück.

Dies funktioniert nur, wenn ein „Energiegefälle“ zwischen Stromquelle und Stromsenke existiert, also die Stromquelle aktiv (= Strom aussendend) und die Stromsenke passiv (= Strom durchleitend) wirkt. Daher funktioniert eine Zusammenschaltung von zwei Stromquellen oder zwei Stromsenken nicht bestimmungsgemäß.

Kompliziert wird dieser Sachverhalt in der täglichen Anwendung:

-          Wann arbeitet ein Drucksensor passiv (Stromsenke) und wann arbeitet er aktiv (Stromquelle)?

-          Wie arbeitet die Eingangskarte in meiner SPS?

Als Faustregel kann man sich merken, dass 2-Draht-Sensoren üblicherweise passiv arbeiten und damit eine aktive SPS Eingangskarte benötigen. Schwierig wird es bei 4-Draht-Sensoren, da z. B. 4-Draht-Durchfluss-Sensoren 2-Leiter für eine separate Spannungsquelle und 2-Leiter für einen aktiven oder passiven 0/4 … 20 mA Signalausgang besitzen. Es ist also unbedingt erforderlich die Datenblätter des einzusetzenden Sensors und der SPS Eingangskarte zu prüfen.