Absolut- und Relativdrucksensoren, Differenzdrucksensoren

Präzision im Prozess

Maximale Verfügbarkeit, hoher Sicherheitslevel und ein gutes Langzeitverhalten - das sind typische Anforderungen an Messsysteme in der Prozesstechnik. Präzise und wirtschaftlich sollen sie natürlich auch sein. Für viele Betreiber ein Widerspruch. Der folgende Beitrag zeigt Herausforderungen und ihre Lösungen.

Die Messungen von Druck, Durchflussmenge, Füllstand und Temperatur zählen zu den wichtigsten in der Prozessindustrie. Hier geht es um leitfähige und nicht leitfähige Flüssigkeiten, Öle, Gase oder auch Dämpfe. Auf dem Markt werden daher eine Vielzahl von Messverfahren und ein noch breiteres Portfolio von Sensoren angeboten. Die Messlatte liegt hoch. Maximale Verfügbarkeit und geringer Verschleiß auch unter extremen Bedingungen, Flexibilität in der Bus-Kommunikation, hohe Sicherheitslevel und natürlich Wirtschaftlichkeit. Einzeln betrachtet sind diese Faktoren schon fast Standard - ganz anders sieht es aber bei einer Kombination aus. Je mehr Anforderungen gleichzeitig erfüllt sein sollen, umso schwieriger. Eine der typischen Herausforderungen ist beispielsweise eine präzise Durchflussmessung mit möglichst geringem Druckverlust. Das war auch das Ziel bei Rhodia Acetow. Das Unternehmen mit Sitz im südbadischen Freiburg ist einer der führenden Lieferanten von Zelluloseacetat-Flocken und weltweit der drittgrößte Hersteller von Zelluloseacetat-Kabel, ein Rohstoff für Zigarettenfilter. Das Ausgangsmaterial für die Produkte ist Holz, beziehungsweise die dort enthaltene Zellulose. Sie wird zu Zellstoff verarbeitet, chemisch in Zelluloseacetat-Flocken umgewandelt, in Aceton gelöst und schließlich zu Zelluloseacetat-Kabel verarbeitet. Das Unternehmen verfügt über sechs Produktionsstandorte in der ganzen Welt und beschäftigt rund 1.300 Mitarbeiter. Eines der letzten Projekte für die Optimierung der Produktion war die Verbesserung des Wirkungsgrades bei der Durchflussmessung des Aceton/Wassergemischs. Um dieses Ziel zu erreichen, wurden die bislang installierten Blenden durch Staudrucksonden von Endress+Hauser ersetzt. Sie ermöglichen einen deutlich geringeren Druckverlust als Blenden oder auch Wirbeldurchflusszähler. Darüber hinaus können sie ohne aufwändiges Auftrennen von Leitungen eingebaut werden - was die Kosten schon bei der Installation reduziert. Und es hat auch Vorteile bei der Instandhaltung; denn zur Reinigung werden sie einfach aus der Halterung herausgezogen. Was leisten die neuen Messgeräte hinsichtlich Präzision und Langzeitverhalten?

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Den Energieaufwand reduzieren

Staudrucksonden von Endress+Hauser werden in zwei Varianten angeboten: Eine getrennte und eine kompakte Ausführung wie bei Rhodia Acetow. Hier bilden Wirkdruckgeber und Messumformer eine mechanische Einheit. Dazu Roland Keser, Produktmanager Druckmesstechnik bei Endress+Hauser: "Jede unserer modular aufgebauten Deltatop-Messstellen ist mit Wirkdruckgeber, Ventilblock, Kondensatgefäß (bei Dampf) sowie dem Messumformer Deltabar S ausgestattet - sie können also sofort in Betrieb genommen werden." Hinzu kommt die Kosteneinsparung durch den Wegfall von Wirkdruckleitungen und auch der Differenzdrucktransmitter ist bereits voreingestellt; denn Differenzdruck und Druckverlust sind bereits auf Basis der Applikationsdaten berechnet. Darüber hinaus werden Flansch- oder Rohrverschraubung genau auf die jeweilige Applikation zugeschnitten. Bei der zweiten Variante sind Wirkdruckgeber und der Messumformer mit angebautem Ventilblock über eine Wirkdruckleitung miteinander verbunden, also räumlich getrennt. Dies ist nicht nur bei höheren Drücken und Temperaturen notwendig, sondern auch hilfreich, wenn das Gerät zum Ablesen beispielsweise in Augenhöhe positioniert werden soll. Genau wie bei der Kompaktlösung sind alle Komponenten bis auf die Druckleitung vormontiert und der Differenzdruckmessumformer voreingestellt. Egal welche Version, der Betreiber erhält ein komplettes Paket und alles aus einer Hand. "Mit den neu installierten Durchflusszählern", so Markus Philip, Betriebsleiter bei Rhodia Acetow, "konnten wir die Fördermenge trotz gleich bleibendem Energieaufwand erhöhen." Auch zum Thema Instandhaltung haben sich die Ingenieure bei Endress+Hauser etwas überlegt. So ist mit einem speziellen Zubehör die Reinigung sogar während des Betriebs möglich - ein Plus für die Verfügbarkeit der Anlage!

Wie präzise ist eine Vakuumregelung?

Keramik-Absolutdrucksensoren wie der Ceraphire aus der Cerabar S Familie von Endress + Hauser bestehen aus zwei zylindrischen Keramikteilen - die Membran und ein Grundkörper mit zwei Elektroden. Die innere ist die druckempfindliche Messelektrode, die äußere die druckunempfindliche Referenzelektrode. Darüber befindet sich in einem genau definierten Abstand eine gemeinsame Gegenelektrode, die auf der Innenseite der Messmembran aufgebracht ist. Elektrisch gesehen ist das Sensorelement ein Plattenkondensator - die Änderung der Kapazität ist ein Maß für die Änderung des Drucks. Beide Keramikteile werden mechanisch so fest und hermetisch dicht miteinander verbunden, dass ein im Lötprozess erzeugtes Vakuum von typisch 3,0 x 10-6 mbar dauerhaft erhalten bleibt. Dieses System ist so konstruiert, dass sich die Membran bei einer hohen Druckbeaufschlagung an den Grundkörper anlegt; und das garantiert ein hervorragendes Überlastverhalten. So sind diese Sensoren in einem Messbereich von 0 bis 10 bar meist mit dem 40-fachen des Nenndrucks belastbar. Der Ceraphire ist eine so genannte trockene Messzelle, das heißt, sie arbeitet ohne ein Übertragungsmedium wie Druckmittleröle. Der Druck wirkt also direkt auf die Membran. Und genau das ist die optimale Lösung, um einen absolut stabilen Nullpunkt zu erreichen - auch bei einem extremen Vakuum. Metall-Messzellen hingegen arbeiten mit einem Füllöl und sind daher nur bedingt vakuumtauglich. Denn unterhalb eines bestimmten Absolutdrucks, der von dem eingesetzten Füllöl abhängt, können sich kleinste Lufteinschlüsse zu Blasen entwickeln. Damit nimmt das Ölvolumen zu, die Membran wird nach außen gedrückt und der Nullpunkt verschiebt sich. Im weiteren Verlauf kann der Sensor sogar komplett zerstört werden. Aber auch ein Überdruck kann aufgrund plastischer Verformungen zu Linearitätsfehlern und einer Drift von Nullpunkt und Spanne führen. Dazu Wolfgang Lubcke von bei Endress+Hauser. "In kontinuierlichen Prozessen mit langsamen Temperaturänderungen ist die Keramikzelle aufgrund ihres ölfreien Systems eindeutig die bessere Lösung. Sowohl hinsichtlich der Vakuumtauglichkeit als auch in Bezug auf die Langzeitstabilität." Darüber hinaus besteht die Gefahr, dass bei einem Bruch der Membran die Endprodukte im Prozess mit auslaufendem Öl unbemerkt verunreinigt werden können. Nimmt man als weiteren Parameter den Einfluss der Temperatur mit hinzu, so muss man differenzieren. Langzeitstabilität auf der einen, schnelle Temperaturzyklen auf der anderen Seite. Geht es allein um die reine Temperaturbeständigkeit, so ist die Langzeitstabilität keramischer Systeme auf Grund ihrer trockenen Messzelle deutlich höher. Dies resultiert aus dem kleinen Ausdehnungskoeffizienten der Keramik und dem Fehlen des Füllöls. Bei metallischen Systemen hingegen wird das Öl bei einer Temperaturänderung entweder komprimiert oder ausgedehnt. Daraus folgen unterschiedliche Messergebnisse, obwohl sich der Prozessdruck selbst nicht verändert hat.

Langzeitstabilität kontra Relaxation

Kommt es hingegen in Prozessen zu schnellen Temperaturzyklen, so sollte die Priorität auf dem Relaxationsverhalten des Sensors liegen, also auf einer zeitabhängigen, aber reversiblen Änderung der Form. In diesem Fall ist meist die Metallmembran im Vorteil, da sie sehr schnell auf eine Temperaturänderung reagiert. Das heißt, das Messsignal kehrt rasch wieder auf den ursprünglichen Wert zurück. Betrachtet man hingegen das Verhalten eines keramischen Sensors, so zeigt dieser weiterhin eine starke Druckänderung an, obwohl der Prozessdruck schon wieder konstant ist. Außerdem benötigt das Signal deutlich länger, um auf den Ausgangswert zurückzukehren. Keramik ist für solche Prozesse also weniger geeignet. Das gilt auch für hohe Drücke, denn keramische Sensorzellen sind meist auf einen Messbereich bis 40 bar beschränkt. Auf der anderen Seite ist der keramische Sensor ideal in kontinuierlichen Prozessen mit langsamen Temperaturänderungen, wie in vielen Bereichen der Lebensmittel- und Pharmaindustrie. Um die Genauigkeit eines solchen Sensors zu überprüfen, wird beispielsweise eine 2 bar Messzelle jede Sekunde mit der 3-fachen Überlast über einen Zeitraum von 138 Tagen beaufschlagt. Dies entspricht ca. 12 Millionen Druckstößen. "Untersuchungen haben ergeben", so Wolfgang Lubcke, "dass nach diesen Druckstößen das Ausgangssignal bei einem hochwertigen Keramiksensor um 0,07 % abweicht. Wenn man davon ausgeht, dass in einem Prozess pro Minute ein hoher Druckstoß auftritt, so würde das Ausgangssignal innerhalb von 22 Jahren um max. 0,07% abweichen." Natürlich sind für eine präzise Druckmessung unter Prozessbedingungen weitere Parameter zu beachten. Beispielsweise die Zusammensetzung der Keramik selbst. Der Drucksensor Ceraphire besteht zu 99,9% aus reiner Keramik. Und das ist nach Angaben der Firma mehr, als die meisten dieser Klasse vorweisen können. Ein weiterer Punkt ist die Abdichtung gegenüber dem zu messenden System. So muss bei einem keramischen Werkstoff auf Grund der unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten eine zusätzliche Abdichtung eingebaut werden. Untersuchungen haben gezeigt, dass in diesem Fall eine vorgelagerte Dichtung im Vergleich zur radialen die bessere Lösung ist. Denn aufgrund der entstehenden Kante bilden sich Wirbel, die zu einer sehr effektiven Reinigung während des Betriebes führen. Außerdem ist die Reproduzierbarkeit beim Einbau mit radial gedichteten Systemen nicht gegeben. Auch die "richtige" Messmethode ist zu beachten. Der Ceraphire misst kapazitiv, was im Vergleich zur piezoresistiven Variante mit Wheatstone-Brücke eine höhere Überlastfähigkeit, gute Langzeitstabilität sowie kleine Messbereiche bis hin zum Vakuum bietet. Dass bei diesem Sensor auch die Sicherheit nicht zu kurz kommt, zeigt die Redundanz bis SIL 3 und eine Selbstüberwachung der Keramik-Messzelle, die einen eventuellen Defekt sofort meldet. Die Kommunikation in alle gängigen Systeme erfolgt genau wie bei den Differenzdrucktransmittern über austauschbare Elektronikeinsätze mit 4 bis 20 mA mit oder ohne HART, Profibus PA oder Foundation Fieldbus. Die Beispiele zeigen, dass Präzision, gutes Langzeitverhalten und ein hoher Sicherheitslevel auf der einen Seite und die raue Prozessumgebung auf der anderen kein Widerspruch ist - es muss eben nur der richtige Sensor ausgewählt werden.

Präzision und Langzeitverhalten

Der Differenzdrucktransmitter Deltabar S und auch die weiter unten erwähnten Cerabar S für Relativ- und Absolutdruck gehören zum Hochleistungssegment von Endress+Hauser. Das integrierte Datenmodul HistoRom/M-Dat ermöglicht dem Betreiber das Erfassen, Sichern und Auslesen wichtiger Prozess- und Geräteparameter. Auch Analysen, Simulationen und die Abfrage der Serviceparameter können zu jedem Zeitpunkt über die Diagnosefunktionen durchgeführt werden. Das gewährleistet eine bestmögliche Anpassung an den jeweiligen Prozess. Und die Bedienung der Geräte? Für den Betreiber soll es ja einfach, schnell und trotzdem sicher sein. Hier bietet der Markt ein unterschiedliches Handling: Angefangen vom Drehknopf bis hin zur Tasten-Bedienung. "Bei Endress+Hauser favorisieren wir die Drei-Tasten-Bedienung", erläutert Roland Keser. "Sie bietet nicht nur eine komfortable Einstellung, auch das Abfragen von außen, ohne Eingriff in das Messgerät, ist möglich. Darüber hinaus wird der Betreiber von einem Quick-Setup-Menü unterstützt, das den Aufwand für die Parametrierung auf ein Minimum reduziert." Positiv ist auch, dass sich das Gehäuse, unabhängig vom Prozessanschluss um 380° drehen lässt. So passt es sich jeder Umgebung an. Die Deltabar S Serie für die Durchfluss- und Differenzdruck-Überwachung bietet einen Messbereich von 0,5 mbar bis 40 bar (Metallmembran), erreicht SIL3 und ist nach IEC 61508 zertifiziert. Die Referenz-Genauigkeit wird werksseitig mit ≤ 0,075 % angegeben, die Platinum-Version sogar mit ≤ 0,05 %. Und genau diese Genauigkeit, verbunden mit der Langzeitstabilität von 0,1 % pro Jahr in Bezug auf die maximale Spanne (0,25 % auf fünf Jahren), ist die für manche Anwendung geforderte Präzision in der Differenzdruckmessung. Auf der diesjährigen Hannover Messe hat das Unternehmen als Ergänzung eine M-Generation (Midrange) für das mittlere Preis-/Leistungssegment vorgestellt. Sie beginnt bei 1 mbar und erreicht Genauigkeiten ≤ 0,1 %. Interessant für den Betreiber ist, dass beide Serien auch mit Keramikmembran lieferbar sind. Ein Werkstoff mit ganz besonderen Eigenschaften und das Stichwort für eine weitere Herausforderung - die Vakuumregelung in der Prozessindustrie. Bei Anwendungen in diesem Druckbereich kommen zu den bislang genannten Anforderungen noch die Vakuumtauglichkeit des Sensors und die Sicherheit gegen Wasserstoffdiffusion hinzu. Natürlich geht es auch hier um eine möglichst hohe Präzision und Langzeitstabilität. Ähnlich wie im Bereich der Differenzdruck-Messung bietet der Markt eine Vielzahl von Absolut- und Relativdruck-Messzellen. Die Unterschiede liegen im Wesentlichen in den Messmethoden und den eingesetzten Werkstoffen. Keramik zählt zu den härtesten Werkstoffen der Welt und ist geradezu prädestiniert für bestimmte Bereiche der Prozesstechnik. Neben extremer Korrosionsbeständigkeit und Langzeitstabilität bietet sie eine hohe Stabilität gegen Abrasion und eignet sich hervorragend für Anwendungen im Vakuum.

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