Druckmittler kommen immer dann zur Anwendung, wenn Drucktransmitter an ihre Grenzen stoßen. Seien es Sonderbauformen, hohe Temperaturen, schwer zugängliche Einbauorte, oder nicht zuletzt Anlagen, in denen starke Vibrationen auftreten. Druckmittler erlauben Messungen geschützt vor aggressiven, hochviskosen, kristallisierenden oder polymerisierenden Medien. Höchste Varianz und Flexibilität bei Membranmaterialien, Prozessanschlüssen (hygienische Prozessanschlüsse mit 3A, EHEDG, FDA) und verschiedene volumenoptimierte Anbindungsmöglichkeiten (z.B. kompakt, mit Temperaturentkoppler oder Kapillare) ermöglichen vielfältige Einsätze. Dabei sind aber verschiedene Besonderheiten des Druckmittlersystems zu beachten, die Einfluss auf die Messwertgenauigkeit haben können. Grundsätzlich gilt bei der Auswahl eines Druckmessgerätes: Wenn technisch möglich, sollte immer auf Systeme ohne Druckmittler zurückgegriffen werden. Ein Beispiel sind ölfreie, keramische Messzellen, die mit hygienischen Prozessanschlüssen robust, absolut Kondensat-fest und für den Einsatz bei Prozesstemperaturen bis zu 150°C hervorragend geeignet sind. Zudem erlauben sie die sofortige Detektion eines Membranbruchs. Bietet der Einsatz von Druckmittlern Vorteile bei der Instrumentierung, oder muss aus technischen Gründen darauf zurückgegriffen werden, so sollte ein Druckmittlersystem mit möglichst geringem Temperaturfehler gewählt werden.
Eigenheiten der Messtechnik
Bei der Messung mit einem Druckmittler wirkt der Betriebsdruck auf die Prozessmembran des Druckmittlers. Der Druck auf die Membran wird über das nicht kompressible Druckmittlerfüllöl auf die Sensormembrane des eigentlichen Messgerätes übertragen. Vergleicht man ein Gerät mit und ohne angebauten Druckmittler, so stellt man fest, dass das Ölvolumen im Druckmittler, das des Grundgerätes um ein vielfaches überschreitet. Je länger der Entkoppler (z.B. das Kapillar), umso höher ist das Ölvolumen. Dadurch sind Druckmittler-Systeme grundsätzlich empfindlich gegen Temperaturänderungen. Das liegt am temperaturabhängigen Ausdehnungsverhalten des eingesetzten Öls. Wird das Öl stark erwärmt, so dehnt es sich innerhalb des Druckmittlers aus und erzeugt einen Druck auf den Sensor. Dieser Druck ist Auslöser für den Temperaturfehler des Druckmittlers. Um diesem Effekt entgegenzuwirken, gibt es zwei Möglichkeiten: Das Ölvolumen so gering wie möglich zu halten und/oder die Membrane konstruktiv so zu gestalten, dass sie das zusätzliche Ölvolumen aufnehmen kann, ohne eine Rückstellkraft auf den Sensor aufzubringen. Hierbei spricht man von der Steifigkeit einer Membran. Je geringer die Steifigkeit einer Membran, desto höher ist die Genauigkeit bei Temperaturänderungen.
Optimierte Membran
Ein Ansatzpunkt für die Präzisierung und Zuverlässigkeit der Messergebnisse ist die Optimierung der Membran. Mit der TempC-Membran (Temperature Compensation) hat Endress+Hauser jetzt eine Membran mit möglichst geringer Steifigkeit entwickelt. So können die Temperatureinflüsse auf die Druckmessung stark reduziert werden. Doch was unterscheidet die TempC von einer herkömmlichen Membran? Die Erfahrung der Entwickler und moderne Konstruktions- und Entwicklungstechnologien wie die Finite Elemente Methode ermöglichen neue Ansätze. Die neue Membran weist ein eher untypisches Verhalten bei Auslenkungen auf. Anders als bei herkömmlichen Membranen, verhält sie sich besonders flexibel, wenn sie ausgelenkt wird. Sie kann bei temperaturabhängiger Ausdehnung des Öls im System mehr Volumen aufnehmen, ohne dabei eine Rückstellkraft auf den Sensor zu erzeugen. Das ermöglicht ein genaues und zuverlässiges Messsignal, unabhängig von Temperaturschwankungen. Bisher konnten nur mit großen Membranen – und somit auch großen Prozessanschlüssen – hohe Genauigkeiten erreicht werden. Mit der speziell für hygienische Anwendungen entwickelten TempC können nun auch sehr kleine Prozessanschlüsse realisiert werden. Das ermöglicht zum einen den problemlosen Einsatz z.B. in Rohrleitungen mit kleinen Nennweiten, zum anderen senkt es die Kosten bei der Beschaffung. Vergleicht man herkömmliche Membranen mit der TempC, so weist diese eine bis zu vierzehn Mal höhere Genauigkeit auf.
Besonderheiten bei der Herstellung
Üblicherweise bilden sich durch die einzelnen Verarbeitungsschritte der Edelstahlmembran, wie z.B. Schweißen und Prägen, Verspannungen im Metallgefüge. Für die TempC Membran wurden aber Schweiß- und Prägeprozesse entwickelt, die eine optimierte Ver- und Bearbeitung der Membran ermöglichen. Diese verlässt daher die Produktion spannungsfrei und weist keinerlei Inhomogenitäten in ihrem Gefüge auf. Zudem bietet die Befüllung der Druckmittler bei Endress+Hauser bislang einzigartige Möglichkeiten: Für jeden einzelnen Druckmittler wird die ideale Ölmenge individuell bestimmt und befüllt. Dies erfolgt über eine Tiefziehanlage, welche die Membrane in ihre optimale Position bringt. Bei der Herstellung von Lebensmitteln liegt z.B. ein besonderes Augenmerk auf den Reinigungs- und Sterilisationsprozessen (CIP/SIP). Gerade dort muss sichergestellt sein, dass die vorgegebenen Temperaturen und Drücke sicher erreicht werden, um den Anforderungen an die Hygienestandards gerecht zu werden. Die Messtechnik ist dabei großen Temperatursprüngen/-änderungen und Lastwechseln ausgesetzt. Unter diesen Bedingungen bieten Druckmittlersysteme mit einer verlässlichen Membran wie TempC höchste Sicherheit im Produktionsprozess.
