Ein Druckmittler besteht aus einer elastischen Membran, die mit dem Druckmittler-Oberteil hermetisch dicht verschweißt ist.

© Baumer

Drücke oder Füllstande sind in vielen industriellen Prozessen unter widrigen Umständen aufzunehmen: vor allem in der chemischen und petrochemischen Industrie, aber auch in der Lebensmittelund Pharmaindustrie. Temperaturen über 150 °C und unter 20 °C, aggressive Medien, zähflüssige oder pastöse Flüssigkeiten wie Klebstoff, Zahnpasta, Abwasser oder Erdöl setzen den Druckmessgeräten zu. Prozessflüssigkeiten, wie Honig, Zucker, Gummi oder Teer, die bei Raumtemperatur erstarren, verstopfen die Rohrleitung zum Messaufnehmer.

Ebenso nagen korrosive Flüssigkeiten, wie Salzwasser, Säuren oder Laugen, an den Geräten.

Weitere Problemfelder für Drucksensoren sind starke Vibrationen, die beispielsweise an stationären Dieselmotoren auftreten. Auch wenn Flüssigkeiten vor oder nach Pumpen pulsieren, macht so manches Druckmessgerät schlapp. Bei Prozessen in der Lebensmittel- und Pharmaindustrie geht es vor allem um die Hygiene. Hier sind Toträume so weit wie möglich zu vermeiden: Unzugänglich für eine Reinigung bieten sie den perfekten Nährboden für Bakterien und Pilze.

In solchen Fällen bietet sich der Einsatz eines Druckmittlers an: Dieser besteht aus einer elastischen Membran, die mit dem Gehäuse-Oberteil hermetisch dicht verschweißt ist. Der Raum zwischen der Messmembran und dem Druckmessgerät ist mit einer Übertragungsflüssigkeit gefüllt, die den Prozessdruck auf den Sensor überträgt. Druckmittler lassen sich auch über eine Kapillarleitung oder Kühlstrecke an das Druckmessgerät anschließen.

Weg vom Prozess!

Bei Bedarf kann der Drucksensor über die Kapillarleitung mehrere Meter weit von der eigentlichen Messstelle entfernt sitzen. Dies ermöglicht auch die Entkopplung von hohen Prozess-Temperaturen und Vibrationen oder Schocks. Durch unterschiedlich beschichtete Membrane und Metallvorlagen lassen sich die Druckmittler auf die jeweilige Prozessflüssigkeit anpassen. Bei toxischen Flüssigkeiten wie Chlor, Lösungsmitteln oder chemischen Gasen bildet der Druckmittler eine sichere Barriere zwischen Prozess-Medium und -Umgebung.

Für den Hygienebereich sind lebensmittelgerechte Anschlüsse verfügbar oder passgenaue Rohrdruckmittler, die eine Reinigung und Sterilisierung vor Ort (CIP, SIP) ermöglichen. Als Material kommt in einem solchen Fall hochwertiger Edelstahl mit einer geringen Oberflächenrauheit zum Einsatz.

Im Vergleich zur direkten Montage von Druckmessern am Messort beanspruchen die anpassungsfähigeren Druckmittler weniger Platz. Außerdem weisen sie eine größere Anzahl von verfügbaren Prozessanschlüssen als die Druckmessumformer auf. Auch bei der prozessseitigen Werkstoffauswahl sind Druckmittler durch eine größere Vielfalt im Vorteil.

In der Industrie ist eine mit dem Messmedium kompatible Übertragungsflüssigkeit in vielen Prozessen unabdingbar. Bei den kompakten Drucksensoren besteht dabei oft das Problem, dass die Übertragungsflüssigkeiten direkt mit der elektrisch leitenden Sensorik in Kontakt kommen. Deshalb dürfen diese Flüssigkeiten selbst nicht leitend oder aggressiv sein. Bei den separaten Druckmittlern ist das hingegen nicht der Fall, wodurch die Auswahl an Mittlerflüssigkeiten wesentlich größer ist. Dadurch wird die Anpassung an den Prozess erheblich erleichtert.

Druckmittler sind deshalb bei extremen Prozess-Umgebungen häufig die bessere Alternative im Vergleich zu den robusten Druckmessumformern. Die Mittler führen in den meisten Fällen zu einer höheren Lebensdauer des Druckmesssystems.

Aus der Praxis

Generell gilt die Faustregel: Ein komplettes System – bestehend aus Druckmittler und Druckmessgerät – funktioniert nur dann, wenn das Arbeitsvolumen des Druckmittlers größer als das Steuervolumen des Druckmessgerätes ist. Und das unter Berücksichtigung der Volumen-Änderungen durch Temperaturschwankung und Kompression.  Darüber hinaus muss der Anlagenplaner beim Einsatz eines Druckmittlers weitere Fragen klären und berücksichtigen:

• Wie groß ist das Totvolumen des Messinstruments?
• Wie lang ist die Kapillarleitung zwischen Druckmittler und Messinstrument?
• Welche maximalen und minimalen Umgebungs- und Medientemperaturen herrschen vor?
• Wie steif ist die Mittler-Membran?
• Wie kompressibel ist die Übertragungsflüssigkeit?

Bei der Auswahl der Mittlerflüssigkeit hilft ein Blick auf das Prozessmedium: Für Anwendungen mit Sauerstoff oder Chlor darf als Flüssigkeit nur Fluorkohlenwasserstoff verwendet werden, der weder mit Sauerstoff noch mit Chlor reagiert. Dadurch ist die Sicherheit selbst im Falle eines Bruchs der Membrane gewährleistet.

Messinstrumente für Lackieranwendungen (insbesondere in der Automobilindustrie) müssen gänzlich frei von silikonoder fetthaltigen Substanzen sein. Hier kommt eine Mischung aus Glyzerin und Wasser zum Einsatz.

Kapillarleitungen – was ist zu beachten?

Differenzial-Messung mit zwei Druckmittlern am Gas-Tank.

© Baumer

Kommen Kapillarleitungen zum Einsatz verändert sich die Reaktionszeit in Abhängigkeit folgender Größen:

• Länge und Innendurchmesser der Kapillarleitung,
• Eigenschaften der Druckübertragungsflüssigkeit,
• Prozess- und Umgebungstemperatur,
• Druckbereich und
• verdrängtes Volumen.

Während des Einsatzes ist die Kapillarleitung vor Erschütterungen zu schützen. Auch darf sie keine engen Biegungen aufweisen.

Bei einer Differenzdruckmessung mit zwei Kapillarleitungen müssen beide gleich lang sein, um die Auswirkungen von Temperaturschwankungen so gering wie möglich zu halten. Bei Bedarf kann der Anwender den Druckmittler auf anderer Höhe als den Sensor montieren. Dabei muss er aber zu dem gemessenen Wert noch den Druck addieren, der durch die Flüssigkeitssäule in der Kapillarleitung auf das Messgerät wirkt. Aufgrund des durch die Säulenhöhe entstehenden Unterdrucks darf das Druckmessinstrument jedoch nie mehr als 6 m über dem Druckmittler installiert werden. Wenn Fluorkohlenwasserstoff zum Einsatz kommt, liegt diese Grenze bei nur 4 m.

In manchen Anwendungen ist das Messgerät vor unerwarteten oder bewusst angelegten Überdrücken zu schützen. So kann sich zum Beispiel durch ein geschlossenes Ventil die Prozessflüssigkeit anstauen. Bei plötzlicher Freigabe entstehen dann Druckspitzen. Werden in Raffinerien, die im Normalfall mit bis zu 1 bar arbeiten, die Leitungen geprüft, geschieht dies mit dem 10-fachen Normaldruck. In solchen Fällen kann ein Druckbegrenzer zwischen Druckmittler und Messinstrument geschaltet werden.

Vielfalt in der Ausführung

Die Membrandruckmittler D820, D824 und D825 von Baumer mit integriertem Flansch für Prozesstemperaturen von –60 °C bis +400 °C: Die Membran ist in den Werkstoffen Edelstahl, Uranus, Hastelloy, Tantal, Titan oder Monel erhältlich und für den Einsatz mit korrosiven Medien mit PTFE, Halar oder Gold beschichtet.

© Baumer

Druckmittler sind in verschiedenen Bauformen verfügbar: Es gibt sie als Membrandruckmittler, zur Montage auf einem Flansch; als Rohrdruckmittler, die direkt in die Rohrleitung eingespannt werden, und als Zungendruckmittler, die mittels eines Einschraubzapfens oder einer Überwurfmutter eingebaut werden.

Für Kälte-Anwendungen, oder um den Einfluss der Umgebungstemperatur auf die Messung zu vermeiden, sind darüber hinaus isolierte Kapillarleitungen erhältlich, die aus Edelstahl gefertigt und mit einer Ummantelung aus Polyethylen geschützt sind. Eine Vielzahl unterschiedlicher Flansche stehen dabei zur Verfügung: nach DIN, ISO oder ANSI genormt, mit unterschiedlichen Dichtflächen und divergenter Oberflächenbeschaffenheit.

Um den Anforderungen der FDA, EHEDG, 3A und allgemein geltenden Standards für Anwendungen in der Lebensmittel- und Pharmaindustrie zu entsprechen, bietet Baumer ebenso hygienegerechte Druckmittler. Die Druckmittler erfüllen zudem die ATEX-94/9/CEAnforderungen für den Einsatz in explosionsgefährdeten Bereichen sowie die Forderungen der Druckgeräterichtlinie 97/23/CE.

Autor: Daniel Walldorf, Produktmanager bei Baumer in Friedberg.