Mögliche Bauformen bei Druckmittlern (von links): Kompaktausführung, Temperaturentkopplung, variable Kapillarlänge.

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Druckmittler werden in der Prozessindustrie dann verwendet, wenn herkömmliche Druckmessgeräte an ihre Grenzen stoßen – sei es durch die Notwendigkeit von Sonderbauformen, hohe Temperaturen, schwer zugängliche Einbauorte oder nicht zuletzt Anlagen, in denen starke Vibrationen auftreten. Zudem schützen sie Messgeräte vor den Prozessmedien oder extremen Prozessbedingungen – vor aggressiven, hochviskosen, kristallisierenden oder polymerisierenden Medien. 

Allerdings muss bei der Messstellenauslegung der sogenannte Temperatureffekt beachtet werden, der die Mess-Ergebnisse in bestimmten Fällen beeinflussen kann. Dieser Temperatureffekt tritt aufgrund der Bauweise der Druckmittler auf, deren Inneres mit Öl befüllt wird. Daher gilt: Falls es möglich ist, bei der Auslegung von Druckmessgeräten auf Systeme ohne Druckmittler zurückzugreifen, ist dies zu empfehlen. Eine Alternativ ist beispielsweise die ölfreie und robuste keramische Messzelle, die sich für Prozesstemperaturen bis 150 °C eignet.

Technisch herausfordernd

Membrandicken beziehungsweise Membranstärken bei unterschiedlichen Flanschgrößen

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Wie entsteht der Temperatureffekt im Detail? Die ölgefüllte Kapillarleitung im Druckmittler setzt zum einen die Mess-Elektronik vom zu messenden Prozess und den gegebenenfalls kritischen Temperaturen (<–25 °C und >+150 °C) ab. Zum anderen dient das Füllöl im Druckmittler-System durch sein inkompressibles Verhalten gleichzeitig als Übertragungsmedium zwischen Prozessdruck und Sensorelement. Bei Änderungen der Umgebungs- oder Prozesstemperatur verändert sich das Volumen des Öls. Das Sensorelement nimmt diese Volumenänderung als Prozessdruckänderung wahr und wertet sie aus. Durch eine Änderung der Temperatur in der Umgebung oder im Prozess kommt es in der Messung zu einer Druckänderung, ohne dass sich der Prozessdruck tatsächlich verändert hat. Dabei hängt das Ölvolumen im Druckmittler-System von der Länge der Bauform beziehungsweise der Entkopplung ab: je länger die Entkopplung, desto größer das Ölvolumen.

Um dem Temperatureffekt entgegenzuwirken, gibt es zwei Möglichkeiten: das Ölvolumen erstens so gering wie möglich zu halten und/oder zweitens die Druckmittler-Membrane konstruktiv so zu gestalten, dass sie die Volumenänderung des Füllöls bestmöglich aufnehmen kann, ohne eine Rückstellkraft auf den Sensor aufzubringen. Hierbei ist die Steifigkeit der Membrane von entscheidender Bedeutung: Bei geringer Steifigkeit kann die Membran eine größere Volumenänderung des Füllöls kompensieren, was die Messgenauigkeit bei Temperatureinflüssen verbessert.

Dem Temperatureffekt entgegen­wirken

Endress+Hauser hat aus diesem Grund die ‚TempC‘-Membran (temperature compensatory) entwickelt und patentieren lassen. Diese Membran weist eine spezielle Prägung und geringe Steifigkeit auf, um positiv auf Temperaturänderungen zu reagieren. Möglich wurde dieser Ansatz durch Konstruktions- und Entwicklungstechnologien wie beispielsweise die Finite-Elemente-Methode. 

Die zurückgesetzte Membran sorgt für zusätzlichen Schutz des Messgeräts.

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Anders als herkömmliche Membranen verhält sich die ‚TempC‘-Membran bei Auslenkung besonders flexibel. So kann bei einer temperaturabhängigen Ausdehnung des Füllöls mehr Volumen aufgenommen werden, ohne dabei eine Rückstellkraft auf den Sensor zu erzeugen. Damit wird der Temperatureinfluss um einen Faktor von bis zu 5 verkleinert. Bisher ließen sich nur mit großen Membranen – und somit auch großen Prozessanschlüssen – hohe Genauigkeiten erreichen. Mit der ‚TempC‘-Membran sind nun auch kleine Prozessanschlüsse realisierbar. So entstehen neue Einsatzgebiete für Druckmittler – beispielsweise ist ein Einsatz in Rohrleitungen mit kleinen Nennweiten möglich. Darüber hinaus sinken die Kosten bei der Beschaffung, da weitere Komponenten einer Druckmessstelle wie Ventile, Adapter oder Dichtungen kleiner ausfallen oder komplett wegfallen. 

Ab einer Flanschgröße von DN50 erhöht sich die Membrandicke der ‚TempC‘ von 50 µm auf 100 µm (zum Vergleich: Das menschliche Haar ist 70 µm dick). Dabei entsteht eine höhere Robustheit und Korrosionsbeständigkeit zum Prozess, ohne die Steifigkeit negativ zu beeinflussen. 

Ein weiteres Merkmal der Membran ist ihr zurückgesetztes Design bei Flansch-Anschlüssen: Dadurch, dass die Membran zum Flansch um 2,3 mm zurückversetzt ist, ist sie zusätzlich gegen mechanische Beschädigung bei Arbeiten mit dem Gerät geschützt: Stellt beispielsweise ein Monteur das Messgerät mit der Membran nach unten auf einen verschmutzten Tisch, ist sie vor kleineren Partikeln auf dem Tisch geschützt – herkömmliche Membranen wären gegebenenfalls bereits irreparabel beschädigt.

Exkurs in die Produktion

Üblicherweise bilden sich durch die einzelnen Verarbeitungsschritte einer Edelstahlmembran – zum Beispiel Schweißen und Prägen – Verspannungen im Metallgefüge. Für die ‚TempC‘-Membran hat  Endress+Hauser Schweiß- und Prägeprozesse entwickelt, die eine optimierte Ver- und Bearbeitung der Membran ermöglichen. So verlässt die Membran die Produktion spannungsfrei und weist keine Inhomogenitäten in ihrem Gefüge auf. Zudem bietet die Ölbefüllung der Druckmittler besondere Möglichkeiten: So wird die Membran in der Tiefziehanlage für jeden einzelnen Druckmittler in ihre optimale Position gebracht. Damit kann die optimale Ölmenge individuell und druckmittlerspezifisch bestimmt und das System entsprechend befüllt werden.

Autor:
Alexander Hermann ist Produktmanager Druck bei Endress+Hauser Messtechnik in Weil am Rhein.