Weiterentwickelte Druckmittlersysteme

Dipl.-Ing. (BA) Stefan Amendt

Das Druckmittlersystem besteht aus einem Druckmeßgerät mit angebautem Druckmittler und einer Übertragungsflüssigkeit, die den Prozeßdruck vom Druckmittler zum Meßgerät hydraulisch überträgt. Der Anbau kann direkt, über ein Kühlelement oder bei Bedarf über Kapillarleitung erfolgen. Der Druckmittler selbst besteht aus einem Körper (z.B einem Flansch) und einer mit dem Körper verbundenen Trennmembrane. Abbildung 1 zeigt anhand eines 3-D-Modelles den Direktanbau eines Druckmittlers an ein Druckmeßgerät.

Druckmittler unterscheiden drei prinzipielle Bauformen: Rohrdruckmittler, Zungendruckmittler und – wie in Abbildung 1 dargestellt – Membrandruckmittler. Letzere haben in der Praxis wohl die größte Bedeutung erlangt.

Der Prozeßdruck wirkt auf die Trennmembrane, die mittels einer Füllflüssigkeit den Druck an das Druckmeßgerät überträgt. Diese Trennmembrane ist charakterisiert durch ihre Federsteifigkeit, die bei einem Druckmittler nicht als Kraft pro Weg angegeben wird, sondern sinnvollerweise durch das von der Trennmembrane bereitgestellte Verschiebevolumen (DV) pro Druckänderung Dp. Eine möglichst kleine Federsteifigkeit der Trennmembrane wird für ein Druckmittlersystem angestrebt, um den Einfluß der Membrane auf das Gesamtsystem zu minimieren.

D. h., daß mit möglichst kleinen Druckänderungen die Trennmembrane möglichst viel Verschiebevolumen zur Verfügung stellt. Diese charakteristische Größe wird als k-Faktor bezeichnet; ihre Einheit ist [cm3/bar]. Die Membrancharakteristik wird üblicherweise anhand ihrer Kennlinie dargestellt. An der Steigung dieser Kennlinie läßt sich veranschaulichen, wie „hart“ oder „weich“ die Membrane zu beurteilen ist. Je steiler die Kennlinie („weich“), desto kleiner ist der temperaturbedingte Einfluß auf das System, oder anders ausgedrückt, je größer der k-Faktor desto kleiner der Einfluß.

Grundsätzlich muß natürlich bei einer Druckmeßgerät-Druckmittler-Kombination die Funktion unter allen Einflußbedingungen gewährleistet sein. Abgesehen von der Funktion hat ein Druckmittlersystem jedoch zwei weitere Kriterien zu erfüllen. Zum einen soll die Stellzeit des Systems für die Anwendung akzeptabel sein, zum anderen soll der Nullpunktdrift aufgrund von Temperaturschwankungen minimiert werden. Im hermetisch dichten Druckmittlersystem verändert die Füll- bzw. Übertragungsflüssigkeit ihr Volumen bei Temperaturänderungen. Steigt die Temperatur im Prozeß oder in der Umgebung, dehnt sich die Übertragungsflüssigkeit gegen die Steifigkeit der Trennmembrane aus. Durch den Widerstand der Membrane baut sich ein Innendruck im System auf, der faktisch als Nullpunktverschiebung beim Meßgerät zu bewerten ist. Die Höhe der Nullpunktverschiebung hängt von der Charakteristik der Trennmembrane, dem k-Faktor ab. Je größer der k-Faktor, desto kleiner ist der Temperatureinfluß. Folgende Einflußfaktoren wirken in der Praxis auf den k-Faktor:

• der Wirkdurchmesser der Trennmembrane, dabei hat ein größerer Durchmesser einen kleineren Temperatureinfluß zur Folge,

• die Membrandicke, je dünner die Membran, desto geringer der Temperatureinfluß und

• der Membranwerkstoff, je weicher, desto kleiner der Temperatureinfluß.

Die Abbildung 2 zeigt die Kennlinien eines der Einflußfaktoren schematisch. In der Realität ergeben sich nur näherungsweise Geraden (elastischer Bereich der Membrane) mit asymptotischen Annäherungen an Waagerechten in den Grenzbereichen der Membranen (Beginn der plastischen Verformung).

Durch Variation von Wirkdurchmesser und Membrandicke können normalerweise kritische Anwendungen zu akzeptablen Meßanordnungen ausgelegt werden, während der Werkstoff der Membrane im allgemeinen durch das Prozeßmedium festgelegt ist. Eine Vergrößerung des Wirkdurchmessers bedingt normalerweise aber einen größeren Prozeßanschluß, beispielsweise größere Anschlußflansche und damit verbunden höhere Kosten. Die Dicke der Membrane zu reduzieren, kann negativen Einfluß auf die Prozeßsicherheit haben, z. B. bei korrosivem Medium oder während der Reinigung, da die Druckmittlermembrane ohnehin das mechanisch schwächste Glied in der Prozeßkette darstellt. Membrandicken sollten also eher größer gewählt werden.

Bisher existieren verschiedenste Varianten von sinusförmig gewellten Membranen. Auf der Basis umfangreicher Studien mit verschieden ausgeführten Membranen entstand die bereits patentierte Stufenmembrane (Abb. 3). Im Unterschied zu einer gewellten sinusförmigen Membrane (Abb. 4) weist die Stufenmembrane eine Art Treppenform auf, die von innen nach außen aufsteigt. Die Kennlinie dieser Stufenmembrane unterscheidet sich gegenüber der konventionellen Sinuswellung. Die Steigung der Kennlinie vergrößert sich wesentlich, d. h. der Temperatureinfluß sinkt, da die Membrane weicher ist (Abb. 5).

Die praktischen Auswirkungen verdeutlicht folgendes Beispiel. An einem handelsüblichen Druckmeßumformer, der über eine 4 m lange Kapillarleitung an einen Flanschdruckmittler (DN 80, PN 40) aus Cr/Ni-Stahl 1.4571 angeschlossen war, wurde der Temperatureinfluß mit sinus- und mit stufenförmiger Membran ermittelt. Das Füllmedium war Silikonöl. Der Temperatureinfluß bei einem Druckmittler mit sinusförmiger Membran machte sich mit 0,35 mbar/10 °C bemerkbar, beim Druckmittler mit stufenförmiger Membran, wurden 0,03 mbar/10 °C gemessen. Die Werte für die Kapillarleitung lagen bei 1,6 mbar/10 °C bei der Sinusform und bei nur 0,2 mbar/10°C bei der Stufenform.

Bisher hinsichtlich Temperaturfehlern kritische Anwendungen, z. B. bei Applikationen mit langen Kapillarleitungen oder mit unsymmetrischen Anbauten bei Differenzdruckmessungen (verschiedene Kapillarleitungslängen, unterschiedliche Druckmittler), weisen künftig nur noch minimale Temperatureinflüsse (Nullpunktdrift) auf. Die Reproduzierbarkeit der Druckmessung bei schwankenden Temperaturen wird entscheidend verbessert.

Bei Anwendungen, die eine dickere Membrane erfordern (z. B bei Korrosion), kann aufgrund der Stufenform zukünftig die Membrandicke erhöht werden, ohne die meßtechnischen Eigenschaften zu verschlechtern, sondern gegenüber der Sinuswellung sogar noch zu verbessern. Des weiteren läßt sich die Membranfläche aufgrund ihrer Geometrie wesentlich besser reinigen als gewellte Membranen, insbesondere bei kurzen, hohen Wellungen. Selbstverständlich verfügt ein Druckmittler mit dieser Membranform, wie bei den anderen Druckmittlern des Herstellers, über ein Membranbett, wodurch sich zum einen die Membrane nicht plastisch verformen kann und zum anderen eine Volumenoptimierung (=Minimierung) gewährleistet ist.

Interkama, Halle 9, Stand H37

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