Auch für kritische Medien

Autor Dr. Norbert Rauch Geschäftsführer, Amsys

Die Basis der meisten modernen Drucksensoren bildet eine Siliziummesszelle, die auf ein Keramiksubstrat aufmontiert ist. Die Membranoberseite der Siliziummesszelle hat zur Kontaktierung mit dem Träger kleine Metallflächen (Bondpads) aus hochreinem Aluminium, die jedoch nicht korrosionsbeständig sind. Zum Schutz werden diese Kontaktflächen nach dem Anbringen der Golddrähte (Drahtbonden) mit einem Überzug aus weichem Silikongel überzogen. Es gibt Gele, die z. B. gut gegen Wasser, Öle oder Alkohole usw. schützen, aber es gibt kein Gel, das einen universellen Schutz gegen beliebige Medien gewährleisten kann.

Ein weiterer Nachteil der Gelmaterialien ist ihr hygroskopisches Verhalten. In den Gelen kann durch direkten Kontakt mit Flüssigkeiten oder durch Kondensation Feuchtigkeit eingelagert werden, die im Laufe der Zeit bis auf die Siliziumschicht diffundiert. Hier verursacht die Feuchtigkeit neben der erwähnten Korrosion eine hochohmige Verbindung zwischen den auf verschiedenen Potenzialen liegenden Leiterbahnen, wodurch die Messwerte verfälscht werden können. Die übliche Messzellenkonstruktion mit Gelüberzug kann daher nicht oder nur unter erheblichen Einschränkungen zur Messung von Flüssigkeiten oder aggressiven Gasen benutzt werden. Dieser Nachteil der Siliziummesszelle kann für die geforderte Medienkompatibilität umgangen werden, indem man die Messzelle in eine ölgefüllte, druckempfindliche Kammer einbaut.

Die Kammer aus Edelstahl (z. B. 316L) wird mit einer dünnen Trennmembrane ebenfalls aus Edelstahl druckdicht abgeschlossen. Diese wird in Abhängigkeit vom anliegenden Druck deformiert. Da der Zwischenraum zwischen Messelement und Trennmembran mit Öl als Druckmittler gefüllt ist, wird der induzierte Druck auf die Siliziummesszelle weitergegeben und in ein elektrisches Signal umgewandelt. Das Öl in der Ölvorlage ist so gewählt, dass es sich gegenüber der Siliziummesszelle inert verhält; es kommt daher zu keinerlei chemischen Reaktionen.

Da der größte Teil der Medien wie Wasser, Öle, Lösemittel, Alkohole, Kraftstoffe, Laugen und mittelaggressive Flüssigkeiten die Stahlkammer mit der Trennmembran nicht schädigen, können Sensoren mit Ölvorlage in allen Anwendungen eingesetzt werden, bei denen Medien gemessen werden sollen, die mit Edelstahl verträglich sind.

Die meisten medienkompatiblen Drucktransmitter z. B. zur Relativmessung sind gemäß Bild 2 oben aufgebaut (Messdruck = P1, Umgebungsdruck = P2). Die Messzellenoberseite ist durch die Ölvorlage gegen die zu messenden Medien geschützt, die Messzellenrückseite jedoch nicht. Da die Rückseitenmaterialien jedoch gegen Luft und oft auch gegen Feuchte unempfindlich sind, kann mit solchen Sensoren eine Relativdruckmessung durchgeführt werden; z. B. auch gegen die gesättigte Umgebungsluft. Aufgrund der Messzellenkonstruktion und der nachgeschalteten Elektronik gilt in den meisten Fällen: P1 ≥ P2 .

Absolutdruckmessungen sind ebenfalls für die Sensoren mit Ölfüllung unkritisch, da die Rückseite der Messzelle unter Vakuum abgeschlossen und keinem Medium ausgesetzt ist. Medienkritische Differenzdruckmessungen mit beidseitiger Druckbeaufschlagung lassen sich jedoch mit solchen Ein-Kammer-Sensoren prinzipiell nicht durchführen.

Ausgehend von der Konstruktion eines Relativdrucksensors mit Ölvorlage hat Amsys bei der D5100-Serie die Rückseite der Messzelle ebenfalls durch eine ölgefüllte Kammer mit Metallmembran geschützt. Diese Membran ist dem Rückseitendruck P2 ausgesetzt. Das bedeutet, die druckempfindliche Siliziummembran befindet sich zwischen den beiden Kammern und misst die Differenz der beidseitig wirkenden Öldrücke.

Durch eine geeignete Konstruktion wird das Messsignal der Widerstandsbrücke der Messzelle nach außen geführt und dort elektronisch verarbeitet. Aufgrund der Konstruktion handelt es sich bei der D5100-Serie um echte Zwei-Kammer-Transmitter, die in allen medienrelevanten Bereichen aus Edelstahl bestehen und folglich den Differenzdruck in allen Flüssigkeiten oder Gasen messen können, die mit diesem Metall verträglich sind. Durch das Zwei-Kammer-System eignen sich diese Drucktransmitter neben Industrieanwendungen z. B. für die Lebensmittelindustrie, für chemische und pharmazeutische Druckmessungen sowie für die Medizintechnik.

Dank der Metallkonstruktion sind die D5100 besonders für Füllstandmessungen in geschlossenen Tanks geeignet. Wenn sich beispielsweise über der Tankflüssigkeit ein Gas bildet, das nicht in die Atmosphäre gelangen darf und dessen Druck überwacht werden muss, bietet sich besonders der Einsatz der beschriebenen Differenzdrucktransmitter an. Bemerkenswert ist in diesem Zusammenhang der niedrige Druckbereich von rund 70 mbar, der besondere Anforderungen an die Edelstahlmembranen und an die Ölfüllung stellt. Damit sind beispielsweise Füllstandmessungen mit einer Füllhöhe von 70 cm möglich.

Die abgeglichenen Sensoren der D5100-Baureihe übertreffen die CE-Richtlinien für die Schwerindustrie und sind entsprechend zertifiziert (IEC 61000). Sie werden in verschiedenen Varianten für die nachfolgenden Druckbereiche angeboten: 0 bis 1, 0 bis 5, 0 bis 15, 0 bis 30, 0 bis 50, 0 bis 100, 0 bis 300, 0 bis 500 psi (wahlweise auch in bar).

Die Differenzdrucktransmitter D5100 werden mit vielfältigen Druckanschlüssen und Steckern angeboten und sind mit verschiedenen industriellen Analogausgängen lieferbar (unverstärkt, verstärkt: 0,5 bis 4,5 V (ratiometrisch), 1 bis 5 V und 4…20 mA (für den Zweidraht-Betrieb)). Bei allen Typen der D5100-Serie kann der Systemdruck (Leitungsdruck gegen Atmosphärendruck) 70 bar betragen.

Die robusten Drucktransmitter vertragen eine Schockbelastung bis 50 g und Vibrationskräfte bis 20 g. Sie sind für den erweiterten Temperaturbereich von -40 bis +125 °C ausgelegt und können somit in extremen Temperaturgebieten eingesetzt werden.

Bei der D5100-Serie handelt es sich um echte Zwei-Kammer-Differenzdrucktransmitter, die in kompakter Form aufgebaut sind und als weitestgehend medienkompatibel in kritischen Druckmessungen eingesetzt werden können. Das Anwendungsspektrum der D5100 reicht von der Filterkontrolle über Durchflussmessung bis zu Füllstandmessungen in flüssigen und kritischen gasförmigen Medien. Die Vielfalt der Varianten und die kompakte Bauform ermöglichen den Einsatz der Sensoren D5100 in den meisten Industrieanlagen.

prozesstechnik-online.de/cav0814460