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Jedem Druck gewachsen

Keramisch-kapazitive Messzellen überwachen zuverlässig chemische Prozesse
Jedem Druck gewachsen

Höchste Betriebssicherheit, Stabilität gegenüber prozessüblichen Wechsel- und Überlasten, Langzeitstabilität und Reproduzierbarkeit sind die wichtigsten Kriterien, die ein Prozessdruckmessumformer erfüllen muss. Extrem hohe Überlastfestigkeiten werden mit keramisch-kapazitiven Messzellen erreicht, die sich durch ihren besonderen Aufbau und die mechanischen Eigenschaften der Al2O3-Keramik von anderen Messprinzipien abheben.

Thomas Oehler

Eine der häufigsten Ausfallursachen von Druckmessgeräten stellen in den Herstellerstatistiken immer noch Ausfälle durch Überlast dar. Ein typisches Beispiel sind Rohrleitungssysteme komplexer Anlagen mit schnellschließenden Ventilen und Pumpen. Insbesondere in Notfallsituationen können durch solche Anordnungen Druckspitzen und Saugschläge erzeugt werden, die dem Anlagenbetreiber kaum bewusst sind. Vor allem die Dynamik und die Höhe der Druckänderung ist sehr häufig nicht bekannt. Diese Wasserschlageffekte sind dann zu beobachten, wenn sich die Fließgeschwindigkeit einer Flüssigkeit in einer Rohrleitung sehr schnell ändert. Die Stärke des Effektes hängt von verschiedenen Faktoren ab, zum Beispiel der Höhe der Flüssigkeitssäule, der Fließgeschwindigkeit sowie des Rohrleitungsquerschnittes. Es können sowohl Unterdrücke (Saugschläge) als auch extreme Überdrücke (Druckschläge) auftreten.
Überlastfest
Diese positiven und negativen Druckspitzen wirken nicht nur innerhalb des Rohrleitungssystems auf Ventile und Pumpen, sondern ebenfalls auf die Membran des Prozessdruckmessumformers. Da sich diese Effekte nicht vollständig vermeiden lassen, müssen die Prozessdruckmessumformer solchen Belastungen standhalten. Die Erfahrung jedoch zeigt, dass viele der eingesetzten Geräte diesen Anforderungen nicht gewachsen sind, da solche Druckspitzen ein Vielfaches des Messbereiches betragen. Gefordert werden daher in steigendem Maße extrem überlastfeste Druckmesszellen.
Messzellentechnologie
In Prozessdruckmessumformern finden unterschiedliche Messzellen-Technologien Verwendung:
• keramisch-kapazitive Messzellen
• piezoresistive Messzellen mit Ölvorlage (Druckmittler)
• keramische DMS-Messzellen
• metallische Dünnfilm-DMS-Messzellen
Metallische Dünnfilm-DMS- und keramische DMS-Zellen werden dabei immer stärker zurückgedrängt, da diese erst mit Messbereichen ab 1 bar verfügbar sind und zudem mit Abstand die geringste Überlastfestigkeit bieten (Faktor 3 bis 4). Piezoresistive Messzellen sind in der Regel mit Messbereichen ab 0,4 bar verfügbar und werden immer mit Ölvorlage aufgebaut, um das empfindliche Messelement zu schützen. Dies führt bei kleinen Messbereichen zu großen Temperaturfehlern, die aufwändig kompensiert werden müssen und die Langzeitstabilität deutlich verschlechtern. Die Überlastfestigkeit ist bei etwa Faktor 5 angesiedelt. Höhere Überlastfestigkeiten werden ausschließlich mit keramisch-kapazitiven Messzellen erreicht wie sie für das Druckmessgerät Vegabar 40 von Vega (Abb. 1) eingesetzt werden und die sich durch ihren besonderen Aufbau und die herausragenden mechanischen Eigenschaften der Al2O3-Keramik deutlich von anderen Messprinzipien abheben. Der Aufbau ist einfach. In Abbildung 2 ist der schematische Aufbau einer keramisch-kapazitiven Certec-Messzelle dargestellt. Eine keramische Membrane wird über eine Glaslot-Verbindung mit einem Keramik-Grundkörper verbunden. Der Abstand von Membran und Grundkörper beträgt dabei nur 16 µm. Goldbeschichtungen auf der Innenseite der Membrane und dem Grundkörper bilden einen Mess- und Referenzkondensator, dessen Kapazität abhängig von der Durchbiegung der Membrane und damit vom Druck ist. Die Besonderheit ergibt sich dadurch, dass die Messmembrane bereits bei rund zweifachem Nenndruck stabil an dem massiven, 10 mm starken Grundkörper anliegt. Eine weitere Durchbiegung der Membrane wird damit wirksam verhindert. Durch kontinuierliche Forschungsarbeit ist es gelungen, eine spezielle Al2O3-Keramik zu entwickeln. Diese Saphir-Keramik zeichnet sich durch extreme Reinheit (99,9% Al2O3) und gezielte Eliminierung von schädlichen Fremdphasenanteilen (z. B. SiO2) aus. Zusätzlich wurde der Entwicklungsschwerpunkt auf ein sehr feinkörniges, homogenes und defektarmes Gefüge gelegt, was sich insbesondere auf die mechanischen (z. B. Biegebruchfestigkeit) und chemischen (z. B. Beständigkeit) Eigenschaften positiv auswirkt. Das Ergebnis sind Druckmessumformer mit einer bis zu 150fachen Überlastfestigkeit (Abb. 3).
Selbstüberwachung
Der beschriebene Aufbau der Certec-Messzelle bietet als weiteren Vorteil die Möglichkeit, die beiden Kapazitäten Cmess und Cref permanent auf Plausibilität zu prüfen. Dabei wird das Verhältnis der beiden Kapazitätswerte während der Kalibrierung erfasst und über den gesamten Messbereich gespeichert (Abb. 4). Das aktuell gegebene Verhältnis wird permanent mit den abgespeicherten Werten verglichen, wobei eine auftretende Abweichung einen sicheren Rückschluss auf einen Fehler in der Messzelle zulässt. Zusammen mit den Überwachungsmechanismen in der nachgeschalteten Digitalelektronik steht eine komplette kontinuierliche Überwachung, beginnend von der Membran der Messzelle bis zum Ausgangssignal, der Elektronik zur Verfügung. Diese Informationen werden als Fehlermeldung über den Stromausgang oder bei digitalen Systemen als Statusinformationen an nachgeschaltete Systeme weitergereicht. Das Verharren im Fehlerfall auf Werten innerhalb des Aussteuerbereiches mit unkalkulierbaren Folgen für die Anlage und Umwelt ist somit ausgeschlossen.
Langzeitstabilität
Alle beschriebenen Eigenschaften ermöglichen es, bei den Prozessdruckmessumformern der Vegabar-40-Serie eine Langzeitstabilität von 0,1% über zwei Jahre zu garantieren. Aufwändige und teure Nachkalibrierungen werden überflüssig. Stillstandzeiten, hervorgerufen durch Geräteausfälle, entfallen und für den Anlagenbetreiber ist eine optimale Anlagenverfügbarkeit gegeben.
E cav 208
Auf einen Blick Prozessdruckmessumformer Vegabar
Der Prozessdruckmessumformer Vegabar 40 misst mit der keramisch-kapazitiven Certec-Messzelle aus Saphir-Keramik. Wechselbare Prozessanschlüsse gestatten umfassende Prozessadaptionen. Das Gehäuse in Schutzart IP 65 besteht aus pulverbeschichtetem Aluminium oder schlagfestem Kunststoff. Damit eignet sich Vegabar auch für Einsätze in aggressiver Umgebung, unter mechanischer Beanspruchung sowie auch bei EEx-d-Anwendungen. Im Servicefall lässt sich die Elektronik auswechseln, ohne dass ein Neuabgleich erforderlich ist. Die Messbereiche liegen zwischen 0 bis 0,1 bar und 0 bis60 bar. Zudem ist das Gerät optional mit einer Profibus-PA-Schnittstelle ausgestattet. Zulassungen nach Atex, 3A, FDA und EHEDG ermöglichen den Einsatz im explosionsgefährdeten Bereich sowie bei Anwendungen mit besonderen hygienischen Anforderungen.
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