Drucksensoren Mehr als nur den Druck erfassen

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Drucksensoren messen den Systemüber- oder -unterdruck bevorzugt in pneumatischen sowie hydraulischen Anwendungen und ermöglichen etwa die Überwachung von verschiedensten Aggregaten oder gezielte Steuerung von Kompressoren. Wie funktionieren Drucksensoren und welche Vorteile bieten sie für die Praxis?

Der physikalische Druck eines Mediums (flüssig oder gasförmig) wird mit einem Druckmessgerät erfasst, angezeigt und aufgezeichnet. Für ein besseres Verständnis der gesamten Thematik zunächst aber einige grundlegende Erklärungen zum Begriff „Druck“.

Druck ist nicht gleich Druck

Das Gewicht der auf der Erde existierenden Luft erzeugt auf Meereshöhe (dem sogenannten Nullniveau) einen Umgebungsdruck von etwa 1 bar (1000 mbar). Der Luftdruck wird in der Regel in Millibar (mbar) oder Pascal (Pa) angegeben – 1 mbar entspricht 100 Pa. Wasser ist 1000-mal schwerer als Luft. So hat eine 10 m hohe Wassersäule mit einer Fläche von 1 cm² ein Gewicht von 1 kg. Unterhalb der Wasseroberfläche nimmt der Druck pro 10 m Tiefe jeweils um 1 bar zu. Der Absolutdruck in 100 m Wassertiefe beträgt 11 bar, wobei sich der Wert aus 1 bar Luftdruck auf der Wasseroberfläche addiert mit 10 bar Wasserdruck zusammensetzt.

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Verfahren zur Druckmessung

Membrankonstruktionen sind in der elektronischen Druckmesstechnik weit verbreitet. In piezoresistiven Dünn- und Dickfilmsensoren sind hierzu Widerstände auf einer Membrane aufgebracht, deren Werte sich unter einer druckbedingten mechanischen Spannung ändern. Jede Druckmessung ist eine Differenzdruckmessung zwischen den beiden Flächen der Membrane, wobei zwischen Absolut- und Relativdruck unterschieden wird:

• Beim Absolutdruck erfolgt die Messung gegen einen abgeschlossenen Raum (zumeist Vakuum), während der

• Relativdruck durch eine Messung gegen einen Umgebungsdruck ermittelt wird.

In den meisten Fällen wird in der Praxis der Relativdruck eines flüssigen oder gasförmigen Mediums gemessen – und zwar bezogen auf den atmosphärischen Luftdruck.

Drucksensoren für vielfältige Applikationen

Drucksensoren der Reihen DW34, DW35 und DW36 von IPF Electronic mit frontbündiger Membran bzw. Einbaugewinde decken Druckbereiche von –1 bar bis 600 bar bzw. –1 bar bis 1 bar ab. Sie eignen sich u. a. aufgrund der robusten Ausführung der medienberührenden Teile für eine Vielzahl an Druckmessungen von gasförmigen und flüssigen Medien.

Sensorik

Diese Sensoren bringt so schnell nichts ins Schwitzen

Die Geräte verfügen über zwei hoch belastbare Schaltausgänge, die bis zu 1 A pro Kanal liefern. Der zweite Ausgang kann zudem als Schalt-, Analog- oder Alarmausgang genutzt werden. Neben der integrierten Folientastatur können die Drucksensoren über eine separate PC-Software parametriert und ausgelesen werden. Eine Testfunktion bietet überdies die Möglichkeit, die elektrische Funktion bzw. die angeschalteten Auswertungen der Geräte über die Software oder die Folientastatur am Sensor zu überprüfen. Hierbei lässt sich jeder Druck simulieren, ohne dass am Sensor selbst ein Druck anliegt.

Ist der Einsatz der Drucksensoren als Messmittel vorgesehen, können die Geräte auf Wunsch regelmäßig von IPF Electronic kalibriert werden, wobei die Kunden hierzu entsprechende Kalibrierzertifikate erhalten.

Beispiel: Überwachung eines Hydraulikaggregates

Ein Maschinenbauer stellt u.a. verschiedene Hydraulikaggregate her, etwa für Werkzeugspannsysteme. In der Vergangenheit übernahmen mechanische Druckschalter die Drucksteuerung der Aggregate, wobei die Einstellung von Einschaltpunkt und Hysterese für deren Betrieb manuell erfolgte. Hierdurch kam es jedoch mitunter zu Fehleinstellungen. Überdies waren die Druckschalter den für Hydraulikaggregate typischen hohen Druckbelastungen insbesondere bei Druckspitzen auf Dauer nicht gewachsen. Bei einem Austausch konnte es dann vorkommen, dass ein in der Bauform identischer Drucktaster, jedoch ausgelegt für abweichende Messbereiche, montiert wurde.

Mit den für diese Applikation in Frage kommenden Drucksensoren der Reihen DW34 und DW35 sind indes Fehlbedienungen bei der Ermittlung von Ein- und Ausschaltpunkt bzw. der Hysterese nahezu ausgeschlossen, da die Geräte die hierfür notwendigen Einstellungen automatisch bestimmen. Hierzu muss über die Folientastatur des Sensors lediglich der Wert für den Nenndruck vorgegeben werden.

Die Folientastaturen sind zudem je nach den erforderlichen Messbereichen farblich gekennzeichnet, um bei einem Gerätetausch Verwechselungen zu vermeiden. Ein weiteres wesentliches Merkmal der Drucksensoren ist zudem eine hohe Lebensdauer, u.a. aufgrund einer robuste Messzelle aus Edelstahl und einer hydraulischen Drossel, die Druckspitzen dämpft und somit das Risiko einer Beschädigung der Messmembrane entscheidend mindert.

Durch die Lösungen von IPF Electronic konnte der Maschinenbauer die bislang mit den mechanischen Drucktastern auftretenden Probleme ausnahmslos lösen.

Beispiel: Effiziente Staubentsorgung in einer Gießerei

Eine Gießerei stellt sogenannte Sphärogussteile für Nutzfahrzeuge her. Hierzu werden spezielle Formen mit Sand gefüllt und dieser verdichtet, um eine Negativform für den Guss zu erhalten. Nach dem Gießen und Abkühlen werden die Gussteile entnommen und die Formen erneut mit wiederaufbereitetem Sand für den nächsten Sphäroguss befüllt.

Nicht nur aufgrund der Sandaufbereitung ist die Staubentwicklung in dem Betrieb entsprechend hoch. An verschiedensten Stellen im Werk befinden sich daher spezielle Absauganlagen, die den Staub auffangen und zu Sammelbehältern transportieren, die über eine kontinuierliche Füllstandskontrolle verfügen.

Ist die Maximalfüllmenge erreicht, wird der Behälter unterhalb des Einfülltrichters automatisch verschlossen. Anschließend öffnet sich ein Verschluss an der Unterseite des Behälters, um den Staub über eine Rohrleitung mittels Pressluft zur späteren Entsorgung in einen zentralen Silo zu transportieren.

Um sicherzustellen, dass während der Beaufschlagung des Behälters und der Rohrleitung mit Pressluft der Verschluss zum Einfülltrichter nicht offen ist, überwacht ein Drucksensor der Reihe DW35 die Transportleitung zum Silo. Ein Förderdruck im System baut sich demnach nur dann auf, wenn die Befüllseite des Sammelbehälters verschlossen ist.

Sobald der Sammelbehälter entleert ist, wird die Rohrleitung zum Silo quasi „freigeblasen“ und der Druck in der Leitung fällt ab. Hieraus resultiert ein Schaltsignal des auf einen spezifischen Grenzwert eingestellten Drucksensors, woraufhin der Verschluss der Rohrleitung geschlossen wird. Analog hierzu öffnet sich der Zulauf zwischen Einfülltrichter und Behälter, der somit wieder für die Staubaufnahme aus der Absauganlage bereit ist.

Diese Lösung von IPF Electronic ermöglicht somit u. a. durch das selbst aus größerer Entfernung gut ablesbare Display des Sensors einen stets sicheren Prozess bei der Entleerung der Sammelbehälter.

Beispiel: Füllstandsmessung und Pumpensteuerung

Gänzlich andere Aufgaben übernehmen die Drucksensoren von IPF Electronic in der Applikation bei einem Hersteller von Filteranlagen zur Aufbereitung von technischen Flüssigkeiten. Das Unternehmen entwickelt und fertigt unterschiedlichste Anlagen in verschiedenen Größen, in denen sowohl Vlies- als auch Endlosfilter eingesetzt werden. Die Filteranlagen verfügen in der Regel über zwei Becken: eine Umhebestation, aus der die verschmutzte Flüssigkeit in einen Filter geleitet wird, und einen Reinbehälter, über den das gereinigte Medium wieder in einen Produktionsprozess zurückgeführt wird. In beiden Becken befinden sich Pumpen, für deren Betrieb das Füllstandsniveau kontinuierlich abgefragt werden muss.

Für die Füllstandsmessung und auch Ansteuerung der Pumpen verwendet der Hersteller u.a. analoge Drucksensoren von IPF Electronic als sogenannte Staudrucksensoren.

Die Anlagenbehälter sind hierzu mit Staudrucksonden ausgestattet, vergleichbar mit einem zum Beckenboden hin offenem und nach oben abgeschlossenem Rohr, in dem ein Drucksensor luftdicht eingeschraubt ist. Steigt der Flüssigkeitspegel im Behälter und somit in der Sonde an, baut sich im oberen Sondenbereich ein Staudruck auf, der vom Drucksensor erfasst und in ein entsprechendes Signal gewandelt wird, das u.a. zur Ansteuerung der Pumpen dient.

Sensorik

Induktive Sensoren – Aufbau, Funktion, Anwendung

Das Unternehmen setzt hierbei ganz bewusst auf analoge Drucksensoren von IPF Electronic. Der Grund: Ein digitaler Drucksensor ermöglicht keine kontinuierliche Ansteuerung und somit permanente Regelung der Förderleistung einer Pumpe, weil sich nur ein Schaltpunkt für einen spezifischen Druck und damit einem zuvor definierten Flüssigkeitspegel festlegen lässt. Das Ergebnis: Je nach Füllstand im Behälter schaltet die Pumpe also komplett ab und danach wieder an, usw.

Vermeiden häufiger Ein- und Ausschaltzyklen

Anders die Drucksensoren der Reihe DW35 von IPF Electronic. Die analogen Signale der Geräte lassen sich parallel zur kontinuierlichen Staudruckmessung für die Füllstandsmessung dazu nutzen, die SPS einer Filteranlage anzusprechen, um einen Pumpenantrieb über einen Frequenzumrichter permanent zu regeln. Damit wird erreicht, dass die Pumpe in Abhängigkeit zum Flüssigkeitsstand in einem Behälter entweder schneller oder langsamer läuft, um die jeweilige Förderleistung anzupassen. Insbesondere bei einem hohen Fördervolumen können somit die häufigen Ein- und Ausschaltzyklen vermieden werden, wie sie für digitale Drucksensoren typisch sind und die letztendlich auch einen höheren Pumpenverschleiß bedeuten.

Die beiden vom Hersteller der Filteranlagen verwendeten Sensorversionen der Reihe DW35 arbeiten im Millibarbereich. Sie liefern daher die hohe Auflösung bzw. exakten Ausgangssignale, die für die Umhebestationen sowie Reinbehälter mit ihren vergleichsweise geringen Füllstandshöhen von z. B. ein bis zwei Metern benötigt werden. Die Messbereiche konventioneller analoger Drucksensoren, die sich bspw. zwischen 0 bis 1bar bewegen, wären hierfür zu ungenau.

Hinzu kommt, dass sich die Drucksensoren von IPF Electronic nicht nur zur kontinuierlichen Pumpensteuerung eignen, sondern über den Staudruck sämtliche Füllstände dargestellt, verarbeitet und in die SPS zur Festlegung verschiedenster Betriebspunkte eingebunden werden können. Diese lassen sich dann bspw. dazu nutzen, um automatisiert Flüssigkeit nachzuspeisen, verschiedene Medienniveaus zu erfassen und auszuwerten oder den Trockenlauf von Pumpen zu vermeiden, etc.

* Christian Fiebach ist Mitglied der Geschäftsführung bei der ipf electronic GmbH; Martinus Menne ist Freier Autor, Redaktion für innovative Technik.

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