In den vorherigen Artikeln zum Thema Einsatzgebiete der verschiedenen Drucksensoren habe ich aufgezeigt, welche besonderen Eigenschaften durch die unterschiedlichen Bauformen entstehen. Entscheidend bei der Auswahl des richtigen Sensors für eine aktuell zu lösende Problemstellung ist der zu messende Druckbereich und die Umgebungsbedingungen.

Bei kleinen Messbereichen (z. B. < 10 bar) ist es sehr wichtig, ob ein belüfteter Relativdruck-, unbelüfteter Relativdruck oder Absolutdrucksensor eingesetzt wird, da bei 10 bar Prozessdruck die Wahl des Bezugspunktes (0 oder 1 bar) und die Schwankung des Umgebungsdruckes (+/- 230 mbar) die Anzeige des Messwertes zwischen 8,77 bar und 11,23 bar verschiebt (1,23/10 bar x 100% = 12,3% Messungenauigkeit).

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Elektronische Drucksensoren messen üblicherweise die Änderung des Druckes durch die Verformung einer Membran. Wird diese Membran von einer Seite dem Prozessdruck ausgesetzt und auf der anderen Seite „belüftet“, also dem Umgebungsdruck ausgesetzt, so wird die Verformung um genau diesen Umgebungsdruck verringert. Daher ist das Messergebnis eine Druckdifferenz zum Umgebungsdruck. Bei Absolutdrucksensoren wird die „innere“, also dem Prozessdruck abgewandte Seite evakuiert und hermetisch dauerhaft verschlossen. Somit ist die gemessene Verformung der Membran unabhängig vom Umgebungsdruck und bezieht sich immer auf das dort eingeschlossene Vakuum. Diese Bauform ermöglicht erst die Messung des aktuell vorhandenen Umgebungsdruckes, da Vakuum („0 bar Umgebungsdruck“) einen fixen Bezugspunkt darstellt, der unabhängig von der aktuellen Wetterlage und dem Aufstellungsort des Sensors ist.

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Elektronische Drucksensoren messen üblicherweise die Änderung des Druckes durch die Verformung einer Membran. Wird diese Membran von einer Seite dem Prozessdruck ausgesetzt und auf der anderen Seite „belüftet“, also dem Umgebungsdruck ausgesetzt, so wird die Verformung um genau diesen Umgebungsdruck verringert. Daher ist das Messergebnis eine Druckdifferenz zum Umgebungsdruck. Der Umgebungsdruck kann auf Grund der aktuellen Wetterlage bis zu +/-30 mbar und auf Grund des Aufstellungsortes (Druckunterschied zwischen Meereshöhe und 2000 m) bis zu 200 mbar betragen.

In Anwendungsfällen mit hohen Drücken (z. B. 400 bar) und gleichzeitig hoher Verschmutzungsgefahr wie z. B. beim Wasserstrahlschneiden werden auch sogenannte „unbelüftete“, also Drucksensoren mit einem in der Fertigung verschlossenen Gehäuse eingesetzt. Da bei solchen hohen Druckbereichen die Schwankungen des Umgebungsdruckes verglichen mit dem Prozessdruck vernachlässigbar klein sind (max. +/- 230 mbar), ist es nicht wichtig bei welchem Umgebungsdruck und wie zuverlässig das Gehäuse verschlossen wird.

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In der Lebensmittelherstellung, bei petrochemischen Anlagen, im Kunststoffspritzguss und vielen weiteren industriellen Anwendungen werden Druckmessungen zur Steuerung der Anlagen und Maschinen benötigt.

Oftmals steht der Anwender dann vor der Frage: Welchen Drucksensor muss ich einsetzen, einen Relativdrucksensor oder einen Absolutdrucksensor?

In dieser Artikelserie möchte ich die Unterschiede der verschiedenen verfügbaren Drucksensoren und die jeweiligen Einsatzmöglichkeiten vorstellen.

Der entscheidende Unterschied zwischen Relativ- und Absolutdruckmessung ist die Wahl des Referenzdruckes, also des Skalennullpunktes. Bei der Relativdruckmessung wird der Druck immer in Relation („relativ“) zum aktuell vorhandenen Umgebungsdruck (ca. 1013 mbar) gemessen.  

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In Anlagen oder Maschinen, in denen explosionsgefährdete Stoffe verarbeitet oder erzeugt werden, muss im europäischen Raum die Richtlinie 94/9/EG ATEX eingehalten werden. Diese sieht vor, dass in Europa nur nach ATEX zugelassene Geräte in explosionsgefährdeten Bereichen eingesetzt werden dürfen.

Hierbei ist eine oftmals gewählte Schutzart von Drucksensoren die Eigensicherheit. Damit ein Ex-Drucksensor, also ein nach ATEX zugelassener Drucksensor, mit eigensicherer Zündschutzart und Zulassung betrieben werden darf, so ist er mit einem eigensicheren Ex-Speisetrenner zu verwenden.

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Beim Einsatz von Drucksensoren werden sehr häufig die Ausgangssignale 0 … 20 mA, 4 … 20 mA und DC 0 … 10 V gewählt, um deren Messsignale in der SPS auszuwerten und weiterzuverarbeiten. Hierbei wird üblicherweise der Signalausgang des Drucksensors mit einer entsprechenden Eingangskarte an der SPS verbunden. In diesem Zusammenhang kommt es nun oft zu Verwirrungen, da im tagtäglichen Gebrauch die Begriffe „aktiv“, „passiv“, „Stromquelle“, „Spannungsquelle“, „Stromsenke“ und „Verbraucher“ wild durcheinandergewürfelt verwendet werden.

Eine elektrische Signalverarbeitung benötigt immer eine Spannungsversorgung, also eine „aktive Seite“, und einen „Verbraucher“, wie z. B. einen Drucksensor, der die „passive Seite“ darstellt.  Manchmal wird der aktive Teil der Zusammenschaltung auch als Stromquelle / Spannungsquelle und der passive Teil als „Stromsenke“ bezeichnet. Damit eine elektrische Schaltung funktioniert, muss Strom in einem Kreislauf durch sie hindurchfließen – auch wenn ein Gerät üblicherweise Verbraucher genannt wird, so wird der Strom nicht verbraucht, sondern fließt nur von der Strom- oder Spannungsquelle durch den Verbraucher zur Stromquelle zurück.

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Oft fragen unsere Kunden beim Einsatz von Drucksensoren auch nach Erklärungen zu oft verwendeten Begriffen und Abkürzungen im Zusammenhang mit „SIL Applikationen“. SIL – also Safety Integrity Level (Sicherheitsintegritätslevel) wird verwendet um das vorhandene Risiko einer Einrichtung auf ein vertretbares Maß, sprich das „tolerierbare Risiko“ zu senken.

Eine Vielzahl von Maschinen und Anlagen nach 2006/42/EG („Maschinenrichtlinie“) müssen nach DIN EN ISO 13849 und IEC 61508 mit einer SIL-Einstufung bewertet werden.

Die nachfolgende Tabelle erklärt die gängigsten Begriffe und Abkürzungen aus den Normen IEC 61508-4 und 62061:

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Generell müssen alle Drucksensoren die Druckgeräterichtlinie sowie die EMV-Richtlinie 2004/108/EG erfüllen, wenn man sie innerhalb der EU in Verkehr bringen möchte. Je nach Applikation oder Einsatzort gelten zusätzlich die verschiedensten Zulassungen. So gelten zum Beispiel für explosionsgefährdete Bereiche in Europa die Bestimmungen nach 94/9/EG ATEX. Für den Einsatz in Kraftfahrzeugen existieren ebenfalls Vorschriften, wie beispielsweise die EG-Richtlinie 72/246/EWG,  die Forderungen zur EMV enthält. Selbstverständlich gibt es auch noch Zulassungen für Märkte außerhalb Europas, z. B. von CSA für Kanada und FM Approvals oder UL für die USA.

Aus verschiedenen Gründen kann es erforderlich werden Änderungen an existierenden Ausführungen von Drucksensoren vorzunehmen. Sehr häufig wird zum Beispiel ein kundenspezifischer Prozessanschluss oder ein geänderter elektrischer Ausgang benötigt. Auch wenn diese Änderungen zum großen Teil technisch einfach umzusetzen sind, so gilt zunächst, dass man an zugelassenen Geräten keinerlei Änderungen vornehmen darf.

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Systematischer Aufbau der Gerätekennzeichnung nach ATEX Produktrichtlinie 94/9/EG

Werden Drucksensoren und andere Feldgeräte in Umgebungen von brennbaren Gasen und Stäuben eingesetzt, so unterliegen sie der Kennzeichnungspflicht nach der ATEX Produktrichtlinie 94/9/EG.

Die Kennzeichnung von Drucksensoren beinhaltet neben der Zulassungsstelle und der Zulassungsnummer für den Anwender wichtige Informationen. So bedeutet zum Beispiel ein „X“ nach der Zulassungsnummer, dass besondere Bedingungen bei der Verwendung des Gerätes zu beachten sind. Diese sind wahlweise der jeweiligen Bedienungsanleitung oder dem Zulassungsdokument zu entnehmen.

Die Gerätekennzeichnung nach ATEX gibt jedoch vor allem Aufschluss auf die möglichen Einsatzbereiche und die verwendete Schutzart des Drucksensors:

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Die Gefährdung nimmt von T1 nach T6 zu, bzw. von IIA nach IIC zu.

Zur detaillierten Übersicht gelangen Sie über “den Rest des Eintrages lesen”.

Quelle: „Kennzahlen brennbarer Gase und Dämpfe“, K. und G. Schön. Anhang B, VDE

Haben Sie schon unseren Artikel “Ex-Drucksensoren für Zone 0, Zone 1 oder Zone 2” gelesen?

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