Ratgeber
In vielen Bereichen von Industrie und Gewerbe gehört die unmittelbare Druckmessung zum Tagesgeschäft. Die dazu notwendigen Manometer existieren in vielen Ausführungen, darunter mechanische, elektrische und mechatronische Geräte. Eine Alternative sind rein digitale Manometer, die neben der Druckmessung verschiedene Zusatzfunktionen bieten können. Lesen Sie in unserem Ratgeber, wie diese Geräte der Messtechnik funktionieren und welche Kriterien für die Beschaffung relevant sind.
In der Physik ist Druck die Kompressionskraft pro Flächeneinheit. Die SI-Einheit ist Pascal, abgekürzt Pa, in deutschsprachigen Ländern sind auch die Einheiten bar und Atmosphäre geläufig. 1 Pa entspricht 1 Newton pro Quadratmeter.
Diese Einheit setzt sich demnach aus der Einheit der Kraft und der Einheit der Fläche zusammen. Ein Druck von absolut 0 Pa bedeutet Vakuum, der Luftdruck auf Meereshöhe beträgt etwa 100.000 Pa oder 1 bar.
Für einen Festkörper ist Druck eine Form der mechanischen Spannung, das Gegenteil von Zugspannung. Er gilt auch für ein Medium wie Gas oder eine Flüssigkeit. Zu unterscheiden sind dabei der absolute und der relative Druck sowie der Differenzdruck.
Der Absolutdruck wird in einem Vakuum gemessen, der Relativdruck bezieht sich auf einen Referenzwert. Hier gilt in der Regel der Atmosphärendruck mit 1000 Hektopascal.
Als Differenzdruck wird die Differenz des Druckverlaufs zwischen zwei vorher festgelegten Messpunkten in einem System bezeichnet.
Im Gegensatz zu herkömmlichen Manometern sind Digitalmanometer nicht auf ein hydrostatisches Gleichgewicht von Flüssigkeiten wie Wasser oder Quecksilber angewiesen.
Vielmehr sind sie mit einer Komponente ausgestattet, die als Druckwandler bezeichnet wird.
Diese elektronischen Bauelemente erzeugen aus der Druckstärke ein proportionales elektrisches Signal. Zu unterscheiden sind dabei in der Regel vier Verfahren der Druckmessung:
- resistiv
- kapazitiv
- induktiv
- piezoelektrisch.
Beim resistiven Digitalmanometer ist eine dünne Membran zur Messung verbaut. Sie ist das wichtigste Element für die Druckmessung und enthält dehnungsempfindliche und druckempfindliche Widerstandsstrukturen, sogenannte Dehnungsmessstreifen. Die Membrane wird bei Druckbeaufschlagung ausgelenkt, wobei sich ihr elektrischer Widerstand ändert, und zwar direkt proportional zum Druck. Sind die Widerstände beispielsweise mit einer Wheatstone-Messbrücke – eine Schaltung mit vier Widerständen – verdrahtet, lässt sich das resultierende elektrische Signal messen und an ein Anzeigegerät übertragen.
Digitalmanometer mit Kapazitätswandler arbeiten ebenfalls mit einer Membran, sie ist aber Teil eines Kondensators. Der andere Teil ist eine Elektrode, befestigt an einer drucklosen Fläche, in der Regel das Gehäuse des Manometers. Beide Teile befinden sich in einem bestimmten Abstand zueinander. Während der Druckmessung vergrößert oder verkleinert sich Abstand zwischen diesen Teilen, was eine Kapazitätsänderung des Kondensators bewirkt. Die Änderung lässt sich dann in ein verwertbares Signal umwandeln. Ein solcher Messwandler kann Absolut-, Überdruck- oder Differenzdruck messen, dazu ist allerdings oft ein Austausch des Sensors nötig.
Ein induktiver Druckwandler nutzt das Prinzip der Induktivität, um die Biegung einer Membran in die lineare Bewegung eines ferromagnetischen Kerns umzuwandeln. Die Bewegung des Kerns wird genutzt, um den induzierten Strom zu variieren, der von einer mit Wechselstrom betriebenen Primärspule auf einer anderen sekundären Aufnahmespule erzeugt wird.
Zu den in Digital-Manometern am häufigsten eingesetzten Sensoren für die Druckmessung gehört der piezoelektrische Druckwandler. Er ist eng mit dem resistiven Druckwandler verwandt, nutzt aber keine sich verformende Membran, sondern einen Piezokristall. Bei Druckbeaufschlagung ändert sich die Form des Kristalls, dabei werden auf einer Seite des Kristalls positive Ladungen und auf der gegenüberliegenden Seite negative Ladungen erzeugt. Die dadurch entstehende Spannung lässt sich messen und in Relation zur Verformung des Kristalls und somit zur Höhe des Drucks bringen. Piezoelektrische Wandler besitzen eine hohe Druckempfindlichkeit, sind unempfindlich gegenüber hohen Temperaturen und benötigen keine eigene Stromversorgung.
Der Druckbereich des Digital-Manometers spielt als Auswahlkriterium die wichtigste Rolle. Im Handel sind Manometer verfügbar, die einen Druckbereich bis zu mehreren Tausend bar bieten. Die Genauigkeit der Messung spielt bei solch hohen Drücken in der Regel keine große Rolle, wohl aber bei Geräten in unteren Druckbereichen. Abweichungen sollten hier möglichst weniger als 1 Prozent betragen. Unterteilt ist die Genauigkeit in Werten von 0,1 bis 4 Prozent, das heißt, dass beispielsweise ein Manometer mit der Genauigkeitsklasse 0,25 Prozent über den gesamten Messbereich nur maximale Abweichungen von ± 0,25 Prozent anzeigen darf.
Relevant für die praktische Nutzung des Messgeräts ist ebenfalls der Anschluss für die Zuleitung des zu messenden Mediums. Üblich sind innen- oder außenliegende Schraubgewinde und Anschlüsse in Schneid-Klemmtechnik.
Abhängig von den vorherrschenden Messbedingungen wäre auch die IP-Schutzklasse zu beachten, beispielsweise IP65.
Hier ist das Prüfgerät gegen das Eindringen von Staub und Strahlwasser aus beliebiger Richtung geschützt.
Viele Digitalmanometer sind handgehaltene Geräte mit hoher Genauigkeit, die Anzeige erfolgt im Allgemeinen über kleine Displays.
Bei der Auswahl zu berücksichtigen sind Lesbarkeit, Schriftgröße oder Hintergrundbeleuchtung für die Verwendung in schwach beleuchteten Umgebungen. Digitalmanometer können unabhängig voneinander funktionieren oder über Kabel beziehungsweise Ladestationen angedockt sein.
Einige Modelle verfügen über einen internen Datenspeicher und Treibersoftware für die Datenübertragung mit gängigen Schnittstellen oder drahtlos per Bluetooth. Selbst die direkte Anbindung an eine SPS ist bei einigen Modellen möglich.
In der Verfahrens- und Prozesstechnik ist in der Regel auf spezielle Normen zu achten, dazu gehört zum Beispiel die Norm DIN EN 472 für Druckmessgeräte.