Richtig Druck machen

Aktive Kompensation des Temperaturfehlers bei Druckmittlersystemen

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03.12.2015 Wer misst, misst Mist? Unwägbarkeiten können sich Betreiber der Prozessindustrie nicht leisten. Für ihre Druckmessungen setzen sie häufig Druckmittler ein, um das Messgerät vor aggressiven Medien zu schützen, oder – beispielsweise in der Pharmaindustrie – um eine spaltfreie Prozessanbindung zu realisieren. Dabei wird der Prozess mittels einer dünnen Metallmembran vom Messgerät getrennt. Eine Druckübertragungsflüssigkeit hinter der Membran überträgt den Prozessdruck zum eigentlichen Drucksensor. Mit solchen Druckmittlersystemen lässt sich für fast jede Druckmessaufgabe eine Lösung finden.

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Entscheider-Facts Für Betreiber


  • Der Druck ist ein für die Prozessindustrie wichtiger Parameter. Um ihn zu ermitteln, greifen Betreiber auf sogenannte Druckmittlersysteme zurück.
  • Dabei sehen sie sich mit dem Problem konfrontiert, dass ein Druckmittler nicht rückwirkungsfrei ist. Die Folge sind Messfehler.
  • Um diese zu vermeiden, gibt es verschiedene Methoden der Korrektur. Dabei liefert die Herangehensweise mit aktiver Temperatur-Kompensation die besten Ergebnisse.

Einfluss der Prozesstemperatur
Nachteilig ist, dass ein Druckmittler nicht vollständig rückwirkungsfrei ist. Abhängig von der Ausführung kann ein Messfehler durch Veränderung der Prozesstemperatur auftreten: Durch die Prozesswärme dehnt sich die Druckübertragungsflüssigkeit aus und lenkt die Trennmembran aus. Abhängig von deren Steifigkeit erzeugt diese eine Rückstellkraft, die als Fehler in die Druckmessung eingeht. Die Größe dieser Rückstellkraft hängt dabei entscheidend von der Membrandicke, dem Membrandurchmesser und der Membrankontur ab. Die Membran muss aufgrund der erforderlichen mechanischen Widerstandskraft eine gewisse Mindestdicke aufweisen. Deshalb arbeiten Hersteller üblicherweise mit optimierten Konturen, um so die Steifigkeit zu reduzieren. Gerade bei kleinen Druckmittlern stoßen sie hier jedoch schnell an die Grenzen des Machbaren. Bei kritischen Druckmessungen ist deshalb ein entsprechend großer Druckmittler erforderlich, damit der Fehler durch Prozesstemperaturänderungen akzeptabel bleibt. Große Druckmittler sind allerdings nicht nur teurer in der Produktion, sondern stellen häufig ein Problem bei der Prozessanbindung dar. Gerade in kleinen, kompakten Anlagen, wie sie häufig in der pharmazeutischen Industrie vorkommen, ermöglichen die räumlichen Gegebenheiten meist nicht den Einbau von großen Druckmittlern.

Kompensation im Temperaturschrank
Es gibt bereits verschiedene Ansätze, um den Druckmittlerfehler zu reduzieren. Ein Ansatz ist die Temperaturkompensation des gesamten Druckmesssystems inklusive Druckmittler. Dabei temperiert der Hersteller das komplette Druckmesssystem in einem Temperaturschrank und hinterlegt die auftretenden Fehler in Korrekturtabellen. Damit kann die Geräteelektronik diese Fehler herausrechnen. Hierbei ist jedoch zu berücksichtigen, dass die tatsächliche Temperatur erfasst werden muss, um die richtigen Korrekturfaktoren zu verwenden. Üblicherweise steht der Geräteelektronik nur die Temperatur des Drucksensors zur Verfügung, da im Druckmittler selbst keine Temperatursensoren verbaut sind. Die Temperatur der Druckübertragungsflüssigkeit hinter der Trennmenbran kann jedoch erheblich von der Sensortemperatur abweichen, da dieser weiter vom Prozess entfernt sitzt. Als Folge kann diese Methode nur einen Anteil des Temperaturfehlers vermeiden. Die Korrektur kann auch nur so schnell wirken, wie der Drucksensor erwärmt wird. Durch den Abstand zum Prozess kommt es jedoch zu erheblichen Verzögerungen, sodass die Kompensation bei Schwankungen der Prozesstemperatur auch nur verzögert greift.

Aktive Korrektur mittels Sensortemperatur
Die Sensortemperatur misst das System üblicherweise laufend im Betrieb, um den Temperaturfehler des Sensor­elementes selbst zu kompensieren. Bei einem weiterführenden Ansatz wird diese Sensortemperatur für eine aktive Kompensation verwendet. Bei konstanten Randbedingungen kann der Anwender durch die physikalischen Zusammenhänge von einem festen Verhältnis von Drucksensor- und Druckmittlertemperatur ausgehen und somit von der Sensortemperatur näherungsweise auf die Temperatur im Druckmittler schließen. Theoretisch ist es mit diesem Verfahren also möglich, den Temperaturfehler vollständig zu kompensieren. In einem realen Prozess herrschen aber nur selten konstante Bedingungen: Bereits eine Änderung der Umgebungstemperatur führt zu einer fehlerhaften Kompensation. Deshalb wählen Hersteller üblicherweise einen konservativen Korrekturfaktor, der den Fehler vermindert – aber nicht vollständig eliminiert. Auch bei diesem Ansatz führt die verzögerte Reaktion der Sensortemperatur auf Prozesstemperaturänderungen zu deutlichen Abweichungen bei Temperaturschwankungen.

Heftausgabe: Dezember 2015
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Über den Autor

Dr.-Ing. Thomas Köster, Leiter Entwicklung bei Labom Mess- und Regeltechnik
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