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Differenzdruck-Messung Durchflussregler wird mit Digitalisierung flexibler

| Autor / Redakteur: Bernhard Vetterli* / Sariana Kunze

„Was wir alleine nicht schaffen, das schaffen wir dann zusammen“ singt Xavier Naidoo in einem seiner Songs und gibt damit das Motto für viele Kooperationen vor. Genau nach dieser Textpassage haben sich auch zwei Spezialisten für Durchflussregelung und für Druckmessung zusammengeschlossen, um einen überdruckfesten Durchflussregler für den Dauerbetrieb in der Prozessmesstechnik zu entwickeln. Durch Überlastbarkeit und Digitalisierung konnte die Flexibilität gesteigert und die Kosten gesenkt werden.

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Die Durchflussregler Liquid Flow Controllers von Bürkert sind mit Differenzdruck-Messmodulen von Keller ausgestattet, welche der Überlast trotzen.
Die Durchflussregler Liquid Flow Controllers von Bürkert sind mit Differenzdruck-Messmodulen von Keller ausgestattet, welche der Überlast trotzen.
(Keller )

Überlastbarkeit klingt im ersten Moment nicht wirklich positiv, denn bei Überlast denkt man in unserer heutigen Zeit gleich an Burnout und den kompletten Ausfall. Bei Keller Druckmesstechnik ist dies allerdings anders, denn „überlastbar“ ist für die Schweizer Firma ein positives Adjektiv für ihre Differenzdruck-Messmodule: Die Transmitter haben nämlich mit Überlast und Dauerbetrieb kein Problem. Dieser Aspekt legte den Grundstein für die Kooperation von Bürkert, Spezialist für Durchflussregler, und Keller Druckmesstechnik, Spezialist für Druckmessung. Aufgabe war es nach Kundenanfrage ein Sprühsystem für die Blechbearbeitung zu entwickeln, das eine exakte Dosierung von Schmierstoffen ermöglicht. Diese Applikation stand am Anfang der Entwicklung einer Durchflussregler-Serie von Bürkert und diente als Pilotprojekt. Sensorik, Regelelektronik, Stellglied und die üblichen elektrischen Prozessschnittstellen galt es in einem kompakten Gerät unterzubringen. Als sich Bürkert entschied, die Messung der Durchflussmenge über den Druckabfall des Messmediums beim Passieren einer Messblende mit definiertem Durchmesser zu realisieren – und zwar mit zwei individuellen Drucksensoren, kam die Zusammenarbeit mit dem Schweizer Druckmesstechnik-Spezialist Keller zustande. „Wir hatten damals mit der Serie PD-39X nämlich bereits einen Druckdifferenz-Transmitter vorgestellt, der die wichtigsten der geforderten Eigenschaften - insbesondere bezüglich Überlastbarkeit – bereits liefern konnte“, erinnert sich Geschäftsführer Wolfgang Braun von Keller.

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Der feine Unterschied: Druckdifferenz- oder Differenzdruck-Transmitter

Bei regulären Differenzdruck-Transmittern werden beide Seiten einer Messmembran mit dem Messmedium beaufschlagt. Mit typischen Messbereichen von 500 mbar und Systemdrücken bis 10 bar könnte die einseitige Unterbrechung der Druckbelastung dazu führen, dass eine 20-fache Überlastung der Membran entsteht. Die lässt sich ohne aufwändige und entsprechend teure konstruktive Maßnahmen nicht auffangen und führt zwangsläufig zur Zerstörung des Transmitters. Solche Risiken wollte Bürkert ausschließen und interessierte sich für Module zur Messung der Druckdifferenz. Die Differenzdruck-Transmitter arbeiten mit zwei selektierten, gekapselten Silizium-Drucksensoren, die in etwa 20 mm Abstand montiert werden. Sie liefern ihre jeweiligen Ausgangssignale an die Eingänge eines Mixed Signal-Mikroprozessors, mit dessen Rechenleistung nach einer komfortablen 16 bit A/D-Wandlung alle reproduzierbaren Nichtlinearitäten und Temperaturabhängigkeiten mit mathematischen Mitteln weitestgehend eliminiert werden. Mit diesem Verfahren erreicht Keller bei seinen Druckdifferenz-Transmittern ein Gesamtfehlerband von besser als ±0,1 %FS über weite Temperaturbereiche. Das analoge Ausgangssignal des Moduls wird bis zu 200 Mal in der Sekunde aktualisiert und liefert eine gute Dynamikreserve für den Folgeprozess. Als Daumenregel lässt sich sagen, dass der Messbereich bei dieser Art von Differenzdruckmessung mindestens 20 Prozent des Vordrucks betragen sollte.

Druckdifferenzspanne durch Digitalisierung flexibel anpassen

Neben den analogen Standardsignalen von 4 … 20 mA und 0 … 10 V bietet der Prozessor eine digitale RS485 Halbduplex-Schnittstelle. Über diese Schnittstelle können u.a. die Druck- und Temperaturmesswerte der individuellen Sensoren ausgegeben werden, also nicht nur die Werte der Druckdifferenz. Durch die Digitalisierung ist die Spanne des analogen Ausgangssignals flexibel an die gewünschte Spanne des Eingangssignals (Druckdifferenz) anzupassen. Der mechanische Anschluss der Drucksensoren an den Hauptkanal des Durchflussreglers erfolgt jeweils über eine durch einen definierten Spülprozess zu entlüftende Kapillare, die auch gleichzeitig als Tiefpassfilter für Druckspitzen ausgelegt ist. Alle vom Messmedium berührten Teile sind (bis auf die Dichtungsringe) aus Edelstahl.

Am Ende der Gespräche zwischen Keller und Bürkert und einer Vielzahl von Tests stand eine Liefervereinbarung über Differenzdruck-Messmodule, die der gemeinsam ausgearbeiteten Spezifikation entsprechen. Seither sind die Durchflussregler Liquid Flow Controller von Bürkert in verschiedensten Applikationen im Dauerbetrieb.

Nach Vordruck unterschiedlich bestückt

Die Liquid Flow Controller werden bei Bürkert als Prozessmessgeräte kundenspezifisch gefertigt. Mit drei unterschiedlich bestückten Druckdifferenz-Transmittern lassen sich je nach Vordruck Durchflussendwerte zwischen 0,9 l/h und 36 l/h realisieren. Die Feinabstimmung der Messbereiche erfolgt über die speziellen, im Strömungskanal integrierten Blenden – wobei die angestrebte Differenz von Eingangsdruck und Ausgangsdruck bei 500 mbar liegt. Das Lieferformat der flexiblen Platine mit den Details der elektrischen Anschlüsse sowie die mechanische Einbindung wurden ebenso gemeinsam spezifiziert wie das Ausgangssignal beim Nenndurchfluss mit 2,5 V. Durch die digitalisierte Signalverarbeitung und die digitale Schnittstelle des Mikroprozessors stehen die individuellen Sensorsignale für den Eingangsdruck und Ausgangsdruck zur Verfügung und können im Durchflussregler intern genutzt werden um Grenzwerte zu setzen, Überlastungen zu detektieren oder andere Diagnosefunktionen zu realisieren. Bei der Kalibrierung der Durchflussmessung können die Kalibrierdaten im Prozessor des Differenzdruck-Transmitters neu parametriert werden. Die auf einem Mikroprozessor aufbauende Signalverarbeitung des mit zwei Drucksensoren arbeitenden Differenzdruck-Transmitters von Keller hat die Integration in einen Durchflussregler für den Dauerbetrieb in der Prozesstechnik vereinfachen können und die Realisierung einer Reihe von Funktionalitäten ermöglicht. Das Doppelsensor-Modul PD-9 FLX ist in Bezug auf Überlastbarkeit gegenüber Differenzdruck-Transmittern mit nur einer Membran vorteilhaft. Die Digitalisierung der Sensor-Signalverarbeitung bietet vor allem bei kundenspezifischen Anwendungen eine Reihe von Vorteilen, die sich auch in einer Gesamtkostenrechnung niederschlagen.

* *Bernhard Vetterli, Elektronik- und Softwareentwicklung, Keller AG für Druckmesstechnik

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