Erfolgreiches Zusammenspiel

Überdruckfester Durchflussregler – flexibel durch Digitalisierung

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18.09.2014 Schon in der Phase der Produktentwicklung führen enge Absprachen zwischen einem Komponenten- und einem Gerätehersteller beispielsweise zu deutlich optimierten Lösungen. Hier ist Flexibilität auf beiden Seiten und vor allem die digitale Signalaufbereitung von Vorteil, wie das folgende Beispiel eines Differenzdruck-Messmoduls zeigt, das mittlerweile vielfach in einem Durchflussregler zum Einsatz kommt, der für die Prozessmesstechnik auf Kundenanfrage entwickelt wurde. Für die Blechbearbeitung wird ein Sprühsystem benötigt, das eine exakte Dosierung von Schmierstoffen ermöglicht.

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Entscheider-Facts Für Betreiber

  • Die Signalverarbeitung des mit zwei Drucksensoren arbeitenden Differenzdruck-Transmitters hat die Integration in einen Durchflussregler für den Dauerbetrieb in der Prozesstechnik wesentlich vereinfacht.
  • Das Modul zeigt sich in einer Reihe von Applikationen deutlich überlegen gegenüber klassischen Differenzdruck-Transmittern mit nur einer Membran - insbesondere in Bezug auf Überlastbarkeit.
  • Die Digitalisierung der Sensor-Signalverarbeitung bietet eine Reihe von Vorteilen, die sich auch in einer Gesamtkostenrechnung deutlich niederschlagen.

Diese Applikation stand am Anfang der Entwicklung einer Liquid-Flow-Controller-Serie von Bürkert und diente als Pilotprojekt. Sensorik, Regelelektronik, Stellglied und die üblichen elektrischen Prozessschnittstellen waren in einem kompakten Gerät unterzubringen, das – wie meist in der Prozessmesstechnik – für sorglosen Dauerbetrieb auszulegen war.

Durchflussmessung per Differenzdruck
Aus Gründen der eher robusten Prozessumgebung und der allgemeinen Betriebssicherheit entschied man sich, die Messung der Durchflussmenge über den Druckabfall des Messmediums beim Passieren einer Messblende mit definiertem Durchmesser zu realisieren – und zwar mit zwei individuellen Drucksensoren. In diesem Planungsstadium kamen die bereits guten Kontakte zur deutschen Niederlassung des Schweizer Unternehmens Keller Druckmesstechnik ins Spiel. „Wir hatten damals mit der Serie PD-39X schon einen Druckdifferenz-Transmitter vorgestellt, der die wichtigsten der geforderten Eigenschaften – insbesondere bezüglich Überlastbarkeit – bereits liefern konnte“, erinnert sich Geschäftsführer Wolfgang Braun an die damalige Kooperation.

Druckdifferenz- oder Differenzdruck-Transmitter?
Bei üblichen 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. Diese lässt sich ohne aufwendige und entsprechend teure Maßnahmen nicht auffangen und führt zwangsläufig zum Zerstören des Transmitters. Solche Risiken wollte man bei Bürkert ausschließen und war deshalb an dem Modul zur Messung der Druckdifferenz interessiert. 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 Xemics-Mikroprozessors, mit dessen Rechenleistung nach einer 16-bit-A/D-Wandlung alle reproduzierbaren Nichtlinearitäten und Temperaturabhängigkeiten mit mathematischen Mitteln weitestgehend eliminiert werden. Mit diesem Verfahren wird bei Druckdifferenz-Transmittern ein Gesamtfehlerband von besser als ±0,1%FS über weite Temperaturbereiche erreicht. Das analoge Ausgangssignal des Moduls wird bis zu 200 Mal pro Sekunde aktualisiert und liefert eine gute Dynamikreserve für den Folgeprozess. Als Faustregel lässt sich sagen, dass der Messbereich bei dieser Art von Differenzdruckmessung etwa 20 % des Vordrucks betragen sollte. Neben den analogen Standardsignalen von 4…20 mA und 0…10 V bietet der Prozessor eine digitale RS485 Halbduplex-Schnittstelle. Über diese Schnittstelle können unter anderem die Druck- und Temperaturmesswerte der individuellen Sensoren ausgegeben werden, also nicht nur die Werte der Druckdifferenz. Durch die Digitalisierung muss die Spanne des analogen Ausgangssignals flexibel an die gewünschte Spanne des Eingangssignals, also der Druckdifferenz, angepasst werden. Am Ende der Gespräche zwischen Hersteller und Anwender und einer Vielzahl von Tests stand eine Liefervereinbarung über Differenzdruck-Messmodule, die der gemeinsam ausgearbeiteten Spezifikation entsprechen.

Seither sind die Liquid-Flow-Controller in verschiedensten Applikationen im Dauerbetrieb. 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.

Integration gelungen
Die Liquid Flow Controller fertigt der Hersteller als Prozessmessgeräte kundenspezifisch für jeden konkreten Einsatz nach Auftrag an. Mit drei unterschiedlich bestückten Druckdifferenz-Transmittern lassen sich je nach Vordruck Durchflussendwerte zwischen 0,9 und 36 l/h realisieren. Die Feinabstimmung der Messbereiche erfolgt über spezielle, im Strömungskanal integrierte Blenden – wobei die angestrebte Differenz von Eingangsdruck und Ausgangsdruck typischerweise bei 500  mbar liegt. Schließlich setzten die Konstrukteure weitere Details nach Kundenwunsch um: Das Lieferformat der flexiblen Platine mit den Details der elektrischen Anschlüsse sowie die mechanische Einbindung wurden ebenso spezifiziert wie das Ausgangssignal beim Nenndurchfluss, das jetzt mit 2,5 V deutlich von der Katalogware abweicht.

Durch die digitalisierte Signalverarbeitung und Schnittstelle des Mikroprozessors stehen die individuellen Sensorsignale für den Eingangsdruck und den Ausgangsdruck zur Verfügung und können im Durchflussregler intern genutzt werden, um Grenzwerte zu setzen, Überlastungen zu detektieren oder andere Diagnosefunktionen zu realisieren. Beim Kalibrieren der Durchflussmessung – üblicherweise mit Wasser oder einer Flüssigkeit mit ähnlicher Viskosität wie die der Prozessflüssigkeit selbst – können die Kalibrierdaten im Prozessor des Differenzdruck-Transmitters komplett neu parametriert werden. Das ermöglicht einen Abgleich auf die individuellen Prozesse der Kunden. Zwei Fachleute – einer für Durchflussregelung und einer für Druckmessung – konnten durch konstruktive Zusammenarbeit eine konkrete Kundenanfrage gemeinsam lösen.

Die auf einem Mikroprozessor aufbauende Signalverarbeitung des mit zwei Drucksensoren arbeitenden Differenzdruck-Transmitters hat die Integration in einen Durchflussregler für den Dauerbetrieb in der Prozesstechnik vereinfacht und die Realisierung einer Reihe von Funktionalitäten ermöglicht. Das Modul zeigt sich in einer Reihe von Applikationen im Vorteil gegenüber klassischen Differenzdruck-Transmittern – insbesondere in Bezug auf Überlastbarkeit. Die Digitalisierung der Sensor-Signalverarbeitung ermöglicht vor allem bei kundenspezifischen Anwendungen Vorteile, die sich auch in einer Gesamtkostenrechnung niederschlagen.

 

 

Heftausgabe: September 2014
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Bernhard Vetterli, Elektronik- und Softwareentwicklung, Keller Druckmesstechnik

Über den Autor

Bernhard Vetterli, Elektronik- und Softwareentwicklung, Keller Druckmesstechnik

Bernhard Vetterli, Elektronik- und Software-Entwicklung Keller Druckmesstechnik

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