Manometer - Grundlagen, Arten und Funktion von Druckmessgeräten

Aufbau

Manometer werden in einer Vielzahl von Anwendungen verwendet, einschließlich der Messung des Drucks in Autoreifen, der Überwachung der Atmosphärendruckverhältnisse in Wetterstationen und der Messung des Drucks in Gas- und Wasserleitungen. Dabei können Manometer je nach Anwendungsgebiet und Konstruktion den relativen Druck gegenüber dem jeweiligen statischen Druck (z. B. Luftdruck der Atmosphäre) oder den absoluten Druck gegenüber dem Vakuum (z. B. Barometer) messen.

Funktionsweise von Manometern

Im Hinblick auf die Elemente, die den Druck in einem System auf den Anzeigemechanismus übertragen, wird in der industriellen Anwendung im Wesentlichen zwischen Rohrfedermanometern, Plattenfedermanometern und Kapselfedermanometern unterschieden. Als Anzeigevorrichtung dient eine analoge Skala mit Zeigerwerk oder eine digitale Anzeige, bei der der physikalisch gemessene Druck mithilfe von Drucksensoren in ein elektrisches Signal umgewandelt und auf dem Display angezeigt wird.

Bei Manometern ist zu beachten, dass sie für einen bestimmten Druckbereich ausgelegt sind, der bei der Auswahl beachtet werden muss.

Rohrfedermanometer

Ein Rohrfedermanometer ist ein Druckmesser, der nach dem Prinzip der elastischen Deformation funktioniert. Im umgebenen Gehäuse befindet sich ein eine Rohrfeder (auch Bourdonfeder genannt), welche die Verbindung zwischen dem zu messenden Stoff und der Anzeigeskala bildet. Die Rohrfeder im Inneren des Manometers ist gefüllt mit dem Messstoff (z. B. Wasser).

Steigt nun der Druck in der aufgewickelten Rohrfeder an, verformt sich diese elastisch und strebt danach, sich abzuwickeln. Grund hierfür sind physikalische Effekte im Zusammenhang mit der spiral- oder kreisförmigen Bauform. Diese Bewegung wird von der Spitze der Rohrfeder über eine Zugstange mechanisch auf den Zeiger übertragen, der somit den anliegenden Druck auf der Skala anzeigt. Rohrfedermanometer sind vielseitig einsetzbar und für ein breites Anwendungsspektrum geeignet.

Da jedoch die zu messenden Flüssigkeiten oder Gase direkt in den Druckmesser eindringen, können sie in der Regel nicht zur Druckmessung von aggressiven Medien geeignet. In diesen Fällen müssen Druckermittler aus speziellen Materialien eingesetzt werden, um eine Trennung zwischen Manometer und Messstoff zu erreichen, oder auf beschichtete Plattenmanometer ausgewichen werden.

Plattenfedermanometer

Plattenfedermanometer übertragen den Druck in einem System mithilfe einer Plattenfeder auf die Anzeigevorrichtung. Angrenzend an die Anzeigevorrichtung befindet sich eine üblicherweise zwischen zwei Flansche gespannte Plattenfeder, die über eine Schubstange mit dem Zeigerwerk verbunden ist und das Innere des Druckmessgeräts physisch vom zu messenden Stoff trennt.

Wirkt eine Kraft von außen auf die Plattenfeder ein, verformt sich diese entlang der einwirkenden Kraft und übersetzt die Bewegung über die Schubstange in einen auf der Skala ablesbaren Wert. Da die Plattenfeder bei maximaler Belastung durch den manometerseitigen Flansch abgestützt wird, ist diese Form des Manometers vergleichsweise resistent gegenüber Überlast.

Plattenfedermanometer können bereits bei sehr niedrigen Drücken von wenigen Millibar genaue Ergebnisse anzeigen und bei entsprechender Beschichtung der Plattenfeder (z. B. mit PTFE oder Gold) auch für Druckmessungen in Systemen mit aggressiven Medien eingesetzt werden.

Kapselfedermanometer

Kapselfedermanometer ähneln in ihrem Aufbau Plattenfedermanometern, verfügen jedoch über zwei an den Rändern miteinander verbundene Plattenfedern in ihrem Inneren.

In der messstoffseitigen Plattenfeder ist eine Öffnung eingebracht, über die der Messstoff (in der Regel trockene Gase) direkt in das Kapselelement einströmen kann. Dort führt der anliegende Überdruck, bzw. Vakuumdruck bei negativen Druckverhältnissen, zu einer Verformung der Kapsel, die sich infolgedessen ausdehnt oder zusammenzieht. Die Verformung wird über eine mechanische Verbindung auf das Anzeigesystem übertragen. Kapselfedermanometer eignen sich aufgrund ihrer hohen Messgenauigkeit für präzise Druckmessungen im mbar-Bereich.

Eigenschaften von Manometern

Die nachfolgende Auflistung gibt einen Überblick über die wichtigsten Eigenschaften von Manometern.

Funktionsprinzip und Konstruktion

Manometer erfassen den Druck in einem System mithilfe von unterschiedlichen Funktionsprinzipien. Neben den zuvor dargestellten Prinzipien, die am weitesten verbreitet sind, gibt es viele weitere Sonderformen von Druckmessgeräte, die für spezielle Einsatzgebiete konzipiert wurden. So zum Beispiel Barometer mit geschlossener Kapsel als Sonderform der Kapselfederbarometer, Druckwaagen oder Flüssigkeitsmanometer.

Anzeigebereich

Der Anzeigebereich gibt an, in welchem Druckbereich das Manometer für die Messung geeignet ist. Der Druck wird bevorzugt in der Einheit Bar angegeben.

Genauigkeitsklasse

Die Genauigkeitsklasse eines Manometers gibt an, wie groß die Abweichung des auf dem Manometer angezeigten Werts von dem tatsächlich anliegenden Wert sein kann.

Die Genauigkeitsklassen liegen gemäß EN 837-1 bei einer Referenztemperatur von 20 °C zwischen 0,1 und 4,0. Dabei werden die Genauigkeitsklassen in Prozent der Anzeigespanne angegeben. Bei einer Genauigkeitsklasse von 1,0 und einer Anzeigespanne von 100 bar würde die Fehlergrenze eines Manometers somit bei ± 1 bar liegen.

Überlastsicherheit

Die Überlastsicherheit bezeichnet die Fähigkeit eines Manometers, über den Anzeigebereich hinausgehenden Drücken standzuhalten. Steigt der Druck weiter an und überschreitet auch diesen Sicherheitsbereich, geht die elastische Verformung der druckaufnehmenden Elemente über in eine plastische Verformung. Das Messsystem wird nachhaltig deformiert.

Nenngröße

Die Größe der Manometeranzeige wird als Nenngröße in Millimetern angegeben.

Skalenteilungswert

Der Skalenteilungswert gibt Aufschluss über die Ablesegenauigkeit der Anzeigevorrichtung und bezeichnet die Teilschritte der Anzeigeskala.

Einbaueigenschaften

Neben den zuvor genannten grundlegenden Eigenschaften von Manometern, müssen weitere einbauspezifische Eigenschaften wie Gewindegröße und Position der Befestigungsschraube bei der Auswahl des richtigen Manometers für die geplante Anwendung beachtet werden. Auch können Manometer mit einer Flüssigkeit (z. B. Glycerin) gefüllt werden, um starke Vibrationen oder rapide schwankende Druckverhältnisse abzudämpfen.

Wie funktionieren Differenzdruckmanometer

Die Differenzdruckmessung ist für industrielle Anwendung von hoher Bedeutung und wird beispielsweise zur Füllstandsmessung von mit Flüssigkeit befüllten Tanks oder zum Messen von Strömungsgeschwindigkeiten und damit verbundenen Durchflussmengen herangezogen.

Die Differenzdruckmessung ist für industrielle Anwendung von hoher Bedeutung und wird beispielsweise zur Füllstandsmessung von mit Flüssigkeit befüllten Tanks oder zum Messen von Strömungsgeschwindigkeiten und damit verbundenen Durchflussmengen herangezogen.

Die Druckdifferenz wird anhand des Ausmaßes und der Richtung der Verformung dieser Membran ausgewertet und auf das Anzeigesystem übertragen. Bei der Messung von Strömungsgeschwindigkeiten können dabei unterschiedliche Messaufnehmer eingesetzt werden, wie beispielsweise Staudrucksonden oder Venturiblenden /-düsen, je nach Querschnitt der Rohrleitung und Einsatzbedingungen.

Drucksensoren und Durchflusssensoren

Drucksensoren und Durchflusssensoren sind spezielle Formen von Druckmessgeräten.

Drucksensoren werden beispielsweise eingesetzt, um den Füllstand von Tanks oder Behältern zu messen. Auch in Hydraulikanlagen kommen sie zum Einsatz, um den Druck des Öls im System zu kontrollieren. Dabei gibt es verschiedene Arten von Drucksensoren wie piezoresistive Sensoren oder kapazitive Sensoren.

Durchflusssensoren hingegen dienen dazu, die Menge an Flüssigkeit oder Gas durch ein Rohrleitungssystem zu messen. Dies ist wichtig für eine präzise Dosierung von Medien in der Chemie- oder Pharmaindustrie sowie bei Heizungsanlagen zur Überprüfung des Energieverbrauchs.

Das passende Druckmessgerät auswählen

Bei der Auswahl von Druckmessgeräten ist es wichtig, die Spezifikationen der Bauteile und Materialien zu berücksichtigen.

Dabei können die in Europa verbreiteten DIN-Spezifikationen oder die aus Japan stammenden JIS-Spezifikationen zugrunde gelegt werden. Es ist jedoch wichtig zu beachten, dass nicht alle Bauteile und Materialien zwischen JIS und DIN kompatibel sind.

Es ist daher empfehlenswert, sich bei der Auswahl von miteinander kombinierten Präzisionsbauteilen auf die Spezifikationen einer Region festzulegen.