Druckmessung

Unter Druck versteht man den Quotienten aus Kraft (F) pro Fläche (A). Da die Kraft die Einheit Newton (N) und die Fläche die Einheit m² hat, ergibt sich für den Druck die Einheit N/m².

1 N/m2 = 1 Pa 100000 Pa = 1 bar 1 hPa = 100 Pa = 1/1000 bar = 1 mbar 1 psi = 0,0689 bar

Die Druckeinheiten können ineinander umgerechnet werden. Man geht in die Spalte der umzurechnenden Druckeinheit bis zur 1 und liest dann in der selben Zeile den Umrechnungsfaktor ab. (1 bar = 14,514 psi).

Druckarten

der absolute Druck oder Absolutdruck (p_abs) ist der Druck gegenüber dem Druck Null im leeren Raum. Der Atmosphärendruck heißt p_amb und beschreibt den Luftdruck gegenüber dem Absolutdruck (p _abs). Die Differenz zwischem dem Absolutdruck und dem jeweils herschenden Atmosphärendruck nennt man Überdruck (p_e).Deshalb spricht man nicht von Unterdruck, sondern von negativen Überdruck, wenn der Absolutdruck unter dem Atmosphärendruck liegt. In der Technik sucht man eine feste Bezugsgröße, deshalb ist es sinnvoll sich an dem absoluten Druck (p_abs) zu orientieren, da andere Drücke die sich auf den Luftdruck beziehen, sich mit der Veränderung des Luftdruckes ebenfalls verändern (z.B. der Überdruck).

Abb.2: Druckarten

Druckmessgeräte mit Rohrfeder

Rohrfedern sind kreisförmig gebogene Rohre von ovalem Querschnitt. Der Druck des Messstoffes wirkt auf die Innenseiten dieses Rohres, wodurch sich der Ovalquerschnitt der Kreisform annähert. Durch die Krümmung des Federrohres entstehen Ringspannungen, welche die Rohrfeder aufbiegen (Bourdonprinzip). Das nicht eingespannte Federende führt eine Bewegung aus, die ein Maß für den Druck ist. Über ein Zeigerwerk wird diese Bewegung zur Anzeige gebracht. Die kreisförmigen, in einem Winkel von ca. 250 ° gebogene Federn werden für Drücke bis ca. 60 bar eingesetzt. Für höhere Drücke finden Federn mit mehreren übereinander liegenden Windungen von gleichem Wickeldurchmesser (Schraubenfeder) oder mit in einer Ebene liegenden spiralförmigen Windungen (Schneckenfeder) Verwendung. Rohrfedern können nur begrenzt gegen Überlast geschützt werden. Um besonders schwierige Messaufgaben erfüllen zu können, kann dem Druckmessgerät ein Druckmittler als Trenn- bzw. Schutzvorlage vorgeschaltet werden. Die Anzeigebereiche liegen zwischen 0 ...0,6 und 0 ... 4000 bar bei Anzeigegenauigkeiten (Genauigkeitsklassen) zwischen 0,1 und 4,0 %.

	links: Kreisformfeder; rechts: Schraubenformfeder	Rohrfedermanometer der Firma ARMATURENBAU GmbH

Bourdonprinzip

Aufgrund der Krümmung der Rohrfeder ist die Außenfläche größer als die Innenfläche. Da innerhalb der Rohrfeder die Drücke gleich sind, sind nach der Formel F=p*A die Kräfte auf der Außenfläche größer. Folglich kommt es zur Aufbiegung der Rohrfeder.

Druckmessgeräte mit Plattenfeder

Plattenfedern sind kreisförmige, gewellte Membranen. Sie werden zwischen zwei Flansche entweder am Rand eingespannt oder verschweißt und einseitig vom Druck des Messstoffes beaufschlagt. Die dadurch hervorgerufene Durchbiegung wird als Maß für den Druck genutzt und über ein Zeigerwerk zur Anzeige gebracht. Plattenfedern haben im Vergleich zu Rohrfedern eine relativ große Stellkraft und durch die ringförmige Einspannung sind sie unempfindlicher gegen Erschütterungen. Die Plattenfeder kann durch Abfangen (Anlage der Plattenfeder am oberen Flansch) höher überlastet werden und durch Beschichtung mit Sondermaterial oder Vorlegen von Folien kann das Druckmessgerät auch vor extrem korrosiven Messstoffen geschützt werden. Zur Messung von hochviskosen, verunreinigten oder kristallisierenden Messstoffen kann man weite Anschlussbohrungen, offene Anschlussflansche sowie Spülmöglichkeiten realisieren. Die Anzeigebereiche liegen zwischen 0 ... 16 mbar und 0 ... 40 bar in den Genauigkeitsklassen 0,6 bis 2,5.

	Plattenmanometer der Firma WIKA

Druckmessgeräte mit Kapselfeder

Die Kapselfeder besteht aus zwei kreisförmigen, gewellten, am Rand druckdicht zusammengefügten Membranen. Der Druck wirkt auf die Innenseite dieser Kapsel und die erzeugte Hubbewegung wird als Maß für den Druck über ein Zeigerwerk zur Anzeige gebracht. Druckmessgeräte mit Kapselfeder eignen sich besonders für gasförmige Messstoffe und relativ niedrige Drücke. Ein Überlastschutz ist in bestimmten Grenzen möglich. Werden mehrere Kapselfedern mechanisch in Reihe geschaltet (Kapselfeder-"Paket"), wird eine Erhöhung der Stellkraft erreicht. Die Anzeigebereiche liegen zwischen 0 ... 2,5 mbar und 0 ... 0,6 bar in den Klassen 0,1 bis 2,5.

	Kapselfedermanometer der Firma WIKA

Druckmessgeräte für Absolutdruck

Diese Geräte werden eingesetzt, wenn Drücke unabhängig von den natürlichen Schwankungen des atmosphärischen Druckes gemessen werden sollen. Prinzipiell können alle von den Überdruck-Messgeräten her bekannten Federformen und Messprinzipien verwendet werden. Der Druck des zu messenden Stoffes wird gegen einen Referenzdruck gemessen, der gleich dem Absolutdruck Null ist. An der nicht vom Messstoff beaufschlagten Seite des Messgliedes herrscht dazu in einer Referenzkammer als Referenzdruck absolutes Vakuum. Durch Abdichten der entsprechenden Messkammer oder des umgebenden Gehäuses wird die Funktion realisiert. Die Übertragung der Messgliedbewegung und die Anzeige des Druckes erfolgen wie bei den bereits beschriebenen Überdruck-Messgeräten. Die Anzeigebereiche liegen zwischen 0 ... 16 mbar und 0 ... 25 bar in den Klassen 0,6 bis 2,5.

Druckmessgeräte für Differenzdruck

Beim Differenzdruckmessgerät wird die Differenz zweier Drücke direkt erfasst und zur Anzeige gebracht. Auch hier können prinzipiell alle von den Überdruck-Messgeräten her bekannten Federformen und Messprinzipien verwendet werden. Zwei abgeschlossene Messstoffräume sind durch das Messglied/die Messglieder getrennt. Sind beide Betriebsdrücke gleich groß, wird das Messglied keine Bewegung ausführen und es erfolgt keine Druckanzeige. Erst wenn ein Druck erhöht oder niedriger ist, kommt es zur Differenzdruckanzeige. Bei hohen statischen Drücken werden kleine Differenzdrücke direkt messbar. Bei Plattenfeder-Messgliedern lässt sich eine sehr hohe Überlastbarkeit erreichen. Der zulässige statische Druck und die angegebene + und - -seitige Überlastbarkeit sind zu beachten. Die Übertragung der Messgliedbewegung und die Anzeige des Druckes erfolgen in den meisten Fällen wie bei den bereits beschriebenen Überdruck-Messgeräten. Die Anzeigebereiche liegen zwischen 0 ... 16 mbar und 0 ... 25 bar in den Genauigkeitsklassen 0,6 bis 2,5.

Druckmessung mit Sperrflüssigkeit

Sie werden zur Messung kleiner Drücke oder kleiner Druckdifferenzen bevorzugt im Labor- und Versuchsanlagen eingesetzt.

Das offene U-Rohr-Manometer ist ein beiderseits offenes, mit einer Sperrflüssigkeit (z. B. Quecksilber oder Wasser) teilweise gefülltes U-Rohr. An einem Ende schließt man den Raum an, in dem der zu messende Druck herrscht, das andere Ende ist offen. Auf die Sperrflüssigkeit wirkt von der einen Seite der (absolute) Druck im Behälter, von der offenen Seite der Luftdruck. Die Sperrflüssigkeit steigt in einem Schenkel so hoch, dass die Kraftwirkungen von Druckdifferenz und Gewicht der Flüssigkeitssäule gleich sind. Der Höhenunterschied der Flüssigkeitssäulen in beiden Schenkeln delta h ist das Maß für den Überdruck p_e im Behälter. Er kann mit der Dichte der Sperrflüssigkeit berechnet werden.

Offenes U-Rohr Manometer

Das geschlossene U- Rohr Manometer kann zur Messung von Unter- und Überdruck verwendet werden. Zur Messung von Unterdrücken ist der geschlossenen Schenkel bei atmosphärischen Druck völlig mit Quecksilber gefüllt. Wird Unterdruck angelegt, so wird das Quecksilber aus dem geschlossenen Schenkel gezogen. Aus der Höhendifferenz der Flüssigkeitssäulen (delta h) wird der Absolutdruck berechnet.

geschlossenes U-Rohr Manometer (links:Unterdruck ; rechts:Überdruck)

Zur Messung von Überdrücken ist im geschlossenen Schenkel eine kleine Gasportion von einer Sperrflüssigkeit eingeschlossen. Schließt man am anderen Ende der Röhre den zu messenden Überdruck an, so wird die Gasportion zusammengedrückt und dadurch ihr Volumen verkleinert. An einer geeichten Skala wird der Druck abgelesen. Ihre Teilung wird mit zunehmendem Druck immer enger. Einen Vergleich der Messung im Unterdruckbereich mit dem offenen U-Rohr-Manometer und dem geschlossenen U-Rohr-Manometer zeigt untere Abbildung.

Vergleich der U-Rohr Manometer

Druckmessung in strömenden Medien

In strömenden Medien gibt es 2 verschiedene Druckarten:

Der statische Druck pstat: Er wird durch eine, auf die Flüssigkeit wirkende Zusammendrückkraft erzeugt und breitet sich in der Flüssigkeit in alle Richtungen gleich aus.
Der dynamische Druck pdyn: Er wird durch die Strömungskraft der Flüssigkeit hervorgerufen und wirkt nur in Strömungsrichtung. Man nennt ihn auch Staudruck oder Fließdruck. Man kann ihn nach folgender Formel berechnen: pdyn = r/ 2 * v2

Ruht die Flüssigkeit, dann ist die Geschwindigkeit und damit auch der dynamische Druck gleich null. Es herscht dann nur der statische Druck.

Der Gesamtdruck in einer strömenden Flüssigkeit ist die Summe aus dem statischen und dem dynamischen Druck:

p_ges = p_stat + p_dyn

Bei der Druckmessung in strömenden Medien können deshalb, je nach Meßanordnung drei Druckarten gemessen werden: der statische Druck, der dynamische Druck und der Gesamtdruck.

Liegt die Meßstelle senkrecht zur Strömungsrichtung, so wird nur der statische Druck gemessen. Die Meßanordung nennt sich Piezometer.

Befindet sich die Messtelle in Strömungsrichtung, so wird der Gesamtdruck gemessen, der sich aus dem dynamischen und dem statischen Druck zusammensetzt.. Das Meßrohr nennt sich Pitotrohr. Es ragt in das Rohr hinein und hat eine 90° Biegung, so dass die Meßstelle gegen die Strömungsrichtung steht.

Der dynamische Druck allein mißt man durch eine Druckdifferenzmessung , die z.B.mit dem Prandtl`schen Staurohr vorgenommen wird. Es ist eine Kombination aus einem Pitotrohr und einem Piezometer.