Ein Differenzdrucktransmitter ist mit zwei Druckmittlern an einen geschlossenen Prozessbehälter angeschlossen. Die untere Messstelle erfasst den Druck aus Flüssigkeitssäule und Gasraum, die obere Messstelle den Gasraumdruck. Beide Druckmittler sind über gefüllte Kapillarleitungen mit der Hoch- beziehungsweise Niederdruckseite des Transmitters verbunden. Auf dem Papier ist die Messaufgabe einfach: Der gemeinsame Gasraumdruck soll sich herauskürzen und der verbleibende Differenzdruck den Füllstand repräsentieren.
In der Praxis kommt jedoch ein zweites hydraulisches System hinzu. Zwischen den beiden Prozessmembranen und dem Differenzdrucktransmitter befinden sich Kapillaren mit einer Systemfüllflüssigkeit. Diese Flüssigkeit besitzt eine eigene Dichte, ein temperaturabhängiges Volumen, eine temperaturabhängige Viskosität und erzeugt bei Höhenunterschieden hydrostatische Druckanteile. Wird die Plusseite beispielsweise über eine kurze Kapillare im Schatten geführt, während die Minusleitung mehrere Meter länger ist und teilweise von einer heißen Rohrleitung erwärmt wird, misst der Transmitter nicht ausschließlich den gewünschten Prozess-Differenzdruck.
Gerade bei kleinen Differenzdruckmessspannen können solche zusätzlichen Einflüsse im Verhältnis zum eigentlichen Messsignal beträchtlich werden. Eine hochgenaue Messzelle kann eine asymmetrisch aufgebaute Druckmittlerinstallation nicht nachträglich korrigieren.
Die zentrale Auslegungsregel lautet deshalb: Bei zwei Druckmittlern müssen Hoch- und Niederdruckseite als gemeinsames hydraulisches Messsystem betrachtet werden. Kapillarlänge, Kapillardurchmesser, Systemfüllflüssigkeit, Druckmittlerbauform, Verlegeweg und thermische Umgebung sollten möglichst symmetrisch ausgeführt werden. Gleichzeitig müssen die unvermeidbaren hydrostatischen Höhenanteile separat berechnet und beim Nullpunkt beziehungsweise bei der Kalibrierung berücksichtigt werden.
Wie funktioniert der Differenzdrucktransmitter mit zwei Druckmittlern?
Ein Druckmittler trennt das eigentliche Druckmessgerät vom Prozessmedium. Die Prozessseite wird durch eine elastische Membran abgeschlossen. Der Raum hinter dieser Membran, die Kapillarleitung und der Anschluss bis zur Messzelle sind vollständig mit einer Systemfüllflüssigkeit gefüllt.
Wirkt Prozessdruck auf die Membran, wird dieser hydraulisch durch die Füllflüssigkeit zur Messzelle des Transmitters übertragen. Bei einem Differenzdrucktransmitter existiert ein solcher Übertragungsweg sowohl auf der Hochdruckseite als auch auf der Niederdruckseite.
Der Transmitter bildet anschließend vereinfacht:
Δp = pH - pL
Dabei steht pH für den an der Hochdruckseite ankommenden Druck und pL für den Druck auf der Niederdruckseite.
Mit zwei Druckmittlern sind diese beiden Werte jedoch nicht ausschließlich die ursprünglichen Prozessdrücke. Auf dem Weg zum Transmitter kommen die Eigenschaften der beiden gefüllten Kapillarsysteme hinzu. Genau deshalb müssen beide Seiten gemeinsam ausgelegt werden.
Wann werden zwei Druckmittler eingesetzt?
Zwei Druckmittler werden häufig eingesetzt, wenn sowohl Hoch- als auch Niederdruckseite von einem schwierigen Prozessmedium getrennt werden sollen. Typische Anwendungen sind geschlossene Tanks, Trennschicht- und Dichtemessungen, Filterüberwachung oder Differenzdruckmessungen an Prozessen mit heißen, aggressiven, hochviskosen oder kristallisierenden Medien.
Bei einer Füllstandmessung an einem geschlossenen Tank befindet sich der Hochdruck-Druckmittler typischerweise am unteren Anschluss. Dort wirken der Gasraumdruck und der hydrostatische Druck der Flüssigkeitssäule. Der zweite Druckmittler sitzt am oberen Gasraumanschluss und überträgt den Gasraumdruck auf die Niederdruckseite.
Idealisiert gilt:
punten = pGas + ρProzess × g × h
poben = pGas
Durch die Differenzbildung verschwindet der gemeinsame Gasraumdruck:
Δp = ρProzess × g × h
Diese einfache Gleichung beschreibt jedoch nur die Prozessseite. Die mit Flüssigkeit gefüllten Kapillaren erzeugen zusätzliche hydrostatische und thermische Einflüsse, die ebenfalls berücksichtigt werden müssen.
Was bedeutet symmetrische Kapillarauslegung?
Symmetrische Auslegung bedeutet mehr als zwei Kapillaren mit derselben Bestelllänge zu verwenden. Ziel ist, dass beide hydraulischen Übertragungssysteme auf Änderungen der Umgebung möglichst ähnlich reagieren.
| Einflussgröße | Symmetrische Auslegung | Problem bei Asymmetrie |
|---|---|---|
| Kapillarlänge | Möglichst gleiche beziehungsweise vergleichbare Länge | Unterschiedliches Füllvolumen und unterschiedliches Temperaturverhalten |
| Kapillar-Innendurchmesser | Identische Ausführung | Unterschiedliche Volumina und dynamisches Verhalten |
| Systemfüllflüssigkeit | Identisches Fluid auf beiden Seiten | Unterschiedliche Dichte, Ausdehnung und Viskosität |
| Druckmittler | Möglichst gleiche Bauform und Membrangeometrie | Unterschiedliche Volumenaufnahme und Temperaturcharakteristik |
| Verlegeweg | Beide Leitungen möglichst gemeinsam führen | Unterschiedliche Umgebungstemperaturen |
| Isolierung | Beide Seiten gleich behandeln | Unterschiedliche Temperaturgradienten |
| Sonneneinstrahlung | Beide Leitungen gemeinsam schützen | Einseitige Erwärmung erzeugt zusätzliche Differenzdruckabweichung |
| Mechanische Befestigung | Vergleichbare, vibrationsarme Führung | Unterschiedliches dynamisches Verhalten und mechanische Belastung |
Das Ziel ist nicht absolute geometrische Perfektion. In realen Anlagen sind die beiden Prozessanschlüsse häufig mehrere Meter voneinander entfernt. Entscheidend ist vielmehr, vermeidbare Unterschiede nicht zusätzlich in das System einzubauen.
Warum gleiche Kapillarlängen sinnvoll sind
Die Kapillarlänge beeinflusst das Volumen der Systemfüllflüssigkeit. Eine längere Leitung enthält bei gleichem Innendurchmesser mehr Flüssigkeit. Ändert sich die Temperatur, verändert sich damit auch ein größeres Flüssigkeitsvolumen.
Ist die Hochdruckseite beispielsweise 2 m lang und die Niederdruckseite 8 m, reagieren beide Seiten bei einer Umgebungstemperaturänderung nicht mehr gleich. Selbst wenn beide Kapillaren demselben Temperaturanstieg ausgesetzt wären, unterscheiden sich die absoluten Volumenänderungen aufgrund des unterschiedlichen Füllvolumens.
Bei identischen beziehungsweise vergleichbaren Kapillarlängen sind solche Einflüsse wesentlich symmetrischer. Temperaturbedingte Druckanteile können dann zum Teil als gemeinsamer Einfluss auftreten und sich bei der Differenzbildung weitgehend gegenseitig aufheben.
Das Wort weitgehend ist dabei wichtig. Selbst zwei exakt gleich lange Kapillaren garantieren keine vollständige Kompensation. Die beiden Druckmittler können unterschiedliche Prozesstemperaturen sehen, in unterschiedlichen Höhen montiert sein oder unterschiedlich von Sonne, Isolierung und Luftströmung beeinflusst werden.
Wie Temperaturänderungen einen Messfehler erzeugen
Die Systemfüllflüssigkeit befindet sich in einem geschlossenen hydraulischen System. Erwärmt sie sich, vergrößert sich ihr Volumen. Da das System nicht frei expandieren kann, werden Membranen und Messzelle entsprechend belastet.
Die Größe dieses Temperatureffektes hängt unter anderem ab von:
- Gesamtvolumen der Systemfüllflüssigkeit,
- thermischem Ausdehnungskoeffizienten des Füllmediums,
- Temperaturänderung,
- Membrandurchmesser und Membransteifigkeit,
- Kapillarlänge und -durchmesser,
- Messspanne des Differenzdrucktransmitters.
Ein absoluter temperaturbedingter Druckfehler von beispielsweise einigen Millibar wäre bei einem Differenzdruckmessbereich von mehreren bar möglicherweise wenig auffällig. Bei einer Füllstandmessung mit einer Messspanne von nur wenigen zehn Millibar kann derselbe Zusatzdruck dagegen einen erheblichen prozentualen Fehler darstellen.
Bei einer symmetrischen Zweikapillaranordnung ist deshalb vor allem die Temperaturdifferenz zwischen beiden Seiten kritisch. Werden beide Systeme nahezu identisch erwärmt, heben sich gleiche Einflüsse bei der Differenzbildung teilweise auf. Wird dagegen nur eine Kapillare erwärmt, entsteht unmittelbar ein zusätzlicher Differenzdruckanteil.
Höhenunterschied und hydrostatischen Offset berücksichtigen
Eine gefüllte Kapillarleitung erzeugt wie jede Flüssigkeitssäule einen hydrostatischen Druck. Für eine vertikale Höhendifferenz gilt näherungsweise:
phyd = ρF × g × h
Dabei ist:
- ρF = Dichte der Systemfüllflüssigkeit,
- g = Erdbeschleunigung,
- h = vertikale Höhendifferenz.
Bei einem geschlossenen Tank sitzen die beiden Druckmittler üblicherweise nicht auf gleicher Höhe. Der untere Druckmittler befindet sich am unteren Messpunkt, der zweite mehrere Meter höher am Gasraumanschluss.
Diese Höhendifferenz erzeugt einen konstanten hydrostatischen Beitrag des Füllmediums zum gemessenen Differenzdruck. Er kann bei der Auslegung berechnet und durch Nullpunktverschiebung beziehungsweise entsprechende Kalibrierung berücksichtigt werden.
Entscheidend ist, dass dieser Beitrag nicht mit einem Fehler verwechselt wird. Ein bekannter und stabiler hydrostatischer Offset ist grundsätzlich kompensierbar. Problematisch wird er, wenn sich die Dichte der Systemfüllflüssigkeit durch Temperaturänderungen verändert oder wenn die reale Montagehöhe von der geplanten Geometrie abweicht.
Warum gleich lange Kapillaren den Höheneffekt nicht aufheben
Ein verbreitetes Missverständnis lautet: Wenn beide Kapillaren gleich lang sind, heben sich ihre hydrostatischen Druckanteile vollständig auf.
Das ist nicht automatisch der Fall.
Die hydrostatische Wirkung hängt nicht von der gesamten Schlauchlänge ab, sondern von der vertikalen Höhendifferenz der Flüssigkeitssäule. Eine fünf Meter lange Kapillare, die horizontal verlegt wird, erzeugt deshalb nicht denselben hydrostatischen Zusatzdruck wie eine fünf Meter lange Leitung, die fünf Meter nach oben führt.
Bei einem Tank mit zwei Druckmittlern in unterschiedlichen Höhen bleibt der vertikale Abstand zwischen oberer und unterer Messstelle auch dann bestehen, wenn beide Kapillaren exakt gleich lang bestellt wurden.
Die gleiche Kapillarlänge dient vor allem der thermischen und dynamischen Symmetrie. Die hydrostatische Nullpunktverschiebung wird dagegen aus Dichte und Höhenlage des gefüllten Systems bestimmt.
| Einfluss | Wird durch gleiche Kapillarlängen reduziert? | Muss separat berücksichtigt werden? |
|---|---|---|
| Unterschiedliches Füllvolumen | Ja | Normalerweise nicht, wenn System identisch ausgeführt ist |
| Asymmetrischer Temperatureffekt durch Leitungslänge | Ja | Thermische Umgebung bleibt zusätzlich relevant |
| Unterschiedliche Reaktionszeit | Ja | Füllfluid und Temperatur ebenfalls berücksichtigen |
| Höhendifferenz zwischen oberem und unterem Druckmittler | Nein | Ja, als hydrostatischer Offset |
| Unterschiedliche Sonneneinstrahlung | Nein | Ja, durch Verlegeweg und Schutz minimieren |
| Unterschiedliche Prozesstemperatur der beiden Druckmittler | Nein | Ja, bereits bei der Systemauslegung berücksichtigen |
Systemfüllflüssigkeit richtig auswählen
Die Systemfüllflüssigkeit ist ein wesentlicher Bestandteil des Messsystems. Sie muss den Prozessdruck zuverlässig übertragen und gleichzeitig für den vorgesehenen Temperatur- und Druckbereich geeignet sein.
Relevant sind unter anderem:
- Dichte,
- thermischer Ausdehnungskoeffizient,
- Viskosität,
- Temperaturbereich,
- Dampfdruck bei Vakuumanwendungen,
- physiologische Eigenschaften bei Food- und Pharmaanwendungen,
- chemische Eignung für den Prozess im unwahrscheinlichen Fall eines Membranschadens.
Besonders bei niedrigen Umgebungstemperaturen kann eine hohe Viskosität des Füllmediums die Reaktionszeit deutlich verlängern. Das System kann dann zwar statisch einen plausiblen Endwert erreichen, reagiert auf schnelle Prozessänderungen aber langsamer als erwartet.
Bei zwei Kapillaren sollte grundsätzlich dasselbe Füllmedium verwendet werden. Zwei Seiten mit unterschiedlichen Flüssigkeiten würden nicht nur unterschiedliche Dichten, sondern auch unterschiedliche Temperatur- und Dynamikeigenschaften besitzen.
Kapillarlänge und Reaktionszeit
Kapillaren beeinflussen nicht nur den statischen Messwert. Sie verändern auch das dynamische Verhalten des Systems.
Bei einer Druckänderung muss die Membran des Druckmittlers ein kleines Flüssigkeitsvolumen verdrängen. Je länger und enger die Kapillare und je höher die Viskosität des Füllmediums, desto größer ist der hydraulische Widerstand.
Dadurch kann die Messung gedämpft werden. Bei einer langsamen Füllstandänderung ist dies möglicherweise unkritisch oder sogar erwünscht. Bei schnellen Differenzdruckänderungen, Pumpenüberwachung oder Regelungsaufgaben kann eine zu träge Messkette dagegen problematisch sein.
Bei zwei stark unterschiedlich langen Kapillaren können sogar unterschiedliche Zeitkonstanten entstehen. Während eines schnellen Prozesssprungs erreicht dann eine Seite den Transmitter früher als die andere. Kurzzeitig erscheint ein Differenzdruck, der im stationären Zustand nicht vorhanden ist.
Auch aus diesem Grund sind möglichst gleiche Kapillarlängen sinnvoll.
Kapillaren mechanisch richtig verlegen
Die Kapillarleitung ist kein normales elektrisches Kabel. Ein Knick oder eine mechanische Beschädigung verändert den inneren Strömungsquerschnitt und kann die Reaktionszeit erheblich vergrößern oder das geschlossene Druckmittlersystem beschädigen.
Bei der Montage sollten deshalb großzügige Bögen verwendet und die Leitungen mechanisch entlastet werden. Die Kapillaren sollten nicht das Gewicht von Druckmittler oder Transmitter tragen.
Ebenso wichtig ist eine vibrationsarme Befestigung. Dauerhafte Maschinen- oder Rohrleitungsschwingungen können auf Kapillare und Anschlussstellen wirken und die Lebensdauer der Messstelle reduzieren.
Für eine Zweikapillaranordnung ist es günstig, beide Leitungen über weite Strecken gemeinsam zu führen und mit vergleichbaren Befestigungen zu versehen. Damit verbessert sich gleichzeitig die thermische Symmetrie.
Sonneneinstrahlung, Isolierung und lokale Wärmequellen
Eine der häufigsten Ursachen für unerwartete Temperaturfehler ist nicht die durchschnittliche Umgebungstemperatur, sondern eine unterschiedliche Erwärmung beider Kapillaren.
Ein typisches Beispiel ist ein Tank im Außenbereich. Die Hochdruckkapillare verläuft auf der Schattenseite des Behälters, während die Niederdruckleitung mehrere Stunden direkter Sonneneinstrahlung ausgesetzt ist. Obwohl die Umgebungsluft für beide Seiten nominell dieselbe Temperatur besitzt, können sich die tatsächlichen Kapillartemperaturen deutlich unterscheiden.
Ähnliche Effekte entstehen durch:
- heiße Dampf- oder Prozessleitungen,
- Ofenwände,
- Heizbänder,
- kalte Außenwände,
- unterschiedliche Isolierung,
- starke Luftströmung nur auf einer Seite.
Kapillaren sollten deshalb möglichst gemeinsam verlegt und thermisch gleich behandelt werden. Muss eine Leitung geschützt oder isoliert werden, sollte geprüft werden, ob die zweite Seite in vergleichbarer Weise behandelt werden kann.
Eine nur teilweise isolierte Kapillare kann dabei ebenfalls problematisch sein. Dadurch entstehen entlang einer Leitung unterschiedliche Temperaturzonen. Entscheidend ist nicht nur die mittlere Temperatur, sondern die gesamte Temperaturverteilung des Füllvolumens.
Nullpunktverschiebung korrekt behandeln
Bei einer Zweidruckmittleranordnung ist eine Nullpunktverschiebung nicht automatisch ein Hinweis auf einen Installationsfehler. Durch die Höhenlage der Druckmittler und die Dichte der Systemfüllflüssigkeit kann bereits konstruktiv ein erheblicher Differenzdruck vorhanden sein, obwohl der eigentliche Prozessfüllstand am unteren Messpunkt null ist.
Dieser bekannte Offset wird bei der Auslegung des Messbereiches berücksichtigt. Der Differenzdrucktransmitter muss den gesamten erwarteten Bereich einschließlich des statischen Kapillareinflusses erfassen können.
Problematisch ist eine Nullpunktverschiebung dann, wenn sie sich nach der Inbetriebnahme abhängig von Tageszeit, Sonne oder Umgebungstemperatur verändert.
Ein solches Verhalten deutet stark auf einen thermischen Einfluss des Druckmittlersystems hin. Ein bloßes erneutes Nullsetzen des Transmitters behebt die Ursache dann nicht. Bei der nächsten Temperaturänderung verschiebt sich der Nullpunkt erneut.
Praxisbeispiel am geschlossenen Tank
Ein geschlossener Lagertank besitzt einen unteren Prozessanschluss und einen drei Meter höher liegenden Gasraumanschluss. Beide Messstellen sollen wegen eines aggressiven und viskosen Mediums über flanschmontierte Druckmittler an einen Differenzdrucktransmitter angeschlossen werden.
Eine ungünstige Planung würde die kürzestmögliche Leitung von jeder Messstelle zum Transmitter verwenden. Dadurch könnte die untere Kapillare beispielsweise 2 m und die obere 5 m lang werden. Zusätzlich wäre die obere Leitung auf der Außenseite des Tanks direkter Sonneneinstrahlung ausgesetzt.
Die Folge wäre eine doppelte Asymmetrie: unterschiedliche Füllvolumina und unterschiedliche Temperaturbelastung. Bei wechselndem Wetter könnte sich deshalb der angezeigte Füllstand verändern, obwohl der tatsächliche Tankinhalt konstant bleibt.
Eine bessere Auslegung verwendet zwei technisch gleiche Druckmittler mit identischer Füllflüssigkeit und möglichst vergleichbaren Kapillarlängen. Die Leitungen werden weitgehend gemeinsam bis zum Transmitter geführt und gemeinsam vor direkter Sonne beziehungsweise lokalen Wärmequellen geschützt.
Der hydrostatische Anteil der Füllflüssigkeit aus der drei Meter großen Höhendifferenz zwischen den Prozessanschlüssen wird dagegen rechnerisch berücksichtigt und in die Messbereichs- beziehungsweise Nullpunkteinstellung einbezogen.
Damit werden zwei vollkommen unterschiedliche Effekte sauber getrennt: Der geometrisch bedingte Offset ist bekannt und kompensierbar. Ein asymmetrischer Temperatureffekt wird konstruktiv möglichst klein gehalten.
Temperaturbedingte Fehler erkennen
Ein charakteristisches Fehlerbild ist ein Füllstand, der sich im Tagesverlauf verändert, obwohl keine entsprechende Prozessbewegung stattfindet. Besonders auffällig kann ein Unterschied zwischen Morgen, sonnigem Nachmittag und Nacht sein.
Bei einem solchen Verhalten sollte nicht unmittelbar die Messzelle des Differenzdrucktransmitters verdächtigt werden. Zunächst müssen beide Kapillarwege betrachtet werden.
| Beobachtung | Mögliche Ursache | Sinnvoller Prüfschritt |
|---|---|---|
| Messwert ändert sich mit Sonneneinstrahlung | Einseitige Erwärmung einer Kapillare | Temperaturen beziehungsweise Leitungsführung beider Seiten vergleichen |
| Anzeige ist im kalten Zustand sehr träge | Hohe Viskosität der Systemfüllflüssigkeit | Minimaltemperatur und gewähltes Füllfluid prüfen |
| Konstanter Nullpunktversatz seit Montage | Hydrostatischer Anteil der Füllflüssigkeit beziehungsweise Montagehöhe | Berechnung und Konfiguration kontrollieren |
| Nullpunkt ändert sich nach Isolierungsarbeiten | Asymmetrische thermische Behandlung der Kapillaren | Verlegeweg und Isolierung beider Seiten vergleichen |
| Eine Seite reagiert deutlich langsamer | Unterschiedliche Kapillarlänge, Knick oder Verengung | Kapillaren mechanisch prüfen |
| Messfehler nimmt bei kleinen Messspannen stark zu | Systemfehler ist relativ zum Nutzsignal zu groß | Gesamtfehler des Druckmittlersystems neu auslegen |
Hilfreich ist dabei eine einfache Temperaturaufzeichnung entlang beider Kapillaren. Bereits mehrere Messpunkte oder eine thermografische Betrachtung können sichtbar machen, ob eine Leitung deutlich wärmer ist als die andere.
Wann elektronische Differenzdruckmessung sinnvoll sein kann
Bei sehr großen Abständen zwischen den beiden Messstellen oder stark unterschiedlichen Umgebungstemperaturen kann die klassische Differenzdruckmessung mit langen Kapillaren an praktische Grenzen stoßen.
Eine Alternative ist die elektronische Differenzdruckmessung. Dabei sitzt an jedem Prozessanschluss ein eigener Drucktransmitter. Die beiden Druckwerte werden elektrisch miteinander verknüpft und daraus die Differenz berechnet.
Der Vorteil besteht darin, dass die mehrere Meter lange Verbindung zwischen den Messstellen nicht mehr mit Systemfüllflüssigkeit gefüllt ist. Ein elektrisches Kabel besitzt keinen vergleichbaren hydrostatischen oder thermischen Kapillareffekt.
Eine elektronische Lösung ist jedoch nicht automatisch für jede Anwendung besser. Die beiden Einzeldruckmessbereiche, statischen Prozessdrücke und die gewünschte kleine Differenz müssen zueinander passen. Bei sehr kleinen Differenzdrücken auf hohen statischen Drücken kann ein klassischer Differenzdrucktransmitter messtechnische Vorteile besitzen.
Die Entscheidung zwischen klassischer Zweikapillarlösung und elektronischer Differenzdruckmessung sollte deshalb aus Messspanne, statischem Druck, Abstand, Prozessbedingungen, Temperaturverteilung und gewünschter Gesamtgenauigkeit abgeleitet werden.
Systematischer Auslegungsablauf
Für eine zuverlässige Messstelle mit zwei Druckmittlern sollte das komplette System bereits vor Bestellung gemeinsam betrachtet werden.
- Messaufgabe definieren: Differenzdruck, Füllstand, Dichte, Trennschicht oder Filterüberwachung eindeutig festlegen.
- Minimalen und maximalen Prozessdruck bestimmen: Auch statischen Druck auf beiden Seiten berücksichtigen.
- Differenzdruckspanne festlegen: Nutzsignal und erforderliche Genauigkeit definieren.
- Prozessmedium bewerten: Temperatur, Viskosität, Korrosion, Kristallisation und Hygieneanforderungen berücksichtigen.
- Druckmittler auswählen: Membrandurchmesser, Werkstoff, Prozessanschluss und Bauform bestimmen.
- Systemfüllflüssigkeit auswählen: Temperaturbereich, Dichte, Viskosität und Prozessverträglichkeit berücksichtigen.
- Montagehöhen erfassen: Höhenlage beider Druckmittler und des Transmitters dokumentieren.
- Kapillarlängen festlegen: Möglichst identische beziehungsweise vergleichbare Längen verwenden.
- Verlegewege planen: Beide Kapillaren möglichst gemeinsam führen.
- Thermische Umgebung prüfen: Sonne, Dampfleitungen, Heizungen, Isolierung und Außenklima berücksichtigen.
- Hydrostatischen Offset berechnen: Dichte der Füllflüssigkeit und Höhendifferenz einbeziehen.
- Reaktionszeit bewerten: Besonders bei langen Kapillaren und niedrigen Temperaturen.
- Transmitter-Messbereich prüfen: Nutzsignal und Nullpunktverschiebung müssen innerhalb der Geräteauslegung liegen.
- Gesamtsystem kalibrieren: Druckmittler, Kapillaren und Transmitter als komplette Messkette behandeln.
- Montage dokumentieren: Kapillarlängen, Höhen, Füllfluid und Einbauposition für spätere Diagnose festhalten.
Häufige Planungs- und Montagefehler
Eine kurze und eine lange Kapillare verwenden
Dadurch entstehen unterschiedliche Füllvolumina sowie unterschiedliche Temperatur- und Reaktionszeiteinflüsse auf Hoch- und Niederdruckseite.
Gleiche Länge mit vollständiger Kompensation gleichsetzen
Gleiche Kapillarlängen reduzieren asymmetrische Temperatureinflüsse. Der hydrostatische Effekt unterschiedlicher Prozessanschlusshöhen bleibt jedoch bestehen.
Nur den Transmitter auf Temperaturgenauigkeit prüfen
Die Temperaturkompensation der elektronischen Messzelle kann einen asymmetrischen Temperaturgradienten in den externen Druckmittlersystemen nicht vollständig korrigieren.
Eine Kapillare isolieren und die andere offen lassen
Damit werden bewusst unterschiedliche thermische Bedingungen erzeugt. Wenn möglich, sollten beide Seiten vergleichbar behandelt werden.
Eine Leitung in die Sonne und eine in den Schatten legen
Das kann insbesondere bei kleinen Differenzdruckmessspannen zu einer deutlichen temperaturabhängigen Nullpunktverschiebung führen.
Kapillaren zu lang „auf Reserve“ bestellen
Zusätzliche Länge erhöht Füllvolumen und potenziell Temperatur- sowie Reaktionszeiteinflüsse. Kapillaren sollten ausreichend, aber nicht unnötig lang ausgelegt werden.
Überschüssige Kapillare eng aufrollen
Enge Bögen und mechanische Belastung sind zu vermeiden. Überschüssige Leitung sollte mit ausreichend großem Biegeradius und mechanisch sicher verlegt werden.
Die Montagehöhe nachträglich verändern
Wird der Transmitter oder ein Druckmittler in eine andere Höhe versetzt, verändert sich der hydrostatische Anteil des gefüllten Systems. Nullpunkt und Kalibrierung müssen anschließend geprüft werden.
Nur das Einzelgerät kalibrieren
Bei anspruchsvollen Anwendungen ist die relevante Messkette das komplette System aus beiden Druckmittlern, Kapillaren und Differenzdrucktransmitter.
Passende Druckmesstechnik bei ICS Schneider
ICS Schneider Messtechnik bietet Differenzdrucktransmitter, Prozesstransmitter und Druckmittlersysteme für Füllstand-, Filter-, Durchfluss- und Prozessmessungen an.
Der WIKA DPT-20 ist ein Differenzdrucktransmitter für Prozess- und Verfahrenstechnik. Neben klassischen Differenzdruck-, Durchfluss- und Füllstandaufgaben kann er mit Druckmittlern für anspruchsvolle Prozessbedingungen kombiniert werden.
Für den medienseitigen Abschluss stehen unterschiedliche Druckmittler zur Verfügung. Je nach Anwendung können Flansch-, Gewinde-, Hygiene- oder Sonderanschlüsse sowie unterschiedliche Membranwerkstoffe und Systemfüllflüssigkeiten eingesetzt werden.
Der WIKA 990.27 ist beispielsweise ein frontbündiger Flanschdruckmittler für aggressive, hochviskose, kristallisierende oder heiße Messstoffe und kann über eine flexible Kapillarleitung mit dem Messgerät verbunden werden.
Auch der Siemens SITRANS P320 ist für Differenzdruck- und Füllstandmessungen sowie für Ausführungen mit Druckmittlern vorgesehen.
Prozesstransmitter und Differenzdrucktransmitter bei ICS Schneider
Druckmittler bei ICS Schneider
Fazit
Ein Differenzdrucktransmitter mit zwei Druckmittlern ist kein einzelnes Messgerät mit zwei beliebigen Anschlussleitungen. Beide Kapillarseiten bilden gemeinsam mit Druckmittlern, Systemfüllflüssigkeit und Messzelle ein hydraulisches Gesamtsystem.
Möglichst gleiche Kapillarlängen, identische Systemkomponenten und eine vergleichbare thermische Umgebung reduzieren asymmetrische Temperatur- und Dynamikeinflüsse erheblich. Besonders wichtig ist dabei die gemeinsame Leitungsführung: Zwei gleich lange Kapillaren helfen wenig, wenn eine Leitung im Schatten und die andere direkt neben einer heißen Prozessleitung verlegt ist.
Gleichzeitig darf die thermische Symmetrie nicht mit einer Aufhebung des hydrostatischen Höheneinflusses verwechselt werden. Die vertikale Lage der beiden Druckmittler erzeugt über die Dichte der Systemfüllflüssigkeit einen definierten Differenzdruckanteil. Dieser Offset wird berechnet und bei Nullpunkt beziehungsweise Kalibrierung berücksichtigt.
Temperaturabhängig wird dieser Effekt unter anderem deshalb, weil sich Dichte und Volumen der Füllflüssigkeit verändern. Je kleiner die eigentliche Differenzdruckmessspanne ist, desto sorgfältiger muss deshalb die komplette Druckmittlerauslegung erfolgen.
Wer Kapillarlänge, Höhenlage, Membrangröße, Systemfüllflüssigkeit, Temperaturverteilung und gewünschte Reaktionszeit bereits bei der Planung gemeinsam betrachtet, erhält eine wesentlich stabilere Messstelle und vermeidet vermeintliche Transmitterfehler, deren Ursache tatsächlich in der Installation liegt.
FAQ zu zwei Druckmittler-Kapillaren am Differenzdrucktransmitter
Sollten beide Kapillaren eines Differenzdrucktransmitters gleich lang sein?
Bei einer klassischen Zweidruckmittleranordnung sind möglichst gleiche beziehungsweise vergleichbare Kapillarlängen in der Regel günstig. Dadurch werden Füllvolumen, Temperaturverhalten und dynamische Reaktion beider Seiten ähnlicher.
Müssen die Kapillaren exakt auf den Millimeter gleich lang sein?
Entscheidend ist die technische Symmetrie des Gesamtsystems. Eine geringfügige Längendifferenz ist meist weniger kritisch als eine deutliche Differenz oder eine vollkommen unterschiedliche thermische Verlegung. Die konkrete Auslegung sollte vom Hersteller des Druckmittlersystems vorgenommen beziehungsweise bestätigt werden.
Warum beeinflusst die Temperatur eine gefüllte Kapillare?
Die Systemfüllflüssigkeit verändert mit der Temperatur Volumen, Dichte und Viskosität. In einem geschlossenen hydraulischen System können daraus zusätzliche Druck- und Reaktionszeiteffekte entstehen.
Heben sich Temperatureffekte bei zwei gleichen Kapillaren vollständig auf?
Nicht zwingend. Identische Systeme reagieren ähnlicher, aber unterschiedliche Prozess- oder Umgebungstemperaturen auf den beiden Seiten können weiterhin einen Differenzfehler erzeugen.
Warum sollten beide Kapillaren möglichst dieselbe Umgebungstemperatur haben?
Je ähnlicher beide Seiten erwärmt oder abgekühlt werden, desto stärker treten Temperatureinflüsse als gemeinsamer Effekt auf und desto weniger beeinflussen sie die gemessene Differenz.
Kann direkte Sonneneinstrahlung die Füllstandmessung beeinflussen?
Ja. Wird nur eine Kapillare durch Sonneneinstrahlung erwärmt, kann dadurch ein zusätzlicher temperaturabhängiger Differenzdruck entstehen.
Heben gleich lange Kapillaren den Höheneffekt auf?
Nein. Der hydrostatische Druck hängt von der vertikalen Höhe der Flüssigkeitssäule und deren Dichte ab, nicht von der gesamten Leitungslänge.
Wie wird der hydrostatische Einfluss der Systemfüllflüssigkeit berechnet?
Vereinfacht mit p = ρ × g × h. Dabei sind die Dichte der Systemfüllflüssigkeit und die vertikale Höhendifferenz entscheidend.
Kann dieser hydrostatische Offset kompensiert werden?
Ja. Ein bekannter, stabiler Offset kann bei Messbereich und Nullpunkteinstellung berücksichtigt werden. Die Auslegung muss sicherstellen, dass der komplette Druckbereich innerhalb der Gerätegrenzen bleibt.
Warum kann sich der Offset trotzdem mit der Temperatur verändern?
Die Dichte der Systemfüllflüssigkeit ist temperaturabhängig. Ändert sich die Temperatur, verändert sich deshalb auch der hydrostatische Druck einer Flüssigkeitssäule geringfügig.
Beeinflusst eine lange Kapillare die Reaktionszeit?
Ja. Größeres Füllvolumen, kleiner Kapillardurchmesser und hohe Viskosität der Systemfüllflüssigkeit können die Reaktionszeit verlängern.
Warum reagiert ein Druckmittlersystem bei niedrigen Temperaturen langsamer?
Viele Systemfüllflüssigkeiten werden bei sinkender Temperatur viskoser. Dadurch steigt der hydraulische Widerstand der Kapillare.
Darf eine Kapillare eng aufgerollt werden?
Enge Biegeradien und Knicke sollten vermieden werden. Die Leitung muss gemäß den Montagevorgaben des jeweiligen Druckmittlersystems mechanisch spannungsfrei verlegt werden.
Kann man eine Kapillare nachträglich kürzen?
Ein Druckmittlersystem ist ein geschlossenes und vollständig gefülltes Messsystem. Kapillarlänge und Füllmenge gehören zur werkseitigen Systemauslegung. Eine normale Kürzung vor Ort ist daher nicht mit dem Kürzen eines elektrischen Kabels vergleichbar.
Kann der Transmitter seine Kapillartemperatur elektronisch kompensieren?
Die interne Temperaturkompensation des Transmitters betrifft in erster Linie dessen eigene Messzelle. Externe asymmetrische Temperatureinflüsse entlang der Kapillaren müssen bereits durch die mechanische und thermische Auslegung minimiert werden.
Wann ist eine elektronische Differenzdruckmessung eine Alternative?
Sie kann interessant sein, wenn die beiden Messstellen weit auseinanderliegen oder sehr unterschiedliche thermische Bedingungen für lange Kapillaren zu erwarten sind. Ob sie messtechnisch geeignet ist, hängt jedoch von statischem Druck, Differenzdruckspanne und geforderter Genauigkeit ab.
Welche Angaben werden für die Auslegung benötigt?
Benötigt werden unter anderem Prozessdruck, Differenzdruckmessspanne, Medium, Prozess- und Umgebungstemperatur, Höhenlage der beiden Anschlüsse, gewünschte Kapillarlängen, Transmitterposition, Prozessanschlüsse, Werkstoffe, gewünschte Reaktionszeit und gegebenenfalls Hygiene- oder Ex-Anforderungen.