Viele Druckanwendungen lassen sich eindeutig einer Richtung zuordnen. Eine Hydraulikleitung arbeitet ausschließlich mit positivem Überdruck, während eine Vakuumkammer überwiegend unterhalb des Atmosphärendrucks betrieben wird. In Maschinen und automatisierten Anlagen gibt es jedoch zahlreiche Prozesse, bei denen derselbe Messpunkt während eines Zyklus sowohl Unterdruck als auch Überdruck sieht.
Typische Beispiele sind Pumpen mit wechselnden Betriebszuständen, Vakuumspannsysteme mit anschließendem Belüften oder Beaufschlagen, Dichtheitsprüfstände, Behälter mit Evakuierungs- und Druckphase oder pneumatische Prozesse, die zunächst ansaugen und anschließend Druck aufbauen.
Für solche Anwendungen ist ein klassischer Messbereich von 0 … 10 bar Relativdruck häufig ungeeignet. Sobald der Prozessdruck unter den aktuellen Atmosphärendruck fällt, befindet sich der Messwert außerhalb des vorgesehenen Bereichs. Die naheliegende Lösung ist ein kombinierter Vakuum-/Überdruckbereich, beispielsweise −1 … +5 bar.
Die Angabe wirkt zunächst eindeutig. Tatsächlich entscheidet aber die Druckreferenz darüber, was dieser Bereich physikalisch bedeutet. Bei einem Relativdrucksensor ist 0 bar nicht das absolute Vakuum, sondern der aktuelle Umgebungsdruck. Der negative Teil des Messbereichs beschreibt daher Unterdruck gegenüber der Atmosphäre. Der positive Teil beschreibt Überdruck gegenüber derselben Referenz.
Das ist für viele Maschinen genau die gewünschte Messgröße. Wenn dagegen der tatsächliche absolute Restdruck eines Vakuumprozesses relevant ist, kann ein solcher Sensor trotz passendem Zahlenbereich die falsche Druckart darstellen. Dann ist ein Absolutdrucksensor mit einer eingeschlossenen Vakuumreferenz häufig die bessere Lösung.
Hinzu kommt, dass die Referenzseite eines Relativdrucksensors selbst Teil der Messkette ist. Kann sie den aktuellen Atmosphärendruck nicht korrekt erfassen, entsteht ein Messfehler. Gerade bei niedrigen Druckbereichen können Feuchtigkeit, verschlossene Entlüftungswege oder falsche elektrische Anschlussvarianten eine größere Rolle spielen als zunächst vermutet.
Die zentrale Aussage lautet: Ein Drucksensor für Vakuum und Überdruck muss nicht nur den Zahlenbereich abdecken. Entscheidend ist, ob Unterdruck relativ zur Atmosphäre oder echter Absolutdruck gemessen werden soll, wie die Referenzseite ausgeführt ist und ob Sensor, Prozessanschluss, Medium und Ausgangsskalierung für beide Betriebsrichtungen geeignet sind.
Inhaltsverzeichnis
- Was bedeutet Vakuum und Überdruck bei einem Drucksensor?
- Was ist ein kombinierter Vakuum-/Überdruckbereich?
- Warum die Referenzseite die Messgröße bestimmt
- Wann Absolutdruck die bessere Wahl ist
- Relativdruck, Absolutdruck und kombinierte Bereiche vergleichen
- Warum −1 bar relativ nicht mit 0 bar absolut gleichgesetzt werden sollte
- Wie Luftdruckänderungen die Vakuumanzeige beeinflussen
- Warum der atmosphärische Referenzweg frei bleiben muss
- Wann eine eingeschlossene Relativdruckreferenz sinnvoll ist
- Den kombinierten Messbereich richtig dimensionieren
- 4-20-mA- und Spannungssignale richtig skalieren
- Vakuumfestigkeit und Messbereich nicht verwechseln
- Überdruck, Druckspitzen und Fehlzustände berücksichtigen
- Medium, Werkstoffe und Prozessanschluss auswählen
- Dynamische Vakuum-/Druckwechsel richtig erfassen
- Einbau und Leitungsführung beachten
- Typische Fehlmessungen systematisch diagnostizieren
- Welche Druckart passt zu welcher Anwendung?
- Passende Drucksensoren von ICS Schneider
- Fazit
- Häufige Fragen zu Drucksensoren für Vakuum und Überdruck
1. Was bedeutet Vakuum und Überdruck bei einem Drucksensor?
Die Begriffe Vakuum, Unterdruck und Überdruck werden in der Praxis häufig verwendet, ohne gleichzeitig anzugeben, auf welchen Druck sich der jeweilige Wert bezieht. Genau diese Referenz ist für die Auswahl eines Drucksensors jedoch entscheidend.
Bei Relativdruck wird der Prozessdruck mit dem aktuellen Atmosphärendruck verglichen. Sind beide gleich, zeigt der Sensor 0 bar relativ an. Steigt der Prozessdruck über den Atmosphärendruck, entsteht ein positiver Messwert. Sinkt er darunter, entsteht ein negativer Relativdruck.
Ein typisches Vakuumspannsystem kann beispielsweise bei eingeschalteter Pumpe −0,8 bar relativ anzeigen. Wird die Kammer anschließend belüftet, steigt der Wert auf 0 bar relativ. Wird danach Druckluft eingespeist, kann derselbe Sensor beispielsweise +2 bar relativ anzeigen.
Bei Absolutdruck liegt die Referenz dagegen beim absoluten Vakuum. Ein Absolutdrucksensor zeigt bei normaler Atmosphäre deshalb ungefähr 1 bar abs. und nicht 0 bar an.
Beide Sensorarten können denselben realen Prozesszustand beschreiben, aber mit unterschiedlichen Zahlenwerten.
2. Was ist ein kombinierter Vakuum-/Überdruckbereich?
Ein kombinierter beziehungsweise sogenannter Compound-Messbereich umfasst negative und positive Relativdrücke innerhalb eines einzigen Messbereichs.
Typische Bereiche sind beispielsweise:
−1 … +1 bar
oder:
−1 … +5 bar
oder:
−1 … +10 bar.
Der Nullpunkt innerhalb dieses Bereichs entspricht dem aktuellen Atmosphärendruck. Er ist also nicht automatisch die Mitte der Sensorspanne.
Das ist besonders bei unsymmetrischen Bereichen wichtig. Ein Sensor mit −1 … +5 bar besitzt eine Gesamtspanne von 6 bar. Der Atmosphärendruck liegt nur 1 bar oberhalb des unteren Messbereichsendes und damit bei einem Sechstel der Spanne.
Ein solcher Bereich ist ideal, wenn eine Maschine denselben Messpunkt sowohl im Saug- als auch im Druckbetrieb überwachen soll und beide Zustände gegenüber der Umgebung bewertet werden.
3. Warum die Referenzseite die Messgröße bestimmt
Jeder Drucksensor vergleicht physikalisch zwei Druckzustände miteinander. Entscheidend ist, was sich auf der zweiten Seite des Sensorelements befindet.
Bei einem typischen Relativdrucksensor liegt auf der Prozessseite der zu messende Druck an. Die zweite Seite des Messelements ist mit der umgebenden Atmosphäre verbunden. Der Sensor bildet damit unmittelbar die Differenz zwischen Prozess- und Atmosphärendruck.
Bei einem Absolutdrucksensor befindet sich auf der Referenzseite dagegen eine eingeschlossene Referenz mit sehr niedrigem Druck. Dadurch wird der Prozessdruck gegenüber dem absoluten Vakuum gemessen.
Bei einem Differenzdrucksensor sind schließlich beide Seiten als separate Prozessanschlüsse zugänglich. Damit können zwei beliebige Prozessdrücke unmittelbar miteinander verglichen werden.
Der Begriff „Drucksensor“ allein reicht deshalb nicht aus. Für die technische Auswahl muss immer bekannt sein, gegen welche Referenz das Messelement arbeitet.
4. Wann Absolutdruck die bessere Wahl ist
Ein kombinierter Relativdrucksensor ist besonders sinnvoll, wenn für den Prozess der Druckunterschied gegenüber der Umgebung relevant ist.
Das gilt beispielsweise für einen Sauggreifer. Für seine Haltekraft interessiert im Wesentlichen, wie groß der Druckunterschied zwischen der Umgebung und dem Vakuumraum ist. Ändert sich der atmosphärische Druck etwas, verändert sich damit auch die physikalisch verfügbare Druckdifferenz.
Anders sieht es bei einem Vakuumtrocknungs-, Destillations- oder Prüfprozess aus, dessen Prozessbedingungen von einem definierten absoluten Druck abhängen. Hier interessiert beispielsweise, ob tatsächlich 100 mbar abs. erreicht werden.
Ein Relativdruckwert von −0,9 bar reicht dafür nicht aus, weil seine Beziehung zum Absolutdruck vom gerade herrschenden Atmosphärendruck abhängt.
Ein Absolutdrucksensor beschreibt den realen Restdruck dagegen unabhängig von Wetterlage und Höhenlage.
Auch wenn ein Prozess anschließend über Atmosphärendruck betrieben wird, kann weiterhin ein Absolutdrucksensor verwendet werden. Der Messbereich könnte dann beispielsweise von niedrigem Absolutdruck bis zu mehreren bar absolut reichen. Die Steuerung muss allerdings berücksichtigen, dass die Atmosphäre dabei nicht 0 bar, sondern ungefähr 1 bar abs. entspricht.
5. Relativdruck, Absolutdruck und kombinierte Bereiche vergleichen
| Messaufgabe | Geeignete Druckart | Typische Anzeige bei Atmosphäre | Typischer Einsatz |
|---|---|---|---|
| Nur Überdruck gegenüber Umgebung | Relativdruck | 0 bar rel. | Hydraulik, Pneumatik, Druckluft |
| Unterdruck und Überdruck gegenüber Umgebung | Kombinierter Relativdruckbereich | 0 bar rel. | Pumpen, Saugsysteme, Dichtheitsprüfstände |
| Tatsächlicher Druck unabhängig von Atmosphäre | Absolutdruck | ca. 1 bar abs. | Vakuumprozess, Trocknung, Destillation |
| Druck zwischen zwei Prozesspunkten | Differenzdruck | abhängig von beiden Anschlüssen | Filter, Durchfluss, geschlossene Behälter |
Ein kombinierter Messbereich ist damit keine eigene vierte Druckart. Er ist in den meisten industriellen Anwendungen ein Relativdruckbereich, der sich auf beiden Seiten des atmosphärischen Nullpunkts erstreckt.
6. Warum −1 bar relativ nicht mit 0 bar absolut gleichgesetzt werden sollte
In Datenblättern wird für Vakuumbereiche häufig −1 bar als unteres Messbereichsende angegeben. Daraus entsteht schnell die Vorstellung:
−1 bar relativ = 0 bar absolut.
Diese Gleichsetzung ist nur dann exakt, wenn der aktuelle Atmosphärendruck genau 1 bar beträgt.
Allgemein gilt:
prel = pabs − patm
und damit:
pabs = prel + patm
Der Atmosphärendruck verändert sich mit Wetterlage und Höhenlage. Das theoretisch tiefste erreichbare Relativdrucksignal bei vollständigem Vakuum entspricht deshalb dem negativen aktuellen Atmosphärendruck und nicht unter allen Bedingungen exakt −1,000 bar.
Für eine Maschinenanzeige ist diese Vereinfachung häufig unkritisch. Für präzise Vakuumprozesse ist sie dagegen ein wichtiger Grund, direkt Absolutdruck zu messen.
7. Wie Luftdruckänderungen die Vakuumanzeige beeinflussen
Der Einfluss des Atmosphärendrucks wird besonders deutlich, wenn ein Prozess einen konstanten absoluten Vakuumdruck besitzt.
Angenommen, ein System arbeitet konstant bei 0,20 bar abs.
Liegt der Atmosphärendruck bei 1,00 bar abs., zeigt ein idealer Relativdrucksensor:
−0,80 bar rel.
Sinkt der Atmosphärendruck dagegen auf 0,95 bar abs., beträgt der Relativdruck bei demselben absoluten Prozessdruck nur noch:
−0,75 bar rel.
Der Prozess selbst hat sich nicht verändert. Lediglich die atmosphärische Referenz ist um 50 mbar gesunken.
Das ist kein Messfehler des Relativdrucksensors. Er misst genau die Druckdifferenz, für die er konstruiert wurde.
Die entscheidende Frage lautet daher immer: Soll die Maschine die Differenz zur Atmosphäre oder den tatsächlichen absoluten Prozessdruck kennen?
8. Warum der atmosphärische Referenzweg frei bleiben muss
Damit ein Relativdrucksensor korrekt arbeitet, muss seine Referenzseite den vorgesehenen Bezugsdruck erfassen können.
Je nach Konstruktion erfolgt die atmosphärische Referenz über eine Gehäuseöffnung, den elektrischen Steckverbinder, einen speziellen Kabelaufbau oder eine Entlüftungsmembran.
Dieser Weg darf nicht unbeabsichtigt verschlossen werden.
Wird beispielsweise ein für atmosphärische Referenzierung vorgesehenes Kabelende luftdicht vergossen oder gelangt Feuchtigkeit in eine Referenzleitung, kann sich auf der Referenzseite ein anderer Druck einstellen als in der tatsächlichen Umgebung.
Die Folge ist eine Nullpunktverschiebung, die besonders bei kleinen Messspannen relevant sein kann.
Gleichzeitig darf eine Referenzöffnung natürlich nicht ungeschützt Wasser, Staub oder aggressiver Atmosphäre ausgesetzt werden. Schutzart und Druckreferenz müssen deshalb zusammen betrachtet werden.
Bei der Installation sollte daher nicht nur der elektrische Anschlussplan, sondern auch die konstruktive Referenzierung des konkreten Sensortyps beachtet werden.
9. Wann eine eingeschlossene Relativdruckreferenz sinnvoll ist
Nicht jeder Relativdrucksensor besitzt eine offene Verbindung zur aktuellen Atmosphäre.
Bei höheren Druckbereichen wird teilweise eine sogenannte eingeschlossene beziehungsweise versiegelte Relativdruckreferenz verwendet. Dabei wird auf der Referenzseite ein ungefähr atmosphärischer Druck bei der Herstellung eingeschlossen.
Diese Bauform verhindert, dass der Sensor eine offene atmosphärische Referenzverbindung benötigt. Sie kann dadurch in robusten Hochdruckanwendungen Vorteile besitzen.
Der Sensor folgt dann aber nicht mehr exakt jeder aktuellen Luftdruckänderung.
Bei hohen Prozessdrücken ist die daraus entstehende Differenz häufig vernachlässigbar. Bei einem Messbereich von mehreren hundert bar spielen einige zehn mbar Atmosphärenschwankung praktisch kaum eine Rolle.
Für kleine Vakuum-/Überdruckbereiche rund um 0 bar ist eine echte atmosphärische Relativdruckreferenz dagegen meist wesentlich wichtiger.
Eine „sealed gauge“-Ausführung sollte deshalb nicht allein aufgrund der mechanischen Robustheit gewählt werden, wenn die Anwendung präzise Unterdruckwerte relativ zur aktuellen Umgebung benötigt.
10. Den kombinierten Messbereich richtig dimensionieren
Bei der Messbereichsauswahl sollten der minimale Vakuumzustand und der maximale positive Prozessdruck zunächst getrennt betrachtet werden.
Erreicht eine Maschine im normalen Betrieb beispielsweise maximal −0,8 bar und +3,5 bar, kann ein Sensorbereich von −1 … +5 bar sinnvoll sein.
Ein Bereich von −1 … +10 bar würde zwar ebenfalls alle Betriebszustände erfassen, nutzt die Sensorausgangsspanne aber deutlich schlechter aus.
Ein unnötig großer Messbereich kann die nutzbare Genauigkeit verschlechtern, insbesondere wenn die Genauigkeitsangabe auf den Endwert beziehungsweise die Spanne bezogen ist.
Andererseits darf der Sensor nicht so knapp gewählt werden, dass normale Druckspitzen oder zulässige Betriebszustände bereits zur Überlastung führen.
Der Messbereich ist deshalb zusammen mit Überlastsicherheit, möglichen Druckstößen und der geforderten Genauigkeit auszulegen.
| Anwendung | Prozessbereich | Sinnvolle grundsätzliche Auswahl |
|---|---|---|
| Vakuumgreifer | Atmosphäre bis deutlicher Unterdruck | Relativdruck, z. B. reiner Vakuumbereich |
| Pumpe mit Saug- und Druckbetrieb | Unterdruck bis positiver Überdruck | Kombinierter Relativdruckbereich |
| Vakuumtrocknung | Definierter niedriger Restdruck | Absolutdruck |
| Dichtheitsprüfstand mit Evakuierung und Druckbeaufschlagung | Unter und über Atmosphäre | Je nach Prüfdefinition Compound-Relativdruck oder Absolutdruck |
| Geschlossener Prozess mit zweitem Referenzdruck | Zwei variable Druckniveaus | Differenzdruck |
11. 4-20-mA- und Spannungssignale richtig skalieren
Bei kombinierten Messbereichen entsteht häufig ein Fehler erst in der SPS oder Anzeige, obwohl der Sensor selbst richtig arbeitet.
Bei einem linearen 4-20-mA-Sensor mit Messbereich −1 … +5 bar entsprechen 4 mA dem unteren Messbereichsende von −1 bar und 20 mA dem oberen Ende von +5 bar.
Der Wert 0 bar liegt bei diesem unsymmetrischen Bereich nicht bei 12 mA.
Die gesamte Druckspanne beträgt 6 bar. Der Atmosphärennullpunkt liegt 1 bar über dem unteren Ende und damit bei einem Sechstel der elektrischen Spanne.
Damit ergibt sich für 0 bar relativ ungefähr:
6,67 mA.
Bei einem symmetrischen Bereich von −1 … +1 bar läge 0 bar dagegen tatsächlich bei 12 mA.
Wer in der SPS pauschal 12 mA als Drucknullpunkt interpretiert, erzeugt bei unsymmetrischen Compound-Bereichen einen erheblichen Skalierungsfehler.
Die Software sollte daher immer von den tatsächlichen Lower- und Upper-Range-Werten des konkreten Sensors ausgehen.
12. Vakuumfestigkeit und Messbereich nicht verwechseln
Eine häufig missverstandene Datenblattangabe ist „vakuumfest“.
Vakuumfestigkeit bedeutet zunächst, dass das Messsystem den entsprechenden Vakuumzustand mechanisch beziehungsweise konstruktiv verträgt.
Sie bedeutet nicht automatisch, dass der Sensor diesen negativen Relativdruck innerhalb seines kalibrierten Ausgangssignals messen kann.
Ein Sensor mit 0 … 10 bar Relativdruck kann beispielsweise vakuumfest sein. Trotzdem beginnt sein spezifizierter Messbereich bei 0 bar relativ.
Soll tatsächlich bis −1 bar gemessen werden, muss ein dafür vorgesehener Vakuum- oder ±-Messbereich gewählt werden.
Diese Unterscheidung ist insbesondere bei Sensoren mit Membran, Druckübertragungsflüssigkeit oder Druckmittler wichtig. Ob eine Konstruktion für anhaltendes Vakuum geeignet ist, muss aus der jeweiligen Geräteausführung hervorgehen.
13. Überdruck, Druckspitzen und Fehlzustände berücksichtigen
Ein kombinierter Messbereich muss nicht nur den normalen Prozess abdecken.
Bei Pumpen, Ventilen und pneumatischen Aktoren können schnelle Umschaltungen kurzzeitig deutlich höhere Druckspitzen erzeugen als der stationäre Prozesswert.
Ebenso kann ein Sensor, der normalerweise einen Unterdruck misst, im Fehlerfall plötzlich mit dem vollen Versorgungsdruck beaufschlagt werden.
Für die Auswahl sind deshalb Messbereich und Überlastgrenze getrennt zu betrachten.
Die Überlastgrenze beschreibt, bis zu welchem Druck der Sensor belastet werden darf, ohne dass dadurch zwingend seine spezifizierten Eigenschaften verloren gehen beziehungsweise er beschädigt wird. Sie erweitert den kalibrierten Messbereich nicht.
Ein Sensor mit −1 … +5 bar und ausreichend hoher Überlastfestigkeit kann eine kurze Spitze oberhalb von +5 bar möglicherweise schadlos überstehen. Der Messwert in diesem Bereich ist damit aber nicht automatisch spezifiziert.
Bei stark pulsierenden Anwendungen kann zusätzlich eine mechanische Dämpfung, ein Snubber oder eine angepasste Leitungsführung sinnvoll sein. Dabei muss darauf geachtet werden, dass die für den Prozess wichtige Dynamik nicht unnötig herausgefiltert wird.
14. Medium, Werkstoffe und Prozessanschluss auswählen
Ein passender Zahlenbereich macht einen Drucksensor noch nicht automatisch für das Medium geeignet.
Bei trockener Druckluft sind die Anforderungen meist vergleichsweise einfach. Bei Wasser, Öl, aggressiven Chemikalien, Kältemitteln, Wasserstoff, Sauerstoff oder hochviskosen Medien müssen die messstoffberührten Werkstoffe und Dichtungen gezielt geprüft werden.
Auch Vakuum kann die Werkstoffauswahl beeinflussen. Dichtungen, Füllflüssigkeiten und bestimmte Druckmittlerkonstruktionen müssen für den vorgesehenen niedrigen Absolutdruck geeignet sein.
Bei viskosen, kristallisierenden oder partikelhaltigen Medien kann ein frontbündiger Anschluss sinnvoll sein, damit sich kein Totraum in einer kleinen Druckkanalbohrung bildet.
Gewinde und Dichtkonzept gehören ebenfalls zur Anwendung. Ein G 1/4-Anschluss mit definierter Flachdichtung ist mechanisch anders abzudichten als ein konisches NPT-Gewinde.
Der Prozessanschluss sollte deshalb nicht erst nach Auswahl des Sensors als Adapterproblem betrachtet werden, sondern Teil der ursprünglichen Auslegung sein.
15. Dynamische Vakuum-/Druckwechsel richtig erfassen
In vielen Compound-Anwendungen wechselt der Druck innerhalb weniger Sekunden oder sogar Millisekunden vom Vakuum in den positiven Bereich.
Ein typisches Beispiel ist ein Prüfstand, der ein Bauteil zunächst evakuiert und anschließend mit Prüfdruck beaufschlagt.
Hier reicht es nicht, nur den statischen Messbereich zu betrachten. Auch die Ansprechzeit des Sensors, die interne Signaldämpfung, das Ausgangssignal und die Abtastrate der Steuerung bestimmen, welche Drucktransienten tatsächlich erfasst werden.
Ein sehr stark gedämpfter Transmitter kann einen schnellen Übergang zwar sauber und ruhig darstellen, aber einen kurzen Druckpeak vollständig verschleiern.
Umgekehrt kann eine extrem schnelle Sensorik in stark pulsierenden Maschinen mehr Signaldynamik liefern, als die Regelung tatsächlich benötigt.
Die erforderliche Bandbreite sollte daher aus der Prozessdynamik abgeleitet werden und nicht allein nach dem Motto „schneller ist immer besser“ ausgewählt werden.
16. Einbau und Leitungsführung beachten
Die Einbausituation beeinflusst vor allem niedrige Druckbereiche stärker, als es bei Hochdruckanwendungen häufig vermutet wird.
Lange, dünne Messleitungen vergrößern das pneumatische Totvolumen und können schnelle Druckänderungen verzögern. Flüssigkeitsgefüllte Leitungen können bei Höhenunterschieden hydrostatische Druckanteile erzeugen.
Bei Gasen kann Kondensat in einer Leitung einen ähnlichen unerwünschten Offset erzeugen.
Für dynamische Vakuum-/Überdruckmessungen ist eine möglichst kurze, ausreichend dimensionierte Verbindung zum Prozess deshalb meist vorteilhaft.
Gleichzeitig muss der Sensor so montiert werden, dass seine elektrische und atmosphärische Referenzierung entsprechend der Herstellerangabe funktioniert.
Bei Außenmontage oder feuchter Umgebung sollte insbesondere geprüft werden, wie die Kombination aus hoher Schutzart und atmosphärischer Druckreferenz konstruktiv umgesetzt wird.
17. Typische Fehlmessungen systematisch diagnostizieren
| Beobachtung | Mögliche Ursache | Sinnvolle Prüfung |
|---|---|---|
| Sensor zeigt bei Atmosphäre nicht 0 bar relativ | Nullpunktabweichung oder Referenzweg beeinflusst | Sensor drucklos prüfen und atmosphärische Referenz kontrollieren |
| Vakuumwert verändert sich mit Wetterlage | Relativdrucksensor reagiert korrekt auf geänderten Atmosphärendruck | Prüfen, ob eigentlich Absolutdruck benötigt wird |
| Sensor bleibt bei Vakuum bei 0 bar stehen | Nur positiver Relativdruckbereich ausgewählt | Messbereich des Sensors kontrollieren |
| 0 bar Prozessdruck entspricht in der SPS einem falschen Wert | Compound-Bereich falsch auf 4-20 mA skaliert | Lower Range Value und Upper Range Value prüfen |
| Messwert reagiert sehr langsam auf Vakuum-/Druckwechsel | Lange Leitung, kleines Volumen, Drossel oder starke Dämpfung | Messleitung und Filterparameter untersuchen |
| Nullpunkt verschiebt sich nach feuchter Außenmontage | Atmosphärische Referenz beziehungsweise Entlüftung beeinflusst | Referenzweg und elektrische Anschlussausführung kontrollieren |
| Sensor übersteht Vakuum, zeigt dort aber keinen spezifizierten Wert | Vakuumfestigkeit mit Vakuummessbereich verwechselt | Datenblatt auf tatsächlichen Messbereich prüfen |
| Wiederholte Überlastungen führen zu dauerhaftem Offset | Messzelle durch Druckspitzen mechanisch belastet | Überlastgrenze, Druckverlauf und Dämpfung prüfen |
18. Welche Druckart passt zu welcher Anwendung?
Die Auswahl lässt sich auf eine zentrale Frage reduzieren: Welche physikalische Druckdifferenz soll der Sensor darstellen?
Bei einem Saugsystem, dessen Haltekraft gegenüber der Umgebung bewertet wird, ist ein Relativdrucksensor sinnvoll. Muss dasselbe System später zusätzlich Überdruck erfassen, bietet sich ein kombinierter Relativdruckbereich an.
Bei einem Vakuumprozess, dessen Reaktionsbedingungen von einem definierten Restdruck abhängen, sollte dagegen Absolutdruck bevorzugt werden.
Bei einem geschlossenen Behälter, dessen Druck gegenüber einem zweiten geschlossenen Raum bewertet wird, ist weder Atmosphäre noch absolutes Vakuum die eigentliche Referenz. In diesem Fall ist eine Differenzdruckmessung häufig richtig.
Die Referenzfrage sollte deshalb vor Messbereich, Ausgangssignal und Prozessanschluss beantwortet werden.
Erst wenn feststeht, was 0 bar physikalisch bedeuten soll, lässt sich ein Drucksensor zuverlässig auswählen.
19. Passende Drucksensoren von ICS Schneider
ICS Schneider Messtechnik bietet Drucksensoren und Drucktransmitter für Relativdruck, Absolutdruck sowie Vakuum- und kombinierte Messbereiche. Eine Übersicht finden Sie unter Drucksensoren / Differenzdrucksensoren.
WIKA A-10 für allgemeine Maschinenanwendungen
Der WIKA A-10 ist ein kompakter industrieller Druckmessumformer für Maschinenbau, Hydraulik, Pneumatik, Pumpen und Kompressoren.
Neben klassischen positiven Relativdruckbereichen stehen innerhalb der Baureihe auch Vakuum- und kombinierte Bereiche zur Verfügung. Damit ist das Geräteprinzip besonders interessant für einfache Maschinenanwendungen, bei denen ein Messpunkt sowohl Saug- als auch Druckzustände erfassen soll.
Zur Verfügung stehen unter anderem 4-20-mA- und Spannungsausgänge sowie unterschiedliche elektrische und mechanische Anschlüsse.
WIKA P-30 und P-31 für präzisere Vakuum-/Überdruckmessungen
Die WIKA P-30/P-31-Serie ist auf präzise Mess-, Prüfstands- und Laboranwendungen ausgelegt.
Neben Relativ- und Absolutdruck stehen kombinierte Messbereiche von reinen Vakuumbereichen bis beispielsweise −1 … +15 bar zur Verfügung.
Die Sensoren erreichen je nach Ausführung eine Genauigkeit bis 0,05 % der Spanne und Mess- beziehungsweise Ausgaberaten bis 1 kHz. Dadurch eignen sie sich besonders für Prüfstände, in denen schnelle Übergänge zwischen Vakuum und Überdruck nicht nur überwacht, sondern detailliert ausgewertet werden sollen.
Der P-30 besitzt einen klassischen Druckkanal, während der P-31 mit frontbündigem Prozessanschluss für Anwendungen interessant ist, bei denen Toträume vermieden werden sollen.
WIKA IPT-20 / IPT-21 für Prozessanwendungen
Der WIKA IPT-20 / IPT-21 ist für anspruchsvollere Prozessanwendungen ausgelegt und bietet neben klassischen Relativ- und Absolutdruckbereichen auch Vakuum- und ±-Messbereiche.
Für die Gerätefamilie stehen unter anderem Bereiche von −1 … 0 bis −1 … +40 bar sowie kleinere symmetrische Bereiche zur Verfügung. Durch Parametrierung und Turndown kann der Messbereich innerhalb der zulässigen Sensorgrenzen an die Prozessaufgabe angepasst werden.
Die Baureihe bietet zudem HART-, PROFIBUS- beziehungsweise FOUNDATION-Fieldbus-Varianten, Ex-Ausführungen und unterschiedliche Gehäuse- und Prozessanschlussoptionen.
Druck UNIK 5000 für konfigurierbare Sonderbereiche
Der UNIK 5000 ist eine modular konfigurierbare Drucksensorplattform für Maschinen, Prüfstände, Forschung und industrielle Anwendungen.
Die Plattform bietet Relativ-, Absolut-, eingeschlossene Relativdruck-, Differenzdruck- und barometrische Ausführungen. Zusätzlich sind nicht nullbasierte Druckbereiche verfügbar, sodass die Sensorik gezielt an besondere Prozessfenster angepasst werden kann.
Bei einer solchen Konfiguration sollte eindeutig festgelegt werden, welche Druckreferenz und welche elektrische Ausgangsskalierung die übergeordnete Steuerung erwartet.
Auslegung durch ICS Schneider
Für die Auswahl eines Sensors für Vakuum und Überdruck sind insbesondere minimaler und maximaler Prozessdruck, gewünschte Druckart, Atmosphärenbezug, Genauigkeit, mögliche Druckspitzen, Messdynamik, Medium, Temperatur, Prozessanschluss, elektrische Schnittstelle und Einbausituation relevant.
Besonders wichtig ist die Angabe, ob ein Wert wie „−0,8 bar Vakuum“ als Relativdruck gemeint ist oder ob tatsächlich ein bestimmter Absolutdruck im Prozess erreicht werden muss.
20. Fazit
Ein Drucksensor für Vakuum und Überdruck muss zwei Betriebsrichtungen erfassen können. Die Auswahl beginnt jedoch nicht beim unteren und oberen Zahlenwert des Messbereichs, sondern bei der Druckreferenz.
Ein kombinierter Bereich wie −1 … +5 bar ist typischerweise ein Relativdruckbereich. 0 bar entspricht dabei dem aktuellen Atmosphärendruck. Negative Werte bedeuten Unterdruck gegenüber der Atmosphäre, positive Werte Überdruck.
Für Pumpen, Saugsysteme, pneumatische Maschinen und viele Dichtheitsprüfungen ist genau diese Darstellung sinnvoll.
Bei Vakuumprozessen, in denen der tatsächliche Restdruck entscheidend ist, sollte dagegen häufig Absolutdruck gemessen werden. Der Messwert bleibt dann unabhängig von Wetter- und Höhenänderungen.
Bei Relativdrucksensoren gehört die atmosphärische Referenzseite zur Messkette. Ein blockierter, feuchter oder falsch installierter Referenzweg kann deshalb den Nullpunkt beeinflussen.
Auch „vakuumfest“ und „für Vakuum messend“ sind nicht dasselbe. Ein Sensor kann Unterdruck mechanisch vertragen, obwohl sein kalibrierter Messbereich erst bei 0 bar relativ beginnt.
Bei kombinierten Ausgangsbereichen muss außerdem die SPS-Skalierung korrekt aufgebaut werden. Bei −1 … +5 bar liegt 0 bar bei einem 4-20-mA-Signal beispielsweise nicht bei 12 mA, sondern ungefähr bei 6,67 mA.
Messbereich, Überlastfestigkeit und Prozessdynamik müssen ebenfalls getrennt bewertet werden. Ein kurzer Druckstoß oberhalb des Messbereichs kann innerhalb der zulässigen Überlastgrenze liegen, ist dadurch aber noch kein spezifizierter Messwert.
Für eine belastbare Auslegung gilt deshalb:
Prozesszustand bestimmen → Druckreferenz festlegen → minimalen und maximalen Druck definieren → Compound- oder Absolutbereich auswählen → Überlast und Dynamik prüfen → Medium und Anschluss festlegen → Ausgangssignal korrekt skalieren.
Wer diese Reihenfolge einhält, vermeidet die häufigste Fehlinterpretation bei Vakuum-/Überdrucksensoren: einen Sensor mit passendem Zahlenbereich zu wählen, der jedoch auf die falsche Druckreferenz bezogen ist.
21. Häufige Fragen zu Drucksensoren für Vakuum und Überdruck
Was ist ein kombinierter Druckmessbereich?
Ein kombinierter oder Compound-Messbereich umfasst bei einem Relativdrucksensor sowohl negative als auch positive Druckwerte gegenüber der Atmosphäre, beispielsweise −1 … +5 bar.
Was bedeutet 0 bar bei einem kombinierten Relativdrucksensor?
0 bar relativ bedeutet, dass Prozessdruck und aktueller Atmosphärendruck gleich sind. Es bedeutet nicht absolutes Vakuum.
Was bedeutet ein negativer Relativdruck?
Ein negativer Relativdruck bedeutet, dass der Prozessdruck unterhalb des aktuellen Atmosphärendrucks liegt.
Kann ein Drucksensor wirklich −1 bar messen?
Ein Sensor mit entsprechendem Relativdruckbereich kann bis in die Nähe von −1 bar relativ messen. Der physikalisch tiefste mögliche Relativdruck hängt jedoch vom aktuellen Atmosphärendruck ab, weil der absolute Druck nicht kleiner als 0 bar werden kann.
Ist −1 bar relativ dasselbe wie 0 bar absolut?
Nur bei exakt 1 bar Atmosphärendruck. Allgemein gilt pabs = prel + patm. Da der Atmosphärendruck variiert, sind beide Werte nicht generell gleichzusetzen.
Wann sollte ich Absolutdruck statt Relativdruck verwenden?
Absolutdruck ist sinnvoll, wenn der tatsächliche Prozessdruck unabhängig von Wetter und Höhe benötigt wird, beispielsweise bei Vakuumtrocknung, Destillation, definierten Vakuumprüfungen oder gasphysikalischen Berechnungen.
Wann ist ein kombinierter Relativdruckbereich sinnvoll?
Wenn derselbe Prozess abwechselnd unter und über dem Atmosphärendruck arbeitet und die Druckdifferenz zur Umgebung die relevante Prozessgröße ist.
Kann ich für Vakuum und Überdruck zwei separate Sensoren verwenden?
Technisch ist das möglich. Ein geeigneter kombinierter Sensor vereinfacht jedoch häufig Installation, Verkabelung, Kalibrierung und Datenverarbeitung, sofern Genauigkeit und Messbereich zur Anwendung passen.
Was ist eine Referenzseite?
Die Referenzseite ist die zweite Druckseite des Messelements, gegen die der Prozessdruck verglichen wird. Bei Relativdruck ist dies typischerweise die Atmosphäre, bei Absolutdruck eine eingeschlossene Vakuumreferenz.
Warum muss ein Relativdrucksensor eine Verbindung zur Atmosphäre besitzen?
Damit das Messelement den Prozessdruck gegen den aktuellen Atmosphärendruck vergleichen kann. Die konkrete konstruktive Umsetzung hängt vom Sensortyp ab.
Was passiert, wenn die Referenzöffnung verschlossen wird?
Dann kann sich auf der Referenzseite ein anderer Druck als in der Umgebung einstellen. Dies kann insbesondere bei niedrigen Druckbereichen zu einer Nullpunktabweichung führen.
Was bedeutet „sealed gauge“?
Bei einer sealed-gauge- beziehungsweise eingeschlossenen Relativdruckausführung wird auf der Referenzseite ein ungefähr atmosphärischer Druck eingeschlossen. Der Sensor benötigt dadurch keine offene Referenz zur aktuellen Atmosphäre, folgt aber auch deren Änderungen nicht exakt.
Ist sealed gauge für Vakuummessungen geeignet?
Das hängt von Messbereich und erforderlicher Genauigkeit ab. Für kleine kombinierte Bereiche rund um den aktuellen Atmosphärendruck ist eine echte atmosphärische Referenz häufig geeigneter.
Was bedeutet vakuumfest?
Vakuumfestigkeit beschreibt die konstruktive Fähigkeit eines Sensors, Vakuumbelastung zu vertragen. Sie bedeutet nicht automatisch, dass der Sensor einen negativen Relativdruck innerhalb seines spezifizierten Messbereichs ausgeben kann.
Kann ein 0 … 10-bar-Sensor Vakuum messen, wenn er vakuumfest ist?
Nicht automatisch. Wenn sein spezifizierter Messbereich bei 0 bar relativ beginnt, ist der negative Bereich nicht Teil der kalibrierten Messspanne. Für eine echte Vakuummessung muss ein entsprechender Vakuum- oder ±-Bereich gewählt werden.
Wo liegt 0 bar bei einem −1 … +5-bar-Sensor mit 4-20 mA?
Bei linearer Skalierung liegt 0 bar bei ungefähr 6,67 mA. 4 mA entsprechen −1 bar und 20 mA entsprechen +5 bar.
Warum liegt 0 bar nicht immer bei 12 mA?
12 mA entsprechen nur der Mitte der elektrischen Spanne. 0 bar liegt deshalb nur dann bei 12 mA, wenn auch der Druckmessbereich symmetrisch um null angeordnet ist, beispielsweise −1 … +1 bar.
Wie groß sollte die Messbereichsreserve sein?
Der normale Prozessbereich sollte ausreichend innerhalb des spezifizierten Messbereichs liegen. Die konkrete Reserve hängt von Druckspitzen, Dynamik, geforderter Genauigkeit und der Überlastfestigkeit des Sensors ab.
Ist ein größerer Messbereich immer sicherer?
Mechanisch kann ein größerer Bereich mehr Reserve bieten, messtechnisch kann er jedoch die nutzbare Genauigkeit und Auflösung im interessierenden Bereich verschlechtern. Der Bereich sollte deshalb nicht unnötig groß gewählt werden.
Welche Sensoren eignen sich für kombinierte Vakuum-/Überdruckbereiche?
Bei ICS Schneider stehen je nach Genauigkeit und Anwendung unter anderem Gerätefamilien wie WIKA A-10, WIKA P-30/P-31 und WIKA IPT-20/IPT-21 sowie konfigurierbare Druck-Sensorplattformen wie UNIK 5000 zur Verfügung.
Welche Angaben benötigt ICS Schneider für die Auswahl?
Hilfreich sind minimaler und maximaler Prozessdruck, Angabe ob relativ oder absolut gemessen werden soll, normaler Atmosphärenbezug, mögliche Druckspitzen, Medium, Temperatur, gewünschte Genauigkeit und Dynamik, Prozessanschluss, elektrisches Ausgangssignal, Versorgungsspannung, Einbausituation sowie gegebenenfalls Anforderungen an ATEX, IECEx oder andere Zulassungen.