Ein SITRANS P320 misst den Druck hinter einer Pumpe. Ohne zusätzliche Dämpfung schwankt der angezeigte Wert beispielsweise ständig zwischen 7,6 bar und 9,2 bar. Nach Erhöhung der elektronischen Dämpfung erscheint das Signal plötzlich nahezu stabil bei etwa 8,4 bar. Ist damit auch die Druckpulsation im Prozess beseitigt?
Nein. Die elektronische Dämpfung verändert die zeitliche Verarbeitung des Messsignals. Schnelle Änderungen werden geglättet und erscheinen am Display beziehungsweise am 4–20-mA-Ausgang weniger ausgeprägt. Die tatsächliche Druckwelle in der Rohrleitung bleibt davon jedoch unverändert. Wenn die Pumpe reale Spitzen von beispielsweise 12 bar erzeugt, wirkt diese Belastung weiterhin auf Prozessanschluss und Messzelle – auch wenn das gedämpfte Ausgangssignal möglicherweise nur einen deutlich niedrigeren, ruhigeren Verlauf zeigt.
Diese Unterscheidung ist besonders wichtig bei Kolbenpumpen, Dosierpumpen, Kompressoren, schnell schaltenden Ventilen und anderen dynamischen Prozessen. Eine starke elektronische Dämpfung kann für die Prozessregelung sinnvoll sein, gleichzeitig aber relevante Druckspitzen im übertragenen Signal so stark glätten, dass ihre mechanische Bedeutung unterschätzt wird.
Die Dämpfung des SITRANS P320 ist deshalb ein Werkzeug zur Signalaufbereitung und nicht zum mechanischen Schutz des Drucktransmitters. Signalruhe, Prozessdynamik und zulässige Druckbelastung müssen getrennt bewertet werden.
Warum pulsiert der Prozessdruck?
Viele industrielle Prozesse erzeugen keinen vollkommen konstanten Druck. Bei einer Kolben- oder Membranpumpe wird das Medium beispielsweise nicht kontinuierlich, sondern in einzelnen Förderphasen bewegt. Dadurch entstehen periodische Druckänderungen. Auch schnell öffnende oder schließende Ventile, Kompressoren, Hydraulikaggregate und wechselnde Verbraucher können dynamische Druckschwankungen verursachen.
Von einer Pulsation sollte dabei eine einzelne sehr schnelle Druckspitze beziehungsweise ein Druckstoß unterschieden werden. Eine Pulsation wiederholt sich typischerweise regelmäßig mit der Maschinen- oder Pumpenfrequenz. Ein Druckstoß kann dagegen beispielsweise durch ein abrupt geschlossenes Ventil entstehen und wesentlich kürzer dauern. Beide Vorgänge können für die Messstelle relevant sein, stellen aber unterschiedliche Anforderungen an Messgeschwindigkeit und mechanische Belastbarkeit.
| Druckverhalten | Typische Ursache | Auswirkung auf die Messung |
|---|---|---|
| Langsame Druckänderung | Prozessregelung, Füllstand oder Laständerung | Auch mit moderater Dämpfung gut erfassbar |
| Regelmäßige Pulsation | Kolbenpumpe, Dosierpumpe, Kompressor | Anzeige und 4–20-mA-Signal können deutlich schwanken |
| Kurze Druckspitze | Schnelles Ventilschalten, Druckstoß | Kann durch elektronische Dämpfung im Ausgangssignal stark abgeschwächt erscheinen |
| Mechanische Überlast | Spitze oberhalb der zulässigen Sensorbelastung | Messzelle kann trotz ruhigem Ausgangssignal belastet oder beschädigt werden |
Was macht die elektronische Dämpfung des SITRANS P320?
Der SITRANS P320 besitzt eine parametrierbare elektronische Dämpfung. Sie dient dazu, schnelle Änderungen des Prozesswertes im ausgegebenen Signal zu glätten. Bei der HART-Ausführung kann der Dämpfungswert im Bereich von 0,01 s bis 100 s eingestellt werden. Eine größere Zeitkonstante erzeugt ein ruhigeres Signal, verlängert aber gleichzeitig die Reaktion des Transmitters auf reale Druckänderungen.
Das Prinzip lässt sich mit einem Tiefpass vergleichen. Langsame Änderungen passieren weitgehend unverändert, während schnelle Änderungen abgeschwächt werden. Wird der Prozessdruck beispielsweise innerhalb sehr kurzer Zeit von 8 auf 10 bar verändert, folgt ein stark gedämpftes Ausgangssignal diesem Sprung nur verzögert.
Diese Funktion ist sinnvoll, wenn schnelle Druckschwankungen für die eigentliche Prozessführung nicht relevant sind und lediglich eine stabile Anzeige beziehungsweise ein ruhiger Regelwert benötigt wird. Sie sollte jedoch nicht eingesetzt werden, um unbekannte Prozessprobleme optisch zu verstecken.
Warum verschwinden reale Druckspitzen dadurch nicht?
Die elektronische Dämpfung findet erst innerhalb der Signalverarbeitung des Transmitters statt. Der Prozessdruck wirkt zuvor bereits mechanisch auf die Trennmembran beziehungsweise Messzelle. Deshalb kann die Elektronik zwar verhindern, dass eine schnelle Spitze vollständig im 4–20-mA-Ausgang erscheint, sie kann aber nicht verhindern, dass diese Spitze den Sensor erreicht.
Angenommen, der normale Prozessdruck beträgt etwa 8 bar und durch eine pulsierende Pumpe entstehen sehr kurze Spitzen bis 13 bar. Bei starker Dämpfung kann das übertragene Signal möglicherweise nur zwischen 8,0 und 8,6 bar schwanken. Daraus darf nicht geschlossen werden, dass der Prozess selbst ebenfalls nur 8,6 bar erreicht.
Für die mechanische Auslegung muss deshalb der höchste tatsächlich auftretende Prozessdruck betrachtet werden. Der eingestellte Messbereich des Ausgangssignals beziehungsweise die sichtbare Anzeige ist dafür nicht ausreichend.
Dämpfung und Reaktionszeit richtig abwägen
Eine höhere Dämpfung verbessert die Signalruhe, reduziert aber gleichzeitig die zeitliche Auflösung der Messung. Für eine langsame Druckregelung kann das unkritisch oder sogar erwünscht sein. Für eine schnelle Regelung, Leckageerkennung oder Überwachung dynamischer Druckereignisse kann eine zu starke Dämpfung dagegen wichtige Informationen verzögern.
| Dämpfung | Signalverhalten | Typische Anwendung |
|---|---|---|
| Sehr niedrig | Schnelle Reaktion, Pulsationen deutlich sichtbar | Analyse dynamischer Prozesse, schnelle Regelung |
| Moderat | Guter Kompromiss aus Reaktion und Signalruhe | Allgemeine Prozessdruckmessung |
| Hoch | Sehr ruhige Anzeige, schnelle Ereignisse stark geglättet | Langsame Prozesse mit störender Pulsation |
| Zu hoch für die Anwendung | Relevante Prozessänderungen erscheinen verspätet | Kann Regelung und Diagnose verschlechtern |
Die ideale Einstellung ergibt sich deshalb nicht aus dem Wunsch nach einer möglichst ruhigen Anzeige. Entscheidend ist, wie schnell der Prozess tatsächlich überwacht beziehungsweise geregelt werden muss.
Wie können Druckspitzen im Messsignal verschwinden?
Sehr kurze Druckspitzen können in einer Messkette an mehreren Stellen abgeschwächt werden. Neben der elektronischen Dämpfung des Transmitters beeinflussen auch die interne Reaktionszeit der Messzelle, die Abtastrate einer SPS, Filter im Analogeingang und die Zykluszeit der Prozessvisualisierung die sichtbare Dynamik.
Ein Druckstoß von nur wenigen Millisekunden kann deshalb mechanisch vorhanden sein, obwohl er weder auf dem lokalen Display noch im normalen Trenddiagramm einer SPS deutlich sichtbar wird. Soll der tatsächliche Spitzenwert untersucht werden, muss die gesamte Messkette ausreichend schnell sein. Für eine gezielte Analyse kann daher eine schnelle Referenzmessung beziehungsweise Datenaufzeichnung notwendig sein.
Auch der Ort der Messung spielt eine Rolle. Druckwellen können sich innerhalb von Rohrleitungen ausbreiten und an Verengungen, Ventilen oder geschlossenen Enden reflektiert werden. Ein Transmitter an einer anderen Position kann deshalb ein anderes dynamisches Druckverhalten erfassen als die Stelle, an der die kritische Komponente belastet wird.
Messbereich und Überlastfestigkeit richtig auswählen
Bei einem pulsierenden Prozess sollte der Messbereich nicht ausschließlich aus dem durchschnittlichen Betriebsdruck abgeleitet werden. Wichtig sind außerdem erwartbare Pulsationsspitzen, außergewöhnliche Betriebszustände, Anfahren, Abschalten und mögliche Störungen.
Dabei müssen Messbereich und zulässige Überlast voneinander unterschieden werden. Der parametrierte 4–20-mA-Bereich beschreibt, welcher Druck welchem Ausgangssignal zugeordnet wird. Die zulässige mechanische Belastung der Messzelle ist dagegen eine konstruktive Eigenschaft der konkreten Geräteausführung.
Die verfügbaren P320-Messzellen besitzen je nach Druckbereich unterschiedliche Grenz- und Überlastwerte. Deshalb darf beispielsweise ein auf 0 ... 10 bar eingestellter Transmitter nicht automatisch so behandelt werden, als seien beliebig hohe kurzzeitige Druckspitzen unkritisch. Für die Auswahl muss die konkrete Siemens-Ausführung einschließlich Messzelle und zulässiger Prozessbelastung betrachtet werden.
Wann ist eine mechanische Pulsationsdämpfung sinnvoll?
Wenn schnelle Druckschwankungen nicht nur das Signal stören, sondern die Messstelle mechanisch stark belasten, kann eine rein elektronische Dämpfung nicht ausreichen. Dann kann eine hydraulische beziehungsweise pneumatische Dämpfung vor dem Sensor sinnvoll sein. Je nach Medium und Anwendung kommen beispielsweise Drosselstellen, Pulsationsdämpfer, ausreichend dimensionierte Impulsleitungen oder speziell dafür ausgelegte Druckstoßdämpfer infrage.
Eine solche Maßnahme verändert im Gegensatz zur elektronischen Filterung tatsächlich die Druckübertragung zur Messzelle. Sie muss deshalb sorgfältig ausgelegt werden. Eine zu starke Drosselung kann das Messsignal erheblich verzögern, Leitungen können verstopfen und bei viskosen oder verschmutzten Medien kann ein ungeeignetes Dämpfungselement zusätzliche Probleme verursachen.
Vor einer mechanischen Dämpfung sollte deshalb geklärt werden, ob die Pulsation lediglich für die Anzeige störend ist oder ob tatsächlich relevante Druckspitzen beziehungsweise eine hohe zyklische Belastung der Messzelle vorliegen.
Pulsierende Messstelle systematisch diagnostizieren
- Dämpfung zunächst dokumentieren: Prüfen, welcher Dämpfungswert im SITRANS P320 aktuell eingestellt ist.
- Prozess mit möglichst geringer Dämpfung beobachten: Dadurch wird sichtbar, welche Dynamik der Transmitter tatsächlich erfasst.
- Frequenz und Größenordnung der Pulsation bestimmen: Regelmäßige Pumpenpulsation von einzelnen Druckstößen unterscheiden.
- Messbereich und zulässige Belastung der konkreten P320-Messzelle prüfen.
- Messkette berücksichtigen: SPS-Filter, Abtastrate und Trendaufzeichnung können zusätzliche Glättung verursachen.
- Bei Verdacht auf sehr kurze Spitzen eine ausreichend schnelle Referenzmessung einsetzen.
- Erst danach Dämpfung so einstellen, dass Signalruhe und notwendige Reaktionsgeschwindigkeit zusammenpassen.
- Bei mechanisch kritischen Pulsationen eine geeignete prozessseitige Dämpfung beziehungsweise Änderung der Anlage prüfen.
Praxisbeispiel: Pumpe mit stark schwankendem Drucksignal
Ein SITRANS P320 überwacht den Förderdruck hinter einer Kolbenpumpe. Bei geringer elektronischer Dämpfung schwankt das Signal kontinuierlich zwischen etwa 7,8 bar und 9,4 bar. Für die übergeordnete Regelung ist diese schnelle Schwankung störend, weil lediglich der mittlere Förderdruck benötigt wird.
Der Dämpfungswert wird erhöht. Danach zeigt das Prozessleitsystem einen wesentlich ruhigeren Verlauf um ungefähr 8,6 bar. Für die Regelung funktioniert die Messstelle nun deutlich besser. Gleichzeitig stellt sich jedoch die Frage, ob die zuvor sichtbaren Spitzen damit tatsächlich verschwunden sind.
Eine schnelle Vergleichsmessung direkt an der Druckleitung zeigt, dass die mechanische Pulsation weiterhin vorhanden ist. Einzelne kurze Spitzen erreichen sogar Werte oberhalb derjenigen, die im normalen SPS-Trend erkennbar waren. Die elektronische Dämpfung hat damit genau das getan, wofür sie vorgesehen ist: das übertragene Signal geglättet. Die Belastung von Rohrleitung und Messzelle hat sich dagegen nicht verändert.
Das Beispiel zeigt, weshalb ein ruhiger Trend niemals als Nachweis dafür verwendet werden sollte, dass keine dynamischen Druckspitzen mehr vorhanden sind.
Dämpfungswert des SITRANS P320 sinnvoll einstellen
Beim SITRANS P320 kann die Dämpfung bei der HART-Ausführung über den Parameter Damping value [04] eingestellt werden. Der Bereich reicht von 0,01 s bis 100 s. Ein größerer Wert führt zu stärkerer Glättung und entsprechend langsamerem Ansprechen auf Druckänderungen.
Für die Inbetriebnahme ist es sinnvoll, nicht unmittelbar einen sehr hohen Wert einzustellen. Zunächst sollte das reale Prozessverhalten mit kleiner Dämpfung beobachtet werden. Anschließend kann die Zeitkonstante schrittweise erhöht werden, bis das Signal ausreichend ruhig ist, ohne die für Regelung und Diagnose erforderliche Dynamik zu verlieren.
| Beobachtung nach Änderung | Bewertung | Mögliche Maßnahme |
|---|---|---|
| Signal weiterhin unnötig unruhig | Dämpfung möglicherweise zu gering | Dämpfungswert schrittweise erhöhen |
| Anzeige ruhig und Regelung stabil | Dämpfung wahrscheinlich passend | Einstellung dokumentieren |
| Reale Prozessänderung erscheint deutlich verspätet | Dämpfung möglicherweise zu hoch | Dämpfungswert reduzieren |
| Starke Druckspitzen bei kleiner Dämpfung erkennbar | Reales Prozessproblem möglich | Mechanische Belastung und Prozessursache untersuchen |
Häufige Fehler
- Dämpfung mit mechanischer Druckreduzierung verwechseln: Die Filterung verändert das Ausgangssignal, nicht den anliegenden Prozessdruck.
- Dämpfung erhöhen, ohne die Ursache der Pulsation zu untersuchen: Ein ruhiger Wert kann ein reales Anlagenproblem lediglich weniger sichtbar machen.
- Messbereich mit Überlastfestigkeit gleichsetzen: Die mechanischen Grenzwerte hängen von der konkreten Messzelle ab.
- Nur den SPS-Trend zur Spitzenwertanalyse verwenden: Abtastrate und zusätzliche Filter können sehr kurze Druckereignisse verbergen.
- Dämpfung unnötig hoch einstellen: Relevante Druckänderungen und Störungen werden dadurch verspätet erkannt.
- Mechanischen Pulsationsdämpfer pauschal einsetzen: Eine Drossel kann das dynamische Verhalten verändern und bei ungeeigneten Medien verstopfen.
- Nur den normalen Betriebsdruck spezifizieren: Für die Sensorauswahl müssen auch Anfahren, Abschalten, Pulsation und mögliche Druckstöße berücksichtigt werden.
SITRANS P320 für dynamische Druckmessungen
Der Siemens SITRANS P320 ist ein digitaler Prozessdruckmessumformer für Relativdruck, Absolutdruck und Differenzdruck sowie darauf aufbauende Prozessmessungen. Für klassische Druckmessungen steht unter anderem die Relativdruck-Baureihe 7MF0300 zur Verfügung. Je nach Ausführung können unterschiedliche Messbereiche, Prozessanschlüsse, Werkstoffe, Gehäusevarianten und Zulassungen gewählt werden.
Für eine pulsierende Druckanwendung ist insbesondere die richtige Messzelle entscheidend. Der normale Betriebsdruck, der tatsächlich benötigte Messbereich und mögliche dynamische Spitzen sollten bereits bei der Geräteauswahl berücksichtigt werden. Die parametrierbare elektronische Dämpfung kann anschließend genutzt werden, um das Ausgangssignal an die erforderliche Prozessdynamik anzupassen.
Der P320 bietet bei der 4–20-mA/HART-Ausführung eine einstellbare Dämpfung von 0,01 ... 100 s. Die Bedienung kann lokal am Gerät beziehungsweise über die digitale Kommunikation erfolgen. Zusätzlich stehen umfangreiche Diagnosefunktionen zur Verfügung.
Passende Siemens-Druckmesstechnik finden Sie unter Siemens Prozessinstrumentierung bei ICS Schneider. Weitere Informationen zum hier verwendeten Gerät finden Sie unter SITRANS P320 Prozesstransmitter.
Fazit
Die elektronische Dämpfung des SITRANS P320 ist ein wirkungsvolles Werkzeug, um ein pulsierendes Drucksignal für Anzeige, SPS und Prozessregelung zu beruhigen. Bei der HART-Ausführung kann der Dämpfungswert über einen großen Bereich eingestellt und damit an die Dynamik der jeweiligen Anwendung angepasst werden.
Eine stärkere Dämpfung reduziert jedoch lediglich die sichtbare beziehungsweise übertragene Dynamik. Die reale Druckpulsation in der Prozessleitung bleibt bestehen. Auch sehr kurze Spitzen können weiterhin auf Messmembran und Prozessanschluss wirken, selbst wenn sie im gedämpften 4–20-mA-Signal kaum noch erkennbar sind.
Deshalb müssen elektronische Signalfilterung und mechanische Sensorbelastung konsequent getrennt betrachtet werden. Für die Auswahl des P320 sind maximaler Prozessdruck, mögliche Druckspitzen und die zulässigen Belastungsgrenzen der konkreten Messzelle maßgeblich. Für die Parametrierung ist dagegen entscheidend, welche Reaktionsgeschwindigkeit für Regelung und Diagnose benötigt wird.
Für eine robuste Druckmessstelle gilt somit: zunächst die reale Prozessdynamik verstehen, anschließend Messbereich und Belastbarkeit passend auswählen und die elektronische Dämpfung erst danach so einstellen, dass störende Pulsationen geglättet werden, ohne relevante Prozessänderungen zu verbergen.
FAQ: SITRANS P320 bei pulsierendem Prozessdruck
Was bewirkt die elektronische Dämpfung beim SITRANS P320?
Die elektronische Dämpfung glättet schnelle Änderungen des gemessenen Drucksignals. Dadurch werden Anzeige und Ausgangssignal ruhiger, gleichzeitig reagiert der Transmitter langsamer auf reale Druckänderungen.
Welchen Dämpfungsbereich bietet der SITRANS P320?
Bei der 4–20-mA/HART-Ausführung kann der Dämpfungswert von 0,01 bis 100 Sekunden eingestellt werden. Die passende Einstellung hängt von der erforderlichen Signalstabilität und Reaktionszeit ab.
Reduziert die elektronische Dämpfung reale Druckspitzen?
Nein. Die Druckspitze wirkt weiterhin mechanisch auf Prozessanschluss und Messzelle. Lediglich ihre Darstellung im Ausgangssignal wird durch die Filterung abgeschwächt.
Kann eine Druckspitze vorhanden sein, obwohl sie im SPS-Trend nicht sichtbar ist?
Ja. Elektronische Dämpfung, Abtastrate der SPS, Analogeingangsfilter und die Aktualisierungsrate der Visualisierung können kurze Druckspitzen stark reduzieren oder vollständig verbergen.
Warum sollte man die Dämpfung nicht einfach maximal einstellen?
Eine sehr hohe Dämpfung macht das Signal zwar ruhig, verzögert aber gleichzeitig die Reaktion auf reale Prozessänderungen. Dadurch können Regelung, Alarmierung und Fehlersuche verschlechtert werden.
Schützt eine hohe Dämpfung die Messzelle vor Überlast?
Nein. Mechanischer Schutz entsteht dadurch nicht. Für die Messzelle sind der tatsächlich auftretende Druck und die zulässigen Belastungsgrenzen der konkreten Geräteausführung entscheidend.
Wann sollte ein mechanischer Pulsationsdämpfer verwendet werden?
Ein mechanisches beziehungsweise hydraulisches Dämpfungselement kann sinnvoll sein, wenn die Pulsationen die Messstelle tatsächlich mechanisch belasten oder für die gewünschte Messung zu stark sind. Ausführung und Dämpfungswirkung müssen zum Medium und zur erforderlichen Reaktionszeit passen.
Wie findet man einen geeigneten Dämpfungswert?
Das Prozessverhalten sollte zunächst mit geringer Dämpfung beobachtet werden. Danach kann der Wert schrittweise erhöht werden, bis die gewünschte Signalruhe erreicht ist, ohne wichtige Prozessänderungen unzulässig zu verzögern.
Welcher SITRANS P320 eignet sich für eine normale Relativdruckmessung?
Ein typisches Beispiel ist der SITRANS P320 der Relativdruck-Druckserie 7MF0300 mit 4–20 mA/HART. Messbereich, Prozessanschluss, Werkstoff und Zulassungen müssen passend zur konkreten Anwendung ausgewählt werden.
Was sollte bei stark pulsierenden Pumpenanwendungen zuerst geprüft werden?
Zuerst sollte geklärt werden, wie hoch die tatsächlichen Druckspitzen sind und wie schnell sie auftreten. Anschließend werden Messbereich und Belastbarkeit der Messzelle geprüft. Erst danach sollte entschieden werden, ob elektronische Signalglättung ausreicht oder zusätzlich eine prozessseitige Dämpfung erforderlich ist.