Druckmessgerät


Druckmessgerät
Mechanik eines Rohrfeder-Manometers (vgl. Skala)
Vakuumbarometer auf Quecksilberbasis (Flüssigkeitsbarometer)
Anleitung zur Druckmesstechnik im pdf-Format

Ein Druckmessgerät (auch Manometer – von griech. manos „dünn, durchlässig“) ist eine Messeinrichtung zur Erfassung und zum Anzeigen des physikalischen Druckes eines Mediums (Flüssigkeit, Gas). Die meisten Manometer benutzen den Außenluftdruck als Referenzdruck, nur bei Sonderbauformen zum Messen des absoluten Drucks wie zum Beispiel beim Barometer wird ein Vakuum als Referenz benutzt. Druckmessgeräte können aufgrund ihrer Messverfahren in

  • direkte Druckmessgeräte (Messung der Kraft pro Fläche)
  • indirekte Druckmessgeräte (Messung über Teilchenzahldichte, Wärmeleitung etc.)

eingeteilt werden.

Inhaltsverzeichnis

Direkte Druckmessgeräte

Direkte Druckmessgeräte nutzen die Krafteinwirkung des Drucks und stellen die gemessenen Druckdifferenzen direkt über mechanische Vorrichtungen (z. B. Hebel mit Zeiger) dar. Daher bieten diese Messgeräte den Vorteil der Gasartunabhängigkeit. Jede mechanische Messung geht mit einer Deformation (Wegänderung, Winkeländerung etc.) einher. Solche Wegänderungen können prinzipiell

  • mechanisch
  • kapazitiv
  • induktiv
  • piezoresistiv
  • über Dehnungsmessstreifen

weitergegeben werden und je nachdem in entsprechende Ausschläge/Signale umgewandelt werden.

Rohrfeder-Manometer

Das Medium strömt in eine am Ende verschlossene Röhre mit ovalem Querschnitt, die halbmondförmig gebogen ist. Der einwirkende Druck biegt diese Form auf, da der Druck bestrebt ist, den Querschnitt der Röhre in Kreisform zu bringen. Die Größe dieser Bewegung wird durch eine Mechanik in eine Drehbewegung umgesetzt, die den Zeiger dann bewegt und den Druckmesswert auf der Skala anzeigt.

  • Schraubenfeder-Manometer

Es gibt auch Manometer, bei denen die Bourdonfeder, oder Bourdonröhre ähnlich einer Schraubenfeder mehrfach gewickelt ist, wodurch sich die Bewegung stark vergrößert. Der Zeiger ist direkt am Ende der Feder angebracht. Dadurch kann man auf eine aufwändige Mechanik verzichten, weshalb dieses Verfahren häufig bei Miniaturmanometern angewandt wird, siehe Bild.

Kolbenmanometer

Beim Kolbenmanometer wird der Druck durch einen Kolben, der sich gegen eine Kraft verschiebt, angezeigt. Die Kraft kann durch Federn aufgebracht werden (z. B. Dampfkochtopf, da kombiniert mit Überdruckventil) oder durch Gewichte (Präzisionsmanometer). Dieses Prinzip wird zum einen für sehr einfache Manometer benutzt, zum anderen werden auch hochpräzise Kolbenmanometer zum Eichen bzw. Kalibrieren anderer Druckmessgeräte benutzt. Bei diesen Drehkolbenmanometern wird der Kolben zur Vermeidung von Verkantungsmessfehlern in Drehung versetzt.

Eine Sonderbauform sind sogenannte „Popouts“. Bei dieser Bauart wird beim Überschreiten eines bestimmten Druckes lediglich ein Stift aus dem Gehäuse gedrückt. Dies wird zur Anzeige von Filterverstopfung verwendet.

Flüssigkeitsmanometer

McLeod-Manometer

Hier wird der Druck durch Verschieben einer Flüssigkeitssäule angezeigt. Dazu wird ein U-förmiges Glasrohr benutzt, das bis etwa zur Hälfte mit der Sperrflüssigkeit (Quecksilber oder Wasser) gefüllt ist. Wenn dann eine Druckdifferenz zwischen den Schenkeln des U anliegt, verschiebt sich die Flüssigkeitssäule zu der Seite mit dem geringeren Druck. Der Niveauunterschied ist das Maß für die Druckdifferenz. Diese Bauart wird heutzutage nur noch selten verwendet, da die verwendeten Flüssigkeiten entweder giftig sind oder leicht verdunsten. Auch ist dieses Messverfahren, abhängig von der Dichte der Sperrflüssigkeit, nur für geringe Drücke geeignet. Ein U-Rohr Manometer für 1 bar Druck wäre mit Wasser über 10 Meter hoch (mit Quecksilber immer noch 760 mm). Häufigste Verwendung waren Blutdruckmesser, die Quecksilber als Flüssigkeit verwendeten. Daher auch die Maßeinheit mmHg (mm Quecksilbersäule) für den Blutdruck.

  • McLeod-Manometer

Das McLeod ist ein Kompressions-Flüssigkeits-Manometer nach McLeod (Eine Gasmenge mit dem Volumen V1 wird auf das Volumen V2 komprimiert. Im gleichen Verhältnis erhöht sich der Druck von p1 auf p2 (Boyle-Mariottesches Gesetz), welcher bequem zu messen ist. Aus p2 kann p1 berechnet werden.

  • Ringwaage

Hauptartikel: Ringwaage

Quecksilber als Manometerflüssigkeit

Die Gründe für die bis heute andauernde Verwendung von Quecksilber in Manometern sind:

  • Dichte: Die maximale messbare Druckdifferenz wird durch die Höhe des U-Rohres einerseits (die üblicherweise durch die Raum- oder Ablesehöhe begrenzt ist), sowie die Dichte der Flüssigkeit andererseits begrenzt; hier ermöglicht das Quecksilber bei gleicher Rohrlänge die Messung deutlich höherer Differenzdrücke als z. B. Wasser (siehe auch oben).
  • Geringe Kapillarwirkung: Quecksilber bildet in Glasrohren eine relativ plane Oberfläche, dies erlaubt ein präzises Ablesen.
  • Farbe: Auch ohne Färbung lässt sich der Flüssigkeitsspiegel bei Quecksilber in Glasrohren gut ablesen.
  • Stabilität: Quecksilber ist gegenüber den meisten Gasen chemisch stabil.
  • es können auch Differenzdrücke von Flüssigkeiten gemessen werden

Probleme entstehen dabei aus:

  • Dem Reinigungsprozess: Auch wenn Quecksilber z. B. aus Luft nur sehr geringe Mengen an Feuchtigkeit aufnimmt, muss es doch gereinigt werden, bevor das Messergebnis durch die Herabsetzung der Dichte verfälscht wird. Bis in die siebziger Jahre des zwanzigsten Jahrhunderts war es in Laboratorien üblich, das Quecksilber aus Manometern dazu „auszukochen“. Dies ist zwar einfach, jedoch wegen der dabei trotz allem entstehenden Quecksilberdämpfe aus Gründen des Arbeitsschutzes inakzeptabel.
  • Einer möglichen Verunreinigung der Umgebung (z. B. bei Glasbruch der Instrumente, Verschütten beim Befüllen oder Entleeren durch zu großen Differenzdruck).

Membranmanometer

Digitalmanometer mit einer Druckmessdose

Diese Bauart arbeitet mit einer Gummi- oder Metallmembran, die ein- oder beidseitig mit Druck beaufschlagt wird. Bei Druckdifferenzen zwischen den Seiten der Membrane wölbt sich diese, was einer Wegveränderung entspricht. Das kann folgendermaßen zur Anzeige gebracht werden:

  • mechanisch: für höhere Drücke kann hier auch eine Feder eingebaut werden. Diese Bauart wird recht selten verwendet, da sie nur für kleinere Drücke geeignet ist und die Anzeige nicht linear ist (Skala am Ende zusammengedrängt).
  • kapazitiv
  • induktiv
  • piezoresistiv
  • über Dehnungsmessstreifen
Funktionsschema eines Dosenbarometers

Beim Dosenmanometer wird eine Druckdose mit gewellter Wandung eingesetzt, so dass diese axial flexibel ist. Die Dose kann von außen oder innen mit Druck beaufschlagt werden. Die Dose verändert abhängig von der Druckdifferenz ihre Länge, was ähnlich dem Membranmanometer zur Anzeige gebracht wird. Diese Manometer sind ebenfalls für geringere Drücke geeignet, arbeiten aber sehr genau. Typische Anwendung sind das Barometer sowie verschiedene Fluginstrumente. Der Membranmanometer wird auch Plattenfedermanometer genannt.

Indirekte Druckmessgeräte

Indirekte Druckaufnehmer nutzen sekundäre physikalische Effekte, denen die Theorie über Druck als Maß für die Teilchenzahldichte zugrunde liegen, wie:

oder ganz speziell wie beim medizinischen Manometer, wo der Luftdruck in der Manschette an die der Arterie angepasst wird.

Spezielle Druckmessgeräte

Barometer

Ein Barometer wird zur Bestimmung des Luftdruckes verwendet. Es werden in der Regel Absolutdruckmessgeräte eingesetzt, die den Druck gegenüber einem Vakuum messen. Dieser Druckunterschied führt zu einer Kraft, die auf eine Fläche (meist eine Membran) ausgeübt wird und mittels Kraftmessung bestimmt werden kann. Barometer haben üblicherweise einen Messbereich von 800 bis 1200 mbar Absolutdruck (Druck gegenüber Vakuum).

Drucksensoren

Ein Drucksensor ist ein Messelement, welches die physikalische Größe Druck in eine zum Druck proportionale elektrische Ausgangsgröße umwandelt. Zur Bestimmung des Auflagendrucks wird die Definition des Druckes benutzt und auf eine Kraftmessung zurückgeführt. Es eignen sich somit sämtliche Messverfahren die auch für die Kraft- und Gewichtsmessung verwendet werden, wie piezoelektrische Sensoren, Dehnungsmessstreifen aber auch Druckwaagen.

Sonstiges

  • Biologie
    • das Trommelfell ist ein Sensor des Hörorganes, das nur für Druck (Schallwechseldruck) empfindlich ist
    • Barorezeptoren registrieren den Druck des fließenden Blutes auf die Gefäßwände
  • Technik
    • Schalldruckempfänger, sind Mikrofone einer speziellen Bauart, die dem am Mikrofon empfangenem Schalldruck proportionale elektrische Signale erzeugen

Siehe auch


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