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Absolut vs Manometerdruck: Auswahl der richtigen Druckregelung

Alicat U mass flow and pressure application training

Absolutdruck oder Manometerdruck? Welchen Bezug sollten Sie verwenden, wenn Sie einen Druckkontrollprozess einrichten? Für viele Anwendungen kann diese Wahl einfach eine Frage der Fortsetzung der etablierten Konvention sein. Einige Drucksteuerungsanwendungen arbeiten jedoch bei oder gerade oberhalb des Atmosphärendrucks, beispielsweise der Gegendrucksteuerung für Prozessanalysatoren oder der Flusscharakterisierung für Zigarettenfilter. Bei Anwendungen wie diesen kann die Entscheidung für Absolut- oder Manometerdruck eine wichtige Entscheidung sein, die sich erheblich auf den beabsichtigten Prozess auswirkt.

Absolut vs Manometerdruck

Pressure is caused by the kinetic energy of molecules pressing against a surface.

Abbildung 1. Druck wird durch die kinetische Energie von Molekülen verursacht, die gegen eine Oberfläche drücken.

Druck ist ein Maß für die Kraft, die gegen eine Oberfläche drückt. Diese Kraft kommt von der kinetischen Energie von Molekülen, die sich gegen die Oberfläche bewegen. Nach dem Idealgasgesetz (PV = nRT) steigt der Druck mit der Temperatur und der Masse und nimmt mit dem Volumen ab. Betrachten wir einen starren Behälter mit einem perfekten Vakuum darin. Weil es keine Materie gibt, gibt es keinen Druck. Wenn wir etwas Gas in den Behälter geben, erzeugen die sich bewegenden Gasmoleküle Druck gegen die Behälterwände (1). Die Verdoppelung der Anzahl der Gasmoleküle verdoppelt ih

Abbildung 2. Das Hinzufügen von Masse zu einem starren Behälter erhöht den Druck darin.

ren Druck gegen den Behälter (Abbildung 2). Wenn wir jedoch das Volumen verdoppeln, haben die Gasmoleküle mehr Platz, und der Druck wird um die Hälfte reduziert (Abbildung 3). Das Erhöhen der Temperatur des Gases erhöht auch den Druck, da dies die kinetische Energie der Gasmoleküle und ihre Wechselwirkungen mit dem Behälter erhöht (4). Umgekehrt verringert ein Temperaturabfall den Druck, weshalb der Reifendruck an einem Wintermorgen niedrig sein kann (siehe unten).

Increasing the volume of a rigid container reduces the pressure inside it.

Abbildung 3. Durch Erhöhen des Volumens eines starren Behälters wird der Druck im Inneren reduziert.

 

 

 

 

 

 

Abbildung 4. IDurch Erhöhung der Temperatur in einem starren Behälter steigt der Druck im Inneren.

 

Dieses perfekte Vakuum, mit dem wir in den obigen Beispielen begonnen haben, ist die Referenz für absoluten Druck. Absolutdruckmessungen dürfen keine negativen Werte haben. Manometerdruck bezieht sich auf den lokalen atmosphärischen Druck, der selbst auf einer absoluten Skala gemessen wird. Mit anderen Worten, der Manometerdruck gibt an, um wie viel über oder unter dem örtlichen atmosphärischen Druck der Prozessdruck liegt. Bei Verwendung einer Manometerdruckskala ist der tatsächliche Gesamtdruck die abgelesene Anzeige plus der aktuelle lokale atmosphärische Druck (bezogen auf eine absolute Druckskala).

Konventionell werden Prozesse, die nicht unter den atmosphärischen Druck fallen können, typischerweise unter Verwendung von Manometerdruck gemessen. Der Reifendruck verwendet zum Beispiel eine Bezugsanzeige, weil wir wissen wollen, wie viel mehr Luft darin ist als in der umgebenden Atmosphäre. Ein platter Reifen hat einen Überdruck von 0, da sein Innendruck dem Atmosphärendruck entspricht. Vakuumabscheidungsprozesse werden jedoch üblicherweise auf eine absolute Skala bezogen, da sie den Prozess auf einem bestimmten Druck über dem absoluten Vakuum halten müssen. Dies ist jedoch nicht das Ende der Geschichte.

Druck, Temperatur und Höhe

Sind Sie jemals an einem kalten Morgen zu Ihrem Auto gegangen, um zu sehen, dass Ihr Reifendruck niedrig ist? Das Reifendruckkontrollsystem (TPMS) Ihres Autos ist nicht auf einmal verrückt geworden. Nach dem Idealgasgesetz (PV = nRT) steigt der Druck mit der Temperatur und der Masse und nimmt mit dem Volumen ab. Die kalte Temperatur hat die kinetische Energie der Luftmoleküle im Reifen Ihres Autos reduziert, und somit wurde der Druck reduziert. Das gleiche Phänomen kam während des “Deflategate” -AFC-Meisterschaftsfußballspiels im letzten Winter zum Vorschein, als kalte Temperaturen zu einem Druckverlust von 1,8 psi innerhalb des Fußballs beigetragen haben könnten.

Um die Sache noch komplizierter zu machen, nimmt der Luftdruck mit der Höhe ab, weil eine geringere Menge an Gasmolekülen gegen alles andere gedrückt wird. Im Vakuum des Weltraums gibt es praktisch keinen Druck, aber auf Meereshöhe beträgt der Druck im Durchschnitt 14,696 psia (absolut). So haben Städte auf Meereshöhe einen höheren atmosphärischen Druck als Städte in den Bergen. Beim Messen der Höhe zeigen Absolutdruckmessungen sehr unterschiedliche Werte an als Messungen des Überdruckes.

Nehmen wir zum Beispiel an, dass wir die Kappe einer leeren Wasserflasche in Alicats Büro in Tucson anziehen. Bei einer Höhe von 2160 Fuß beträgt der durchschnittliche Umgebungsluftdruck 13,67 psia (absolut), so dass der Druck in der Flasche ebenfalls 13,67 psi auf einer absoluten Skala beträgt. Auf einer Manometerdruckskala beträgt der Druck in der Flasche 0 psig, gleich dem Umgebungsluftdruck. Wir fahren die Wasserflasche bis zum 9159 Fuß hohen Gipfel des Berges Lemmon, nördlich von Tucson, wo der Luftdruck nur 10,44 psia beträgt. Der Luftdruck in der versiegelten Flasche bleibt 13,67 psia, was in dieser Höhe jetzt 3,23 psig (13,67-10,44) entspricht.

 

Manometerdruck eines Prozesses steigt mit abnehmendem Luftdruck.

Nach dem 2. Hauptsatz der Thermodynamik bewegen sich Fluide von Hochdruckbereichen in Bereiche mit niedrigem Druck. Wenn wir die versiegelte Wasserflasche auf dem Gipfel öffnen, wird der größere Druck im Inneren dazu führen, dass ein Teil der Luft aus der Flasche fließt, bis der Innendruck 10,44 psia beträgt, oder was jetzt 0 psig ist. Dann versiegeln wir die Flasche wieder am Gipfel und kehren den Berg hinunter. Der Druck innerhalb der Flasche (10,44 psia) ist nun geringer als der Umgebungsatmosphärendruck (13,67 psia), so dass der Druck auf einer Messskala -3,23 psig (10,44-13,67) beträgt. Wenn wir die Flasche öffnen, strömt die Umgebungsluft in die Flasche mit dem niedrigeren Druck, bis ihr Druck auf 13,67 psia angestiegen ist.

Manometerdruck eines Prozesses nimmt mit steigendem Luftdruck ab.

 

Druck- und Wettersysteme

Wettersysteme erhöhen oder verringern den lokalen atmosphärischen Druck um einen kleinen Betrag. Der Luftdruck schwankt im Laufe des Tages und erreicht typischerweise seinen Höhepunkt um 10 Uhr und seinen Tiefpunkt bei etwa 4 Uhr. Dieser Unterschied ist am Äquator am größten, wo sowohl die Rotation der Erde als auch die täglichen Temperaturschwankungen am größten sind. Wettersysteme bringen neben täglichen Schwankungen auch Druck, der entweder höher oder niedriger als der Durchschnitt sein kann. Während des ganzen Jahres kann der Luftdruck eines einzelnen Standorts bis zu 0,3 psi variieren. Orte, die häufige Stürme, tropische Temperaturen oder Hurrikane erleben, können in viel kürzerer Zeit noch größere Schwankungen feststellen.

Wenn wir wieder den Fall von Tucson, Arizona, betrachten, beträgt unser durchschnittlicher atmosphärischer Druck ungefähr 13,7 psia, mit typischen Hochs von 13,8 psia und Tiefs von 13,6 psia. Wenn wir einen Prozess mit nur 0,3 psi über Atmosphärendruck steuern wollten, sollten wir einen Manometerdruckregler oder einen Absolutdruckregler verwenden? Manometerdruckregelung (die linke Seite in der Abbildung unten) würde zu einer instabilen Regelung führen, die die Wellen der lokalen atmosphärischen Druckschwankungen beeinflusst. Diese Fluktuationen wären jedoch nicht sichtbar, da die Steuerung immer einen Überdruck von 0,3 psig ablesen würde. Die absolute Druckregelung (rechts unten) ermöglicht eine ständige Kontrolle, unabhängig davon, was in der Atmosphäre passiert, da sie auf den Unterdruck und nicht auf den atmosphärischen Druck bezogen ist.

Absolutdruckregelung stabilisiert die Auswirkungen der atmosphärischen Druckvariabilität.

Beachten Sie, dass je größer Ihr Drucksollwert über dem Atmosphärendruck ist, desto weniger Auswirkungen die obigen Fluktuationen haben. In Tucson würde ein Prozess, der auf 100,0 psig eingestellt ist, Fluktuationen von 113,6 psia bis 113,8 psia sehen, wohingegen die absolute Drucksteuerung einen stetigen Druck von 113,7 psia bereitstellen würde. Auf der Skala von 113,7 psia würde eine Abweichung von +/- 0,1 psi wahrscheinlich unbedeutend für das Verfahren und die Frage sein und eine absolute Drucksteuerung nicht rechtfertigen.

Auswahl der richtigen Druckreferenz

Die obigen Beispiele zeigen, wie wichtig es ist, die richtige Referenzskala zum Messen oder Steuern des Drucks in Ihren Prozessen zu wählen. Wenn wir einen bestimmten Druck innerhalb eines Prozesses isolieren wollen, unabhängig davon, was in der Atmosphäre passiert, dann sollten wir ein System absoluten Drucks verwenden. Wenn es jedoch darum geht, einen bestimmten Druck in Bezug auf den aktuellen Luftdruck aufrechtzuerhalten, dann sollten wir ein System von Manometerdruck verwenden. Ein Manometerdruckregler wird Luft hinzufügen oder entfernen, wenn der Umgebungsluftdruck steigt und sinkt, um die gewünschte Druckdifferenz aufrechtzuerhalten. Wie wir gesehen haben, werden Anwendungen, die eine Steuerung von niedrigen Atmosphärendrücken erfordern, höchstwahrscheinlich am meisten von der Absolutdrucksteuerung profitieren.

Wenn Sie Fragen zu Ihrer Druckkontrollanwendung haben, wenden Sie sich bitte an Alicat (info@alicat.com oder 888-290-6060), damit einer unserer Anwendungsingenieure Ihnen helfen kann, die richtige Lösung zu finden.

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