Wasserdruck-Sensor

Wasserdrucksensoren messen den Wasserdruck in Komponenten wie Rohren, Schläuchen und Tanks für verschiedene Wasseranwendungen. Diese Sensoren wandeln den physischen Druck in ein elektrisches Signal um, das dann in einen digitalen Wert umgewandelt wird, der gespeichert oder auf einem externen Display angezeigt werden kann. Diese Sensoren werden in verschiedenen Anwendungen eingesetzt, z. B. in kommunalen Wasserversorgungssystemen, bei der Bewässerung, der industriellen Prozesssteuerung, der Pumpensteuerung, der Überwachung von Tankfüllständen, in HVAC-Systemen und in der Schifffahrt. Die Auswahl eines geeigneten Sensors hängt von mehreren Faktoren ab, darunter Druck- und Temperaturbereich, Genauigkeit, Materialverträglichkeit, Größe und Installationsfreundlichkeit, Ausgangstyp und Kosten.

Inhaltsübersicht

• Arbeitsweise
• Wasserdrucksensor in einem Tank
• Wasserdrucksensor in einem Rohr
• Anwendungen
• Auswahlkriterien
• FAQs

Arbeitsweise

Ein Wasserdrucksensor, auch bekannt als Wasserdruckwandler, ist ein Gerät, das den Wasserdruck misst und die Messung in ein elektrisches Signal umwandelt. Dieses elektrische Signal kann dann den Druck anzeigen, aufzeichnen oder steuern.

Das Funktionsprinzip eines Wasserdrucksensors ist relativ einfach und kann in drei Hauptschritte unterteilt werden.

1. Druckmessung: Der Sensor misst den Wasserdruck, indem er die Kraft erfasst, die das Wasser auf einen bestimmten Bereich ausübt. Dies geschieht in der Regel mit einer Membran oder einem druckempfindlichen Element wie einem piezoelektrischen Kristall oder einem Dehnungsmessstreifen. Wenn sich der Wasserdruck ändert, verformt sich die Membrane oder das druckempfindliche Element oder ändert seine Form.
2. Umwandlung in ein elektrisches Signal: Die Verformung oder Formveränderung der Membran oder des druckempfindlichen Elements wird dann in ein elektrisches Signal umgewandelt. Dazu wird in der Regel eine Wheatstone-Brückenschaltung verwendet, mit der die durch die Verformung verursachte Widerstandsänderung gemessen werden kann. In einem piezoelektrischen Kristall erzeugt die Verformung eine Spannung, die direkt gemessen werden kann.
3. Signalverarbeitung: Das elektrische Signal wird dann verarbeitet und in ein Format umgewandelt, das leicht gelesen und verstanden werden kann. Dazu gehört die Verstärkung des Signals, das Herausfiltern von Rauschen und gegebenenfalls die Umwandlung in ein digitales Signal. Das verarbeitete Signal kann dann den Druck auf einem Messgerät anzeigen und für spätere Zwecke aufzeichnen

Hinweis:Einige Sensoren liefern nullbasierte Ausgänge (z. B. 0 - 5 V), während andere nicht-nullbasierte Ausgänge (z. B. 1 - 5 V) liefern. Der Nachteil eines auf Null basierenden Ausgangs ist, dass ein Messwert von 0 auf Null Druck oder einen Sensorausfall hinweisen kann. Ein Nullwert an einem Ausgang, der nicht Null ist, bedeutet einen Fehler.

Druckoptionen

Ein Wasserdrucksensor kann Absolut-, Relativ- oder Differenzdruck messen:

• Absolut: Absolutdruckmessungen werden unabhängig vom Atmosphärendruck gegen den Druck Null durchgeführt. Dies ist wichtig für Anwendungen, die unter den Atmosphärendruck fallen können, oder für Anwendungen, die von der Atmosphäre abgeschottet sind.

  • Unterwasser-Drucksensor: Der atmosphärische Druck kann sich tief unter Wasser erheblich verändern. Eine Absolutdruckmessung gibt den Druck an, den das Wasser trotz des sich ändernden atmosphärischen Drucks ausübt.

• Spurweite: Manometerdruckmessungen werden gegen den atmosphärischen Druck vorgenommen. Diese Messungen sind nützlich für Anwendungen, die auf atmosphärischen Druck angewiesen sind, wie z. B. Sanitär- und Wasserversorgungssysteme.

• Differentialdruck: Differenzdruckmessungen geben den Druckunterschied zwischen zwei verschiedenen Wassermassen an. Diese Art der Messung wird verwendet, um Druckverluste über Filter oder Drosseln zu messen.

Lesen Sie unseren Artikel über Druckarten, um mehr über die Unterschiede zwischen den Druckarten und den zu ihrer Messung verwendeten Druckmessgeräten zu erfahren.

Wasserdrucksensor in einem Tank

Wenn ein Wasserdrucksensor verwendet wird, um den Druck in einem Tank zu messen, kann der Wasserstand auch mit Hilfe des Pascalschen Gesetzes bestimmt werden. Mit anderen Worten: Der Wasserdruck (P) ist gleich der Dichte des Wassers (⍴) multipliziert mit der Schwerkraft (g), die auf das Wasser wirkt, multipliziert mit der Höhe der Wassersäule (h). Oder:

Wasserdrucksensoren in einem Tank werden in der Regel an einer von zwei Stellen installiert, wie in Abbildung 2 dargestellt:

• Innenseite des Tanks (A): Ein Wasserdrucksensor in einem Tank ist oben auf einem offenen Rohr installiert. Wenn das Wasser im Rohr aufsteigt, ändert sich der Luftdruck, was der Sensor verfolgen kann.

• Am Auslass (B): Wenn der Tankauslass an eine horizontale Leitung angeschlossen ist, kann ein Wasserdrucksensor an der Leitung zwischen dem Auslass und einem Absperrventil (z. B. einem Kugelhahn) installiert werden.

Wasserdrucksensor in einem Rohr

Wasserdifferenzdrucksensoren (Abbildung 3, Kennzeichnung A) können den Durchfluss in einem Rohr messen. Diese Drucksensoren messen die Druckänderung über eine Drosselstelle im Rohr (z. B. eine Blende oder ein Venturi) (Abbildung 3, Kennzeichnung D). Wenn das Wasser durch die Drosselstelle fließt, erhöht sich seine Geschwindigkeit, und der Druck sinkt. Zur Messung der Durchflussmenge wird eine vereinfachte Version des Bournelli-Prinzips verwendet:

Wo:

• P1 & P2: Vorgelagerter und nachgelagerter Druck

• ⍴: Flüssigkeitsdichte (Wasser = 1 ^g/cm3)

• v1 & v2: Geschwindigkeiten stromaufwärts und stromabwärts

Das Prinzip besagt, dass die Druckänderung gleich der Änderung der kinetischen Energie ist. Anhand der Daten zur Druckänderung und zur Flüssigkeitsdichte kann also die Änderung der Geschwindigkeit durch die Drosselstelle berechnet werden, die proportional zur Durchflussmenge ist (Q = A * v). Wenn sich beispielsweise die Geschwindigkeit verdoppelt, verdoppelt sich auch der Durchfluss.

3-Ventil-Krümmer

Für den Anschluss an ein Rohr verwenden Wasserdrucksensoren in der Regel einen 3-Ventil-Verteiler (Abbildung 3, Kennzeichnung B). Ein 3-Ventil besteht aus zwei Absperrventilen, die den Drucksensor vom Prozess isolieren, und einem dritten Ausgleichsventil, das die beiden Absperrventile verbindet. Wenn das Ausgleichsventil geöffnet wird, gleicht sich der Druck zwischen dem Nieder- und Hochdruckabsperrventil aus.

• Isolierung: Die Isolierung des Sensors vom Rohr ermöglicht eine einfachere Wartung, Kalibrierung und einen leichteren Austausch. Der Wasserfluss zum Sensor kann abgeschaltet werden, ohne dass das gesamte System abgeschaltet werden muss.

• Sicherheit: Der 3-Ventil-Verteiler sorgt auch dafür, dass der Wasserdruck in der Leitung den Wassersensor beim Ein- und Ausbau nicht beschädigen kann.

• Druckausgleich: Das Ausgleichsventil im 3-Ventil-Verteiler gleicht den Druck auf der Hoch- und Niederdruckseite aus. Dadurch kann der Wasserdrucksensor zu Kalibrierungszwecken auf Null gestellt werden.

Anwendungen

• Sanitär- und HLK-Systeme: Wasserdrucksensoren werden in Privathaushalten, im Gewerbe und in der Industrie zur Überwachung und Steuerung des Wasserdrucks in Sanitär-, Heizungs-, Lüftungs- und Klimaanlagen eingesetzt.

• Bewässerungs- und Pumpensysteme: Diese Sensoren sorgen für einen ausreichenden Wasserdruck bei der landwirtschaftlichen Bewässerung, bei Gartenbewässerungssystemen und beim Betrieb verschiedener Pumpen.

• Industrielle Prozesse und Behandlungsanlagen: Sie werden in verschiedenen Industriezweigen wie der Chemie-, Pharma-, Lebensmittel- und Getränkeindustrie zur Prozesssteuerung und -automatisierung sowie in Wasseraufbereitungsanlagen zur Überwachung und Steuerung des Wasserdrucks während der Reinigungs- und Verteilungsprozesse eingesetzt.

• Schifffahrt sowie Öl- und Gasindustrie: Sie überwachen Systeme auf Schiffen und U-Booten und werden zur Überwachung des Drucks von Wassereinspritzsystemen in der Öl- und Gasindustrie eingesetzt.

• Systeme zur Brandbekämpfung und Leckerkennung: Diese Sensoren überwachen den Druck in Sprinklersystemen und erkennen und lokalisieren Lecks in Leitungen und Tanks.

• Kraftwerke und Wasserversorgungsnetze: Sie steuern den Wasserdurchfluss und -druck in Wasserkraftturbinen und überwachen und regeln den Wasserdruck in kommunalen Wasserversorgungssystemen.

• Pool- und Spa-Ausrüstung: Sie sorgen für einen ordnungsgemäßen Wasserfluss und eine gute Filterung in Pool- und Whirlpoolsystemen.

Auswahlkriterien

• Größe und Einbau: Der Sensor sollte in die räumlichen Gegebenheiten der Anwendung passen und einfach zu installieren und zu warten sein.

• Ausgangssignal: Das Ausgangssignal des Sensors sollte mit dem Steuersystem, das das Signal empfangen soll, kompatibel sein. Gängige Ausgangssignale sind 4-20 mA, 0-10 V, 0-5 V oder digitale Ausgänge wie RS485 oder CAN-Bus.

• Medienkompatibilität: Der Sensor sollte mit der Flüssigkeit oder dem Gas, mit dem er in Kontakt kommt, kompatibel sein. Dazu gehören auch die Konstruktionsmaterialien des Sensors, wie z. B. die Membran und die Dichtungen.

• Reichweite: Der Druckbereich des Sensors sollte für den maximalen und minimalen Druck, der in der Anwendung auftritt, geeignet sein.

• Genauigkeit: Der Sensor sollte in der Lage sein, den Druck mit einer für die Anwendung geeigneten Genauigkeit zu messen. Dazu gehören Überlegungen zur Linearität, Hysterese und Wiederholbarkeit.

  • Linearität: Wenn sich der Druck ändert, steigt oder sinkt das Ausgangssignal des Sensors in einer geraden Linie. Wenn nicht, liegt ein Linearitätsfehler vor.

  • Hysterese: Die aktuelle Ausgabe des Sensors hängt von seinen früheren Ausgaben ab. Wenn der Messwert bei steigendem Druck anders ausfällt als bei fallendem Druck, handelt es sich um einen Hysteresefehler.

  • Wiederholbarkeit: Die Fähigkeit des Sensors, bei gleichem Druck immer das gleiche Ergebnis zu liefern, egal wie oft er gemessen wird. Die hohe Wiederholbarkeit bedeutet, dass der Sensor konsistent und zuverlässig ist.

• Betriebsumgebung Der Sensor sollte in der Lage sein, unter den zu erwartenden Temperatur- und Feuchtigkeitsbedingungen effektiv zu arbeiten. Es sollte auch in der Lage sein, möglichen Vibrationen, Stößen und elektromagnetischen Störungen standzuhalten.

• Zertifizierungen: Je nach Anwendung kann der Sensor spezielle Zertifizierungen benötigen, z. B. für den Einsatz in explosionsgefährdeten Bereichen oder für Trinkwasseranwendungen.

• Kosten: Schließlich sollte der Preis des Sensors in das Projektbudget passen, wobei nicht nur die Anschaffungskosten, sondern auch die Gesamtbetriebskosten, einschließlich der Wartungs- und potenziellen Austauschkosten, zu berücksichtigen sind.

FAQs

Wie funktioniert ein Wasserdrucksensor?

Ein Wasserdrucksensor verfügt über ein Element (z. B. eine Membran), das sich bei Änderungen des Wasserdrucks verformt. Die Verformung sendet ein elektrisches Signal an einen Konverter zur Anzeige des Wasserdrucks.

Was ist der Unterschied zwischen einem Wasserdrucksensor und einem Wasserdrucksensorschalter?

Ein Wasserdrucksensor erfasst kontinuierlich den Wasserdruck und kann zur Steuerung eines Prozesses verwendet werden. Ein Schalter ist jedoch in erster Linie dazu bestimmt, einen Prozess unter bestimmten Druckbedingungen zu steuern.