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Einführung in die physikalisch- chemischen Übungen L.V. – Nr.: 646.521 SS, 2-stündig Univ.Prof. Dr. V. Ribitsch.

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1 Einführung in die physikalisch- chemischen Übungen L.V. – Nr.: SS, 2-stündig Univ.Prof. Dr. V. Ribitsch

2 Lehrstoff Einführung, Experiment, Messen Maßsysteme, SI – Einheiten Messen, Genauigkeit, Auflösung... Fehler, Fehlerfortpflanzung, Statistik Messsysteme, Sensoren, Wandler, Anzeigeinstrumente Analoge – digitale Messung, A/D Wandlung Übertragungs-Codes Länge, Fläche, Volumen, Kraft, Gewicht, Masse, Dichte Temperatur, Wärme Druck pH Konzentration (Photometrisch, LF, RI, US, Fluoreszenz) Elektrische Größen (Strom, Spannung, Widerstand) Zeit, Frequenz Lichtintensität, Potomuliplier Diode, Verstärker LED, Phototransistor

3 DRUCK

4 Druck Übersicht 1.Allgemeines 1.1 Definitionen, Einheiten, Umrechnung 1.2 Druckarten 1.3 Druckmessung 1.4 Druckmessgeräte 2.Druckmessgeräte mit Sperrflüssigkeiten 2.1 Allgemeines 2.2 U-Rohrmanometer 2.3 Schrägrohrmanometer 2.4 Kolbendruckmessgerät 3.Federelastische Druckmessgeräte 3.1 Rohrfedermanometer 4.Druckmessumformer 4.1 Elektrische Druckmesser 4.2 Piezoelektrische Druckaufnehmer 5. Druckmittler

5 1. Allgemeines Der Druck ist eine der Größen, die erforderlich sind, um den thermodynamischen Zustand eines Fluids zu beschreiben. Der Druck oder die Druckspannung ist eine besondere Form einer Spannung, also einer auf die Flächeneinheit wirkenden Kraft. In technischen Anlagen wird der Druck aus unterschiedlichen Gründen gemessen. Bei einem Teil der Druckmessungen interessiert der Wert des vorliegenden Drucks unmittelbar, zum Beispiel weil er Auskunft über den thermodynamischen Zustand oder den Ablauf des betreffenden technischen Prozesses gibt, etwa über den Energieinhalt eines Wasserdampfes oder die zu erwartende Reaktionsgeschwindigkeit eines chemischen Prozesses. Ein weiterer Grund wäre, dass aus sicherheitstechnischen Gründen bekannt sein muss, ob sich der Druck einer bestimmten Grenze nähert. Häufig wird der Druck jedoch auch gemessen, um hierdurch indirekt die Werte anderer physikalischer Größen zu erhalten. Dies gilt vor allem für verschiedene Verfahren der Durchflussmesstechnik, bei denen man die Messergebnisse aus Messwerten des Drucks oder von Druckdifferenzen gewinnt, eine in der technischen Praxis häufig angewandte Messmethode. Dies gilt weiters für das Messen von Flüssigkeitsständen, besonders der Füllhöhen von Flüssigkeiten in Behältern. Druck

6 1.1 Definitionen, Einheiten, Umrechnung Druck p ist definiert als der Quotient aus der senkrecht zur Fläche wirkenden Kraft F und der Fläche A. p = F/A Die Einheiten für die Druckmessung sind in der internationalen Norm ISO 1000 bzw. in der Deutschen Norm DIN 1301 festgelegt. Für die Druckmessung wurden folgende Einheiten festgelegt: 1 Pascal (Pa) ist gleich dem auf eine Fläche gleichmäßig wirkend Druck, bei dem senkrecht auf die Fläche 1 m² die Kraft 1 Newton (N) ausgeübt wird: 1 Pa = 1N/m² Weitere Beziehungen: 1 hPa= 1 mbar 1 mmHg= 1 Torr 1 kp/cm ²= 1 at (atü) Umrechnung der Druckeinheiten PabarTorratm * ,87 * ,987 F A

7 Druck

8 Druckbereiche > 10 barextremer Hochdruck 10 2 – 10 4 bartechnischer Hochdruck 10 – 100 barMitteldruck 1 – 10 barmäßiger Duck – 1 barGrobvakuum ( 2, – 2, Teilchen/m³) – barFeinvakuum ( 2, – 2, Teilchen/m³) – barHochvakuum (2, – 2, Teilchen/m³) < barUltrahochvakuum (< 2, Teilchen/m³)

9 Druck Technische Einheiten: Entsprechend der Ausführungsverordnung zum Gesetz über Einheiten im Messwesen vom 26. Juni 1970 nicht mehr zulässig. Atmosphäre: 1 atm= 1 physikalische Atmosphäre (Standard-Atmosphäre nach B.S.) = 760 mm Hg bei 0 °C und Standard-Erdbeschleunigung 9,80665 m/s². mm Quecksilber: 1 mm Hg= Druck einer Quecksilbersäule von 1 mm bei 0 °C und einer Standard- Dichte von 13,5951 g/cm³ bei Standard-Erdbeschleunigung von 9,80665 m/s².

10 Druck 1.2 Druckarten Absoluter Druck: Der Absolutdruck p abs ist der Druck gegenüber dem Druck Null im leeren Raum. Er wird absolut gemessen, d.h. ohne Berücksichtigung des aktuellen Luftdruckes. Der (absolute) Atmosphärendruck heißt p amb (von lateinisch: ambiens = umgebend). Normaldruck = mbar. Differenz Druck: Die Differenz zweier Drücke p 1 und p 2 wird Druckdifferenz p = p 1 - p 2 oder Differenzdruck p 1,2 genannt. Überdruck: Die Differenz zwischen einem absoluten Druck p abs und dem jeweiligen (absoluten) Atmosphärendruck p amb heißt Überdruck p e. Der Überdruck p e nimmt positive Werte an, wenn der absolute Druck größer als der Atmosphärendruck p amb ist. Er nimmt negative Werte an, wenn der absolute Druck kleiner als der Atmosphärendruck ist. Negativer Überdruck wird auch Unterdruck genannt. p abs p amb p eü p eu p = 0 absolutes Vakuum

11 1.3 Druckmessung Druck (Fläche, Membrane) Kraft (elast. Verformung) Wegänderung Unmittelbare Messung: Mittelbare Messung: Es wird die Wirkung des Druckes auf bestimmt geformte Körper ausgenützt. z.B.: elastische Formänderung von Hohlkörpern ändern die elektrischen oder magnetischen Eigenschaften, ev. optische oder chemische Eigenschaften. Druckmessung

12 1.3 Druckmessgeräte Bezüglich des Wirkungsprinzips sind für die Mess-, Steuer-, und Regelungstechnik wichtig: Druckmessgeräte mit Sperrflüssigkeit – unmittelbare Druckmessgeräte Federelastische Druckmessgeräte - mittelbare Druckmessgeräte Druckmessumformer Druckmessgeräte mit Sperrflüssigkeit haben heute an Bedeutung verloren, sind aber nach wie vor im Handel. In der industriellen Messtechnik werden für die örtliche Messung und Ablesung des Druckes hauptsächlich federelastische Druckmessgeräte (Manometer) eingesetzt. Druckmessumformer sind immer dann angebracht, wenn die Weiterverarbeitung des Druckes durch Prozessleitsysteme erfolgt. Druckmessgeräte

13 2. Unmittelbare Druckmessgeräte (Flüssigkeitsmanometer) 2.1 Allgemeines Flüssigkeitsmanometer, die mit einer Sperrflüssigkeit arbeiten, werden vor allem zur Messung kleiner Drücke und Druckdifferenzen eingesetzt. Als Sperrflüssigkeit verwendet man: im allgemeinenWasser ( = 1,0 kg/dm³), das meist gefärbt wird (z.B. Fluorescin). für die Messung kleiner Drücke (bessere Benetzungseigenschaften) Ethylalkohol und Spezialöle ( = 0,88 kg/dm³), Silikon und Frostschutzmischungen für höhere Drücke Tetrabromethan, Tetrachlorkohlenstoff ( = 1,6 kg/dm³) und Quecksilber ( = 13,55 kg/dm³). Druckmessgeräte mit Sperrflüssigkeit Messfehler: ~0,5% Dichteänderung mit der Temperatur Längenänderung der Skala und Abweichung der Erdbeschleunigung vom Ort Einfluss auf die Oberflächenspannung

14 2. Unmittelbare Druckmessgeräte (Flüssigkeitsmanometer) 2.2 U-Rohr-Manometer Eine sehr einfache Form eines Druckmessgerätes ist das U- Rohr-Manometer. Es besteht aus zwei senkrecht stehenden und zu einer U-Form verbundenen Rohrschenkeln. In diesem u-förmigen Rohr befindet sich eine Sperrflüssigkeit. Wirken an den beiden Anschlüssen eines solchen U-Rohr-Manometers verschieden große Drucke p 1 und p 2, so verschiebt sich die Sperrflüssigkeit aus der Nullage, so dass zwischen dem Stand der Sperrflüssigkeit in den beiden senkrechten Schenkeln eine Höhendifferenz h entsteht. Mit der Dichte s der Sperrflüssigkeit und unter der Annahme, dass in den beiden Zuleitungen zum U-Rohr- Manometer das gleiche inkompressible Fluid mit Dichte F vorliegt, gilt Druckmessgeräte mit Sperrflüssigkeit p1p1 p2p2 h Messbereich: 10mbar – 600 bar

15 2.3 Schrägrohrmanometer Sind höhere Ablesegenauigkeiten erforderlich, werden Flüssigkeitsdruckmesser mit schrägem Rohr eingesetzt. Beim Schrägrohrmanometer ist ein Schenkel schwach steigend angeordnet. Eine kleine Höhendifferenz ändert daher die Länge der Flüssigkeitssäule stark Druckmessgeräte mit Sperrflüssigkeit Wichtig ist, dass die Neigung des Messschenkels bei Kalibrierung und Messung gleich ist. Um dieses zu erreichen, sind die Geräte mit Justierschrauben und Libellen ausgerüstet. Schrägrohrmanometer mit kapazitivem Abgriff der Lage der Flüssigkeitssäule sind auch als Messumformer lieferbar. P1P1 P2P2 h Messanfang Messende Messbereich: bis 10mbar

16 2.4 Kolbendruckmessgeräte Kolbendruckmesser mit federbelastetem Kolben Messgeräte die die Gegenkraft mit Federn erzeugen, nennt man Kolbendruckmesser Die Genauigkeit wird durch die Reibung begrenzt ~ 1%. Der Messbereich liegt zwischen 1 und 500 bar. Durch die Wegbegrenzung ist eine große Überdrucksicherheit gewährleistet. Kolbendruckmesser verschleißen. Druckmessgeräte mit Sperrflüssigkeit Skala Feder Kolben Dichtung Druck

17 3. Mittelbare Druckmessgeräte Funktionsprinzip: Die elastische Verformung einer Wand des Druckraumes wird mechanisch oder elektrisch auf die Druckanzeige übertragen. Verwendung: Wegen des einfachen Messprinzips und der robusten Bauweise werden Federmanometer ein einem großen Druckbereich angewandt – 0,001bar – bar. 3.1 Rohrfedermanometer /1 Das Messwerk eines Rohrfedermanometers enthält eine einseitig eingespannte elastische Rohrfeder, die sogenannte Bourdon-Feder. Dieses elastische Messglied verformt sich proportional zum anstehenden Druck. Nach der Definition des Druckes p = F/A ergibt sich für die daraus resultierende Kraft F = p*A Federelastische Druckmessgeräte Die äußere Fläche der Rohrfeder größer ist als die Innere,damit überwiegt die nach außen gerichtete Kraft. Bei steigendem Druck biegt sich die Feder auf. Mit Hilfe eines mechanischen Hebelwerkes wird diese relativ kleine Auslenkung auf einer entsprechend geteilten Skala angezeigt.

18 3. Mittelbare Druckmessgeräte 3.1 Rohrfedermanometer /2 Für Drücke bis etwa 60 bar setzt man kreisförmige Rohrfedern ein. Durch Veränderung der Profilform, des Materials oder der Wandstärke der Rohrfeder ist das Messen von kleinen Drücken genau so möglich wie die Messung von Drücken bis bar. Federelastische Druckmessgeräte Rohrfedermanometer sind empfindlich gegen Überlastung. Um reproduzierbar messen zu können ist es erforderlich, dass die Rohrfeder durch den zu messenden Druck nur elastisch und nicht bleibend verformt wird. Dies ist um so leichter zu erreichen, je geringer die Bewegung des freien Federendes ist. Bleibende Verformungen sind dadurch zu erkennen, dass der Zeiger des Manometers nicht mehr auf den Nullpunkt zurückgeht. Anzeigegenauigkeit: Feinmanometer – 0,1% Einfache Geräte – 4% 1 Rohrfeder6 Zugstange 2 Zeigerwelle 7 Segment 3 Spiralfeder 4 Federendstück 5 Federträger

19 3. Mittelbare Druckmessgeräte 3.2 Plattenfeder-Manometer Plattenfedern sind kreisförmige, gewellte Membranen, zwischen zwei Flansche am Rand eingespannt oder verschweisst und werden einseitig vom Druck des Messstoffes beaufschlagt. Man erreicht eine stabile Nullpunktlage und einen linearen Zusammenhang zwischen Druck und Membranauslenkung, die induktiv gemessen wird. Anwendung: stationäre u. instat. Differenzdruckmessung Messbereich: 0,01 bar - 25 bar Genauigkeit: ca. 1% des Messbereichs Federelastische Druckmessgeräte 3.3 Kapselfeder-Manometer Sie bestehen aus zwei konzentrisch gewellten Metallmembranen, die am Rand druckdicht miteinander verbunden sind. Unter dem Einfluss des Druckes wölbt sich die Kapsel beidseitig auf. Bei Unterdruckmessungen wird sie vom Außendruck beidseitig zusammengedrückt. Anwendung: Mess-, Steuer- und Regelungstechnik Messbereich: 0 - 2,5 bar

20 4. Druckmessumformer 4.1 Elektrische Druckmessgeräte Das Messprinzip elektrischer Druckmesser beruht auf der Änderung der elektrischen Eigenschaften von Widerständen, Kondensatoren und Spulen. Elektrische Druckaufnehmer eignen sich zum Messen schnell veränderlicher Drücke und für sehr große Drücke. Die Verarbeitung des Messsignals erfolgt durch geeignete Messverstärker. Nachteil: Die Notwenigkeit elektrische Hilfsenergie Vorteil: Sie sind robust und haben ein ausgezeichnetes dynamisches Verhalten Widerstandsdruckmesser Man verwendet als Aufnehmer Dehnungsmessstreifen (DMS). Messeffekt: der elektrische Widerstand von Drähten bei Dehnung ändert sich reversibel. Für die Druckmessung wird der Messdruck mittels eines Faltenbalgs oder einer Membran in eine genügend große Kraft umgesetzt, mit der ein Trägerelement mit Dehnungsmessstreifen gedehnt oder gestaucht wird. Die Widerstandsänderung der DMS ist dann proportional dem zu messenden Druck. Elektrische Druckmessung

21 4. Druckmessumformer Widerstandsdruckmesser /2 Der Metallfolien-DMS wird mit Hilfe der Fotoätztechnik hergestellt und in den Metallträger mit Phenolharz eingebettet. Der Folienstreifen wird mit einem heiß aushärtenden Klebstoff mit dem Federkörper verbunden. Wird der Federkörper mit einer mechanischen Kraft beaufschlagt, so verformt sich dieser. Diese Verformung wird von den vier DMS der Kraftsensorfolie aufgenommen. Je zwei DMS-Sensorelemente sind bei dieser Applikation auf Zug und Druck beansprucht. Elektrische Druckmessung TrägerfolieMessgitter Anschlüsse TrägerfolieMessgitter Anschlüsse wirksame Messgitterlänge

22 4. Druckmessumformer Induktive Druckmesser Bei induktiven Druckmessern wird durch den anliegenden Druck eine Membran gedehnt. Es resultiert ein Messhub, der einen Weicheisenkern im Innern einer Spule bewegt. Die sich dadurch verändernde Induktivität der Spule ist ein direktes Maß für den an der Membran anliegenden Druck. Elektrische Druckmessgeräte Membran Anschlussstecker O-Ring Kapazitive Aufnehmer /1 In einem kapazitiven Aufnehmer bewegt sich die Messmembran zwischen zwei Kondensatorplatten. Das Volumen der Messzelle wird durch das eigentliche Messelement in zwei Volumengleiche Kammernhälften geteilt. Die Kammern werden durch flexible Trennmembranen nach außen abgeschlossen und enthalten eine Ölfüllung zur Kraftübertragung zwischen Trennmembran und Messmembran. Es besteht eine hydraulische Koppelung zwischen dem Messmedium und der Messmembran.

23 4. Druckmessumformer Kapazitive Aufnehmer /2 Die eigentliche Messzelle besteht aus zwei rotationssymmetrischen konkaven Vertiefungen. Auf den geschliffenen Glasträgern befindet sich eine aufgedampfte Metallschicht, welche mit der mittig angeordneten Messmembran einen Differentialkondensator bilden. Bei Auslenkung der Messmembran wird die entstehende Differenzkapazität in ein elektrisches Signal umgeformt. Elektrische Druckmessgeräte Messmembrane Zuleitungen Kondensatorplatten Silikonöl Isolation Trennmembrane

24 Elektrische Druckmessgeräte 4. Druckmessumformer 4.2 Piezoresistive Druckaufnehmer Die Änderung der Dichte bei mechanischer Verformung heißt piezoresitiver Effekt. Sie beträgt bei Si-Einkristallen in bestimmter Kristallorientierung das 100fache des Geometrieeffets.Der Temperatureffekt bei gleichen Widerständen am selben Substrat ist klein. DMS aus polykristallinem Silizium. Der Druck verbiegt eine in das Silizium eingebettete Membran die bei Dehnung oder Stauchung ihren spezifischen Widerstandswert ändern (piezoresistiver Effekt).Möglichkeit der Integration weiterer Schaltungen auf dem Si-Chip Systemkristall mit geätzter Membran Al-Si-Eutektikum Trägerkristall mit Druckdurführung Gehäuseboden Au-Sn-Lot Mo-Ring Druckanschlussrohr Druckmedium

25 4.2. Piezoresistiver Effekt Veränderung des Widerstandes durch Geometrieffekt bzw. durch Änderung des spezifischen Widerstandes Elektrische Druckmessgeräte Bei Halbleiteren ist die Änderung des spezifischen Widerstandes bis 100 fach grösser als der Geometrieeffekt bei Metallen.

26 4. Druckmessumformer 4.3 Piezoelektrischer Druckaufnehmer Kristalle wie Quarz, Turmalin und Verbindungen wie Bariumtitanat weisen piezoelektrische Eigenschaften mit genügend großer Abhängigkeit vom Druck auf. Wegen der kleinen Abmessungen der Sensoren und der extrem kleinen Messwege können die piezeoelektrischen Aufnehmer für Eigenfrequenzen bis 10 MHz gebaut werden. Messbereich: von 2 µbar bis bar. Die Empfindlichkeit dieser Sensoren beträgt etwa 0,01 bis 500 mV pro bar. Anwendung: Zur Untersuchung schnell veränderlicher Drücke z.B.: Explosionsmotoren, Raketentriebwerken, Kavitationsuntersuchungen an Ventilen. Membranen - Druckstösse Elektrische Druckmessgeräte O 2 4- entfernen sich von der Platte 1 Si 4+ entfernen sich von der Platte 2 O 2 4- nähern sich von der Platte 1 Si 4+ nähern sich von der Platte 2 FyFy FyFy Si 4+ O2O2 O2O2 O2O2 O2O2 O2O O2O2 O2O2 O2O2 O2O2 O2O

27 4.3. Piezoelektrischer Druckaufnehmer Durch Formänderung erzeugte Ladung entsteht ohne Hilfsenergie – Quarz ist ein aktives Geber-Element. Die entstehende Ladung wird über einen Ladungsverstärker erfaßt. 2 Möglichkeiten: Ladung über eine Kapazität C in eine Spannung transferiert und mit hoch-ohmigem Spannungsverstärker gemessen. Ladungsempfindlicher Verstärker Aufbau: Für Messzwecke wird der transversale oder der longitudinale Piezoeffekt ausgenutzt. Beim transversalen Effekt entsteht durch Einwirkung einer Druckkraft in Richtung der Y- Achse des Kristalls eine elektrische Ladung an den X-Flächen. Beim longitudinalen Effekt entstehen an den Y-Flächen, die senkrecht zur Druckkraft Py liegen, die Ladungen Qy Umkehrung: Beim Anlegen eines elektrischen Feldes ändern sich die Abmessung des Kristalls 1.Ultraschallerzeugung 10 4 – Hz 2.Hub im Mikrometerbereich Elektrische Druckmessgeräte

28 Druckmittler 5. Druckmittler Druckmittler trennen durch Ihre Membran das zu messenden Medium vom angebauten Manometer, Druckschalter oder Drucksensor. Sie verhindern ein Eindringen von zu aggressiven, zu heißen oder zu viskosen Prozessmedium in das Messglied eines Druckmessgerätes. Auch werden sie zum Schutz vor Vibrationen, zur Dämpfung von Messdruckschwankungen, als Flammendurchschlagsperren und zur Verhinderung des Austritts toxischer Messstoffe verwendet. Einsatzbereiche: - Maschinen- und Anlagenbau, - chemische und petrochemische Industrie, - Pharmazie, - Lebensmittelindustrie Membran-Druckmittler für die Nahrungsmittelindustrie mit Nutüberwurfmutter Streuvolumen Todvolumen Arbeitsvolumen Todvolumen Leitungsvolumen Messgerät Membran Druckmittler- flüssigkeit Membranbett Druckmittler Fernleitung Messelement

29 3. Mittelbare Druckmessgeräte 3.2 Schneckenfeder-Manometer Es ist eine spiralförmig gewickelte Rohrfeder. Mit ihr lässt sich ein weitaus größerer Aufwindungswinkel erzielen. Vorteilhaft ist die Möglichkeit, mit dem gleichen Profilrohr durch Variierung der Anzahl der Windungen Federn zu verschiedenen Druckstufen herzustellen. Anwendung: großes Arbeitsvermögen, großen Federweg Messbereich: 0-1bar bis bar Federelastische Druckmessgeräte 3.3 Schraubenfeder-Manometer Sie sind gewöhnliche Rohrfedern, bei denen der Anfangs- Krümmungswinkel, dessen Größe durch die Anzahl der Rohrwindungen bestimmt wird, vergrößert wurde. Die Schraubenfeder hat gegenüber der Schneckenfeder den Vorteil, dass alle Windungen wegen der gleichbleibenden Krümmung gleichmäßig arbeiten und gleichstark beansprucht werden.

30 3. Mittelbare Druckmessgeräte 3.4 Wellrohrfeder-Manometer Sie besteht aus einem dünnwandigen Zylinder, auf dessen Umfang tiefe Wellen eingedrückt sind. Das bewegliche Ende ist durch eine Platte, die in der Mitte ein Gelenkstück für den Hubabgriff besitzt, verschlossen. Die Verschlussplatte am anderen Ende ist als Druckanschluss ausgebildet. Federelastische Druckmessgeräte

31 4. Druckmessumformer Widerstandsdruckmesser /3 Anwendungsmöglichkeit des DMS: DMS-Kraftaufnehmer: Er besteht aus einem geeignet geformten Federkörper (mechanisches Umsetzelement) und den auf diesem angeordneten DMS (Sensorelement). Wird der Federkörper durch eine Kraft belastet, wird der DMS gestreckt oder gestaucht und erfährt damit eine Änderung seines elektrischen Widerstandes. Mit einem Messverstärker wird das Signal verstärkt und zur Anzeige gebracht. Elektrische Druckmessgeräte DMS eingebettet in einer roten Schutzschicht (Feuchtigkeitsschutz)


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