In der Verfahrenstechnik sind Druck und Durchfluss zwei relevante Größen - analog zu Spannung und Strom in der Elektrotechnik. Der Druck einer Flüssigkeit, eines Gases oder eines Dampfes ist die Kraft, die dieses Medium auf seine Umgebung ausübt, und in der Regel ist dieser Druck eine treibende Kraft, die das Medium zum Fließen bringt. So sorgt beispielsweise der Druck in der städtischen Wasserversorgung dafür, dass Wasser aus dem Wasserhahn in Ihrer Wohnung fließt, wenn Sie ihn öffnen.
Obwohl Bronkhorst für die Messung und Regelung von Flüssigkeits-, Gas- und Dampfströmen bekannt ist, ist die Druckregelung ein weiteres Standbein des Unternehmens. Tauchen wir ein in diese Welt der Druckregelung am Beispiel eines vielseitigen Druckreglers von Bronkhorst.
Bronkhorst EL-PRESS Druckregler als Beispiel
Ein Druckregler wird eingesetzt, um sicherzustellen, dass der Prozessdruck einen vordefinierten Sollwert nicht überschreitet. In dieser Hinsicht kann der digitale elektronische Druckregler EL-PRESS von Bronkhorst den Druck von Flüssigkeiten oder Gasen regeln. Es handelt sich um ein Gerät, das aus einem Drucksensor, einem angeschlossenen Ventil und einer Steuerungssoftware besteht.
Der Drucksensor misst kontinuierlich den Ist-Druck des strömenden Mediums. Eine intelligente PID-Regelungssoftware vergleicht diesen Istwert mit einem gewünschten Sollwert und steuert anschließend das Ventil. Durch (weiteres) Öffnen oder Schließen dieses Ventils fließt das Gas bzw. die Flüssigkeit schneller oder langsamer, so dass der Ist-Druck des Mediums den Soll-Druck erreicht und möglichst nahe an diesem Wert bleibt. Dies ist ein kontinuierlicher Prozess.
Im Drucksensor übt der Flüssigkeits- oder Gasstrom seinen Druck auf eine flexible Edelstahlmembran aus. Ein dazwischenliegendes Ölvolumen überträgt diesen Druck auf die Oberfläche eines piezobasierten Chips - den "eigentlichen Sensor" -, der den Druck in ein elektrisches Spannungssignal zur weiteren Verarbeitung umwandelt. Die Dicke der Chipoberfläche bestimmt den Druckbereich - einige Millibar bis zu mehreren hundert Bar.
Das Ventil des EL-PRESS ist ein proportionales, elektromagnetisches Regelventil mit extrem schnellen und sanften Regeleigenschaften. Ein Druckregler ohne Regelventil ist "einfach" ein Druckmesser.
Querschnittszeichnung eines Drucksensors
Vorwärtsdruckregelung, Gegendruckregelung und Differenzdruckregelung (ΔP), schematisch
Arten der Druckregelung
Die Position der Druckregelkomponenten bestimmt weitgehend die Art der Druckregelung. Bei der Vorwärtsdruckregelung zur Regelung des Drucks hinter dem Ventil wird der Sensor hinter dem Ventil positioniert, um z. B. einen konstanten Druck eines Gasstroms zu erreichen, der in eine Brennerdüse eintritt. Bei der Gegendruckregelung zur Regelung des Vordrucks wird der Sensor vor dem Ventil positioniert, um beispielsweise den Druck eines chemischen Reaktionsgefäßes kontrolliert abzubauen. Bei diesen Konfigurationen befindet sich der Drucksensor immer in der Nähe der Kammer oder des Behälters, dessen Druck geregelt werden muss.
Bei der Differenzdruckregelung wird der Druckunterschied zwischen zwei (Gas-)Leitungen geregelt. Ein Druckmesser wird zwischen den beiden Leitungen angebracht, und ein Regelventil wird in eine der beiden Leitungen eingebaut. Dies kann z. B. bei der Prüfung von Membranen geschehen, um eine konstante Druckdifferenz über der Membran zu erreichen.
Bei der Prozessdruckregelung wird der Druck in geschlossenen Behältern mit einem Flüssigkeitsanschluss geregelt, wobei ein Drucksensor mit einer Doppelventil-Druckregelung für Einlass und Entlastung kombiniert wird.
Bronkhorst Druckregelgeräte
Die folgenden Bronkhorst-Geräte enthalten einen Drucksensor und können daher an einer Druckregelung teilnehmen:
- Der vielseitige digitale elektronische Druckregler/-messer EL-PRESS für Gase und Flüssigkeiten kann im Bereich von 2 mbar bis 400 bar messen, sowohl für Vorwärts- als auch für Rückwärtsdruckregelung. EL-PRESS Metallgedichtete Geräte sind für Reinstgasanwendungen bis zu 64 bar, z. B. für den Halbleitermarkt.
- Der robuste digitale elektronische Druckregler/-messer IN-PRESS für Gase und Flüssigkeiten arbeitet ebenfalls im Bereich von 2 mbar bis 400 bar und ist mit einem robusten, industrietauglichen (IP65) Leiterplattengehäuse für den Einsatz in industrieller Umgebung ausgestattet.
- Der kompakte digitale Druckregler/-messer IQ+FLOW für Gase ("der Gelbe") kann im Bereich zwischen 0,01 und 10 bar auf einer kleinen (0,75") Grundfläche messen.
- Der äußerst kompakte, chipbasierte Massedurchflussregler/-messer für Gase FLEXI-FLOW Compact enthält zwei Drucksensoren, einen am Einlass und einen am Auslass, um den Druck vor und hinter dem Ventil zu messen.
- Der Massedurchflussregler/-zähler für Gase EL-FLOW Prestige mit der Option 'Pressure Insensitive' enthält einen integrierten Drucksensor zur Kompensation von Eingangsdruckschwankungen.
Ein EL-FLOW Massedurchflussmesser in Reihe mit einem EL-PRESS Vorwärtsdruckregler in einer Brennertestanwendung
Kombinierte Massendurchfluss- und Druckregelung ('eine Spezialität von Bronkhorst')
Für eine optimale Kontrolle von Prozessbedingungen wie Durchfluss und Druck wird ein Druckmesser oder -regler oft mit einem Durchflussregler oder -messer kombiniert. Diese Kombination ermöglicht es dem Benutzer, die Durchflussmenge zu regeln und den Druck zu messen oder den Druck zu regeln und die Durchflussmenge zu messen.
Mit diesen Konfigurationen wird z.B. der gewünschte Prozessdruck in einem chemischen Reaktionsgefäß konstant gehalten, während der eingehende erforderliche Reaktionsgasstrom auf einer konstanten Durchflussrate gehalten wird. In den Beispielen auf der linken Seite werden diese Kombinationen häufig angewandt.
Anwendungen zur Druckregelung
Typische Anwendungen für Druckregler sind Dichtheitsprüfstände, Hochdruck- oder Vakuumprüfstände für chemische Reaktionen, Durchlässigkeitsprüfungen von Gestein oder Sediment und Durchlässigkeits-/Trennprüfungen von Membranen. Konkrete Anwendungen sind:
- Die digitalen elektronischen Gegendruckregler EL-PRESS von Bronkhorst werden eingesetzt, um den erforderlichen konstanten Wert des Unterdrucks in der Plasmakammer für die Herstellung hochwertige, im Labor gezüchtete Diamanten durch CVD sicherzustellen.
- Bei der Herstellung von Lithium-Ionen-Batterien zum Befüllen der Pouch-Batteriezellen wird der Druck des Elektrolytvorratsgefäßes durch einen EL-PRESS-Druckregler von Bronkhorst auf einem konstanten Wert gehalten.
- In einem Prüfstand für die Befeuchtung von Brennstoffzellen für die Automobilindustrie werden der absolute Druck und die Druckdifferenz durch Bronkhorst IN-PRESS Instrumente geregelt.
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