Grundlagen der Druckmessung und Thermostat-Technik

Grundlagen der Druckmessung und Manometer

Ein Manometer ist ein Instrument zur Messung des Drucks in Flüssigkeiten oder Gasen. In der Regel bestimmt es die Differenz zwischen dem Mediendruck und dem atmosphärischen Druck oder wird als Kraft pro Fläche definiert, die ein Fluid senkrecht auf eine Oberfläche ausübt.

Instrumente zur Druckmessung werden oft als Manometer bezeichnet. Der traditionelle Weg zur präzisen Druckmessung ist ein Glasrohr in U-Form, in dem sich eine Flüssigkeit bekannter Dichte befindet. Für hohen Druck wird meist Quecksilber verwendet, damit das Rohr handliche Maße behält. Für kleine Drücke ist ein Quecksilber-U-Rohr jedoch nicht empfindlich genug. Diese Art von Messgerät ermittelt die Druckdifferenz zwischen den beiden Enden der Röhre durch die Messung des Höhenunterschieds (Länge) der Flüssigkeitssäule.

Absolutdruckmessgeräte

Absolutdruckmessgeräte bestehen aus einer Kombination von Balg und Balgfeder, die gegen ein absolutes Vakuum versiegelt sind. Die resultierende Bewegung aus der Verbindung beider Bälge entspricht dem absoluten Druck der Flüssigkeit. Als Material für den Balg wird meist Messing oder Edelstahl verwendet.

Diese Geräte werden für die präzise Messung und Steuerung von Niederdruck eingesetzt, bei dem Schwankungen des atmosphärischen Drucks das Ergebnis beeinflussen könnten. Ein Beispiel: Bei der Wartung eines absoluten Drucks von 50 mm Hg in einer Destillationskolonne läge der Sollwert bei 710 mm bei einem Luftdruck von 760 mm. Steigt der Luftdruck auf 775 mm, würde ein herkömmliches Vakuummeter 725 mm anzeigen (710 + 15), wodurch der absolute Druck in der Säule auf 65 mm (50 + 15) ansteigen würde – das sind 30 % mehr als gewünscht.

Thermostate und Temperaturregelung

Bimetall-Thermostate

Bimetall-Thermostat zur automatischen Steuerung.

Ein Bimetall-Thermostat besteht aus zwei miteinander verbundenen Metallplatten mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten. Bei Temperaturänderungen verbiegt sich der Streifen und betätigt Kontakte, die einen Stromkreis öffnen oder schließen.

Diese können als Schließer (normal offen) oder Öffner (normal geschlossen) ausgeführt sein und ändern ihren Zustand, sobald die voreingestellte Temperatur erreicht wird.

Manuelle Thermostate

Diese erfordern ein menschliches Eingreifen, um in ihren ursprünglichen Zustand zurückzukehren. Ein Beispiel sind Sicherheitsthermostate, die auslösen, wenn die Temperatur gefährliche Werte erreicht.

Gas-Thermostat zur Temperatureinstellung, wie er in Fenster-Klimaanlagen verwendet wird.

Automatische Thermostate

Diese kehren ohne menschliche Intervention in ihren Ausgangszustand zurück. Sie arbeiten vollautomatisch und finden daher in vielen Haushalten Anwendung.

Gasgefüllte Thermostate

Diese bestehen aus einem Gas in einem verschlossenen Kupferrohr. Wenn die Temperatur steigt, dehnt sich das Gas aus und drückt gegen ein Ventil, welches eine spezifische Funktion ausführt.

Dehnstoff-Thermostate (Paraffin)

Paraffin-Thermostat für Fahrzeugkühler.

Diese nutzen in Paraffin gekapselte Regelventile. Mit steigender Temperatur dehnt sich das Wachs aus und drückt gegen eine Platte, die den Durchfluss der Flüssigkeit ermöglicht. Sinkt die Temperatur, drückt eine Feder die Scheibe in die ursprüngliche Position zurück und schließt den Durchgang. Ein klassisches Beispiel ist das Thermostat im Kühlsystem von Verbrennungsmotoren.

Elektronische Thermostate

Elektronische Thermostate werden aufgrund ihrer Vorteile immer häufiger eingesetzt:

• Sie sind frei von beweglichen Teilen und Kontakten, die verschleißen könnten.
• Es können sowohl Temperaturschwellen als auch Mindestlaufzeiten konfiguriert werden.
• Sie lassen sich leicht in Systeme mit Zusatzfunktionen wie Zeitschaltuhren integrieren.
• Mit einem PID-Regler ermöglichen sie ein intelligentes Management der Temperatur.

Ein elektronischer Thermostat optimiert Anwendungen, in denen früher mechanische Thermostate verwendet wurden:

• Kühlschränke: Verhindert unnötige Starts bei kurzzeitiger Erwärmung (z. B. durch Türöffnen).
• Fahrzeugkühlung: Elektronische Steuerungen für elektrische Pumpen sparen Energie und passen die Kühlleistung präzise an den Bedarf an.
• Hausautomation: Zeitpläne basierend auf Wochentagen oder Ereignissen steigern die Effizienz.

Das temperaturmessende Element kann ein Infrarotsystem sein, am häufigsten wird jedoch ein Thermistor verwendet.

Funktionsweise von Thermistoren

NTC-Widerstand.

Ein Thermistor ist ein Bauelement, dessen Impedanz sich in Abhängigkeit von der Temperatur ändert. Dieser Wert wird von einer Steuerung (meist ein Mikroprozessor) ausgelesen, um programmierte Operationen auszuführen.

Obwohl es viele Varianten gibt, ist der Thermistor heute die gängigste Komponente. In modernen Systemen können jedoch alle Arten von Sensoren wie Platin-Widerstände (Pt100) oder Halbleiter-Sensoren integriert werden.

Anwendungsbereiche

Thermostate wirken als Sensoren in einem Regelkreis mit Rückkopplung und finden in einer Vielzahl von technischen Geräten Verwendung.