Nach der Wirkungsweise lassen sich Druckmeßgeräte in vier Hauptgruppen einteilen, und zwar in

• Flüssigkeitsdruckmeßgeräte
• Kolbendruckmeßgeräte
• Elektrische Druckmeßgeräte
• Federdruckmeßgeräte
• Flüssigkeitsdruckmeßgeräte

Das Flüssigkeitsdruckmeßgerät war eines der ersten Geräte, das zur Druckmessung verwendet wurde. Die Einfachheit und Zuverlässigkeit des hydrostatischen Prinzips, das diesen Geräten zugrunde liegt, die billige Herstellung und die relativ hohe Genauigkeit sind der Grund für die weite Verbreitung dieser Meßgeräte auch heute noch, insbesondere zu Kontrollmessungen bei niedrigen Drücken. Sie waren lange Zeit die einzigen Meßgeräte, mit deren Hilfe die Graduierung verschiedener Meßgeräte,die ohne Flüssigkeitssäule arbeiteten, vorgenommen wurde. Heute sind sie im Bereich der hohen Drücke von den Kolbendruckmeßgeräten abgelöst worden.

Zu den Flüssigkeitsmanometern gehören:

Kolbendruckmeßgeräte

Kolbenmanometer sind die genauesten Geräte zur Druckmessung in jenen Meßbereichen, wo Flüssigkeitsmanometer nicht mehr verwendet werden können. Mit Hilfe der Kolbenmanometer können Drücke von 1 bar bis 10 000 bar bemessen werden. Dadurch nehmen sie eine führende Stellung im Eichwesen ein und werden als Betriebseichmaße und Geräte der höchsten Genauigkeitsklasse verwendet.

Das Meßprinzip besteht darin, daß ein Kolben, der sorgfältig in einen Zylinder eingepaßt ist, mit geeichten Gewichten oder Schraubenfedern belastet wird, so daß ein ganz bestimmter Druck entsteht.

Die aufgelegten Gewichte bzw. die Stärke der Schraubenfedern und der Querschnitt des Kolbens sind das Maß für den Druck.

Das nächste Bild zeigt eines der am meisten verbreiteten Kolbenmanometer. Die Kolben (4) mit dem Kolbenkopf (1) zur Aufnahme der Gewichte ist in den Zylinder (3) sorgfällig eingeschliffen und besitzt am unteren Ende eine Hubbegrenzung (5), damit er bei Meßdrücken, welche die von den Gewichten erzeugten Drücke überschreiten, nicht aus dem Zylinder herausgestoßen wird. Das Ganze ist in das Druckanschlußteil (6) eingeschraubt. Auf den Kolbenkopf kann man verschieden große, genau geeichte Gewichte auflegen und somit einen ganz bestimmten Druck erzeugen, oder anders ausgedrückt, die aufgelegten Gewichte halten einem ganz bestimmten Meßdruck, von dem das Kolbenmanometer beaufschlagt wird, das Gleichgewicht.

Zur Herabsetzung der Reibung sollte man während der Messung den Kolben mit den aufgelegten Gewichten in Drehbewegung setzen. Bei manchen Geräten wird der Kolben von einem kleinen Elektromotor ständig langsam gedreht.

Der Meßfehler von Kolbenmanometern liegt im allgemeinen bei +/- 0,05 % vom jeweiligen Meßwert.

Elektrische Druckmeßgeräte

Elektrische Druckmeßgeräte gewinnen in der Verfahrenstechnik immer mehr an Bedeutung. Bei der elektrischen Messung des Druckes wird meist eine druckbedingte Formänderung in eine elektrische Größe umgewandelt, verstärkt und schließlich angezeigt. Ihr Nachteil gegenüber den federelastischen Druckmeßgeräten ist die Notwendigkeit der Spannungsversorgung. Vorteilhaft sind ihre Robustheit, besonders aber ihr ausgezeichnetes dynamisches Verhalten.

Da die kleinste Formänderung des druckempfindlichen Elementes, z. B. 1 mm  bei piezoresistiven Gebern bereits ausreicht, um ein einwandfreies Signal zu erzeugen, ist die Fertigung kleiner Druckmeßgeräte möglich.

Meßverfahren:
Widerstandsferngeber - Dehnungsmeßstreifen
Piezoelektrische Meßfühler - Induktive Meßfühler
Dünnfilm-Meßfühler - Kapazitive Meßfüler - Feldplatten und Hallsonden

Federdruckmeßgeräte

1. Allgemeine Gundlagen

Die federelastische Druckmessung beruht auf der elastischen Formänderung von geeignet ausgebildeten Meßgliedern. Die eine Seite dieser Meßglieder bzw. Meßfedern ist dabei fest eingespannt. Ein einseitiges Beaufschlagen der Federn mit dem Meßdruck bewirkt eine Formänderung, die einen bestimmten Hub am freien, beweglichen Federende zur Folge hat. Dieser Hub, auch Federweg genannt, ist ein Maß für die Größe des Meßdruckes. Nach der Druckentlastung geht das Meßglied wieder in die Ausgangsstellung zurück.

2. Druckmeßglieder

Es gibt heute eine ganze Reihe verschiedener Meßglieder, die man nach der Form ihres elastischen Meßorgans unterscheidet.

Die weiteste Verbreitung haben aufgrund ihres großen Verwendungsbereiches die Röhrenfedern mit ovalem Querschnitt erlangt, die sich in Rohrfedern (kreisförmig gekrümmt), Schneckenfedern (spiralförmig gekrümmt) und Schraubenfedern (wendelförmig gekrümmt) gliedern.

Als nächste bedeutende Gruppe folgen die Membranen als Meßglied, die man unterteilt in Plattenfedern (normalerweise Membranen mit einigen eingeprägten, konzentrischen Wellen) und Kapselfedern (Membrandosen aus zwei dünnen Membranen mit zahlreichen eingeprägten, konzentrischen Wellen).

Schließlich sind noch die Wellrohrfedern (zylindrische Gefäße mit auf dem Umfang tief eingeprängten Wellen), auch Federkörper genannt, zu nennen, die aber erst viel später als die Rohr- und Plattenfedern als Meßglied herangezogen wurden

Federelastische Druckmeßglieder finden nicht nur Verwendung in Manometern, sondern auch in Thermometern, Schreibern und Spezialgeräten zur druck- bzw. temperaturabhängigen Steuerung und Regelung.

a). Rohrfeder

Eines der verbreitetsten Meßglieder ist die Rohrfeder.

Die Rohrfeder besteht aus einem zu einem Kreis gebogenen hohlen Rohr, dessen Querschnitt die Form eines Ovals oder einer Ellipse hat, wobei die große Achse parallel zur Achse des Krümmungsradius liegt, Das eine Ende des Rohres ist in das Druckanschlußteil (Federträger eingelötet, eingeschweißt oder eingeschraubt, je nachdem, um welches Federmaterial und um welche Druckstufe es sich handelt. Das bewegliche Ende ist mit einem Endstück, welches zur Auslenkung der Zugstange mit einer Gabel versehen ist, verschlossen. Wird nun das Innere der Rohrfeder mit einem Überdruck beaufschlagt, so windet sich das Rohr auf, wird die Rohrfeder an Vakuum (Unterdruck) angeschlossen, so windet sie sich zusammen.

    

Die große Spanne des Druckbereiches von Rohrfedern erfordert die Aufteilung in zwei Gruppen:

b). Schneckenfeder

Wo ein großes Arbeitsvermögen oder ein großen Federweg erforderlich ist, verwendet man eine spiralförmig gewickelte Rohrfeder, die sogenannte Schneckenfeder. Mit ihr läßt sich ein weitaus größerer Aufwindungswinkel erzielen.
    

Vorteilhaft ist bei Schneckenfedern die Möglichkeit, mit dem gleichen Profilrohr durch Variierung der Anzahl der Windungen Federn zu verschiedenen Druckstufen herzustellen.
Der Hub wird entweder am äußeren freien Ende der Rohrspirale oder an einem Hebelarm, der im Mittelpunkt der Feder befestigt ist, abgegriffen.

Schneckenfedern werden in Bronze, Stahl oder Edelstahl hergestellt. Sie werden für Bereiche 0-1 bis 0-1000 bar eingesetzt und sind für gasförmige und flüssige Medien geeignet.

c). Schraubenfeder

Zur Erzielung eines größeren Aufwindungswinkels werden neben Schneckenfedern auch vielfach schraubenförmig gewickelte Rohrfedern, die sogenannten Schraubenfedern, verwendet. Sie können als gewöhnliche Rohrfedern betrachten werden, wobei lediglich 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.

Nachteilig ist die größere Bautiefe gegenüber Rohr- und Schneckenfedern.

Schraubenfedern sind für gasförmige und flüssige Medien verwendbar.

d). Plattenfeder

Neben den Rohrfedern haben die Plattenfedern die größte Bedeutung unter den elastischen Meßgliedern erlangt. Eine Plattenfeder ist eine zwischen zwei Flanschen eingespannte dünne Membran.

Der untere Flansch besitzt den Druckanschluß, mit dessen Hilfe der zu messende Druck in den unteren Raum gelangt. Der obere Raum ist mit der Atmosphäre verbunden.

Unter Überdruck wölbt sich die Membran nach oben durch. Die Größe der Verformung, der Durchbiegung, ist das Maß für den Druck.

Die Membranen haben meistens eingeprägte, konzentrische Wellen. Anzahl, Form und Abmessungen der Wellen sind vom Verwendungszweck und dem Meßbereich abhängig.

Wenn es gilt, den Druck in Stoffen größerer Zähigkeit zu messen (das Druckanschlußteil wird dann als offener Anschlußflansch ausgebildet) oder das Meßglied gegen aggresive Medien durch Vorlegen einer dünnen Schutzfolie oder Aufbringen eines Überzuges aus geeignetem Material abzuschirmen, wird bevorzugt die Plattenfeder als Meßglied eingesetzt.

Die Schutzfolie gestattet dann die Verwendung von Plattenfeder-Meßgliedern in den verschiedensten Gebieten der chemischen und Nahrungsmittelindustrie. Das Druckanschlußteil wird in solche Fällen in dem Material der Schutzfolie hergestellt oder mit entsprechenden Überzügen versehen.

Plattenfedern werden in verschiedenen Durchmessern hergestellt und bevorzugt für die Druckbereiche 0-16 mbar bis 0-25 bar eingesetzt. Sie sind verwendbar für Gase, Dämpfe und Flüssigkeiten.

e). Kapselfeder

Eine Abwandlung der Plattenfeder als federelastisches Meßglied ist die Kapselfeder. Sie besteht aus zwei gewellten Membranen, die zu einer Kapsel (Membrandose) verlötet sind.

Die Anzahl der Wellen ist bei Kapselfedern erheblich größer als bei Plattenfedern.

Der Vorteil einer solchen Membrandose besteht darin, daß sich ihre Druchbiegung (Hub) gegenüber der gewöhnlichen Plattenfeder bei gleichem Druck nahezu verdoppelt.

Um eine weitere Vergrößung des Hubes der Richtkraft zu erzielen, werden mehrere Membrandosen zu einem Dosensatz vereinigt.

Mit Kapselfedern kann man Drücke zwischen +/- 1 bis +/- 400 mbar messen. Das Meßglied besteht aus Messing oder Bronze.

Kapselfedern eignen sich infolge ihrer Empfindlichkeit nur für gasförmige Medien, die Kupferlegierungen nicht angreifen.

f). Wellrohrfeder

Die Wellrohrfeder, auch Federkörper genannt, 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.

Wenn auf das Wellrohr von innen ein Druck wirkt, vergrößert sich dessen Länge. Die Verformung ist proportional der Belastung innerhalb des elastischen Bereiches.

Das Einsatzgebiet der Wellrohrfeder liegt dort, wo bei kleinen Druckbereichen große Verstellkräfte erforderlich sind.

Außerdem wird sie bei Großmanometern und registrierenden Geräten eingesetzt.

Der Werkstoff des Wellrohres ist gewöhnlich Bronze, in Sonderfällen auch Edelstahl.

Wellrohrfedern eignen sich für Luft und Gase, die den verwendeten Werkstoff nicht angreifen.

3. Zeigerwerk

Der Federweg der elastischen Meßglieder ist meistens sehr gering. Um die Empfindlichkeit der Geräte zu erhöhen und ihre Anzeige anschaulicher zu gestalten, verwendet man sogenannte vergrößernde Übertragungsmechanismen, mit deren Hilfe einmal die gradlinige Bewegung des Federendes in eine drehende Bewegung des Zeigers umgewandelt und zum anderen der geringe Federweg mehrfach übersetzt wird. Es gibt eine ganze Reihe verschiedener Konstruktionen, am gebräuchlichsten sind die  Segmentübertragungen für Manometer mit mittiger Zeitgeranordnung und die Hebelübertragungen a) bei Manometern mit außermittiger Zeigeranordnung und b) bei Profilmanometern. Für einige Manometerausführungen (z.B. Kapselfedermanometer mit mittiger Zeigeranordnung sowie Platten- und Kapselfeder-Differenzmanometer) gibt es Zeigerwerke, die eine Verbindung aus Hebel- und Segmentübertragung darstellen.

4. Anzeigegenauigkeit

Da jedes Meßinstrument mit einem Anzeigefehler behaftet ist, unterteil man Federmanometer neben der Unterscheidung nach Funktion und Meßglied auch noch nach ihrer Anzeigegenauigkeit in Güteklassen, und zwar in

Dabei ist die Güteklassen-Bezeichnung zugleich der höchstzulässige prozentuale Fehler des Gerätes, bezogen auf den Skalenwert. Ein Gerät der Klasse 1,0 darf einen Fehler von +/- 1 % vom Skalenendwert haben (Verkehrsfehlergrenze). Das ergibt z.B. bei einem Anzeigebereich von 0-25 bar einen maximal zulässigen Fehler von 0,25 bar über den gesamten Skalenbereich.