Was sind die Hauptgründe für die Hysterese bei Messungen mit petrochemischen PP-Membrandruckmessgeräten?

Bei den komplexen Flüssigkeitsmessungen der Erdöl- und Chemieindustrie sind die Genauigkeit und Stabilität der Druckinstrumentierung von entscheidender Bedeutung. Membrandruckmessgeräte aus Polypropylen (PP) zeichnen sich durch eine hervorragende Korrosionsbeständigkeit aus und eignen sich daher ideal für den Umgang mit sauren und alkalischen korrosiven Medien. Professionelle Anwender konzentrieren sich jedoch häufig auf einen wichtigen Leistungsindikator: die Hysterese.

Unter Hysterese versteht man das Phänomen, dass der angezeigte Wert des Manometers beim Erreichen eines bestimmten Sollwerts aus einem Niederdruckzustand (steigender Druck) gegenüber dem Erreichen desselben Punktes aus einem Hochdruckzustand (abfallender Druck) unterschiedlich ist. Bei dieser Diskrepanz handelt es sich nicht um einen zufälligen Fehler, sondern um eine systematische Abweichung, die sich aus den internen physikalischen Eigenschaften und strukturellen Einschränkungen des Instruments ergibt. Für eine hochpräzise Steuerung in petrochemischen Prozessen ist das Verständnis und die Minimierung der Hysterese von entscheidender Bedeutung, um Produktqualität und Betriebssicherheit sicherzustellen.

I. Mechanische Hysterese elastischer Elemente: Materialintrinsische Eigenschaften

Die Kernkomponenten von a PP-Membrandruckmessgerät sind das Zwerchfell und der innere Bewegungsmechanismus. Die Hauptursache für die Hysterese liegt in den mechanischen Unvollkommenheiten dieser elastischen Elemente.

1. Elastische Hysterese des Membranmaterials

Obwohl PP-Membranen häufig mit PTFE-Beschichtungen versehen oder als Teil einer Verbundstruktur als elastisches Element verwendet werden, ist der Weg der Dehnungserholung beim Aufbringen und anschließenden Nachlassen einer Spannung nicht vollkommen identisch.

Bei steigendem Druck verformt sich die Membran.
Wenn der Druck abnimmt, verzögern interne mikrostrukturelle Reibung und die Neuordnung der Molekülketten innerhalb des Diaphragmas dessen vollständige Rückkehr in den Ausgangszustand.
Diese Energiedissipation führt dazu, dass sich die Dehnung (oder Verschiebung) während des Druckanstiegsprozesses von der während des Abstiegsprozesses bei demselben Druckwert unterscheidet, was sich direkt in der Zeigerhysterese niederschlägt.
Besonders beim Polymerwerkstoff PP sind dessen viskoelastische Eigenschaften ausgeprägter. Bei langfristiger oder zyklischer Druckbeaufschlagung ist dieser mechanische Hystereseeffekt oft stärker ausgeprägt als bei Metallmembranen.

2. Geringe Reibung im Bewegungsmechanismus

Die Verschiebung der Membran muss über präzise mechanische Komponenten wie Verbindungsstangen, Zahnsegmente und Zentralräder auf den Zeiger übertragen werden. Winzige Reibungskräfte zwischen diesen beweglichen Paaren bilden die zweite Hauptquelle der Hysterese.

Beim aufsteigenden Druckvorgang wirkt die Reibungskraft der Bewegungsrichtung entgegen.
Beim Absinken des Druckvorgangs kehrt sich die Richtung der Reibungskraft um.
In dem Moment, in dem sich der Druck umkehrt, muss der Mechanismus die Haftreibung überwinden, bevor die Bewegung wieder beginnt, was zu einer Verzögerung zwischen der Druckänderung und der Zeigerreaktion führt.
Selbst Reibung im Mikrometerbereich reicht aus, um eine beobachtbare Abweichung in der Druckanzeige zu verursachen.

II. Viskositäts- und Kompressibilitätseffekte im Flüssigkeitstransfersystem

PP-Membrandruckmessgeräte verwenden typischerweise ein Membrandichtungssystem mit einer Füllflüssigkeit, um korrosive Medien zu isolieren. Die physikalischen Eigenschaften dieses Flüssigkeitsübertragungssystems tragen wesentlich zur Hysterese bei.

1. Viskosität der Füllflüssigkeit

Die Füllflüssigkeit (z. B. Silikonöl oder Fluorkohlenwasserstofföl) weist eine gewisse Viskosität auf. Wenn sich die Membran unter Druck verformt und die Flüssigkeit verdrängt:

Die Flüssigkeit muss durch interne Kanäle und Kapillaren fließen.
Die innere Reibung (viskoser Widerstand) der Flüssigkeit behindert die unmittelbare Energieübertragung.
Dies ist besonders relevant bei schnellen Druckänderungen oder wenn niedrige Umgebungstemperaturen die Viskosität erhöhen, die Beweglichkeit der Flüssigkeit verlangsamen und die Druckübertragung verzögern, wodurch das Hysterese-Phänomen verstärkt wird.

2. Gasauflösung und verbleibende Mikroblasen

Wenn der Entgasungsprozess während des Einfüllens der Flüssigkeit unvollständig ist, führen in der Flüssigkeit verbleibende Mikrobläschen oder gelöste Gase bei Druckänderungen zu einer Kompressibilität.

Dies führt dazu, dass die anfängliche Verschiebung der Membran diese Gasblasen zunächst komprimiert, anstatt den Druck sofort auf die Rohrfeder oder den internen Sensor zu übertragen.
Der Prozess der Gaskomprimierung und -abgabe ist nichtlinear und zeitverzögert, wodurch ein „elastischer Puffer“-Effekt entsteht, der eine Messhysterese mit sich bringt.

III. Spannungsabbau und Entspannung in Strukturbauteilen

Langfristiger Betrieb oder Temperaturwechsel können zu Spannungsrelaxationen im PP-Gehäuse und Verbindungssystem führen, was ein weiterer indirekter Faktor ist, der zur Hysterese beiträgt.

Die vorgespannte Verbindung (z. B. Schraubverbindung) an den Kanten des PP-Gehäuses und der Membran kann im Laufe der Zeit und bei Temperaturschwankungen einer Kriechentspannung unterliegen.
Die Entspannung der Vorspannung verändert die festen Randbedingungen der Membran, was bedeutet, dass der Anfangszustand und der Weg für jeden Druckzyklus möglicherweise nicht perfekt konsistent sind.
Wenn wiederholt Druck ausgeübt wird, führen die winzigen Bewegungen und die Spannungsumverteilung an der Verbindungsschnittstelle zu einer leichten Verschiebung des Nullpunkts des elastischen Elements, was zur Trennung der aufsteigenden und absteigenden Druckpfade führt.