Was ist Druck?
Der Druck p ist definiert als Quotient aus dem Betrag der Kraft F und der Größe der Fläche A.
Dabei ist die Kraft senkrecht auf die gesamte Fläche verteilt.
Die SI-Einheit für den Druck ist das Pascal (Pa).
Druckmessung
Druck als physikalische Größe
Druck ist eine der am häufigsten gemessenen und geregelten physikalischen Größen in der Automatisierungstechnik. Sie hat einen direkten Einfluss auf den Ablauf von Produktions- und Industrieprozessen. In diesem Artikel werden die Grundlagen zum Thema Druck und dessen Messung erläutert.
Inhaltsverzeichnis
1 Pa = 1 N/m2
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Die Kraft F hat immer eine Richtung (hier: senkrecht) und ist somit ein Vektor. Der Druck p dagegen hat keine Richtung – er ist ein Skalar.Innerhalb eines geschlossenen Systems, z. B. eines Druckspeichers, wirkt der Druck stets senkrecht auf alle Flächen gleichermaßen ein.Für die Praxis bedeutet dies, dass die Einbaulage des Druckmessumformers bzw. der Membran beliebig gewählt werden kann. Der Druck im Speicher eines Kompressors kann beispielsweise gemessen werden, indem der Druckmessumformer auf der Oberseite des Tanks, mit der Membran nach unten zeigend, montiert wird.
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Definition Druck
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Welche internationalen Druckeinheiten gibt es?
Belastet man eine Fläche von 1 m2 mit 100 g Gewichtskraft (F = 0,1 kg × 10 m/s2 = 1 N), resultiert ein Druck von 1 Pa.* Die im europäischen Raum gebräuchliche Einheit für höhere Drücke ist Bar (bar). Wie in der Rechnung zu erkennen, hat Pascal (Pa) für die meisten technischen Anwendungen eine zu kleine Einteilung.
1 bar = 105 N/m2 = 100 000 Pa
Die Einheit bar (bar) findet sich in der Regel auf der Messskala von Druckmessgeräten oder Prozessgrößenschreibern. Interessant ist, dass mmHg (Millimeter Quecksilbersäule) eine in der Medizin häufig verwendete Einheit ist. Dieser wird zur Bestimmung des systolischen Blutdrucks verwendet.
1 mmHg = 133,322 Pa
Wie lautet die Formel für den Druck einer Flüssigkeit oder eines Gases?
Wirkt laut Definition eine Schwerkraft F = 1N (1N ist das Produkt aus der Masse m = 100 g und der Erdbeschleunigung g = 10m/s2) auf eine gegebene Fläche A = 1 m2, so beträgt der Druck 1 Pa.
Druckformel und Einheit: p = F/S, wobei: p - Druck [Pa] F - Kraft [N] S - Oberfläche [m2].
Mit der obigen Formel können Sie den Druck berechnen, wenn Sie die Masse des zu prüfenden Objekts oder Mediums kennen. Was aber, wenn man den Druck am Boden eines großen Behälters, z. B. eines Schwimmbeckens, berechnen muss? In diesem Fall ist es unmöglich, die Gesamtmasse des Wassers zu ermitteln. Mit Hilfe einer Formel ist es möglich, den Druck am Boden des Behälters allein auf der Grundlage der Dichte und der Höhe der Säule des Mediums zu bestimmen:
Druckformel: p = ρgh +p0, wobei: ρ - Dichte des Mediums [kg/m3] g - Beschleunigung aufgrund der Schwerkraft [m/s2]. h - Höhe der Flüssigkeitssäule [m].
*Anmerkung: Der genaue Wert der Erdbeschleunigung g = 9,81 m/s2 wurde hier nicht verwendet. Stattdessen wurde ein gerundeter Wert von 10 m/s2 verwendet.
Welche Arten des physikalischen Drucks gibt es?
Absoluter Druck
Der Nullpunkt der Absolut- oder Absolutdruckskala ist das Vakuum. Daher werden Absolutdruckdaten immer in Bezug auf diesen Punkt gemessen. Ein Beispiel ist der atmosphärische Druck, der immer als absoluter Druck angegeben wird.
Relativ Druck
Bei der Messung des relativen Druck ist der Referenzwert der Umgebungsdruck. In industriellen Anwendungen wird der Druck in Geräten oft in relativer Form ausgedrückt, d.h. relativ zum Atmosphärendruck. In diesem Fall ist der tatsächliche Druck die Summe aus dem relativen Druck (wie er im Prozess auftritt) und dem Umgebungsdruck (Atmosphärendruck). In der Industrie ist es jedoch nicht unüblich, dass Prozesse bei Drücken ablaufen, die ein Vielfaches des Atmosphärendrucks betragen. In solchen Fällen wird der Umgebungsdruck nicht berücksichtigt.
Statischer und dynamischer Druck in Fluiden
Der statische Druck ist der Druck in einem Gas oder einer Flüssigkeit im Ruhezustand, beispielsweise in einem geschlossenen Gefäß. In diesem Fall reicht es aus, die Kraft zu kennen, die das Medium auf eine bestimmte Oberfläche ausübt, um den Druck zu bestimmen. Befindet sich das Medium jedoch in Bewegung, z. B. in einer Rohrleitung, spricht man von dynamischem Druck. Per Definition kann der dynamische Druck als der Druck beschrieben werden, der von einer strömenden Flüssigkeit oder einem strömenden Gas auf die Oberfläche eines Körpers ausgeübt wird, der im rechten Winkel zum strömenden Medium steht. Dieser Druck resultiert aus der kinetischen Energie der bewegten Teilchen.
Differenzdruck
Der Differenzdruck ist das Ergebnis des Vergleichs zweier absoluter Druckwerte und wird als Druckdifferenz Δp bezeichnet. Er wird in der Technik häufig zu Kontrollzwecken verwendet. Der Druckunterschied am Boden eines Flüssigkeitsbehälters und über der Flüssigkeit gibt beispielsweise Auskunft über die Höhe der Flüssigkeitssäule. Ein Differenzdruckmessgerät, wie z. B. ein Differenzdrucktransmitter, führt Druckmessungen an zwei Messpunkten durch.
Hydrostatischer Druck
Hydrostatischer Druck tritt in einer ruhenden Flüssigkeit auf. Er ist abhängig von der Höhe der Flüssigkeitssäule h, ihrer Dichte ρ und der Erdbeschleunigung g. Je höher die Wassersäule, desto höher der Druck. Je tiefer zum Beispiel ein Taucher in einem See taucht, desto größer ist der hydrostatische Druck, der auf ihn wirkt.