Mérőnyomás-érzékelő vs. abszolút és differenciális nyomásérzékelők: Műszaki útmutató az ipari automatizáláshoz és folyamatvezérléshez

A mérőnyomás-érzékelő (más néven relatív nyomásérzékelő) egy olyan eszköz, amely a nyomást a környezeti légköri nyomáshoz viszonyítva méri. Az érzékelőnek van egy szellőztetett referencianyílása, amely nyitott a környező légkör felé. Az érzékelő elem a membrán egyik oldalára alkalmazott technológiai nyomás és a másik oldalon alkalmazott légköri nyomás közötti különbséget méri. Ha a folyamat nyomása megegyezik a légköri nyomással, az érzékelő kimenete nulla (0 psi, 0 bar vagy 0 kPa). Ha a folyamat nyomása magasabb, mint a légköri nyomás (pozitív nyomás), a kimenet pozitív. Ha a folyamat nyomása alacsonyabb, mint a légköri nyomás (vákuum vagy negatív nyomás), a kimenet negatív. Az érzékelő elem jellemzően piezorezisztív szilícium mikro-megmunkált membrán (MEMS) vagy vékony film nyúlásmérő fém membránon. Ahogy a nyomás deformálja a membránt, a piezorellenállások ellenállása megváltozik, ami az alkalmazott nyomással arányos elektromos kimenetet eredményez. A kimeneti jelet jellemzően szabványos ipari szintre erősítik: 4-20 mA hurokáram, 0-5 VDC, 0-10 VDC, vagy digitális kimenetek (I2C, SPI, CAN busz). A mérőnyomás-érzékelőket több ezer alkalmazásban használják: hidraulikus rendszer nyomásfelügyelete, sűrített levegős rendszerek, vízelosztó hálózatok, szivattyúvezérlés, tartályszintmérés (hidrosztatikus nyomás mérésével) és pneumatikus vezérlések. A részletes műszaki leírásokért a beszerzési szakemberek tájékozódhatnak nyomásmérő érzékelők termékoldalak anyagadatlapokhoz és tesztjelentésekhez.

Az alapvető különbség a mérő-, abszolút- és nyomáskülönbség-érzékelők között a méréshez használt referencianyomásban rejlik. A nyomásmérő érzékelők a légköri nyomást használják referenciaként. Az érzékelőnek szellőző háza vagy levegő felé nyitott referencianyílása van. A kimenet légköri nyomáson nulla. A mérőérzékelők a legtöbb ipari folyamathoz alkalmasak, mivel a kezelőknek fontos a környezethez viszonyított nyomás (pl. 100 psi az atmoszféra felett). Az abszolút nyomásérzékelők egy lezárt vákuum-referenciakamrát (tökéletes vákuum, 0 psi abszolút nyomás) használnak referenciaként. Az érzékelő nincs légkörbe szellőztetve. A kimenet csak tökéletes vákuumban nulla. Az abszolút érzékelőket légnyomásmérésre, magasságérzékelésre és olyan alkalmazásokra használják, ahol a légköri nyomásváltozások befolyásolhatják a mérést (pl. lezárt tartályok szivárgásvizsgálata, vákuumkemencék nyomásszabályozása). A nyomáskülönbség-érzékelők két folyamatnyomás (P1 - P2) közötti különbséget mérik. Egyik kikötőt sem szellőztetik ki a légkörbe. A differenciálérzékelőket áramlásmérésre (nyíláslemezekkel), szűrőfigyelésre (nyomásesés a szűrőn) és folyadékszint mérésére zárt tartályokban (az alsó nyomás és a felső gőznyomás közötti különbség) használják. A választás az alkalmazástól függ. Szellőztetett tartály esetén a mérőműszer megfelelő. Változó légköri nyomású zárt tartály esetén különbségre lehet szükség. A magasságméréshez abszolút értékre van szükség. Az alábbi táblázat összefoglalja a legfontosabb különbségeket.

A modern nyomásérzékelők MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems) technológiát alkalmaznak, amely mikroszkopikus méretű mechanikai szerkezeteket integrál egyetlen szilícium chipen lévő elektronikus áramkörökkel. A MEMS nyomásérzékelő magja egy mikromegmunkálású szilícium membrán, jellemzően 5-50 mikrométer vastag, fotolitográfiás és maratási eljárásokkal készül. A piezorellenállások (adalékolt szilícium régiók, amelyek feszültség hatására megváltoztatják az ellenállást) a nagy feszültségű helyeken (széleken és középen) diffundálódnak a membránba. Nyomás alkalmazásakor a membrán elhajlik, ami feszültséget okoz a piezorellenállásokban. Az ellenállás változása arányos az alkalmazott nyomással. A négy piezorellenállás Wheatstone-híd konfigurációban van csatlakoztatva, amely az ellenállásváltozásokat differenciális feszültségjellé alakítja. A feszültségjelet felerősíti, linearizálja, hőmérséklet-kompenzálja, és a kívánt kimeneti formátumra (4-20 mA, feszültség vagy digitális) alakítja át egy ASIC (Application-Specific Integrated Circuit) vagy jelkondicionáló áramkör. A MEMS chip hordozóra (kerámia, NYÁK vagy fém) van felszerelve, huzalra van kötve, és gélbevonattal vagy rozsdamentes acél szigetelő membránnal van védve a média kompatibilitás érdekében. A mérőműszer referenciaértékét úgy érik el, hogy a MEMS chip hátoldalát (vagy a szigetelő membrán hátoldalát) a légkörbe szellőztetik az érzékelő házában lévő szellőzőnyíláson keresztül. A MEMS technológia számos előnnyel rendelkezik: nagyon kis méret (1 mm x 1 mm-es chip), nagy érzékenység (mikrovolt per pascal tartomány), alacsony energiafogyasztás (milliwatt), kiváló ismételhetőség és alacsony költség nagy mennyiségben. Kíméletlen ipari környezetben (korrozív folyadékok, magas hőmérséklet) a MEMS-chip rozsdamentes acél membránnal elválasztható a közegtől, és megtölthető szilikonolajjal (olajjal töltött nyomásérzékelő).

A nyomásmérő érzékelők széles nyomástartományban állnak rendelkezésre, hogy megfeleljenek a különböző ipari alkalmazásoknak. Az alacsony nyomású tartományokat (0-1 psi és 0-15 psi, 0-0,07 bar és 0-1 bar között) használják a HVAC légnyomás felügyeletére, a tisztatéri nyomáskülönbségre és az alacsony nyomású pneumatikus rendszerekre. Közepes nyomástartományok (0-50 psi és 0-500 psi, 0-3,5 bar és 0-35 bar között) általános ipari hidraulikához, vízelosztáshoz, szivattyú nyomónyomásához és folyamatszabályozáshoz használatosak. A nagynyomású tartományokat (0-1000 psi-0-10 000 psi, 0-70 bar-tól 0-700 bar-ig) nehéz berendezések hidraulikához, fröccsöntő gépekhez, hidraulikus présekhez és nagynyomású vízsugaras vágásokhoz használják. A vákuum- vagy vegyülettartományok (-14,7 psi - 0 psi, -1 bar - 0 bar) a negatív nyomást (vákuum) mérik a szívás ellenőrzéséhez, a vákuumcsomagoláshoz és a laboratóriumi alkalmazásokhoz. A vegyülettartományok (-14,7-30 psi, -1-2 bar) a vákuumot és a pozitív nyomást egyaránt mérik. A kimeneti jelek szabványosítva vannak az ipari kompatibilitás érdekében. Analóg kimenetek: 4-20 mA hurokáram (leggyakoribb ipari vezérlésnél, hosszú kábelvezetéseknél, zajtűrésnél), 0-5 VDC, 0-10 VDC (PLC-knél és adatgyűjtésnél gyakori) és 1-5 VDC. Digitális kimenetek: I2C és SPI (beágyazott rendszerekhez és IoT-eszközökhöz), RS-485 Modbus (ipari hálózatokhoz) és CAN busz (autó- és nehézberendezésekhez). A gerjesztési feszültség jellemzően 5 VDC vagy 9-30 VDC (hurkos tápellátású 4-20 mA-es érzékelőknél).

A pontosság a legkritikusabb specifikáció a nyomásmérő érzékelők számára. Általában a teljes skála százalékában (%FS) fejezik ki. Az ipari minőségű nyomásérzékelők ±0,5% FS, ±0,25% FS vagy ±0,1% FS pontosságot érnek el. A nagy pontosságú érzékelők laboratóriumi vagy kalibrációs alkalmazásokhoz ±0,05%-os vagy jobb FS-t érnek el. A pontosság több hibaforrást foglal magában: linearitás (a kimenet eltérése egy egyenes vonaltól a nyomástartományon keresztül), hiszterézis (kimeneti különbség növekvő nyomás és csökkenő nyomás esetén), ismételhetőség (azonos körülmények között ugyanazt a kimenetet képes előállítani ugyanazon nyomáson) és hőmérsékleti hatások (nulla-eltolás és tartomány-eltolás a hőmérséklettel). ±0,5%-os FS érzékelő esetén a teljes hibasáv (beleértve a linearitást, a hiszterézist, az ismételhetőséget és a hőmérsékleti hatásokat a kompenzált hőmérséklet-tartományban) a teljes skála leolvasásának ±0,5%-án belül van. Például egy ±0,5%-os FS pontosságú 0-100 psi nyomású érzékelő maximális hibája ±0,5 psi bármely ponton. A hőmérséklet-kompenzáció elengedhetetlen a pontos méréshez változó üzemi hőmérsékleteken. Az érzékelőt többféle hőmérsékleten kalibrálják (jellemzően -20°C, 25°C és 85°C), és a kompenzációs együtthatókat az érzékelő ASIC-jában vagy mikrokontrollerében tárolják. Működés közben az érzékelő méri a hőmérsékletet és a korrekciós tényezőket alkalmazza a nyomásértékre. A kompenzált hőmérsékleti tartomány jellemzően -20°C és 85°C között van ipari érzékelők esetén, vagy -40°C és 125°C között autóipari és nagy hatótávolságú érzékelők esetén. A kompenzált tartományon kívül a pontosság meghatározott sebességgel romlik (pl. ±0,03% FS per °C).

A nyomásmérő érzékelő felépítéséhez használt anyagok meghatározzák a kémiai kompatibilitást, a hőmérsékletállóságot és a hosszú távú stabilitást. Nyomásnyílás anyaga: a rozsdamentes acél (304, 316 vagy 316L) a legelterjedtebb az ipari érzékelőknél, kiváló korrózióállóságot biztosít a víz, olaj, levegő és enyhe vegyszerek számára. Erősen korrozív közegekhez (savak, maró anyagok, sós víz) Hastelloy C-276, Inconel vagy titán csatlakozók állnak rendelkezésre. Élelmiszeripari és gyógyszerészeti alkalmazásokhoz 316 literes rozsdamentes acél szükséges egészségügyi Tri-Clamp csatlakozásokkal. Membrán anyaga: általános célú érzékelőkhöz a 316L-es rozsdamentes acél membrán (vastagsága 0,05-0,2 mm) jó érzékenységet és tartósságot biztosít. Alacsony nyomású (5 psi alatti) érzékelők esetén a kerámia vagy szilícium membrán (közvetlen adathordozó érintkezés) nagyobb érzékenységet biztosít. Az ultranagy tisztaságú alkalmazásokhoz (félvezető, gyógyszerészeti) a membrán készülhet alumínium-oxid kerámiából vagy szilíciumból, fém nedves részek nélkül. Érzékelőház anyaga: Az IP65/IP67/IP68 besorolású burkolatok lemosáshoz, kültéri vagy merülő alkalmazásokhoz szükségesek. A ház opciók közé tartozik a rozsdamentes acél (korrozív környezetekhez), az alumínium (általános ipari használatra) és a polikarbonát (könnyű beltéri használatra). Tömítőanyagok: O-gyűrűk (Viton, EPDM, NBR) vagy tömítések a nyomónyílás és a ház tömítésére szolgálnak. A tömítés anyagának kompatibilisnek kell lennie a technológiai folyadékkal. A Viton (FKM) a legtöbb olajhoz, üzemanyaghoz és vegyi anyaghoz alkalmas; Az EPDM alkalmas vízhez, gőzhöz és fékfolyadékokhoz; Az NBR ásványolajokhoz és üzemanyagokhoz alkalmas. Magas hőmérsékletű alkalmazásokhoz (125°C / 260°F felett) fém tömítésekre vagy üveg-fém tömítésekre lehet szükség.

A nyomásmérő érzékelőket számos iparágban használják, a specifikációk alkalmazásonként változnak. A hidraulikus rendszerekhez (ipari prések, fröccsöntő gépek, építőipari gépek, targoncák) a 0-5000 psi-től 0-10 000 psi-ig terjedő nyomásérzékelő 4-20 mA kimenettel és IP67 minősítéssel az alapfelszereltség. Az érzékelőnek ellenállnia kell a nyomáscsúcsoknak (2-3-szoros névleges nyomás), és nagy túlnyomási képességgel kell rendelkeznie. Pneumatikus rendszereknél (sűrített levegős felügyelet, levegős szerszámok, pneumatikus működtetők) 0-150 psi vagy 0-300 psi nyomású mérőérzékelőt használnak 0-10 VDC kimenettel és gyors reakcióidővel (1 ms alatt). Nyitott tartályokban (víztornyokban, aknákban, vegyszertartályokban, szennyvízmedencékben) történő folyadékszint méréshez a tartály alján egy merülő mérőnyomás-érzékelő méri a hidrosztatikus nyomást. A nyomás arányos a folyadék magasságával: 1 psi ≈ 2,31 láb (0,7 méter) víz. A pontos szintmérés érdekében az érzékelőt a kábelen keresztül kell szellőztetni (szellőztetett mérőműszeres kialakítás), így a légköri nyomásváltozások megszűnnek. A vákuum ellenőrzéséhez (vákuumcsomagolás, tapadókorongok, orvosi szívás, laboratóriumi vákuumkamrák) összetett nyomásérzékelő (-14,7-0 psi, -1-0 bar) szükséges a negatív nyomás mérésére a légkörhöz képest. Az érzékelőnek nagy felbontásúnak kell lennie alacsony nyomáson (0,1% FS vagy jobb). A szivattyúvezérléshez és a kutak felügyeletéhez (vízkutak, öntözőszivattyúk, nyomásfokozó szivattyúk) egy 0-200 psi nyomású érzékelőt használnak 4-20 mA kimenettel és masszív rozsdamentes acél házzal a szivattyú nyomónyomásának figyelésére és a szárazonfutás elleni védelemre. Az alábbi táblázat megfelel az ajánlott specifikációjú alkalmazásoknak.

A nyomásmérő érzékelőket exportáló gyártók számára elengedhetetlen a dokumentált minőségi és megfelelőségi tanúsítvány. A legkeresettebb szabványok és tanúsítványok a következők: CE-jelölés (Európai Megfelelőség) az EMC-irányelv (2014/30/EU) és RoHS-irányelv (2011/65/EU) szerint, ISO 9001 (minőségirányítási rendszer), valamint a veszélyes területeken történő alkalmazásokhoz ATEX (Európai) vagy IECEx (nemzetközi) flakonbiztos (extriniánia) vagy Extrinia-biztonsági tanúsítvány d). A speciális teljesítménytesztek a következők: pontossági teszt (mérés 5-10 kalibrációs ponton a nyomástartományban, felfelé és lefelé, a linearitás, a hiszterézis és az ismételhetőség ellenőrzésére), hőmérséklet-kompenzációs teszt (mérés -20 °C, 25 °C és 85 °C hőmérsékleten vagy meghatározott tartományban a nulla eltolódás és a span drift teszt 0-nál), hosszú távú sebesség 0 óra drift 0 nyomás 85 °C-on annak ellenőrzésére, hogy a teljesítmény nem változik-e a megadott százaléknál nagyobb mértékben évente), túlnyomás-teszt (1,5-3-szoros névleges nyomás alkalmazása károsodás nélkül), felszakítási nyomáspróba (roncsolásos teszt a biztonsági határ ellenőrzésére), elektromos biztonsági teszt (szigetelési ellenállás, dielektromos szilárdság) és EMC-teszt (sugárzott és vezetett emisszió a CISPR IEC 11 szerint, 6-0 -0 per 0-6). Az orvosi eszközökben használt nyomásérzékelők esetében ISO 13485 tanúsítvány szükséges. Az autóipari alkalmazásokhoz IATF 16949 tanúsítvány szükséges. Ivóvizes alkalmazásokhoz NSF/ANSI 61 tanúsítvány szükséges lehet az ivóvízzel érintkező anyagokhoz. Sok nagy ipari vevő is megköveteli az ISO 9001 szabványra kiterjedő gyári auditokat és a nemzetközi szabványok (NIST, PTB vagy más nemzeti metrológiai intézetek) dokumentált kalibrálási nyomon követhetőségét. A jelenlegi tanúsítványokkal és átlátható minőségi nyilvántartásokkal rendelkező gyártók versenyelőnyre tesznek szert a nemzetközi beszerzésben.