Senzor meracieho tlaku vs. senzory absolútneho a rozdielového tlaku: Technická príručka pre priemyselnú automatizáciu a riadenie procesov

Snímač tlaku (tiež nazývaný snímač relatívneho tlaku) je zariadenie, ktoré meria tlak vo vzťahu k okolitému atmosférickému tlaku. Senzor má vetraný referenčný port, ktorý je otvorený pre okolitú atmosféru. Snímací prvok meria rozdiel medzi procesným tlakom aplikovaným na jednu stranu membrány a atmosférickým tlakom aplikovaným na druhú stranu. Keď sa procesný tlak rovná atmosférickému tlaku, výstup snímača je nulový (0 psi, 0 bar alebo 0 kPa). Keď je procesný tlak vyšší ako atmosférický (kladný tlak), výstup je kladný. Keď je procesný tlak nižší ako atmosférický (vákuum alebo podtlak), výstup je záporný. Snímacím prvkom je typicky piezorezistívna kremíková mikroobrobená membrána (MEMS) alebo tenkovrstvový tenzometer na kovovej membráne. Keď tlak deformuje membránu, mení sa odpor piezorezistorov a vytvára elektrický výstup úmerný aplikovanému tlaku. Výstupný signál je typicky zosilnený na štandardné priemyselné úrovne: prúd slučky 4-20 mA, 0-5 V DC, 0-10 V DC alebo digitálne výstupy (I2C, SPI, CAN bus). Senzory manometra sa používajú v tisíckach aplikácií: monitorovanie tlaku v hydraulickom systéme, systémy stlačeného vzduchu, rozvodné siete vody, ovládanie čerpadiel, meranie hladiny v nádrži (meraním hydrostatického tlaku) a pneumatické ovládanie. Podrobné technické špecifikácie môžu nájsť profesionáli v oblasti zdrojov snímače tlaku produktové stránky pre materiálové listy a skúšobné správy.

Základný rozdiel medzi tlakomerom, snímačom absolútneho a diferenčného tlaku spočíva v referenčnom tlaku použitom na meranie. Senzory meraného tlaku používajú ako referenčný atmosférický tlak. Snímač má vetrané puzdro alebo referenčný port otvorený pre vzduch. Výkon je nulový pri atmosférickom tlaku. Meracie senzory sú vhodné pre väčšinu priemyselných procesov, pretože operátorom záleží na tlaku vo vzťahu k prostrediu (napr. 100 psi nad atmosférou). Senzory absolútneho tlaku používajú ako referenčnú utesnenú vákuovú referenčnú komoru (dokonalé vákuum, absolútne 0 psi). Senzor nie je odvetrávaný do atmosféry. Výkon je nulový iba v dokonalom vákuu. Absolútne snímače sa používajú na meranie barometrického tlaku, snímanie nadmorskej výšky a aplikácie, kde by zmeny atmosférického tlaku ovplyvňovali meranie (napr. testovanie tesnosti utesnených nádob, kontrola tlaku vákuovej pece). Snímače diferenčného tlaku merajú rozdiel medzi dvoma procesnými tlakmi (P1 - P2). Ani jeden port nie je odvetrávaný do atmosféry. Diferenčné snímače sa používajú na meranie prietoku (pomocou clonových dosiek), monitorovanie filtra (pokles tlaku cez filter) a meranie hladiny kvapaliny v uzavretých nádržiach (rozdiel medzi spodným tlakom a horným tlakom pár). Výber závisí od aplikácie. Pre odvzdušnenú nádrž je meradlo správne. Pre utesnenú nádrž s meniacim sa atmosférickým tlakom môže byť potrebný rozdiel. Na meranie nadmorskej výšky sa vyžaduje absolútna hodnota. V tabuľke nižšie sú zhrnuté hlavné rozdiely.

Moderné snímače tlaku využívajú technológiu MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems), ktorá integruje mikroskopické mechanické štruktúry s elektronickými obvodmi na jedinom silikónovom čipe. Jadrom tlakového senzora MEMS je mikroobrobená silikónová membrána, typicky s hrúbkou 5 až 50 mikrometrov, vyrobená pomocou fotolitografie a leptacích procesov. Piezorezistory (oblasti dopovaného kremíka, ktoré menia odpor pri namáhaní) sú difundované do membrány na miestach s vysokým napätím (okraje a stred). Pri pôsobení tlaku sa membrána vychyľuje, čo spôsobuje napätie v piezorezistoroch. Zmena odporu je úmerná aplikovanému tlaku. Štyri piezorezistory sú zapojené v konfigurácii Wheatstoneovho mostíka, ktorý premieňa zmeny odporu na diferenciálny napäťový signál. Napäťový signál je zosilnený, linearizovaný, teplotne kompenzovaný a konvertovaný na požadovaný výstupný formát (4-20 mA, napätie alebo digitálny) pomocou ASIC (Application-Specific Integrated Circuit) alebo obvodu na úpravu signálu. MEMS čip je namontovaný na substráte (keramický, PCB alebo kov), drôtený a chránený gélovým povlakom alebo izolačnou membránou z nehrdzavejúcej ocele pre kompatibilitu médií. Referencia meradla sa dosiahne odvzdušnením zadnej strany MEMS čipu (alebo zadnej strany izolačnej membrány) do atmosféry cez vetrací otvor v kryte snímača. Technológia MEMS ponúka niekoľko výhod: veľmi malú veľkosť (čip už od 1 mm x 1 mm), vysokú citlivosť (mikrovolty na pascal), nízku spotrebu energie (miliwatty), vynikajúcu opakovateľnosť a nízke náklady pri veľkých objemoch. Pre drsné priemyselné prostredia (korozívne kvapaliny, vysoká teplota) môže byť MEMS čip izolovaný od média membránou z nehrdzavejúcej ocele a naplnený silikónovým olejom (olejom naplnený tlakový snímač).

Snímače tlaku sú dostupné v širokom rozsahu tlakových rozsahov, aby vyhovovali rôznym priemyselným aplikáciám. Nízkotlakové rozsahy (0-1 psi až 0-15 psi, 0-0,07 bar až 0-1 bar) sa používajú na monitorovanie tlaku vzduchu HVAC, diferenčného tlaku v čistých priestoroch a nízkotlakových pneumatických systémov. Stredotlakové rozsahy (0-50 psi až 0-500 psi, 0-3,5 bar až 0-35 bar) sa používajú pre všeobecnú priemyselnú hydrauliku, rozvody vody, výtlačný tlak čerpadla a riadenie procesov. Vysokotlakové rozsahy (0-1000 psi až 0-10 000 psi, 0-70 bar až 0-700 barov) sa používajú pre hydrauliku ťažkých zariadení, vstrekovacie stroje, hydraulické lisy a rezanie vysokotlakovým vodným lúčom. Rozsahy vákua alebo zmesi (-14,7 psi až 0 psi, -1 bar až 0 bar) merajú negatívny tlak (vákuum) na monitorovanie sania, vákuové balenie a laboratórne aplikácie. Rozsahy zlúčenín (-14,7 až 30 psi, -1 až 2 bary) merajú vákuum aj pretlak. Výstupné signály sú štandardizované pre priemyselnú kompatibilitu. Analógové výstupy: 4-20 mA slučkový prúd (najbežnejší pre priemyselné riadenie, dlhé káble, odolnosť proti šumu), 0-5 V DC, 0-10 V DC (bežné pre PLC a zber dát) a 1-5 V DC. Digitálne výstupy: I2C a SPI (pre embedded systémy a IoT zariadenia), RS-485 Modbus (pre priemyselné siete) a CAN bus (pre automobilové a ťažké zariadenia). Budiace napätie je zvyčajne 5 V DC alebo 9-30 V DC (pre snímače 4-20 mA napájané zo slučky).

Presnosť je najdôležitejšou špecifikáciou pre snímač tlaku. Zvyčajne sa vyjadruje ako percento z celého rozsahu (%FS). Priemyselné snímače tlaku dosahujú presnosť ±0,5 % FS, ±0,25 % FS alebo ±0,1 % FS. Vysoko presné snímače pre laboratórne alebo kalibračné aplikácie dosahujú ±0,05 % FS alebo lepšie. Presnosť zahŕňa niekoľko zdrojov chýb: linearitu (odchýlka výstupu od priamky cez tlakový rozsah), hysterézu (rozdiel vo výstupe pri zvyšovaní tlaku vs. klesajúci tlak), opakovateľnosť (schopnosť produkovať rovnaký výstup pri rovnakom tlaku za rovnakých podmienok) a teplotné efekty (posun nuly a rozpätie s teplotou). V prípade snímača ±0,5 % FS je celkové chybové pásmo (vrátane linearity, hysterézie, opakovateľnosti a teplotných vplyvov v rámci kompenzovaného teplotného rozsahu) v rozmedzí ±0,5 % celkovej hodnoty stupnice. Napríklad snímač 0-100 psi s presnosťou ±0,5 % FS má maximálnu chybu ±0,5 psi v akomkoľvek bode. Teplotná kompenzácia je nevyhnutná pre presné meranie pri rôznych prevádzkových teplotách. Senzor je kalibrovaný pri viacerých teplotách (typicky -20°C, 25°C a 85°C) a kompenzačné koeficienty sú uložené v ASIC alebo mikrokontroléri senzora. Počas prevádzky snímač meria teplotu a aplikuje korekčné faktory na hodnotu tlaku. Kompenzovaný teplotný rozsah je zvyčajne -20 °C až 85 °C pre priemyselné snímače alebo -40 °C až 125 °C pre automobilové snímače a snímače s rozšíreným dosahom. Mimo kompenzovaného rozsahu presnosť klesá špecifikovanou rýchlosťou (napr. ±0,03 % FS na °C).

Materiály použité v konštrukcii snímača tlaku určujú chemickú kompatibilitu, teplotnú odolnosť a dlhodobú stabilitu. Materiál tlakového otvoru: nehrdzavejúca oceľ (304, 316 alebo 316L) je najbežnejšia pre priemyselné snímače, poskytuje vynikajúcu odolnosť voči korózii vode, oleju, vzduchu a jemným chemikáliám. Pre vysoko korozívne médiá (kyseliny, žieraviny, slaná voda) sú k dispozícii porty Hastelloy C-276, Inconel alebo titánové porty. Pre potravinárske a farmaceutické aplikácie je potrebná nehrdzavejúca oceľ 316L so sanitárnym pripojením Tri-Clamp. Materiál membrány: pre univerzálne senzory, membrána z nehrdzavejúcej ocele 316L (hrúbka 0,05-0,2 mm) poskytuje dobrú citlivosť a odolnosť. Pre nízkotlakové snímače (pod 5 psi) ponúka vyššiu citlivosť keramická alebo silikónová membrána (priamy kontakt s médiom). Pre aplikácie s ultra vysokou čistotou (polovodičové, farmaceutické) môže byť membrána vyrobená z hliníkovej keramiky alebo kremíka bez kovových častí. Materiál krytu snímača: Kryty s krytím IP65/IP67/IP68 sú potrebné pre umývanie, vonkajšie alebo ponorné aplikácie. Možnosti krytov zahŕňajú nehrdzavejúcu oceľ (pre korozívne prostredie), hliník (pre všeobecné priemyselné použitie) a polykarbonát (pre ľahké vnútorné použitie). Tesniace materiály: Na utesnenie tlakového otvoru a krytu sa používajú O-krúžky (Viton, EPDM, NBR) alebo tesnenia. Materiál tesnenia musí byť kompatibilný s procesnou kvapalinou. Viton (FKM) je vhodný pre väčšinu olejov, palív a chemikálií; EPDM je vhodný pre vodu, paru a brzdové kvapaliny; NBR je vhodný pre minerálne oleje a palivá. Pre aplikácie pri vysokých teplotách (nad 125 °C / 260 °F) môžu byť potrebné kovové tesnenia alebo tesnenia sklo na kov.

Senzory meracieho tlaku sa používajú vo viacerých odvetviach, pričom špecifikácie sa líšia podľa aplikácie. Pre hydraulické systémy (priemyselné lisy, vstrekovacie stroje, stavebné stroje, vysokozdvižné vozíky) je štandardný snímač tlaku 0-5000 psi až 0-10 000 psi s výstupom 4-20 mA a krytím IP67. Snímač musí odolať tlakovým špičkám (2-3x menovitý tlak) a musí mať schopnosť vysokého pretlaku. Pre pneumatické systémy (monitorovanie stlačeného vzduchu, pneumatické nástroje, pneumatické pohony) sa používa snímač 0-150 psi alebo 0-300 psi s výstupom 0-10 V DC a rýchlou odozvou (pod 1 ms). Na meranie hladiny kvapaliny v otvorených nádržiach (vodárenské veže, žumpy, chemické nádrže, nádrže na odpadovú vodu) meria ponorný tlakový snímač hydrostatický tlak na dne nádrže. Tlak je úmerný výške kvapaliny: 1 psi ≈ 2,31 stopy (0,7 metra) vody. Pre presné meranie hladiny musí byť snímač odvzdušnený cez kábel (konštrukcia s odvzdušneným tlakomerom), aby sa eliminovali zmeny atmosférického tlaku. Na monitorovanie vákua (vákuové balenie, prísavky, lekárske odsávanie, laboratórne vákuové komory) je potrebný zložený tlakový senzor (-14,7 až 0 psi, -1 až 0 bar) na meranie podtlaku vzhľadom na atmosféru. Senzor by mal mať vysoké rozlíšenie pri nízkych tlakoch (0,1 % FS alebo lepšie). Na riadenie čerpadiel a monitorovanie studní (vodné studne, zavlažovacie čerpadlá, posilňovacie čerpadlá) sa používa snímač 0-200 psi s výstupom 4-20 mA a robustné puzdro z nehrdzavejúcej ocele na monitorovanie tlaku na výtlaku čerpadla a ochranu pred prevádzkou nasucho. Nižšie uvedená tabuľka zodpovedá aplikáciám s odporúčanými špecifikáciami.

Pre výrobcov vyvážajúcich snímače meracieho tlaku sú nevyhnutné certifikácie zdokumentovanej kvality a zhody. Medzi najžiadanejšie normy a certifikácie patria: označenie CE (Európska zhoda) podľa smernice EMC (2014/30/EÚ) a smernice RoHS (2011/65/EU), ISO 9001 (systém manažérstva kvality) a pre aplikácie v nebezpečných prostrediach certifikácia ATEX (európska) alebo IECEx (medzinárodná) pre vnútornú bezpečnosť (Ex ia) alebo ohňovzdorný kryt. Špecifické výkonnostné testy zahŕňajú: test presnosti (meranie v 5-10 kalibračných bodoch v celom rozsahu tlaku, hore a dole, na overenie linearity, hysterézie a opakovateľnosti), test teplotnej kompenzácie (meranie pri -20 °C, 25 °C a 85 °C alebo špecifikovaný rozsah na overenie posunu nuly a posunu rozpätia), test dlhodobej stability (500-10 drift na výstupe od 5 hodín do 10 °C). nemení viac ako špecifikované percento za rok), pretlaková skúška (aplikácia 1,5- až 3-násobku menovitého tlaku bez poškodenia), skúška deštrukčným tlakom (deštruktívna skúška na overenie bezpečnostnej rezervy), skúška elektrickej bezpečnosti (izolačný odpor, dielektrická pevnosť) a skúška EMC (vyžarované a vedené emisie podľa CISPR 11, odolnosť podľa IEC 61000-4-2 až -6). Pre snímače tlaku používané v zdravotníckych zariadeniach sa vyžaduje certifikácia ISO 13485. Pre automobilové aplikácie sa vyžaduje certifikácia IATF 16949. Pre aplikácie s pitnou vodou sa môže vyžadovať certifikácia NSF/ANSI 61 pre materiály prichádzajúce do kontaktu s pitnou vodou. Mnoho veľkých priemyselných nákupcov tiež vyžaduje audity v továrni pokrývajúce ISO 9001 a dokumentovanú nadväznosť kalibrácie na medzinárodné normy (NIST, PTB alebo iné národné metrologické inštitúty). Výrobcovia, ktorí si udržiavajú aktuálne certifikácie a transparentné záznamy o kvalite, získavajú konkurenčnú výhodu v medzinárodnom obstarávaní.