Czujnik ciśnienia względnego a czujniki ciśnienia bezwzględnego i różnicowego: przewodnik techniczny dotyczący automatyki przemysłowej i sterowania procesami

Czujnik ciśnienia względnego (zwany także czujnikiem ciśnienia względnego) to urządzenie mierzące ciśnienie w stosunku do ciśnienia atmosferycznego otoczenia. Czujnik posiada wentylowany port odniesienia, który jest otwarty na otaczającą atmosferę. Element czujnikowy mierzy różnicę pomiędzy ciśnieniem procesowym przyłożonym do jednej strony membrany i ciśnieniem atmosferycznym przyłożonym do drugiej strony. Gdy ciśnienie procesowe jest równe ciśnieniu atmosferycznemu, sygnał wyjściowy czujnika wynosi zero (0 psi, 0 barów lub 0 kPa). Gdy ciśnienie procesowe jest wyższe od atmosferycznego (nadciśnienie), na wyjściu jest dodatnie. Gdy ciśnienie procesowe jest niższe niż atmosferyczne (próżnia lub podciśnienie), na wyjściu jest ujemna. Elementem czujnikowym jest zazwyczaj piezorezystancyjna krzemowa membrana mikroobrobiona (MEMS) lub cienkowarstwowy tensometr na metalowej membranie. Gdy ciśnienie odkształca membranę, zmienia się rezystancja piezorezystorów, wytwarzając moc elektryczną proporcjonalną do przyłożonego ciśnienia. Sygnał wyjściowy jest zwykle wzmacniany do standardowych poziomów przemysłowych: prąd pętli 4–20 mA, 0–5 VDC, 0–10 VDC lub wyjścia cyfrowe (I2C, SPI, magistrala CAN). Czujniki ciśnienia manometrycznego znajdują zastosowanie w tysiącach zastosowań: monitorowanie ciśnienia w układach hydraulicznych, układy sprężonego powietrza, sieci dystrybucji wody, sterowanie pompami, pomiar poziomu w zbiornikach (poprzez pomiar ciśnienia hydrostatycznego) i sterowanie pneumatyczne. Szczegółowe specyfikacje techniczne można znaleźć w dziale zaopatrzenia czujniki ciśnienia manometrycznego strony produktów zawierające arkusze danych materiałów i raporty z testów.

Podstawowa różnica pomiędzy czujnikami ciśnienia względnego, bezwzględnego i różnicowego polega na ciśnieniu odniesienia używanym do pomiaru. Czujniki ciśnienia manometrycznego wykorzystują ciśnienie atmosferyczne jako odniesienie. Czujnik posiada wentylowaną obudowę lub port referencyjny otwarty na powietrze. Wyjście wynosi zero przy ciśnieniu atmosferycznym. Czujniki manometryczne nadają się do większości procesów przemysłowych, ponieważ operatorom zależy na ciśnieniu w stosunku do otoczenia (np. 100 psi nad atmosferą). Czujniki ciśnienia bezwzględnego wykorzystują jako odniesienie szczelną próżniową komorę odniesienia (idealna próżnia, ciśnienie bezwzględne 0 psi). Czujnik nie jest odprowadzany do atmosfery. Wydajność wynosi zero tylko w doskonałej próżni. Czujniki bezwzględne są używane do pomiaru ciśnienia barometrycznego, wykrywania wysokości nad poziomem morza i zastosowań, w których zmiany ciśnienia atmosferycznego mogą mieć wpływ na pomiar (np. Testowanie szczelności szczelnych pojemników, kontrola ciśnienia w piecu próżniowym). Czujniki różnicy ciśnień mierzą różnicę pomiędzy dwoma ciśnieniami procesowymi (P1 - P2). Żaden z portów nie jest odprowadzany do atmosfery. Czujniki różnicowe służą do pomiaru przepływu (za pomocą kryz), monitorowania filtra (spadek ciśnienia na filtrze) oraz pomiaru poziomu cieczy w zbiornikach zamkniętych (różnica między ciśnieniem dolnym i górnym ciśnieniem pary). Wybór zależy od zastosowania. W przypadku odpowietrzonego zbiornika wskaźnik jest prawidłowy. W przypadku szczelnego zbiornika o zmiennym ciśnieniu atmosferycznym może być konieczna różnica. Do pomiaru wysokości wymagana jest wartość bezwzględna. Poniższa tabela podsumowuje kluczowe różnice.

Nowoczesne czujniki ciśnienia względnego wykorzystują technologię MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems), która integruje mikroskopijne struktury mechaniczne z obwodami elektronicznymi w jednym krzemowym chipie. Rdzeniem czujnika ciśnienia MEMS jest obrobiona mikroobróbką krzemowa membrana, zwykle o grubości od 5 do 50 mikrometrów, wytwarzana przy użyciu procesów fotolitografii i trawienia. Piezorezystory (obszary domieszkowanego krzemu, które zmieniają rezystancję pod wpływem naprężenia) są rozproszone w membranie w miejscach narażonych na duże naprężenia (krawędzie i środek). Pod wpływem nacisku membrana ugina się, powodując naprężenie piezorezystorów. Zmiana oporu jest proporcjonalna do przyłożonego ciśnienia. Cztery piezorezystory są połączone w konfiguracji mostka Wheatstone'a, który przetwarza zmiany rezystancji na sygnał napięcia różnicowego. Sygnał napięciowy jest wzmacniany, linearyzowany, kompensowany temperaturowo i konwertowany do żądanego formatu wyjściowego (4–20 mA, napięciowy lub cyfrowy) przez układ ASIC (układ scalony specyficzny dla aplikacji) lub obwód kondycjonowania sygnału. Układ MEMS jest montowany na podłożu (ceramicznym, PCB lub metalu), połączony drutem i chroniony powłoką żelową lub membraną izolacyjną ze stali nierdzewnej w celu zapewnienia kompatybilności z mediami. Wartość odniesienia miernika uzyskuje się poprzez odpowietrzenie tylnej strony układu MEMS (lub tylnej strony membrany izolacyjnej) do atmosfery przez otwór odpowietrzający w obudowie czujnika. Technologia MEMS ma kilka zalet: bardzo mały rozmiar (chip o wielkości zaledwie 1 mm x 1 mm), wysoką czułość (zakres mikrowoltów na pasek), niskie zużycie energii (miliwaty), doskonałą powtarzalność i niski koszt w przypadku dużych ilości. W trudnych warunkach przemysłowych (płyny korozyjne, wysoka temperatura) chip MEMS można odizolować od mediów za pomocą membrany ze stali nierdzewnej i wypełnić olejem silikonowym (czujnik ciśnienia względnego wypełniony olejem).

Czujniki ciśnienia względnego są dostępne w szerokim zakresie zakresów ciśnień, dostosowanych do różnych zastosowań przemysłowych. Zakresy niskiego ciśnienia (0-1 psi do 0-15 psi, 0-0,07 bar do 0-1 bar) są używane do monitorowania ciśnienia powietrza w systemach HVAC, różnicy ciśnień w pomieszczeniach czystych i niskociśnieniowych układach pneumatycznych. Zakresy średniego ciśnienia (0-50 psi do 0-500 psi, 0-3,5 bar do 0-35 bar) są stosowane w ogólnej hydraulice przemysłowej, dystrybucji wody, ciśnieniu tłoczenia pomp i sterowaniu procesami. Zakresy wysokiego ciśnienia (0-1000 psi do 0-10 000 psi, 0-70 bar do 0-700 bar) są stosowane w hydraulice ciężkiego sprzętu, wtryskarkach, prasach hydraulicznych i cięciu strumieniem wody pod wysokim ciśnieniem. Zakresy próżni lub mieszanki (-14,7 psi do 0 psi, -1 bar do 0 bar) mierzą podciśnienie (próżnię) do monitorowania ssania, pakowania próżniowego i zastosowań laboratoryjnych. Zakresy złożone (-14,7 do 30 psi, -1 do 2 bar) mierzą zarówno podciśnienie, jak i nadciśnienie. Sygnały wyjściowe są znormalizowane pod kątem kompatybilności przemysłowej. Wyjścia analogowe: prąd pętli 4-20 mA (najczęściej stosowany w sterowaniu przemysłowym, długich kablach, odporności na zakłócenia), 0-5 VDC, 0-10 VDC (wspólne dla sterowników PLC i gromadzenia danych) oraz 1-5 VDC. Wyjścia cyfrowe: I2C i SPI (dla systemów wbudowanych i urządzeń IoT), RS-485 Modbus (dla sieci przemysłowych) i magistrala CAN (dla motoryzacji i ciężkiego sprzętu). Napięcie wzbudzenia wynosi zazwyczaj 5 VDC lub 9–30 VDC (w przypadku czujników 4–20 mA zasilanych z pętli).

Dokładność jest najważniejszą specyfikacją czujnika ciśnienia względnego. Zwykle wyraża się go jako procent pełnej skali (%FS). Przemysłowe czujniki ciśnienia względnego osiągają dokładność ±0,5% pełnej skali, ±0,25% pełnej skali lub ±0,1% pełnej skali. Czujniki o wysokiej precyzji do zastosowań laboratoryjnych lub kalibracyjnych osiągają ±0,05% pełnej skali lub lepszą. Dokładność obejmuje kilka źródeł błędów: liniowość (odchylenie sygnału wyjściowego od linii prostej w całym zakresie ciśnienia), histerezę (różnica sygnału wyjściowego podczas zwiększania ciśnienia w porównaniu ze spadkiem ciśnienia), powtarzalność (zdolność do wytwarzania tego samego sygnału wyjściowego przy tym samym ciśnieniu w identycznych warunkach) oraz wpływ temperatury (przesunięcie zera i przesunięcie zakresu wraz z temperaturą). W przypadku czujnika ±0,5% pełnej skali całkowity zakres błędu (w tym liniowość, histereza, powtarzalność i wpływ temperatury w skompensowanym zakresie temperatur) mieści się w granicach ±0,5% odczytu pełnej skali. Na przykład czujnik 0-100 psi z dokładnością ±0,5% pełnej skali ma maksymalny błąd wynoszący ±0,5 psi w dowolnym punkcie. Kompensacja temperatury jest niezbędna do dokładnego pomiaru w różnych temperaturach roboczych. Czujnik jest kalibrowany w różnych temperaturach (zwykle -20°C, 25°C i 85°C), a współczynniki kompensacji są przechowywane w układzie ASIC czujnika lub mikrokontrolerze. Podczas pracy czujnik mierzy temperaturę i stosuje współczynniki korekcyjne do odczytu ciśnienia. Skompensowany zakres temperatur wynosi zazwyczaj od -20°C do 85°C dla czujników przemysłowych lub od -40°C do 125°C dla czujników samochodowych i czujników o rozszerzonym zakresie. Poza skompensowanym zakresem dokładność spada w określonym tempie (np. ±0,03% pełnej skali na °C).

Materiały użyte do budowy czujnika ciśnienia względnego decydują o kompatybilności chemicznej, odporności temperaturowej i długoterminowej stabilności. Materiał portu ciśnieniowego: stal nierdzewna (304, 316 lub 316L) jest najczęściej stosowana w czujnikach przemysłowych, zapewniając doskonałą odporność na korozję w przypadku wody, oleju, powietrza i łagodnych chemikaliów. Do mediów silnie korozyjnych (kwasy, ługi, słona woda) dostępne są porty Hastelloy C-276, Inconel lub tytanowe. Do zastosowań spożywczych i farmaceutycznych wymagana jest stal nierdzewna 316L z przyłączami sanitarnymi Tri-Clamp. Materiał membrany: w przypadku czujników ogólnego przeznaczenia membrana ze stali nierdzewnej 316L (grubość 0,05-0,2 mm) zapewnia dobrą czułość i trwałość. W przypadku czujników niskiego ciśnienia (poniżej 5 psi) wyższą czułość zapewnia membrana ceramiczna lub silikonowa (bezpośredni kontakt z mediami). Do zastosowań o ultrawysokiej czystości (półprzewodniki, farmaceutyka) membrana może być wykonana z ceramiki z tlenku glinu lub krzemu, bez części zwilżanych metalem. Materiał obudowy czujnika: Obudowy o stopniu ochrony IP65/IP67/IP68 są wymagane w przypadku zastosowań wymagających mycia w wodzie, zastosowań zewnętrznych lub zanurzalnych. Dostępne są obudowy ze stali nierdzewnej (do zastosowań w środowiskach korozyjnych), aluminium (do zastosowań ogólnoprzemysłowych) i poliwęglanu (do zastosowań wewnętrznych o lekkim obciążeniu). Materiały uszczelniające: O-ringi (Viton, EPDM, NBR) lub uszczelki służą do uszczelnienia portu ciśnieniowego i obudowy. Materiał uszczelnienia musi być kompatybilny z cieczą procesową. Viton (FKM) nadaje się do większości olejów, paliw i chemikaliów; EPDM nadaje się do wody, pary i płynów hamulcowych; NBR nadaje się do olejów mineralnych i paliw. W zastosowaniach wysokotemperaturowych (powyżej 125°C / 260°F) mogą być wymagane uszczelnienia metalowe lub uszczelnienie szkło-metal.

Czujniki ciśnienia względnego są stosowane w wielu gałęziach przemysłu, a ich specyfikacje różnią się w zależności od zastosowania. W przypadku układów hydraulicznych (prasy przemysłowe, wtryskarki, sprzęt budowlany, wózki widłowe) standardem jest czujnik ciśnienia manometrycznego o zakresie od 0–5000 psi do 0–10 000 psi z wyjściem 4–20 mA i stopniem ochrony IP67. Czujnik musi wytrzymywać skoki ciśnienia (2-3x ciśnienie znamionowe) i wykazywać wysoką odporność na nadciśnienie. W układach pneumatycznych (monitorowanie sprężonego powietrza, narzędzia pneumatyczne, siłowniki pneumatyczne) stosuje się czujnik manometryczny 0-150 psi lub 0-300 psi z wyjściem 0-10 VDC i krótkim czasem reakcji (poniżej 1 ms). Do pomiaru poziomu cieczy w zbiornikach otwartych (wieże ciśnień, studzienki, zbiorniki chemiczne, zbiorniki ściekowe) zanurzalny czujnik ciśnienia manometrycznego mierzy ciśnienie hydrostatyczne na dnie zbiornika. Ciśnienie jest proporcjonalne do wysokości cieczy: 1 psi ≈ 2,31 stopy (0,7 metra) wody. Aby pomiar poziomu był dokładny, czujnik musi być odpowietrzony poprzez kabel (konstrukcja manometru z wentylacją), aby zniwelować wahania ciśnienia atmosferycznego. Do monitorowania próżni (pakowanie próżniowe, przyssawki, odsysanie medyczne, laboratoryjne komory próżniowe) wymagany jest złożony czujnik ciśnienia (-14,7 do 0 psi, -1 do 0 barów) do pomiaru podciśnienia w stosunku do atmosfery. Czujnik powinien mieć wysoką rozdzielczość przy niskich ciśnieniach (0,1% FS lub lepszą). Do sterowania pompami i monitorowania studni (studnie wodne, pompy irygacyjne, pompy wspomagające) stosuje się czujnik manometryczny 0–200 psi z wyjściem 4–20 mA i wytrzymałą obudową ze stali nierdzewnej do monitorowania ciśnienia tłoczenia pompy i ochrony przed suchobiegiem. Poniższa tabela przedstawia aplikacje o zalecanych specyfikacjach.

Dla producentów eksportujących czujniki ciśnienia manometrycznego niezbędne są udokumentowane certyfikaty jakości i zgodności. Do najczęściej poszukiwanych norm i certyfikatów należą: oznakowanie CE (zgodność europejska) zgodnie z dyrektywą EMC (2014/30/UE) i dyrektywą RoHS (2011/65/UE), ISO 9001 (system zarządzania jakością), a także do zastosowań w obszarach niebezpiecznych, certyfikacja ATEX (europejska) lub IECEx (międzynarodowa) w zakresie iskrobezpieczeństwa (Ex ia) lub obudowy ognioszczelnej (Ex d). Specyficzne testy wydajności obejmują: test dokładności (pomiar w 5–10 punktach kalibracyjnych w całym zakresie ciśnienia, w górę i w dół, w celu sprawdzenia liniowości, histerezy i powtarzalności), test kompensacji temperatury (pomiar w temperaturach -20°C, 25°C i 85°C lub w określonym zakresie w celu sprawdzenia przesunięcia zera i przesunięcia zakresu), długoterminowy test stabilności (test dryftu trwający 500–1000 godzin przy ciśnieniu znamionowym w temperaturze 85°C w celu sprawdzenia, czy moc wyjściowa nie zmienia się bardziej niż określone procent rocznie), próba nadciśnieniowa (zastosowanie ciśnienia znamionowego od 1,5x do 3x bez uszkodzeń), próba ciśnienia rozrywającego (próba niszcząca w celu sprawdzenia marginesu bezpieczeństwa), próba bezpieczeństwa elektrycznego (rezystancja izolacji, wytrzymałość dielektryczna) i test EMC (emisje promieniowane i przewodzone zgodnie z CISPR 11, odporność zgodnie z IEC 61000-4-2 do -6). W przypadku czujników ciśnienia stosowanych w urządzeniach medycznych wymagana jest certyfikacja ISO 13485. Do zastosowań motoryzacyjnych wymagana jest certyfikacja IATF 16949. W przypadku zastosowań w wodzie pitnej może być wymagana certyfikacja NSF/ANSI 61 dla materiałów mających kontakt z wodą pitną. Wielu dużych odbiorców przemysłowych wymaga również audytów fabryk obejmujących normę ISO 9001 i udokumentowaną zgodność kalibracji z normami międzynarodowymi (NIST, PTB lub inne krajowe instytuty metrologiczne). Producenci, którzy utrzymują aktualne certyfikaty i przejrzyste zapisy jakościowe, zyskują przewagę konkurencyjną w międzynarodowym zaopatrzeniu.