Senzor nadtlaka u odnosu na senzore apsolutnog i diferencijalnog tlaka: Tehnički vodič za industrijsku automatizaciju i kontrolu procesa

Senzor nadtlaka (koji se naziva i senzor relativnog tlaka) je uređaj koji mjeri tlak u odnosu na atmosferski tlak okoline. Senzor ima ventilirani referentni priključak koji je otvoren prema okolnoj atmosferi. Osjetljivi element mjeri razliku između procesnog tlaka primijenjenog na jednu stranu dijafragme i atmosferskog tlaka primijenjenog na drugu stranu. Kada je procesni tlak jednak atmosferskom tlaku, izlaz senzora je nula (0 psi, 0 bara ili 0 kPa). Kada je procesni tlak viši od atmosferskog (pozitivan tlak), izlaz je pozitivan. Kada je procesni tlak niži od atmosferskog (vakuum ili podtlak), izlaz je negativan. Osjetljivi element je tipično piezorezistivna silikonska mikrostrojno obrađena dijafragma (MEMS) ili tankoslojni mjerač naprezanja na metalnoj dijafragmi. Kako tlak deformira dijafragmu, otpor piezootpornika se mijenja, proizvodeći električni izlaz proporcionalan primijenjenom tlaku. Izlazni signal obično se pojačava do standardnih industrijskih razina: struja petlje 4-20 mA, 0-5 VDC, 0-10 VDC ili digitalni izlazi (I2C, SPI, CAN sabirnica). Senzori nadtlaka koriste se u tisućama aplikacija: nadzor tlaka hidrauličkog sustava, sustavi komprimiranog zraka, distribucijske mreže vode, kontrola pumpi, mjerenje razine spremnika (mjerenjem hidrostatskog tlaka) i pneumatske kontrole. Za detaljne tehničke specifikacije, stručnjaci za nabavu mogu se obratiti senzori mjernog tlaka stranice proizvoda za podatkovne listove materijala i izvješća o ispitivanju.

Temeljna razlika između senzora nadmjernog, apsolutnog i diferencijalnog tlaka leži u referentnom tlaku koji se koristi za mjerenje. Senzori nadtlaka koriste atmosferski tlak kao referencu. Senzor ima ventilirano kućište ili referentni otvor otvoren prema zraku. Izlaz je nula pri atmosferskom tlaku. Senzori mjerača prikladni su za većinu industrijskih procesa jer operateri brinu o tlaku u odnosu na okoliš (npr. 100 psi iznad atmosfere). Senzori apsolutnog tlaka koriste zapečaćenu vakuumsku referentnu komoru (savršeni vakuum, 0 psi apsolutno) kao referencu. Senzor nije ispušten u atmosferu. Izlaz je nula samo u savršenom vakuumu. Apsolutni senzori koriste se za mjerenje barometarskog tlaka, mjerenje nadmorske visine i primjene u kojima bi varijacije atmosferskog tlaka utjecale na mjerenje (npr. ispitivanje nepropusnosti zatvorenih spremnika, kontrola tlaka u vakuumskoj peći). Senzori diferencijalnog tlaka mjere razliku između dva procesna tlaka (P1 - P2). Nijedan otvor nije ispušten u atmosferu. Diferencijalni senzori koriste se za mjerenje protoka (pomoću ploča s otvorima), nadzor filtra (pad tlaka na filtru) i mjerenje razine tekućine u zatvorenim spremnicima (razlika između donjeg tlaka i gornjeg tlaka pare). Izbor ovisi o primjeni. Za spremnik s ventilacijom mjerač je točan. Za zatvoreni spremnik s različitim atmosferskim tlakom, razlika može biti potrebna. Za mjerenje nadmorske visine potreban je apsolutni. Tablica u nastavku sažima ključne razlike.

Moderni senzori nadtlaka koriste tehnologiju MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems), koja integrira mikroskopske mehaničke strukture s elektroničkim sklopovima na jednom silikonskom čipu. Jezgra MEMS senzora tlaka je mikrostrojno obrađena silikonska dijafragma, obično debljine 5 do 50 mikrometara, proizvedena korištenjem procesa fotolitografije i jetkanja. Piezorotpornici (područja dopiranog silicija koja mijenjaju otpor kada su pod stresom) difuziraju u dijafragmu na mjestima visokog naprezanja (rubovi i središte). Kada se primijeni pritisak, dijafragma se skrene, uzrokujući napetost u piezootpornicima. Promjena otpora proporcionalna je primijenjenom tlaku. Četiri piezootpornika povezana su u konfiguraciju Wheatstoneovog mosta, koji pretvara promjene otpora u signal diferencijalnog napona. Naponski signal se pojačava, linearizira, temperaturno kompenzira i pretvara u željeni izlazni format (4-20 mA, naponski ili digitalni) pomoću ASIC-a (Application-Specific Integrated Circuit) ili kruga za kondicioniranje signala. MEMS čip montiran je na podlogu (keramiku, PCB ili metal), spojen žicom i zaštićen gel premazom ili izolacijskom dijafragmom od nehrđajućeg čelika radi kompatibilnosti medija. Referenca mjerača postiže se ispuštanjem stražnje strane MEMS čipa (ili stražnje strane izolacijske dijafragme) u atmosferu kroz ventilacijski otvor u kućištu senzora. MEMS tehnologija nudi nekoliko prednosti: vrlo male veličine (čip samo 1 mm x 1 mm), visoka osjetljivost (raspon mikrovolta po paskalu), niska potrošnja energije (milivati), izvrsna ponovljivost i niska cijena u velikim količinama. Za teška industrijska okruženja (korozivne tekućine, visoke temperature), MEMS čip se može izolirati od medija dijafragmom od nehrđajućeg čelika i napuniti silikonskim uljem (senzor tlaka punjen uljem).

Senzori nadtlaka dostupni su u širokom rasponu raspona tlaka kako bi odgovarali različitim industrijskim primjenama. Rasponi niskog tlaka (0-1 psi do 0-15 psi, 0-0,07 bara do 0-1 bara) koriste se za HVAC nadzor tlaka zraka, diferencijalni tlak čiste sobe i niskotlačne pneumatske sustave. Rasponi srednjeg tlaka (0-50 psi do 0-500 psi, 0-3,5 bara do 0-35 bara) koriste se za opću industrijsku hidrauliku, distribuciju vode, ispusni tlak crpke i kontrolu procesa. Rasponi visokog tlaka (0-1000 psi do 0-10,000 psi, 0-70 bara do 0-700 bara) koriste se za hidrauliku teške opreme, strojeve za injekcijsko prešanje, hidrauličke preše i rezanje vodenim mlazom pod visokim pritiskom. Rasponi vakuuma ili spoja (-14,7 psi do 0 psi, -1 bar do 0 bara) mjere negativni tlak (vakuum) za nadzor usisavanja, vakuumsko pakiranje i laboratorijske primjene. Rasponi spoja (-14,7 do 30 psi, -1 do 2 bara) mjere i vakuum i pozitivan tlak. Izlazni signali su standardizirani za industrijsku kompatibilnost. Analogni izlazi: struja petlje 4-20 mA (najčešće za industrijsku kontrolu, dugačke kabele, otpornost na smetnje), 0-5 VDC, 0-10 VDC (uobičajeno za PLC-ove i prikupljanje podataka) i 1-5 VDC. Digitalni izlazi: I2C i SPI (za ugrađene sustave i IoT uređaje), RS-485 Modbus (za industrijske mreže) i CAN sabirnica (za automobilsku i tešku opremu). Pobudni napon je obično 5 VDC ili 9-30 VDC (za senzore s napajanjem iz petlje 4-20 mA).

Točnost je najkritičnija specifikacija za senzor nadtlaka. Obično se izražava kao postotak pune skale (%FS). Senzori nadtlaka industrijske razine postižu točnost od ±0,5% FS, ±0,25% FS ili ±0,1% FS. Senzori visoke preciznosti za laboratorijske ili kalibracijske primjene postižu ±0,05% FS ili bolje. Točnost uključuje nekoliko izvora pogrešaka: linearnost (odstupanje izlaza od ravne crte u cijelom rasponu tlaka), histereza (razlika u izlazu kada se tlak povećava u odnosu na pad tlaka), ponovljivost (sposobnost proizvodnje istog izlaza za isti tlak pod identičnim uvjetima) i temperaturne učinke (pomak nule i pomak raspona s temperaturom). Za ±0,5% FS senzor, ukupni pojas pogreške (uključujući linearnost, histerezu, ponovljivost i temperaturne učinke preko kompenziranog temperaturnog raspona) je unutar ±0,5% očitanja pune skale. Na primjer, senzor 0-100 psi s ±0,5% FS točnosti ima maksimalnu pogrešku od ±0,5 psi u bilo kojoj točki. Temperaturna kompenzacija neophodna je za točno mjerenje na različitim radnim temperaturama. Senzor se kalibrira na više temperatura (obično -20°C, 25°C i 85°C), a koeficijenti kompenzacije pohranjuju se u ASIC senzora ili mikrokontroler. Tijekom rada senzor mjeri temperaturu i primjenjuje korekcijske faktore na očitanje tlaka. Raspon kompenzirane temperature obično je od -20°C do 85°C za industrijske senzore ili od -40°C do 125°C za automobilske senzore i senzore proširenog raspona. Izvan kompenziranog raspona, točnost opada određenom brzinom (npr. ±0,03% FS po °C).

Materijali korišteni u konstrukciji senzora nadtlaka određuju kemijsku kompatibilnost, temperaturnu otpornost i dugoročnu stabilnost. Materijal tlačnog priključka: nehrđajući čelik (304, 316 ili 316L) najčešći je za industrijske senzore, pruža izvrsnu otpornost na koroziju za vodu, ulje, zrak i blage kemikalije. Za visoko korozivne medije (kiseline, nagrizajuće tvari, slana voda) dostupni su priključci od Hastelloy C-276, Inconel ili titana. Za prehrambenu i farmaceutsku primjenu potreban je nehrđajući čelik 316L sa sanitarnim spojevima Tri-Clamp. Materijal dijafragme: za senzore opće namjene, dijafragma od nehrđajućeg čelika 316L (debljina 0,05-0,2 mm) pruža dobru osjetljivost i izdržljivost. Za senzore niskog tlaka (ispod 5 psi), keramička ili silikonska dijafragma (izravni kontakt s medijem) nudi veću osjetljivost. Za primjene ultra-visoke čistoće (poluvodič, farmaceutski), dijafragma može biti izrađena od aluminijeve keramike ili silicija bez metalnih dijelova u kontaktu s metalom. Materijal kućišta senzora: potrebna su kućišta s oznakom IP65/IP67/IP68 za ispiranje, vanjsku primjenu ili primjenu pod vodom. Mogućnosti kućišta uključuju nehrđajući čelik (za korozivna okruženja), aluminij (za opću industriju) i polikarbonat (za lake zatvorene prostore). Materijali za brtvljenje: O-prstenovi (Viton, EPDM, NBR) ili brtve koriste se za brtvljenje tlačnog priključka i kućišta. Materijal brtve mora biti kompatibilan s procesnom tekućinom. Viton (FKM) je prikladan za većinu ulja, goriva i kemikalija; EPDM je prikladan za vodu, paru i tekućine za kočnice; NBR je pogodan za mineralna ulja i goriva. Za primjene na visokim temperaturama (iznad 125°C / 260°F), mogu biti potrebne metalne brtve ili brtvljenje staklo-metal.

Senzori nadtlaka koriste se u više industrija, a specifikacije se razlikuju ovisno o primjeni. Za hidrauličke sustave (industrijske preše, strojevi za injekcijsko prešanje, građevinska oprema, viličari), standardan je senzor tlaka od 0-5000 psi do 0-10,000 psi s izlazom od 4-20 mA i ocjenom IP67. Senzor mora izdržati skokove tlaka (2-3x nazivnog tlaka) i imati visoku sposobnost nadtlaka. Za pneumatske sustave (nadzor komprimiranog zraka, zračni alati, pneumatski aktuatori) koristi se senzor mjerenja 0-150 psi ili 0-300 psi s izlazom 0-10 VDC i brzim vremenom odziva (ispod 1 ms). Za mjerenje razine tekućine u otvorenim spremnicima (vodotornjevi, sumpti, kemijski spremnici, bazeni za otpadnu vodu), potopni senzor tlaka mjeri hidrostatski tlak na dnu spremnika. Tlak je proporcionalan visini tekućine: 1 psi ≈ 2,31 stopa (0,7 metara) vode. Za točno mjerenje razine, senzor mora biti odzračen kroz kabel (dizajn ventiliranog mjerača) tako da se poništavaju varijacije atmosferskog tlaka. Za praćenje vakuuma (vakuumsko pakiranje, vakuumske čašice, medicinske sukcije, laboratorijske vakuumske komore), potreban je složeni senzor tlaka (-14,7 do 0 psi, -1 do 0 bara) za mjerenje negativnog tlaka u odnosu na atmosferu. Senzor bi trebao imati visoku razlučivost pri niskim pritiscima (0,1% FS ili bolje). Za kontrolu crpke i nadzor bunara (bunari za vodu, pumpe za navodnjavanje, pumpe za povišenje tlaka), senzor mjerača 0-200 psi s izlazom 4-20 mA i robusnim kućištem od nehrđajućeg čelika koristi se za nadzor ispusnog tlaka pumpe i zaštitu od uvjeta rada na suho. Donja tablica odgovara aplikacijama s preporučenim specifikacijama.

Za proizvođače koji izvoze senzore nadtlaka, bitni su dokumentirani certifikati o kvaliteti i sukladnosti. Najtraženiji standardi i certifikati uključuju: CE oznaku (Europska sukladnost) prema EMC Direktivi (2014/30/EU) i RoHS Direktivi (2011/65/EU), ISO 9001 (sustav upravljanja kvalitetom), a za aplikacije u opasnim područjima, ATEX (europski) ili IECEx (međunarodni) certifikat za intrinzičnu sigurnost (Ex ia) ili otpornost na plamen kućište (Ex d). Specifični testovi performansi uključuju: test točnosti (mjerenje na 5-10 kalibracijskih točaka u rasponu tlaka, gore i dolje, za provjeru linearnosti, histereze i ponovljivosti), test temperaturne kompenzacije (mjerenje na -20°C, 25°C i 85°C ili određenom rasponu za provjeru pomaka nule i raspona), test dugotrajne stabilnosti (500-1000 sati). ispitivanje pomicanja pri nazivnom tlaku na 85°C kako bi se potvrdilo da se izlaz ne mijenja više od navedenog postotka godišnje), ispitivanje nadtlaka (primjena 1,5x do 3x nazivnog tlaka bez oštećenja), ispitivanje tlaka pucanja (destruktivno ispitivanje za provjeru sigurnosne granice), ispitivanje električne sigurnosti (otpor izolacije, dielektrična čvrstoća) i ispitivanje elektromagnetske kompatibilnosti (zračene i dirigirane emisije prema CISPR 11, otpornost prema IEC 61000-4-2 do -6). Za senzore tlaka koji se koriste u medicinskim uređajima potreban je certifikat ISO 13485. Za automobilsku primjenu potreban je IATF 16949 certifikat. Za primjenu u pitkoj vodi može biti potrebna potvrda NSF/ANSI 61 za materijale u kontaktu s pitkom vodom. Mnogi veliki industrijski kupci također zahtijevaju tvorničke revizije koje pokrivaju ISO 9001 i dokumentiranu sljedivost kalibracije prema međunarodnim standardima (NIST, PTB ili drugi nacionalni mjeriteljski instituti). Proizvođači koji održavaju trenutne certifikate i transparentnu evidenciju o kvaliteti stječu konkurentsku prednost u međunarodnim nabavama.