Senzor de presiune manometrică vs. senzori de presiune absolută și diferențială: un ghid tehnic pentru automatizarea industrială și controlul proceselor

Un senzor de presiune manometrică (numit și senzor de presiune relativă) este un dispozitiv care măsoară presiunea în raport cu presiunea atmosferică ambientală. Senzorul are un port de referință ventilat care este deschis către atmosfera înconjurătoare. Elementul senzor măsoară diferența dintre presiunea de proces aplicată pe o parte a diafragmei și presiunea atmosferică aplicată pe cealaltă parte. Când presiunea procesului este egală cu presiunea atmosferică, ieșirea senzorului este zero (0 psi, 0 bar sau 0 kPa). Când presiunea procesului este mai mare decât presiunea atmosferică (presiune pozitivă), rezultatul este pozitiv. Când presiunea procesului este mai mică decât presiunea atmosferică (vid sau presiune negativă), ieșirea este negativă. Elementul de detectare este în mod obișnuit o diafragmă micro-prelucrată de siliciu piezoresistiv (MEMS) sau un tensiometru cu peliculă subțire pe o diafragmă metalică. Pe măsură ce presiunea deformează diafragma, rezistența piezorrezistențelor se modifică, producând o ieșire electrică proporțională cu presiunea aplicată. Semnalul de ieșire este de obicei amplificat la niveluri industriale standard: curent de buclă 4-20 mA, 0-5 VDC, 0-10 VDC sau ieșiri digitale (I2C, SPI, bus CAN). Senzorii de presiune manometrică sunt utilizați în mii de aplicații: monitorizarea presiunii sistemului hidraulic, sistemele de aer comprimat, rețelele de distribuție a apei, controlul pompelor, măsurarea nivelului rezervorului (prin măsurarea presiunii hidrostatice) și comenzi pneumatice. Pentru specificații tehnice detaliate, profesioniștii în aprovizionare se pot referi la senzori de presiune manometrică pagini de produse pentru fișele tehnice ale materialelor și rapoartele de testare.

Diferența fundamentală dintre senzorii de presiune manometrică, absolută și diferențială constă în presiunea de referință utilizată pentru măsurare. Senzorii de presiune manometrică folosesc presiunea atmosferică ca referință. Senzorul are o carcasă ventilată sau un port de referință deschis în aer. Ieșirea este zero la presiunea atmosferică. Senzorii de măsurare sunt potriviți pentru majoritatea proceselor industriale, deoarece operatorilor le pasă de presiunea față de mediu (de exemplu, 100 psi deasupra atmosferei). Senzorii de presiune absolută folosesc ca referință o cameră de referință de vid sigilată (vid perfect, 0 psi absolut). Senzorul nu este evacuat în atmosferă. Ieșirea este zero doar într-un vid perfect. Senzorii absoluti sunt utilizați pentru măsurarea presiunii barometrice, detectarea altitudinii și aplicațiile în care variațiile presiunii atmosferice ar afecta măsurarea (de exemplu, testarea de scurgeri a recipientelor sigilate, controlul presiunii cuptorului cu vid). Senzorii de presiune diferențială măsoară diferența dintre două presiuni de proces (P1 - P2). Niciun port nu este evacuat în atmosferă. Senzorii diferențiali sunt utilizați pentru măsurarea debitului (folosind plăci cu orificii), monitorizarea filtrului (căderea presiunii pe un filtru) și măsurarea nivelului lichidului în rezervoare închise (diferența dintre presiunea inferioară și presiunea de vapori superioară). Alegerea depinde de aplicație. Pentru un rezervor ventilat, gabaritul este corect. Pentru un rezervor etanș cu presiune atmosferică variabilă, poate fi necesar un diferențial. Pentru măsurarea altitudinii, este necesar absolut. Tabelul de mai jos rezumă diferențele cheie.

Senzorii moderni de presiune manometrică folosesc tehnologia MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems), care integrează structuri mecanice microscopice cu circuite electronice pe un singur cip de siliciu. Miezul senzorului de presiune MEMS este o diafragmă de siliciu microprelucrată, de obicei de 5 până la 50 de micrometri grosime, fabricată folosind procese de fotolitografie și gravare. Piezorrezistoarele (regiuni de siliciu dopate care schimbă rezistența atunci când sunt solicitate) sunt difuzate în diafragmă în locații cu solicitări mari (margini și centru). Când se aplică presiune, diafragma se deflectează, provocând tensiune în piezoresistori. Modificarea rezistenței este proporțională cu presiunea aplicată. Cele patru piezorezistoare sunt conectate într-o configurație de punte Wheatstone, care convertește schimbările de rezistență într-un semnal de tensiune diferențială. Semnalul de tensiune este amplificat, linearizat, compensat cu temperatură și convertit în formatul de ieșire dorit (4-20 mA, tensiune sau digital) printr-un circuit ASIC (Application-Specific Integrated Circuit) sau circuit de condiționare a semnalului. Cipul MEMS este montat pe un substrat (ceramic, PCB sau metal), legat prin sârmă și protejat cu un strat de gel sau o diafragmă de izolare din oțel inoxidabil pentru compatibilitate cu mediile. Referința manometrului este obținută prin aerisirea părții din spate a cipului MEMS (sau a părții din spate a diafragmei de izolare) în atmosferă printr-un orificiu de aerisire din carcasa senzorului. Tehnologia MEMS oferă mai multe avantaje: dimensiune foarte mică (cip de 1 mm x 1 mm), sensibilitate ridicată (interval de microvolt pe pascal), consum redus de energie (miliwați), repetabilitate excelentă și cost scăzut în volume mari. Pentru medii industriale dure (fluide corozive, temperatură ridicată), cipul MEMS poate fi izolat de mediu printr-o diafragmă din oțel inoxidabil și umplut cu ulei siliconic (senzor de presiune manometru umplut cu ulei).

Senzorii de presiune manometrică sunt disponibili într-o gamă largă de domenii de presiune pentru a se potrivi diferitelor aplicații industriale. Intervalele de presiune joasă (0-1 psi până la 0-15 psi, 0-0,07 bar până la 0-1 bar) sunt utilizate pentru monitorizarea presiunii aerului HVAC, presiunea diferențială a camerei curate și sistemele pneumatice de joasă presiune. Intervalele de presiune medie (0-50 psi la 0-500 psi, 0-3,5 bar la 0-35 bar) sunt utilizate pentru hidraulica industrială generală, distribuția apei, presiunea de refulare a pompei și controlul procesului. Intervalele de presiune înaltă (0-1000 psi până la 0-10.000 psi, 0-70 bari până la 0-700 bari) sunt utilizate pentru echipamentele hidraulice grele, mașinile de turnat prin injecție, presele hidraulice și tăierea cu jet de apă la presiune înaltă. Intervalele de vid sau compus (-14,7 psi la 0 psi, -1 bar la 0 bar) măsoară presiunea negativă (vid) pentru monitorizarea aspirației, ambalarea în vid și aplicațiile de laborator. Intervalele de compuși (-14,7 până la 30 psi, -1 până la 2 bar) măsoară atât vidul, cât și presiunea pozitivă. Semnalele de ieșire sunt standardizate pentru compatibilitate industrială. Ieșiri analogice: curent de buclă 4-20 mA (cel mai comun pentru control industrial, cabluri lungi, imunitate la zgomot), 0-5 VDC, 0-10 VDC (comun pentru PLC-uri și achiziția de date) și 1-5 VDC. Ieșiri digitale: I2C și SPI (pentru sisteme încorporate și dispozitive IoT), RS-485 Modbus (pentru rețele industriale) și CAN bus (pentru automobile și echipamente grele). Tensiunea de excitație este de obicei de 5 VDC sau 9-30 VDC (pentru senzori alimentați în buclă de 4-20 mA).

Precizia este cea mai critică specificație pentru un senzor de presiune manometrică. Este de obicei exprimat ca procent din scara completă (%FS). Senzorii de presiune manometrică de calitate industrială ating o precizie de ±0,5% FS, ±0,25% FS sau ±0,1% FS. Senzorii de înaltă precizie pentru aplicații de laborator sau de calibrare ating ±0,05% FS sau mai bine. Precizia include mai multe surse de eroare: liniaritatea (abaterea ieșirii de la o linie dreaptă în intervalul de presiune), histerezis (diferența de ieșire la creșterea presiunii față de scăderea presiunii), repetabilitate (capacitatea de a produce aceeași ieșire pentru aceeași presiune în condiții identice) și efectele temperaturii (schimbarea zero și schimbarea intervalului cu temperatura). Pentru un senzor de ±0,5% FS, banda de eroare totală (inclusiv liniaritate, histerezis, repetabilitate și efecte de temperatură pe intervalul de temperatură compensat) se află în ±0,5% din citirea completă. De exemplu, un senzor de 0-100 psi cu o precizie de ±0,5% FS are o eroare maximă de ±0,5 psi în orice punct. Compensarea temperaturii este esențială pentru măsurarea precisă la diferite temperaturi de funcționare. Senzorul este calibrat la mai multe temperaturi (de obicei -20°C, 25°C și 85°C), iar coeficienții de compensare sunt stocați în ASIC sau microcontroler al senzorului. În timpul funcționării, senzorul măsoară temperatura și aplică factorii de corecție citirii presiunii. Intervalul de temperatură compensat este de obicei de la -20°C la 85°C pentru senzorii industriali sau de la -40°C la 125°C pentru senzorii auto și cu rază extinsă. În afara intervalului compensat, precizia se degradează la o rată specificată (de exemplu, ±0,03% FS per °C).

Materialele utilizate în construcția senzorului de presiune manometrică determină compatibilitatea chimică, rezistența la temperatură și stabilitatea pe termen lung. Material portului de presiune: oțelul inoxidabil (304, 316 sau 316L) este cel mai comun pentru senzorii industriali, oferind o rezistență excelentă la coroziune pentru apă, ulei, aer și substanțe chimice ușoare. Pentru medii foarte corozive (acizi, caustice, apă sărată), sunt disponibile porturi Hastelloy C-276, Inconel sau titan. Pentru aplicații alimentare și farmaceutice, este necesar oțel inoxidabil 316L cu conexiuni sanitare Tri-Clamp. Material diafragmă: pentru senzorii de uz general, diafragma din oțel inoxidabil 316L (grosime 0,05-0,2 mm) oferă o bună sensibilitate și durabilitate. Pentru senzorii de joasă presiune (sub 5 psi), diafragma ceramică sau silicon (contact direct cu mediul) oferă o sensibilitate mai mare. Pentru aplicații de puritate ultra-înaltă (semiconductor, farmaceutice), diafragma poate fi realizată din ceramică de alumină sau siliciu fără piese umede cu metal. Material carcasă senzor: carcasele cu clasificare IP65/IP67/IP68 sunt necesare pentru aplicații de spălare, în aer liber sau submersibile. Opțiunile de carcasă includ oțel inoxidabil (pentru medii corozive), aluminiu (pentru industria generală) și policarbonat (pentru interior ușoare). Materiale de etanșare: inelele O (Viton, EPDM, NBR) sau garniturile sunt folosite pentru a etanșa orificiul de presiune și carcasa. Materialul de etanșare trebuie să fie compatibil cu fluidul de proces. Viton (FKM) este potrivit pentru majoritatea uleiurilor, combustibililor și substanțelor chimice; EPDM este potrivit pentru apă, abur și lichide de frână; NBR este potrivit pentru uleiuri minerale și combustibili. Pentru aplicații la temperaturi înalte (peste 125°C / 260°F), pot fi necesare etanșări metalice sau etanșare sticlă-metal.

Senzorii de presiune manometrică sunt utilizați în mai multe industrii, cu specificații care variază în funcție de aplicație. Pentru sistemele hidraulice (prese industriale, mașini de turnat prin injecție, echipamente de construcții, stivuitoare), un senzor de presiune manometrică de la 0-5000 psi până la 0-10.000 psi cu ieșire de 4-20 mA și gradul de protecție IP67 este standard. Senzorul trebuie să reziste la vârfuri de presiune (2-3x presiunea nominală) și să aibă o capacitate mare de suprapresiune. Pentru sistemele pneumatice (monitorizarea aerului comprimat, unelte pneumatice, actuatoare pneumatice), se folosește un senzor manometru de 0-150 psi sau 0-300 psi cu ieșire de 0-10 VDC și timp de răspuns rapid (sub 1 ms). Pentru măsurarea nivelului de lichid în rezervoare deschise (turnuri de apă, bazine, rezervoare chimice, bazine de apă uzată), un senzor de presiune manometru submersibil măsoară presiunea hidrostatică în partea de jos a rezervorului. Presiunea este proporțională cu înălțimea lichidului: 1 psi ≈ 2,31 picioare (0,7 metri) de apă. Pentru o măsurare precisă a nivelului, senzorul trebuie să fie aerisit prin cablu (concepție cu manometru ventilat), astfel încât variațiile presiunii atmosferice să fie anulate. Pentru monitorizarea vidului (ambalare în vid, ventuze, aspirație medicală, camere cu vid de laborator), este necesar un senzor de presiune compus (-14,7 la 0 psi, -1 la 0 bar) pentru a măsura presiunea negativă în raport cu atmosfera. Senzorul ar trebui să aibă o rezoluție înaltă la presiuni scăzute (0,1% FS sau mai bine). Pentru controlul pompei și monitorizarea puțurilor (puțuri de apă, pompe de irigare, pompe de rapel), este utilizat un senzor manometru de 0-200 psi cu ieșire de 4-20 mA și carcasă robustă din oțel inoxidabil pentru a monitoriza presiunea de descărcare a pompei și pentru a proteja împotriva condițiilor de funcționare uscată. Tabelul de mai jos corespunde aplicațiilor cu specificațiile recomandate.

Pentru producătorii care exportă senzori de presiune manometrică, certificările documentate de calitate și conformitate sunt esențiale. Cele mai solicitate standarde și certificări includ: marcajul CE (conformitate europeană) în conformitate cu Directiva EMC (2014/30/UE) și Directiva RoHS (2011/65/UE), ISO 9001 (sistem de management al calității) și pentru aplicații în zone periculoase, certificare ATEX (europeană) sau IECEx (internațională) pentru siguranță intrinsecă (Ex ia) sau carcasă ignifugă (Ex d). Testele de performanță specifice includ: test de precizie (măsurare la 5-10 puncte de calibrare în intervalul de presiune, în sus și în jos, pentru a verifica liniaritatea, histerezisul și repetabilitatea), testul de compensare a temperaturii (măsurarea la -20°C, 25°C și 85°C sau intervalul specificat pentru a verifica schimbarea zero și deplasarea intervalului), testul de stabilitate a presiunii pe termen lung la 500000000000 85°C pentru a verifica dacă ieșirea nu se modifică mai mult decât procentul specificat pe an), test de suprapresiune (aplicare de 1,5x până la 3x presiunea nominală fără deteriorare), test de presiune de spargere (test distructiv pentru verificarea marjei de siguranță), test de siguranță electrică (rezistență de izolație, rezistență dielectrică) și test EMC (emisii radiate și conduse conform CISPR 11, imunitate conform IEC-06-46-20006-46-2000). Pentru senzorii de presiune utilizați în dispozitivele medicale, este necesară certificarea ISO 13485. Pentru aplicațiile auto, este necesară certificarea IATF 16949. Pentru aplicațiile cu apă potabilă, certificarea NSF/ANSI 61 poate fi necesară pentru materialele în contact cu apa potabilă. Mulți cumpărători industriali mari solicită, de asemenea, audituri din fabrică care să acopere ISO 9001 și trasabilitate documentată a calibrării la standardele internaționale (NIST, PTB sau alte institute naționale de metrologie). Producătorii care mențin certificări actuale și înregistrări transparente de calitate obțin un avantaj competitiv în aprovizionarea internațională.