Gauge Pressure Sensor vs. Absolute and Differential Pressure Sensors: En teknisk vejledning til industriel automation og processtyring

En manometertryksensor (også kaldet relativ tryksensor) er en enhed, der måler trykket i forhold til det omgivende atmosfæriske tryk. Sensoren har en ventileret referenceport, der er åben til den omgivende atmosfære. Føleelementet måler forskellen mellem procestrykket på den ene side af membranen og det atmosfæriske tryk på den anden side. Når procestrykket er lig med atmosfærisk tryk, er sensoroutputtet nul (0 psi, 0 bar eller 0 kPa). Når procestrykket er højere end atmosfærisk (positivt tryk), er outputtet positivt. Når procestrykket er lavere end atmosfærisk (vakuum eller negativt tryk), er output negativt. Føleelementet er typisk en piezoresistiv siliciummikrobearbejdet membran (MEMS) eller en tyndfilmsstrain gauge på en metalmembran. Efterhånden som trykket deformerer membranen, ændres modstanden af ​​piezoresistorerne, hvilket giver en elektrisk udgang, der er proportional med det påførte tryk. Udgangssignalet forstærkes typisk til industrielle standardniveauer: 4-20 mA sløjfestrøm, 0-5 VDC, 0-10 VDC eller digitale udgange (I2C, SPI, CAN-bus). Måletryksensorer bruges i tusindvis af applikationer: hydraulisk systemtrykovervågning, trykluftsystemer, vanddistributionsnetværk, pumpekontrol, tankniveaumåling (ved at måle hydrostatisk tryk) og pneumatiske kontroller. For detaljerede tekniske specifikationer kan sourcing-professionelle henvise til manometertryksensorer produktsider til materialedatablade og testrapporter.

Den grundlæggende forskel mellem manometer-, absolutte- og differenstryksensorer ligger i referencetrykket, der bruges til måling. Måletryksensorer bruger atmosfærisk tryk som reference. Sensoren har et ventileret hus eller en referenceport åben til luften. Output er nul ved atmosfærisk tryk. Målesensorer er velegnede til de fleste industrielle processer, fordi operatører bekymrer sig om tryk i forhold til miljøet (f.eks. 100 psi over atmosfæren). Absoluttrykssensorer bruger et forseglet vakuumreferencekammer (perfekt vakuum, 0 psi absolut) som reference. Sensoren udluftes ikke til atmosfæren. Outputtet er kun nul i et perfekt vakuum. Absolutte sensorer bruges til barometrisk trykmåling, højdeføling og applikationer, hvor atmosfæriske trykvariationer ville påvirke målingen (f.eks. lækagetest af forseglede beholdere, vakuumovnstrykkontrol). Differenstryksensorer måler forskellen mellem to procestryk (P1 - P2). Ingen af ​​portene er ventileret til atmosfæren. Differentialsensorer bruges til flowmåling (ved hjælp af åbningsplader), filterovervågning (trykfald over et filter) og væskeniveaumåling i lukkede tanke (forskel mellem bundtryk og topdamptryk). Valget afhænger af applikationen. For en ventileret tank er måleren korrekt. For en forseglet tank med varierende atmosfærisk tryk kan differens være nødvendig. Til højdemåling kræves absolut. Tabellen nedenfor opsummerer de vigtigste forskelle.

Moderne manometertryksensorer bruger MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems) teknologi, som integrerer mikroskopiske mekaniske strukturer med elektroniske kredsløb på en enkelt siliciumchip. Kernen i MEMS-tryksensoren er en mikrobearbejdet siliciummembran, typisk 5 til 50 mikrometer tyk, fremstillet ved hjælp af fotolitografi og ætsningsprocesser. Piezoresistorer (doterede siliciumområder, der ændrer modstand, når de belastes) diffunderes ind i membranen på steder med høj belastning (kanter og centrum). Når der påføres tryk, afbøjes membranen, hvilket forårsager belastning i piezomodstandene. Modstandsændringen er proportional med det påførte tryk. De fire piezoresistorer er forbundet i en Wheatstone-brokonfiguration, som konverterer modstandsændringer til et differentielt spændingssignal. Spændingssignalet forstærkes, lineariseres, temperaturkompenseres og konverteres til det ønskede udgangsformat (4-20 mA, spænding eller digitalt) af et ASIC (Application-Specific Integrated Circuit) eller signalbehandlingskredsløb. MEMS-chippen er monteret på et substrat (keramik, PCB eller metal), trådbundet og beskyttet med gelcoating eller isoleringsmembran af rustfrit stål for mediekompatibilitet. Målereferencen opnås ved at udlufte bagsiden af ​​MEMS-chippen (eller bagsiden af ​​isolationsmembranen) til atmosfæren gennem et udluftningshul i sensorhuset. MEMS-teknologien tilbyder flere fordele: meget lille størrelse (chip så lille som 1 mm x 1 mm), høj følsomhed (mikrovolt pr. pascal-område), lavt strømforbrug (milliwatt), fremragende repeterbarhed og lave omkostninger i store volumener. Til barske industrielle miljøer (ætsende væsker, høj temperatur) kan MEMS-chippen isoleres fra mediet med en membran af rustfrit stål og fyldes med silikoneolie (oliefyldt manometertryksensor).

Manometertryksensorer fås i en lang række trykområder, der passer til forskellige industrielle applikationer. Lavtryksområder (0-1 psi til 0-15 psi, 0-0,07 bar til 0-1 bar) bruges til HVAC-lufttryksovervågning, renrumsdifferenstryk og pneumatiske lavtrykssystemer. Mellemtryksområder (0-50 psi til 0-500 psi, 0-3,5 bar til 0-35 bar) bruges til generel industriel hydraulik, vanddistribution, pumpeudløbstryk og processtyring. Højtryksintervaller (0-1000 psi til 0-10.000 psi, 0-70 bar til 0-700 bar) bruges til hydraulik med tungt udstyr, sprøjtestøbemaskiner, hydrauliske presser og højtryksvandstråleskæring. Vakuum- eller sammensatte områder (-14,7 psi til 0 psi, -1 bar til 0 bar) måler undertryk (vakuum) til sugeovervågning, vakuumpakning og laboratorieapplikationer. Sammensatte områder (-14,7 til 30 psi, -1 til 2 bar) måler både vakuum og positivt tryk. Udgangssignaler er standardiseret til industriel kompatibilitet. Analoge udgange: 4-20 mA sløjfestrøm (mest almindeligt til industriel kontrol, lange kabeltræk, støjimmunitet), 0-5 VDC, 0-10 VDC (fælles for PLC'er og dataindsamling) og 1-5 VDC. Digitale udgange: I2C og SPI (til indlejrede systemer og IoT-enheder), RS-485 Modbus (til industrielle netværk) og CAN-bus (til biler og tungt udstyr). Excitationsspændingen er typisk 5 VDC eller 9-30 VDC (for sløjfedrevne 4-20 mA sensorer).

Nøjagtighed er den mest kritiske specifikation for en manometertryksensor. Det udtrykkes typisk som en procentdel af fuld skala (%FS). Industrielle måletryksensorer opnår en nøjagtighed på ±0,5 % FS, ±0,25 % FS eller ±0,1 % FS. Højpræcisionssensorer til laboratorie- eller kalibreringsapplikationer opnår ±0,05 % FS eller bedre. Nøjagtighed omfatter flere fejlkilder: linearitet (afvigelse af output fra en lige linje over trykområdet), hysterese (forskel i output ved stigende tryk vs. faldende tryk), repeterbarhed (evne til at producere det samme output for samme tryk under identiske forhold) og temperatureffekter (nulforskydning og spændviddeforskydning med temperaturen). For en ±0,5 % FS-sensor er det totale fejlbånd (inklusive linearitet, hysterese, repeterbarhed og temperatureffekter over det kompenserede temperaturområde) inden for ±0,5 % af fuldskalaaflæsningen. For eksempel har en 0-100 psi-sensor med ±0,5 % FS-nøjagtighed en maksimal fejl på ±0,5 psi på ethvert punkt. Temperaturkompensation er afgørende for nøjagtig måling på tværs af varierende driftstemperaturer. Sensoren er kalibreret ved flere temperaturer (typisk -20°C, 25°C og 85°C), og kompensationskoefficienterne gemmes i sensorens ASIC eller mikrocontroller. Under drift måler sensoren temperatur og anvender korrektionsfaktorerne til trykaflæsningen. Det kompenserede temperaturområde er typisk -20°C til 85°C for industrielle sensorer eller -40°C til 125°C for sensorer til biler og udvidet rækkevidde. Uden for det kompenserede område forringes nøjagtigheden med en specificeret hastighed (f.eks. ±0,03 % FS pr. °C).

Materialerne, der bruges i manometertryksensorkonstruktionen, bestemmer kemisk kompatibilitet, temperaturbestandighed og langtidsstabilitet. Trykportmateriale: rustfrit stål (304, 316 eller 316L) er det mest almindelige til industrielle sensorer, hvilket giver fremragende korrosionsbestandighed for vand, olie, luft og milde kemikalier. Til stærkt ætsende medier (syrer, ætsende stoffer, saltvand) er Hastelloy C-276, Inconel eller titanium porte tilgængelige. Til fødevare- og farmaceutiske anvendelser kræves 316L rustfrit stål med sanitære Tri-Clamp-forbindelser. Membranmateriale: til generelle sensorer giver 316L rustfri stålmembran (tykkelse 0,05-0,2 mm) god følsomhed og holdbarhed. Til lavtrykssensorer (under 5 psi) giver keramisk eller siliciummembran (direkte mediekontakt) højere følsomhed. Til applikationer med ultrahøj renhed (halvleder, farmaceutisk) kan membranen være lavet af aluminiumoxidkeramik eller silicium uden metalbefugtede dele. Sensorhusmateriale: IP65/IP67/IP68-klassificerede kabinetter er påkrævet til nedvaskning, udendørs eller nedsænkelige applikationer. Indbygningsmuligheder omfatter rustfrit stål (til ætsende miljøer), aluminium (til almindelig industri) og polycarbonat (til lette indendørs brug). Tætningsmaterialer: O-ringe (Viton, EPDM, NBR) eller pakninger bruges til at tætne trykporten og huset. Tætningsmaterialet skal være kompatibelt med procesvæsken. Viton (FKM) er velegnet til de fleste olier, brændstoffer og kemikalier; EPDM er velegnet til vand, damp og bremsevæsker; NBR er velegnet til mineralolier og brændstoffer. Til højtemperaturapplikationer (over 125°C / 260°F) kan metaltætninger eller glas-til-metal-forsegling være påkrævet.

Måletryksensorer bruges på tværs af flere industrier, med specifikationer, der varierer efter anvendelse. Til hydrauliske systemer (industripresser, sprøjtestøbemaskiner, entreprenørudstyr, gaffeltrucks) er en 0-5000 psi til 0-10.000 psi gauge tryksensor med 4-20 mA output og IP67-klassificering standard. Føleren skal modstå trykspidser (2-3x nominelt tryk) og have høj overtryksevne. Til pneumatiske systemer (trykluftovervågning, luftværktøj, pneumatiske aktuatorer) anvendes en 0-150 psi eller 0-300 psi gauge sensor med 0-10 VDC udgang og hurtig responstid (under 1 ms). Til væskestandsmåling i åbne tanke (vandtårne, sumpe, kemikalietanke, spildevandsbassiner) måler en nedsænkelig manometertryksensor det hydrostatiske tryk i bunden af ​​tanken. Trykket er proportionalt med væskehøjden: 1 psi ≈ 2,31 fod (0,7 meter) vand. For nøjagtig niveaumåling skal sensoren udluftes gennem kablet (udluftet målerdesign), så atmosfæriske trykvariationer udlignes. Til vakuumovervågning (vakuumemballage, sugekopper, medicinsk sugning, laboratorievakuumkamre) kræves en sammensat tryksensor (-14,7 til 0 psi, -1 til 0 bar) for at måle negativt tryk i forhold til atmosfæren. Sensoren skal have høj opløsning ved lave tryk (0,1 % FS eller bedre). Til pumpekontrol og brøndovervågning (vandbrønde, kunstvandingspumper, boosterpumper) bruges en 0-200 psi gauge sensor med 4-20 mA output og robust hus af rustfrit stål til at overvåge pumpens udløbstryk og beskytte mod tørløbsforhold. Tabellen nedenfor matcher applikationer med anbefalede specifikationer.

For producenter, der eksporterer manometertryksensorer, er dokumenterede kvalitets- og overensstemmelsescertificeringer afgørende. De mest efterspurgte standarder og certificeringer omfatter: CE-mærkning (europæisk overensstemmelse) i henhold til EMC-direktivet (2014/30/EU) og RoHS-direktivet (2011/65/EU), ISO 9001 (kvalitetsstyringssystem), og for anvendelser i farlige områder, ATEX (europæisk) eller IECEx (international) sikkerhedscertificering (exme-sikker) eller in-en-sikker (extrina-sikker) certificering. Specifikke ydeevnetest omfatter: nøjagtighedstest (måling ved 5-10 kalibreringspunkter på tværs af trykområdet, op og ned, for at verificere linearitet, hysterese og repeterbarhed), temperaturkompensationstest (måling ved -20°C, 25°C og 85°C eller specificeret område for at verificere nulforskydning og spanskifte-test ved 500 timers drifthastighedstest ved 0-timers driftshastighedstest ved 0-1 timers stabilitetstest). 85°C for at verificere, at output ikke ændrer sig mere end specificeret procent pr. år), overtrykstest (påføring af 1,5x til 3x nominelt tryk uden beskadigelse), sprængtrykstest (destruktiv test for at verificere sikkerhedsmargin), elektrisk sikkerhedstest (isolationsmodstand, dielektrisk styrke) og EMC-test (udstrålet og ført emissioner pr. For tryksensorer, der anvendes i medicinsk udstyr, kræves ISO 13485-certificering. For bilapplikationer kræves IATF 16949-certificering. Til drikkevandsapplikationer kan NSF/ANSI 61-certificering være påkrævet for materialer i kontakt med drikkevand. Mange store industrielle købere kræver også fabriksaudits, der dækker ISO 9001 og dokumenteret kalibreringssporbarhed til internationale standarder (NIST, PTB eller andre nationale metrologiinstitutter). Producenter, der opretholder nuværende certificeringer og gennemsigtige kvalitetsregistre, opnår en konkurrencefordel i international sourcing.