Senzor měrného tlaku vs. senzory absolutního a rozdílového tlaku: Technická příručka pro průmyslovou automatizaci a řízení procesů

Snímač tlaku (také nazývaný snímač relativního tlaku) je zařízení, které měří tlak vzhledem k okolnímu atmosférickému tlaku. Senzor má odvětrávaný referenční port, který je otevřený do okolní atmosféry. Snímací prvek měří rozdíl mezi procesním tlakem aplikovaným na jednu stranu membrány a atmosférickým tlakem aplikovaným na druhou stranu. Když se procesní tlak rovná atmosférickému tlaku, výstup senzoru je nulový (0 psi, 0 bar nebo 0 kPa). Když je procesní tlak vyšší než atmosférický (kladný tlak), výstup je kladný. Když je procesní tlak nižší než atmosférický (vakuum nebo podtlak), výstup je záporný. Snímacím prvkem je typicky piezorezistivní silikonová mikroobrobená membrána (MEMS) nebo tenkovrstvý tenzometr na kovové membráně. Jak tlak deformuje membránu, mění se odpor piezorezistorů a vytváří elektrický výstup úměrný použitému tlaku. Výstupní signál je typicky zesílen na standardní průmyslové úrovně: proud smyčky 4-20 mA, 0-5 V DC, 0-10 V DC nebo digitální výstupy (I2C, SPI, CAN bus). Senzory manometru se používají v tisících aplikací: monitorování tlaku v hydraulickém systému, systémy stlačeného vzduchu, rozvody vody, ovládání čerpadel, měření hladiny v nádrži (měřením hydrostatického tlaku) a pneumatické ovládání. Pro podrobné technické specifikace se mohou obrátit na odborníky na získávání zdrojů snímače tlaku produktové stránky pro materiálové listy a zkušební zprávy.

Základní rozdíl mezi přetlakovými, absolutními a diferenčními snímači tlaku spočívá v referenčním tlaku použitém pro měření. Senzory přetlaku používají jako referenční tlak atmosférický tlak. Snímač má odvětrávané pouzdro nebo referenční port otevřený pro vzduch. Výkon je nulový při atmosférickém tlaku. Měřicí senzory jsou vhodné pro většinu průmyslových procesů, protože operátorům záleží na tlaku vzhledem k okolnímu prostředí (např. 100 psi nad atmosférou). Snímače absolutního tlaku používají jako referenční utěsněnou vakuovou referenční komoru (dokonalé vakuum, absolutní 0 psi). Senzor není odvětráván do atmosféry. Výkon je nulový pouze v dokonalém vakuu. Absolutní senzory se používají pro měření barometrického tlaku, snímání nadmořské výšky a aplikace, kde by kolísání atmosférického tlaku ovlivnilo měření (např. testování těsnosti utěsněných nádob, kontrola tlaku vakuové pece). Snímače diferenčního tlaku měří rozdíl mezi dvěma procesními tlaky (P1 - P2). Žádný port není odvětráván do atmosféry. Diferenční senzory se používají pro měření průtoku (pomocí clon), monitorování filtru (pokles tlaku na filtru) a měření hladiny kapaliny v uzavřených nádržích (rozdíl mezi spodním tlakem a horním tlakem par). Výběr závisí na aplikaci. U odvětrávané nádrže je měřidlo správné. Pro hermeticky uzavřenou nádrž s měnícím se atmosférickým tlakem může být zapotřebí rozdíl. Pro měření nadmořské výšky je vyžadován absolutní. Níže uvedená tabulka shrnuje hlavní rozdíly.

Moderní snímače tlaku využívají technologii MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems), která integruje mikroskopické mechanické struktury s elektronickými obvody na jediném křemíkovém čipu. Jádrem tlakového senzoru MEMS je mikroobrobená silikonová membrána, typicky o tloušťce 5 až 50 mikrometrů, vyrobená pomocí fotolitografie a leptání. Piezorezistory (oblasti dopovaného křemíku, které při namáhání mění odpor) jsou difundovány do membrány v místech s vysokým namáháním (okraje a střed). Při působení tlaku se membrána vychyluje, což způsobuje napětí v piezorezistorech. Změna odporu je úměrná použitému tlaku. Čtyři piezorezistory jsou zapojeny ve Wheatstoneově můstku, který převádí změny odporu na rozdílový napěťový signál. Napěťový signál je zesílen, linearizován, teplotně kompenzován a převeden na požadovaný výstupní formát (4-20 mA, napěťový nebo digitální) pomocí ASIC (Application-Specific Integrated Circuit) nebo obvodu pro úpravu signálu. Čip MEMS je namontován na substrátu (keramický, PCB nebo kov), je spojen drátem a chráněn gelovým povlakem nebo izolační membránou z nerezové oceli pro zajištění kompatibility médií. Referenční hodnoty měřidla je dosaženo odvzdušněním zadní strany MEMS čipu (nebo zadní strany izolační membrány) do atmosféry ventilačním otvorem v krytu snímače. Technologie MEMS nabízí několik výhod: velmi malou velikost (čip tak malý jako 1 mm x 1 mm), vysokou citlivost (mikrovolty na pascal), nízkou spotřebu energie (miliwatty), vynikající opakovatelnost a nízké náklady ve velkých objemech. Pro drsná průmyslová prostředí (korozivní kapaliny, vysoká teplota) může být čip MEMS izolován od média membránou z nerezové oceli a naplněn silikonovým olejem (snímač tlaku naplněný olejem).

Snímače tlaku jsou k dispozici v široké škále tlakových rozsahů, aby vyhovovaly různým průmyslovým aplikacím. Nízkotlaké rozsahy (0-1 psi až 0-15 psi, 0-0,07 bar až 0-1 bar) se používají pro monitorování tlaku vzduchu HVAC, diferenční tlak v čistých prostorách a nízkotlaké pneumatické systémy. Středotlaké rozsahy (0-50 psi až 0-500 psi, 0-3,5 bar až 0-35 bar) se používají pro obecnou průmyslovou hydrauliku, rozvody vody, tlak na výtlaku čerpadla a řízení procesu. Vysokotlaké rozsahy (0-1000 psi až 0-10 000 psi, 0-70 bar až 0-700 bar) se používají pro hydrauliku těžkých zařízení, vstřikovací stroje, hydraulické lisy a řezání vysokotlakým vodním paprskem. Rozsahy vakua nebo směsi (-14,7 psi až 0 psi, -1 bar až 0 bar) měří podtlak (vakuum) pro monitorování sání, vakuové balení a laboratorní aplikace. Rozsahy sloučenin (-14,7 až 30 psi, -1 až 2 bar) měří vakuum i přetlak. Výstupní signály jsou standardizovány pro průmyslovou kompatibilitu. Analogové výstupy: proud smyčky 4-20 mA (nejběžnější pro průmyslové řízení, dlouhé kabely, odolnost proti šumu), 0-5 V DC, 0-10 V DC (běžné pro PLC a sběr dat) a 1-5 V DC. Digitální výstupy: I2C a SPI (pro vestavěné systémy a zařízení IoT), RS-485 Modbus (pro průmyslové sítě) a CAN bus (pro automobily a těžká zařízení). Budicí napětí je typicky 5 VDC nebo 9-30 VDC (pro snímače 4-20 mA napájené smyčkou).

Přesnost je nejkritičtější specifikací snímače tlaku. Obvykle se vyjadřuje jako procento plného rozsahu (%FS). Průmyslové snímače tlaku dosahují přesnosti ±0,5 % FS, ±0,25 % FS nebo ±0,1 % FS. Vysoce přesné snímače pro laboratorní nebo kalibrační aplikace dosahují ±0,05 % FS nebo lepší. Přesnost zahrnuje několik zdrojů chyb: linearitu (odchylka výstupu od přímky přes tlakový rozsah), hysterezi (rozdíl ve výstupu při zvyšování tlaku vs. klesajícím tlaku), opakovatelnost (schopnost produkovat stejný výstup pro stejný tlak za stejných podmínek) a teplotní efekty (posun nuly a rozpětí s teplotou). U snímače ±0,5 % FS je celkové chybové pásmo (včetně linearity, hystereze, opakovatelnosti a teplotních vlivů v kompenzovaném teplotním rozsahu) v rozmezí ±0,5 % plného rozsahu stupnice. Například snímač 0-100 psi s přesností ±0,5 % FS má v libovolném bodě maximální chybu ±0,5 psi. Teplotní kompenzace je nezbytná pro přesné měření při různých provozních teplotách. Senzor je kalibrován při více teplotách (typicky -20°C, 25°C a 85°C) a kompenzační koeficienty jsou uloženy v ASIC senzoru nebo mikrokontroléru. Během provozu snímač měří teplotu a aplikuje korekční faktory na odečet tlaku. Kompenzovaný teplotní rozsah je typicky -20 °C až 85 °C pro průmyslové snímače nebo -40 °C až 125 °C pro automobilové snímače a snímače s rozšířeným dosahem. Mimo kompenzovaný rozsah přesnost klesá specifikovanou rychlostí (např. ±0,03 % FS na °C).

Materiály použité v konstrukci snímače tlaku určují chemickou kompatibilitu, teplotní odolnost a dlouhodobou stabilitu. Materiál tlakového portu: nerezová ocel (304, 316 nebo 316L) je nejběžnější pro průmyslové senzory a poskytuje vynikající odolnost proti korozi vodě, oleji, vzduchu a jemným chemikáliím. Pro vysoce korozivní média (kyseliny, žíraviny, slaná voda) jsou k dispozici porty Hastelloy C-276, Inconel nebo titanové porty. Pro potravinářské a farmaceutické aplikace je vyžadována nerezová ocel 316L se sanitárním připojením Tri-Clamp. Materiál membrány: pro univerzální snímače membrána z nerezové oceli 316L (tloušťka 0,05-0,2 mm) poskytuje dobrou citlivost a odolnost. U nízkotlakých senzorů (pod 5 psi) nabízí vyšší citlivost keramická nebo silikonová membrána (přímý kontakt s médiem). Pro aplikace s velmi vysokou čistotou (polovodičové, farmaceutické) může být membrána vyrobena z hliníkové keramiky nebo křemíku bez kovových částí smáčených. Materiál pouzdra snímače: Krytí s krytím IP65/IP67/IP68 je vyžadováno pro oplachové, venkovní nebo ponorné aplikace. Možnosti krytu zahrnují nerezovou ocel (pro korozivní prostředí), hliník (pro obecný průmysl) a polykarbonát (pro interiéry s lehkým zatížením). Těsnící materiály: K utěsnění tlakového otvoru a pouzdra se používají O-kroužky (Viton, EPDM, NBR) nebo těsnění. Materiál těsnění musí být kompatibilní s procesní kapalinou. Viton (FKM) je vhodný pro většinu olejů, paliv a chemikálií; EPDM je vhodný pro vodu, páru a brzdové kapaliny; NBR je vhodný pro minerální oleje a paliva. Pro vysokoteplotní aplikace (nad 125 °C / 260 °F) mohou být vyžadována kovová těsnění nebo těsnění sklo na kov.

Snímače tlaku se používají v různých průmyslových odvětvích, přičemž specifikace se liší podle aplikace. Pro hydraulické systémy (průmyslové lisy, vstřikovací stroje, stavební stroje, vysokozdvižné vozíky) je standardní snímač tlaku 0-5000 psi až 0-10 000 psi s výstupem 4-20 mA a krytím IP67. Snímač musí odolávat tlakovým špičkám (2-3x jmenovitý tlak) a musí mít schopnost vysokého přetlaku. Pro pneumatické systémy (monitorování stlačeného vzduchu, pneumatické nástroje, pneumatické pohony) se používá snímač 0-150 psi nebo 0-300 psi s výstupem 0-10 V DC a rychlou odezvou (pod 1 ms). Pro měření hladiny kapalin v otevřených nádržích (vodárenské věže, jímky, chemické nádrže, nádrže na odpadní vodu) měří ponorný tlakový snímač hydrostatický tlak na dně nádrže. Tlak je úměrný výšce kapaliny: 1 psi ≈ 2,31 stop (0,7 metru) vody. Pro přesné měření hladiny musí být snímač odvzdušněn kabelem (provedení s odvětrávanou měrkou), aby se eliminovaly změny atmosférického tlaku. Pro monitorování vakua (vakuové balení, přísavky, lékařské odsávání, laboratorní vakuové komory) je zapotřebí složený tlakový senzor (-14,7 až 0 psi, -1 až 0 bar) pro měření podtlaku vzhledem k atmosféře. Senzor by měl mít vysoké rozlišení při nízkých tlacích (0,1 % FS nebo lepší). Pro ovládání čerpadel a monitorování studní (studny, zavlažovací čerpadla, pomocná čerpadla) se používá snímač 0-200 psi s výstupem 4-20 mA a robustní pouzdro z nerezové oceli, které monitoruje tlak na výtlaku čerpadla a chrání před podmínkami chodu nasucho. Níže uvedená tabulka uvádí aplikace s doporučenými specifikacemi.

Pro výrobce, kteří vyvážejí snímače tlaku měřidla, jsou zásadní certifikace zdokumentované kvality a shody. Mezi nejžádanější normy a certifikace patří: označení CE (Evropská shoda) podle směrnice EMC (2014/30/EU) a směrnice RoHS (2011/65/EU), ISO 9001 (systém managementu kvality) a pro aplikace v nebezpečném prostředí certifikace ATEX (evropská) nebo IECEx (mezinárodní) pro jiskrovou bezpečnost (Ex ia) nebo nehořlavé pouzdro. Specifické výkonnostní testy zahrnují: test přesnosti (měření v 5-10 kalibračních bodech v celém tlakovém rozsahu, nahoru a dolů, pro ověření linearity, hystereze a opakovatelnosti), test teplotní kompenzace (měření při -20 °C, 25 °C a 85 °C nebo specifikovaný rozsah pro ověření posunu nuly a posunu rozpětí), test dlouhodobé stability tlaku (500 °C drift na výstupu 8 hodin až 10 °C) neměnit více než specifikované procento za rok), přetlakovou zkoušku (aplikace 1,5x až 3x jmenovitého tlaku bez poškození), tlakovou zkoušku roztržením (destruktivní zkouška pro ověření bezpečnostní rezervy), zkoušku elektrické bezpečnosti (izolační odpor, dielektrická pevnost) a zkoušku EMC (vyzařované a vedené emise podle CISPR 11, odolnost podle IEC 61000-4-2 až -6). Pro tlakové senzory používané v lékařských zařízeních je vyžadována certifikace ISO 13485. Pro automobilové aplikace je vyžadována certifikace IATF 16949. Pro aplikace s pitnou vodou může být vyžadována certifikace NSF/ANSI 61 pro materiály přicházející do styku s pitnou vodou. Mnoho velkých průmyslových odběratelů také vyžaduje tovární audity pokrývající ISO 9001 a dokumentovanou návaznost kalibrace na mezinárodní standardy (NIST, PTB nebo jiné národní metrologické instituty). Výrobci, kteří udržují aktuální certifikace a transparentní záznamy o kvalitě, získávají konkurenční výhodu v mezinárodním získávání zdrojů.