Mittaripaineanturi vs. absoluuttiset ja eropaineanturit: tekninen opas teollisuusautomaatioon ja prosessien ohjaukseen

Mittaripaineanturi (kutsutaan myös suhteelliseksi paineanturiksi) on laite, joka mittaa painetta suhteessa ympäröivään ilmanpaineeseen. Anturissa on tuuletettu referenssiportti, joka on avoin ympäröivään ilmakehään. Tunnistuselementti mittaa eroa kalvon toiselle puolelle kohdistetun prosessipaineen ja toiselle puolelle kohdistetun ilmanpaineen välillä. Kun prosessipaine on yhtä suuri kuin ilmanpaine, anturin lähtö on nolla (0 psi, 0 bar tai 0 kPa). Kun prosessipaine on korkeampi kuin ilmakehän paine (positiivinen paine), lähtö on positiivinen. Kun prosessipaine on alhaisempi kuin ilmakehän paine (tyhjiö tai alipaine), lähtö on negatiivinen. Tunnistinelementti on tyypillisesti pietsoresistiivinen piimikrokoneistettu kalvo (MEMS) tai ohutkalvoinen venymäanturi metallikalvossa. Kun paine muuttaa kalvon muotoa, pietsorestorien resistanssi muuttuu, mikä tuottaa sähköisen tehon, joka on verrannollinen käytettyyn paineeseen. Lähtösignaali vahvistetaan tyypillisesti teollisuuden standarditasoille: 4-20 mA silmukkavirta, 0-5 VDC, 0-10 VDC tai digitaaliset lähdöt (I2C, SPI, CAN-väylä). Mittaripaineantureita käytetään tuhansissa sovelluksissa: hydraulijärjestelmän paineenvalvonta, paineilmajärjestelmät, vedenjakeluverkot, pumppujen ohjaus, säiliön pinnankorkeuden mittaus (mittaamalla hydrostaattista painetta) ja pneumaattiset ohjaukset. Hankinnan ammattilaiset voivat katsoa yksityiskohtaiset tekniset tiedot mittauspaineanturit tuotesivut materiaalitiedot ja testiraportit varten.

Perimmäinen ero mittari-, absoluuttisen ja eropaine-anturien välillä on mittauksessa käytetyssä vertailupaineessa. Mittaripaineanturit käyttävät ilmanpainetta referenssinä. Anturissa on tuuletettu kotelo tai referenssiportti, joka on avoin ilmalle. Lähtö on nolla ilmanpaineessa. Mittarianturit soveltuvat useimpiin teollisiin prosesseihin, koska käyttäjät välittävät paineesta suhteessa ympäristöön (esim. 100 psi ilmakehän yläpuolella). Absoluuttisen paineen anturit käyttävät referenssinä suljettua tyhjiön vertailukammiota (täydellinen tyhjiö, absoluuttinen 0 psi). Anturia ei tuuleteta ilmaan. Lähtö on nolla vain täydellisessä tyhjiössä. Absoluuttisia antureita käytetään barometrisen paineen mittaamiseen, korkeuden mittaukseen ja sovelluksiin, joissa ilmanpaineen vaihtelut vaikuttaisivat mittaukseen (esim. suljettujen säiliöiden vuototestaus, tyhjiöuunin paineensäätö). Paine-eroanturit mittaavat kahden prosessipaineen (P1 - P2) välistä eroa. Kumpikaan satama ei ole ilmakehään. Differentiaaliantureita käytetään virtauksen mittaamiseen (käyttämällä aukkolevyjä), suodattimen valvontaan (painehäviö suodattimen yli) ja nestetason mittaamiseen suljetuissa säiliöissä (pohjapaineen ja ylähöyrynpaineen ero). Valinta riippuu sovelluksesta. Ilmastoidussa säiliössä mittari on oikea. Suljetussa säiliössä, jonka ilmanpaine vaihtelee, voidaan tarvita ero. Korkeuden mittaamiseen vaaditaan absoluuttinen arvo. Alla olevassa taulukossa on yhteenveto tärkeimmistä eroista.

Nykyaikaiset mittauspaineanturit käyttävät MEMS-tekniikkaa (Micro-Electro-Mechanical Systems), joka yhdistää mikroskooppiset mekaaniset rakenteet elektronisiin piireihin yhdelle piisirulle. MEMS-paineanturin ydin on mikrokoneistettu piikalvo, joka on tyypillisesti 5-50 mikrometriä paksu ja joka on valmistettu fotolitografia- ja etsausprosesseja käyttäen. Pietsorestorit (seostetut piialueet, jotka muuttavat vastusta rasituksen aikana) levitetään kalvoon korkean jännityksen paikoissa (reunat ja keskusta). Kun painetta kohdistetaan, kalvo poikkeaa aiheuttaen jännitystä pietsorestorissa. Resistanssin muutos on verrannollinen käytettyyn paineeseen. Neljä pietsoresistoria on kytketty Wheatstonen siltakonfiguraatioon, joka muuntaa vastuksen muutokset differentiaalijännitesignaaliksi. Jännitesignaali vahvistetaan, linearisoidaan, lämpötilakompensoidaan ja muunnetaan haluttuun lähtömuotoon (4-20 mA, jännite tai digitaalinen) ASIC (Application-Specific Integrated Circuit) tai signaalinkäsittelypiirin avulla. MEMS-siru on asennettu alustalle (keraaminen, PCB tai metalli), lankasidottu ja suojattu geelipinnoitteella tai ruostumattomasta teräksestä valmistettulla eristyskalvolla materiaalien yhteensopivuuden varmistamiseksi. Mittarin viitearvo saavutetaan tuulettamalla MEMS-sirun takapuoli (tai eristyskalvon takapuoli) ilmakehään anturin kotelossa olevan tuuletusreiän kautta. MEMS-teknologia tarjoaa useita etuja: erittäin pieni koko (jopa 1 mm x 1 mm siru), korkea herkkyys (mikrovoltti per pascal-alue), alhainen virrankulutus (milliwattia), erinomainen toistettavuus ja alhaiset kustannukset suurilla volyymeilla. Ankarissa teollisuusympäristöissä (syövyttävät nesteet, korkea lämpötila) MEMS-siru voidaan eristää väliaineesta ruostumattomasta teräksestä valmistetulla kalvolla ja täyttää silikoniöljyllä (öljytäytteinen mittapaineanturi).

Mittaripaineantureita on saatavana laajalla valikoimalla painealueita erilaisiin teollisiin sovelluksiin. Matalapainealueita (0-1 psi - 0-15 psi, 0-0,07 bar - 0-1 bar) käytetään LVI-ilmanpaineen valvontaan, puhdastilojen paine-eroon ja matalapaineisiin pneumaattisiin järjestelmiin. Keskipainealueita (0-50 psi - 0-500 psi, 0-3,5 bar - 0-35 bar) käytetään yleisessä teollisuushydrauliikassa, vedenjakelussa, pumpun poistopaineessa ja prosessin ohjauksessa. Korkeapainealueita (0-1000 psi - 0-10 000 psi, 0-70 bar - 0-700 bar) käytetään raskaiden laitteiden hydrauliikassa, ruiskuvalukoneissa, hydraulipuristimissa ja korkeapaineisessa vesisuihkuleikkauksessa. Tyhjiö- tai yhdistealueet (-14,7 psi - 0 psi, -1 bar - 0 bar) mittaavat alipainetta (tyhjiö) imuvalvontaa, tyhjiöpakkausta ja laboratoriosovelluksia varten. Yhdistelmäalueet (-14,7 - 30 psi, -1 - 2 bar) mittaavat sekä tyhjiön että positiivisen paineen. Lähtösignaalit on standardoitu teollisen yhteensopivuuden vuoksi. Analogiset lähdöt: 4-20 mA silmukkavirta (yleisin teollisuusohjaukseen, pitkät kaapelit, häiriönkestävyys), 0-5 VDC, 0-10 VDC (yleinen PLC:issä ja tiedonkeruussa) ja 1-5 VDC. Digitaaliset lähdöt: I2C ja SPI (sulautetuille järjestelmille ja IoT-laitteille), RS-485 Modbus (teollisuudelle) ja CAN-väylä (autoille ja raskaalle kalustolle). Herätysjännite on tyypillisesti 5 VDC tai 9-30 VDC (silmukkakäyttöisille 4-20 mA antureille).

Tarkkuus on mittauspaineanturin kriittisin ominaisuus. Se ilmaistaan ​​tyypillisesti prosentteina täydestä asteikosta (%FS). Teollisuusluokan paineanturit saavuttavat tarkkuuden ±0,5 % FS, ±0,25 % FS tai ±0,1 % FS. Korkean tarkkuuden anturit laboratorio- tai kalibrointisovelluksiin saavuttavat ±0,05 % FS tai paremman. Tarkkuus sisältää useita virhelähteitä: lineaarisuus (lähdön poikkeama suorasta viivasta painealueen poikki), hystereesi (tehon ero paineen noustessa vs. paineen laskussa), toistettavuus (kyky tuottaa sama tulos samalla paineella samoissa olosuhteissa) ja lämpötilavaikutukset (nollasiirtymä ja vaihteluväli lämpötilan mukaan). ±0,5 % FS-anturin kokonaisvirhealue (mukaan lukien lineaarisuus, hystereesi, toistettavuus ja lämpötilavaikutukset kompensoidulla lämpötila-alueella) on ±0,5 %:n sisällä koko asteikon lukemasta. Esimerkiksi 0–100 psi:n anturilla, jonka tarkkuus on ±0,5 %, on maksimivirhe ±0,5 psi missä tahansa kohdassa. Lämpötilan kompensointi on välttämätöntä tarkan mittauksen kannalta vaihtelevissa käyttölämpötiloissa. Anturi kalibroidaan useisiin lämpötiloihin (yleensä -20 °C, 25 °C ja 85 °C), ja kompensointikertoimet tallennetaan anturin ASIC:iin tai mikrokontrolleriin. Käytön aikana anturi mittaa lämpötilaa ja soveltaa korjauskertoimia painelukemaan. Kompensoitu lämpötila-alue on tyypillisesti -20°C - 85°C teollisuusantureille tai -40°C - 125°C autoteollisuuden ja laajennetun alueen antureille. Kompensoidun alueen ulkopuolella tarkkuus heikkenee tietyllä nopeudella (esim. ±0,03 % FS per °C).

Mittaripaineanturin rakenteessa käytetyt materiaalit määrittävät kemiallisen yhteensopivuuden, lämpötilan kestävyyden ja pitkäaikaisen stabiilisuuden. Paineaukon materiaali: ruostumaton teräs (304, 316 tai 316L) on yleisin teollisuusantureissa, mikä tarjoaa erinomaisen korroosionkestävyyden vedelle, öljylle, ilmalle ja miedoille kemikaaleille. Erittäin syövyttäviä aineita (hapot, emäkset, suolavesi) varten on saatavana Hastelloy C-276-, Inconel- tai titaaniportit. Elintarvike- ja lääkesovelluksiin tarvitaan 316L ruostumatonta terästä, joissa on saniteettiset Tri-Clamp-liitännät. Kalvon materiaali: yleiskäyttöisille antureille, 316L ruostumaton teräskalvo (paksuus 0,05-0,2 mm) tarjoaa hyvän herkkyyden ja kestävyyden. Matalapaineantureille (alle 5 psi) keraaminen tai silikonikalvo (suora kosketus materiaaliin) tarjoaa suuremman herkkyyden. Erittäin puhtaissa sovelluksissa (puolijohteet, farmaseuttiset tuotteet) kalvo voidaan valmistaa alumiinioksidikeraamista tai piistä ilman metallikostuneita osia. Anturin kotelon materiaali: IP65/IP67/IP68-luokiteltuja koteloita tarvitaan pesuun, ulkokäyttöön tai upotettaviin sovelluksiin. Kotelovaihtoehtoja ovat ruostumaton teräs (syövyttäviin ympäristöihin), alumiini (yleiseen teollisuuteen) ja polykarbonaatti (kevyisiin sisätiloihin). Tiivistysmateriaalit: O-renkaita (Viton, EPDM, NBR) tai tiivisteitä käytetään paineaukon ja kotelon tiivistämiseen. Tiivistemateriaalin tulee olla yhteensopivaa prosessinesteen kanssa. Viton (FKM) soveltuu useimmille öljyille, polttoaineille ja kemikaaleille; EPDM soveltuu vedelle, höyrylle ja jarrunesteille; NBR soveltuu mineraaliöljyille ja polttoaineille. Korkeissa lämpötiloissa (yli 125 °C / 260 °F) voidaan tarvita metallitiivisteitä tai lasista metalliin -tiivistystä.

Mittaripaineantureita käytetään useilla teollisuudenaloilla, ja niiden tekniset tiedot vaihtelevat sovelluksen mukaan. Hydraulisissa järjestelmissä (teolliset puristimet, ruiskuvalukoneet, rakennuskoneet, trukit) vakiona on 0-5000 psi - 0-10 000 psi paineanturi 4-20 mA teholla ja IP67-luokitus. Anturin on kestettävä painepiikkejä (2-3x nimellispaine) ja sillä on oltava korkea ylipainekyky. Pneumaattisissa järjestelmissä (paineilmavalvonta, paineilmatyökalut, pneumaattiset toimilaitteet) käytetään 0-150 psi:n tai 0-300 psi:n anturia, jossa on 0-10 VDC lähtö ja nopea vasteaika (alle 1 ms). Nesteen tason mittaamiseen avoimissa säiliöissä (vesitornit, säiliöt, kemikaalisäiliöt, jätevesialtaat) upotettava mittaripaineanturi mittaa hydrostaattista painetta säiliön pohjassa. Paine on verrannollinen nesteen korkeuteen: 1 psi ≈ 2,31 jalkaa (0,7 metriä) vettä. Tarkkaa tasonmittausta varten anturi on tuuletettava kaapelin kautta (ilmanpainemittari), jotta ilmanpaineen vaihtelut kumoutuvat. Tyhjiön valvontaan (tyhjiöpakkaukset, imukupit, lääketieteellinen imu, laboratorion tyhjiökammiot) tarvitaan yhdistepaineanturia (-14,7 - 0 psi, -1 - 0 bar) alipaineen mittaamiseksi suhteessa ilmakehään. Anturin resoluution tulee olla korkea matalilla paineilla (0,1 % FS tai parempi). Pumpun ohjaamiseen ja kaivon valvontaan (vesikaivot, kastelupumput, paineenkorotuspumput) käytetään 0-200 psi:n anturia, jossa on 4-20 mA lähtö ja kestävä ruostumaton teräskotelo, joka valvoo pumpun poistopainetta ja suojaa kuivakäyntiolosuhteilta. Alla oleva taulukko vastaa sovelluksia, joilla on suositellut tekniset tiedot.

Mittaripaineantureita vieville valmistajille dokumentoidut laatu- ja vaatimustenmukaisuustodistukset ovat tärkeitä. Pyydetyimpiä standardeja ja sertifikaatteja ovat: CE-merkintä (eurooppalainen vaatimustenmukaisuus) EMC-direktiivin (2014/30/EU) ja RoHS-direktiivin (2011/65/EU) mukaisesti, ISO 9001 (laadunhallintajärjestelmä) ja vaarallisten alueiden sovelluksissa ATEX (eurooppalainen) tai IECEx (kansainvälinen) flaamitiivis (inextrinieniasic) -turvallisuussertifikaatti d). Erityisiä suorituskykytestejä ovat: tarkkuustesti (mittaus 5-10 kalibrointipisteessä painealueella, ylös ja alas, lineaarisuuden, hystereesin ja toistettavuuden tarkistamiseksi), lämpötilan kompensointitesti (mittaus -20 °C, 25 °C ja 85 °C:ssa tai määrätyllä alueella nollasiirtymän ja jännevälin testin 0-1 stabiilisuustestissä) paine 85 °C:ssa sen varmistamiseksi, että teho ei muutu enempää kuin määritetty prosenttiosuus vuodessa), ylipainetesti (1,5-3x nimellispaineen käyttö ilman vaurioita), murtumispainetesti (hajottava testi turvamarginaalin tarkistamiseksi), sähköturvallisuustesti (eristysresistanssi, dielektrinen lujuus) ja EMC-testi (säteily- ja johtuneet päästöt CISPR I11:tä kohti, 6-0-0-6, 2-0 per 0-6). Lääketieteellisissä laitteissa käytettäville paineantureille vaaditaan ISO 13485 -sertifikaatti. Autoteollisuuden sovelluksissa vaaditaan IATF 16949 -sertifikaatti. Juomavesisovelluksissa voidaan vaatia NSF/ANSI 61 -sertifikaattia juomaveden kanssa kosketuksissa oleville materiaaleille. Monet suuret teolliset ostajat vaativat myös tehdasauditointeja, jotka kattavat ISO 9001 -standardin ja dokumentoidun kalibroinnin jäljitettävyyden kansainvälisten standardien mukaisesti (NIST, PTB tai muut kansalliset metrologialaitokset). Valmistajat, jotka ylläpitävät voimassa olevia sertifiointeja ja läpinäkyviä laaturekistereitä, saavat kilpailuedun kansainvälisessä hankinnassa.