Датчик избыточного давления в сравнении с датчиками абсолютного и дифференциального давления: техническое руководство по промышленной автоматизации и управлению технологическими процессами

Датчик избыточного давления (также называемый датчиком относительного давления) — это устройство, которое измеряет давление относительно атмосферного давления окружающей среды. Датчик имеет вентилируемый эталонный порт, открытый для окружающей атмосферы. Чувствительный элемент измеряет разницу между технологическим давлением, приложенным к одной стороне диафрагмы, и атмосферным давлением, приложенным к другой стороне. Когда технологическое давление равно атмосферному давлению, выходной сигнал датчика равен нулю (0 фунтов на квадратный дюйм, 0 бар или 0 кПа). Когда технологическое давление выше атмосферного (положительное давление), выходной сигнал является положительным. Когда технологическое давление ниже атмосферного (вакуум или отрицательное давление), выходной сигнал отрицательный. Чувствительным элементом обычно является пьезорезистивная кремниевая микромеханическая диафрагма (МЭМС) или тонкопленочный тензодатчик на металлической диафрагме. Когда давление деформирует диафрагму, сопротивление пьезорезисторов изменяется, создавая электрический выходной сигнал, пропорциональный приложенному давлению. Выходной сигнал обычно усиливается до стандартных промышленных уровней: ток контура 4–20 мА, 0–5 В постоянного тока, 0–10 В постоянного тока или цифровые выходы (I2C, SPI, шина CAN). Датчики избыточного давления используются в тысячах приложений: контроль давления в гидравлической системе, системы сжатого воздуха, водопроводные сети, управление насосами, измерение уровня в резервуарах (путем измерения гидростатического давления) и пневматическое управление. Для получения подробных технических характеристик специалисты по снабжению могут обратиться к датчики избыточного давления страницы продукта для паспортов материалов и протоколов испытаний.

Фундаментальное различие между датчиками избыточного, абсолютного и дифференциального давления заключается в опорном давлении, используемом для измерения. Датчики избыточного давления используют атмосферное давление в качестве эталона. Датчик имеет вентилируемый корпус или эталонное отверстие, открытое для воздуха. Выход равен нулю при атмосферном давлении. Датчики манометра подходят для большинства промышленных процессов, поскольку операторы заботятся о давлении относительно окружающей среды (например, 100 фунтов на квадратный дюйм над атмосферой). Датчики абсолютного давления используют в качестве эталона герметичную вакуумную эталонную камеру (идеальный вакуум, абсолютное давление 0 фунтов на квадратный дюйм). Датчик не выбрасывается в атмосферу. Выход равен нулю только в идеальном вакууме. Датчики абсолютного давления используются для измерения барометрического давления, измерения высоты и в приложениях, где изменения атмосферного давления могут повлиять на результаты измерения (например, проверка герметичности герметичных контейнеров, контроль давления в вакуумной печи). Датчики перепада давления измеряют разницу между двумя технологическими давлениями (P1 – P2). Ни один из портов не выходит в атмосферу. Дифференциальные датчики используются для измерения расхода (с использованием диафрагм), мониторинга фильтра (перепад давления на фильтре) и измерения уровня жидкости в закрытых резервуарах (разница между нижним давлением и верхним давлением паров). Выбор зависит от приложения. Для вентилируемого бака манометр правильный. Для герметичного резервуара с переменным атмосферным давлением может потребоваться перепад давления. Для измерения высоты требуется абсолютное значение. В таблице ниже приведены ключевые различия.

Современные датчики избыточного давления используют технологию MEMS (микроэлектромеханические системы), которая объединяет микроскопические механические структуры с электронными схемами на одном кремниевом чипе. Сердцевиной МЭМС-датчика давления является микромеханическая кремниевая диафрагма, обычно толщиной от 5 до 50 микрометров, изготовленная с использованием процессов фотолитографии и травления. Пьезористоры (области легированного кремния, сопротивление которых меняется при нагрузке) проникают в диафрагму в местах с высоким напряжением (по краям и в центре). При приложении давления диафрагма прогибается, вызывая деформацию пьезорезисторов. Изменение сопротивления пропорционально приложенному давлению. Четыре пьезорезистора соединены по схеме моста Уитстона, которая преобразует изменения сопротивления в сигнал дифференциального напряжения. Сигнал напряжения усиливается, линеаризуется, температурно компенсируется и преобразуется в желаемый выходной формат (4–20 мА, по напряжению или цифровой) с помощью ASIC (интегральной схемы специального назначения) или схемы формирования сигнала. МЭМС-чип монтируется на подложку (керамику, печатную плату или металл), соединяется проволокой и защищается гелевым покрытием или изолирующей диафрагмой из нержавеющей стали для совместимости с средами. Эталонное значение манометра достигается путем выпуска воздуха из задней стороны МЭМС-чипа (или задней стороны изолирующей диафрагмы) в атмосферу через вентиляционное отверстие в корпусе датчика. Технология MEMS предлагает несколько преимуществ: очень малый размер (чип размером всего 1 х 1 мм), высокая чувствительность (диапазон микровольт на паскаль), низкое энергопотребление (миливатт), отличная повторяемость и низкая стоимость при больших объемах. В суровых промышленных условиях (агрессивные жидкости, высокая температура) микросхема MEMS может быть изолирована от среды с помощью диафрагмы из нержавеющей стали и заполнена силиконовым маслом (маслонаполненный датчик избыточного давления).

Датчики избыточного давления доступны в широком диапазоне диапазонов давления для различных промышленных применений. Диапазоны низкого давления (от 0–1 до 0–15 фунтов на квадратный дюйм, от 0–0,07 до 0–1 бар) используются для мониторинга давления воздуха в системах отопления, вентиляции и кондиционирования, перепада давления в чистых помещениях и пневматических системах низкого давления. Диапазоны среднего давления (от 0–50 до 0–500 фунтов на квадратный дюйм, от 0–3,5 до 0–35 бар) используются в общепромышленной гидравлике, водораспределении, давлении нагнетания насосов и управлении технологическими процессами. Диапазоны высокого давления (от 0–1000 до 0–10 000 фунтов на квадратный дюйм, от 0–70 до 0–700 бар) используются в гидравлике тяжелого оборудования, машинах для литья под давлением, гидравлических прессах и водоструйной резке под высоким давлением. Диапазоны вакуума или соединения (от -14,7 до 0 фунтов на квадратный дюйм, от -1 до 0 бар) позволяют измерять отрицательное давление (вакуум) для мониторинга всасывания, вакуумной упаковки и лабораторных применений. Диапазоны соединений (от -14,7 до 30 фунтов на квадратный дюйм, от -1 до 2 бар) измеряют как вакуум, так и положительное давление. Выходные сигналы стандартизированы для промышленной совместимости. Аналоговые выходы: ток контура 4–20 мА (наиболее распространен для промышленного управления, длинных кабелей, помехоустойчивости), 0–5 В постоянного тока, 0–10 В постоянного тока (обычный для ПЛК и сбора данных) и 1–5 В постоянного тока. Цифровые выходы: I2C и SPI (для встраиваемых систем и устройств IoT), RS-485 Modbus (для промышленных сетей) и CAN-шина (для автомобильной и тяжелой техники). Напряжение возбуждения обычно составляет 5 В постоянного тока или 9–30 В постоянного тока (для датчиков 4–20 мА с питанием от контура).

Точность является наиболее важной характеристикой датчика избыточного давления. Обычно оно выражается в процентах от полной шкалы (%FS). Датчики избыточного давления промышленного класса обеспечивают точность ±0,5% полной шкалы, ±0,25% полной шкалы или ±0,1% полной шкалы. Высокоточные датчики для лабораторных или калибровочных приложений достигают ±0,05% полной шкалы или выше. Точность включает в себя несколько источников ошибок: линейность (отклонение выходного сигнала от прямой линии в диапазоне давлений), гистерезис (разница выходного сигнала при увеличении давления по сравнению с уменьшением давления), повторяемость (способность обеспечивать одинаковый выходной сигнал для одного и того же давления в идентичных условиях) и температурные эффекты (смещение нуля и смещение диапазона в зависимости от температуры). Для датчика ±0,5% полной шкалы общий диапазон погрешностей (включая линейность, гистерезис, повторяемость и температурные эффекты в компенсируемом температурном диапазоне) находится в пределах ±0,5% от показаний полной шкалы. Например, датчик 0–100 фунтов на квадратный дюйм с точностью ±0,5% полной шкалы имеет максимальную погрешность ±0,5 фунтов на квадратный дюйм в любой точке. Температурная компенсация необходима для точных измерений при различных рабочих температурах. Датчик калибруется при нескольких температурах (обычно -20°C, 25°C и 85°C), а коэффициенты компенсации сохраняются в ASIC или микроконтроллере датчика. Во время работы датчик измеряет температуру и применяет поправочные коэффициенты к показаниям давления. Диапазон компенсируемых температур обычно составляет от -20°C до 85°C для промышленных датчиков или от -40°C до 125°C для автомобильных датчиков и датчиков расширенного диапазона. За пределами компенсируемого диапазона точность снижается с заданной скоростью (например, ±0,03 % полной шкалы на °C).

Материалы, используемые в конструкции датчика избыточного давления, определяют химическую совместимость, термостойкость и долговременную стабильность. Материал порта давления: нержавеющая сталь (304, 316 или 316L) является наиболее распространенной для промышленных датчиков и обеспечивает отличную коррозионную стойкость к воде, маслу, воздуху и мягким химикатам. Для высококоррозионных сред (кислоты, щелочи, соленая вода) доступны порты из Hastelloy C-276, Inconel или титана. Для пищевой и фармацевтической промышленности требуется нержавеющая сталь 316L с санитарными соединениями Tri-Clamp. Материал диафрагмы: для датчиков общего назначения диафрагма из нержавеющей стали 316L (толщина 0,05-0,2 мм) обеспечивает хорошую чувствительность и долговечность. Для датчиков низкого давления (менее 5 фунтов на квадратный дюйм) керамическая или кремниевая диафрагма (прямой контакт со средой) обеспечивает более высокую чувствительность. Для применений сверхвысокой чистоты (полупроводниковая, фармацевтическая промышленность) диафрагма может быть изготовлена ​​из глиноземной керамики или кремния без металлических частей, контактирующих с рабочей средой. Материал корпуса датчика: Для промывания, наружного применения или погружного применения требуются корпуса со степенью защиты IP65/IP67/IP68. Варианты корпуса включают нержавеющую сталь (для агрессивных сред), алюминий (для общепромышленного использования) и поликарбонат (для помещений с легкими условиями эксплуатации). Уплотнительные материалы: уплотнительные кольца (витон, EPDM, NBR) или прокладки используются для герметизации напорного порта и корпуса. Материал уплотнения должен быть совместим с технологической жидкостью. Витон (FKM) подходит для большинства масел, топлива и химикатов; EPDM подходит для воды, пара и тормозных жидкостей; NBR подходит для минеральных масел и топлива. Для применения при высоких температурах (выше 125°C/260°F) могут потребоваться металлические уплотнения или уплотнение стекло-металл.

Датчики избыточного давления используются во многих отраслях промышленности, их технические характеристики различаются в зависимости от применения. Для гидравлических систем (промышленные прессы, машины для литья под давлением, строительное оборудование, вилочные погрузчики) стандартным является датчик манометрического давления от 0–5000 до 0–10 000 фунтов на квадратный дюйм с выходным сигналом 4–20 мА и классом защиты IP67. Датчик должен выдерживать скачки давления (в 2–3 раза превышающие номинальное давление) и иметь высокую устойчивость к избыточному давлению. Для пневматических систем (мониторинг сжатого воздуха, пневматические инструменты, пневматические приводы) используется манометрический датчик 0–150 фунтов на квадратный дюйм или 0–300 фунтов на квадратный дюйм с выходом 0–10 В постоянного тока и быстрым временем отклика (менее 1 мс). Для измерения уровня жидкости в открытых резервуарах (водонапорные башни, отстойники, резервуары для химикатов, резервуары для сточных вод) погружной датчик манометрического давления измеряет гидростатическое давление на дне резервуара. Давление пропорционально высоте жидкости: 1 фунт на квадратный дюйм ≈ 2,31 фута (0,7 метра) воды. Для точного измерения уровня воздух из датчика должен быть вентилируем через кабель (вентилируемая конструкция манометра), чтобы исключить колебания атмосферного давления. Для мониторинга вакуума (вакуумная упаковка, присоски, медицинские аспираторы, лабораторные вакуумные камеры) требуется составной датчик давления (от -14,7 до 0 фунтов на квадратный дюйм, от -1 до 0 бар) для измерения отрицательного давления по отношению к атмосфере. Датчик должен иметь высокое разрешение при низких давлениях (0,1% полной шкалы или выше). Для управления насосами и мониторинга скважин (водяные скважины, ирригационные насосы, подкачивающие насосы) используется манометрический датчик 0–200 фунтов на квадратный дюйм с выходом 4–20 мА и прочным корпусом из нержавеющей стали для контроля давления нагнетания насоса и защиты от условий сухого хода. В таблице ниже приведены приложения с рекомендуемыми характеристиками.

Для производителей, экспортирующих датчики избыточного давления, крайне важны документированные сертификаты качества и соответствия. К наиболее востребованным стандартам и сертификатам относятся: маркировка CE (европейское соответствие) в соответствии с Директивой по электромагнитной совместимости (2014/30/ЕС) и Директивой RoHS (2011/65/ЕС), ISO 9001 (система управления качеством), а также для применения в опасных зонах сертификация ATEX (европейская) или IECEx (международная) по искробезопасности (Ex ia) или взрывозащищенному корпусу (Ex d). Конкретные эксплуатационные тесты включают в себя: тест на точность (измерение в 5–10 точках калибровки в диапазоне давления вверх и вниз для проверки линейности, гистерезиса и повторяемости), тест на температурную компенсацию (измерение при -20 °C, 25 °C и 85 °C или в указанном диапазоне для проверки смещения нуля и смещения диапазона), долгосрочный тест на стабильность (испытание на дрейф в течение 500–1000 часов при номинальном давлении и температуре 85 °C для проверки того, что выходной сигнал не изменяется больше, чем указано) процент в год), испытание на избыточное давление (применение давления, превышающего номинальное в 1,5–3 раза без повреждений), испытание на разрывное давление (разрушающее испытание для проверки запаса прочности), испытание на электрическую безопасность (сопротивление изоляции, электрическая прочность) и испытание на ЭМС (излучаемые и кондуктивные излучения в соответствии с CISPR 11, устойчивость в соответствии с IEC 61000-4-2 до -6). Для датчиков давления, используемых в медицинских приборах, требуется сертификация ISO 13485. Для автомобильного применения требуется сертификация IATF 16949. Для применений с питьевой водой может потребоваться сертификация NSF/ANSI 61 для материалов, контактирующих с питьевой водой. Многим крупным промышленным покупателям также требуются заводские аудиты по стандарту ISO 9001 и документальное подтверждение соответствия калибровки международным стандартам (NIST, PTB или другим национальным метрологическим институтам). Производители, имеющие действующие сертификаты и прозрачные записи о качестве, получают конкурентное преимущество при выборе международных поставщиков.