Manometertrycksensor vs. absolut- och differentialtryckssensorer: En teknisk guide för industriell automation och processkontroll

En manometertrycksensor (även kallad relativtryckssensor) är en anordning som mäter trycket i förhållande till det omgivande atmosfärstrycket. Sensorn har en ventilerad referensport som är öppen mot den omgivande atmosfären. Avkänningselementet mäter skillnaden mellan processtrycket som appliceras på ena sidan av membranet och atmosfärstrycket som appliceras på den andra sidan. När processtrycket är lika med atmosfärstrycket är sensorns uteffekt noll (0 psi, 0 bar eller 0 kPa). När processtrycket är högre än atmosfärstrycket (positivt tryck) är utgången positiv. När processtrycket är lägre än atmosfärstrycket (vakuum eller negativt tryck), är utgången negativ. Avkänningselementet är typiskt ett piezoresistivt kiselmikrobearbetat diafragma (MEMS) eller en tunnfilmstöjningsmätare på ett metallmembran. När tryck deformerar membranet ändras motståndet hos piezoresistorerna, vilket ger en elektrisk uteffekt som är proportionell mot det applicerade trycket. Utsignalen förstärks vanligtvis till standard industrinivåer: 4-20 mA loopström, 0-5 VDC, 0-10 VDC eller digitala utgångar (I2C, SPI, CAN-buss). Manometertrycksensorer används i tusentals applikationer: tryckövervakning av hydrauliska system, tryckluftssystem, vattendistributionsnätverk, pumpstyrning, tanknivåmätning (genom att mäta hydrostatiskt tryck) och pneumatiska kontroller. För detaljerade tekniska specifikationer kan inköpsproffs hänvisa till mättryckssensorer produktsidor för materialdatablad och testrapporter.

Den grundläggande skillnaden mellan manometer-, absolut- och differentialtrycksgivare ligger i referenstrycket som används för mätning. Mättryckssensorer använder atmosfärstryck som referens. Sensorn har ett ventilerat hölje eller en referensport som är öppen mot luften. Utgången är noll vid atmosfärstryck. Mätsensorer är lämpliga för de flesta industriella processer eftersom operatörer bryr sig om trycket i förhållande till omgivningen (t.ex. 100 psi över atmosfären). Absoluttryckssensorer använder en förseglad vakuumreferenskammare (perfekt vakuum, 0 psi absolut) som referens. Sensorn ventileras inte till atmosfären. Utgången är noll endast i ett perfekt vakuum. Absoluta sensorer används för barometertrycksmätning, höjdavkänning och applikationer där atmosfäriska tryckvariationer skulle påverka mätningen (t.ex. läckagetestning av förseglade behållare, vakuumugnstryckkontroll). Differenstrycksensorer mäter skillnaden mellan två processtryck (P1 - P2). Ingen av portarna ventileras till atmosfären. Differentialsensorer används för flödesmätning (med öppningsplattor), filterövervakning (tryckfall över ett filter) och vätskenivåmätning i slutna tankar (skillnad mellan bottentryck och toppångtryck). Valet beror på applikationen. För en ventilerad tank är mätaren korrekt. För en förseglad tank med varierande atmosfärstryck kan differential behövas. För höjdmätning krävs absolut. Tabellen nedan sammanfattar viktiga skillnader.

Moderna mättryckssensorer använder MEMS-teknik (Micro-Electro-Mechanical Systems), som integrerar mikroskopiska mekaniska strukturer med elektroniska kretsar på ett enda kiselchip. Kärnan i MEMS-trycksensorn är ett mikrobearbetat kiselmembran, vanligtvis 5 till 50 mikrometer tjockt, tillverkat med hjälp av fotolitografi och etsningsprocesser. Piezoresistorer (dopade kiselregioner som ändrar motstånd när de belastas) sprids in i membranet vid högspänningsställen (kanter och mitt). När tryck appliceras, böjs membranet, vilket orsakar spänningar i piezoresistorerna. Resistansförändringen är proportionell mot det applicerade trycket. De fyra piezoresistorerna är anslutna i en Wheatstone-bryggkonfiguration, som omvandlar resistansförändringar till en differentialspänningssignal. Spänningssignalen förstärks, linjäriseras, temperaturkompenseras och omvandlas till önskat utformat (4-20 mA, spänning eller digitalt) av en ASIC (Application-Specific Integrated Circuit) eller signalkonditioneringskrets. MEMS-chippet är monterat på ett substrat (keramik, PCB eller metall), trådbundet och skyddat med gelbeläggning eller isoleringsmembran av rostfritt stål för mediakompatibilitet. Mätarreferensen uppnås genom att ventilera baksidan av MEMS-chippet (eller baksidan av isoleringsmembranet) till atmosfären genom ett ventilationshål i sensorhuset. MEMS-teknologin erbjuder flera fördelar: mycket liten storlek (chip så liten som 1 mm x 1 mm), hög känslighet (mikrovolt per pascal-intervall), låg strömförbrukning (milliwatt), utmärkt repeterbarhet och låg kostnad i höga volymer. För tuffa industriella miljöer (frätande vätskor, hög temperatur) kan MEMS-chipset isoleras från mediet med ett membran av rostfritt stål och fyllas med silikonolja (oljefylld manometertrycksensor).

Manometertryckssensorer finns tillgängliga i ett brett spektrum av tryckområden för att passa olika industriella applikationer. Lågtrycksområden (0-1 psi till 0-15 psi, 0-0,07 bar till 0-1 bar) används för HVAC-lufttrycksövervakning, differenstryck i renrum och pneumatiska system med lågt tryck. Mellantrycksintervall (0-50 psi till 0-500 psi, 0-3,5 bar till 0-35 bar) används för allmän industriell hydraulik, vattendistribution, pumputloppstryck och processkontroll. Högtrycksintervall (0-1000 psi till 0-10 000 psi, 0-70 bar till 0-700 bar) används för hydraulik av tung utrustning, formsprutningsmaskiner, hydraulpressar och högtrycksvattenskärning. Vakuum eller sammansatta intervall (-14,7 psi till 0 psi, -1 bar till 0 bar) mäter undertryck (vakuum) för sugövervakning, vakuumförpackning och laboratorieapplikationer. Sammansättningsintervall (-14,7 till 30 psi, -1 till 2 bar) mäter både vakuum och positivt tryck. Utsignaler är standardiserade för industriell kompatibilitet. Analoga utgångar: 4-20 mA slingström (vanligast för industriell styrning, långa kabeldragningar, brusimmunitet), 0-5 VDC, 0-10 VDC (vanligt för PLC:er och datainsamling) och 1-5 VDC. Digitala utgångar: I2C och SPI (för inbyggda system och IoT-enheter), RS-485 Modbus (för industriella nätverk) och CAN-buss (för fordon och tung utrustning). Excitationsspänningen är vanligtvis 5 VDC eller 9-30 VDC (för slingdrivna 4-20 mA-sensorer).

Noggrannhet är den mest kritiska specifikationen för en manometertrycksensor. Det uttrycks vanligtvis som en procentandel av full skala (%FS). Mättrycksensorer av industrikvalitet uppnår en noggrannhet på ±0,5 % FS, ±0,25 % FS eller ±0,1 % FS. Högprecisionssensorer för laboratorie- eller kalibreringsapplikationer uppnår ±0,05 % FS eller bättre. Noggrannhet inkluderar flera felkällor: linjäritet (avvikelse av utsignalen från en rät linje över tryckområdet), hysteres (skillnad i uteffekt vid ökande tryck kontra minskande tryck), repeterbarhet (förmåga att producera samma uteffekt för samma tryck under identiska förhållanden) och temperatureffekter (nollförskjutning och spännförskjutning med temperaturen). För en ±0,5 % FS-sensor är det totala felbandet (inklusive linjäritet, hysteres, repeterbarhet och temperatureffekter över det kompenserade temperaturområdet) inom ±0,5 % av avläsningen i full skala. Till exempel har en 0-100 psi-sensor med ±0,5 % FS-noggrannhet ett maximalt fel på ±0,5 psi vid vilken punkt som helst. Temperaturkompensation är väsentlig för noggrann mätning över varierande driftstemperaturer. Sensorn är kalibrerad vid flera temperaturer (vanligtvis -20°C, 25°C och 85°C), och kompensationskoefficienterna lagras i sensorns ASIC eller mikrokontroller. Under drift mäter sensorn temperaturen och tillämpar korrektionsfaktorerna på tryckavläsningen. Det kompenserade temperaturområdet är typiskt -20°C till 85°C för industriella sensorer, eller -40°C till 125°C för sensorer för fordon och utökat räckvidd. Utanför det kompenserade området försämras noggrannheten med en specificerad hastighet (t.ex. ±0,03 % FS per °C).

Materialen som används i manometertrycksensorkonstruktionen avgör kemisk kompatibilitet, temperaturbeständighet och långtidsstabilitet. Tryckportsmaterial: rostfritt stål (304, 316 eller 316L) är det vanligaste för industriella sensorer, vilket ger utmärkt korrosionsbeständighet för vatten, olja, luft och milda kemikalier. För starkt frätande media (syror, kaustik, saltvatten) finns Hastelloy C-276, Inconel eller titanportar tillgängliga. För livsmedels- och läkemedelsapplikationer krävs 316L rostfritt stål med sanitära Tri-Clamp-anslutningar. Membranmaterial: för generella sensorer ger 316L membran i rostfritt stål (tjocklek 0,05-0,2 mm) god känslighet och hållbarhet. För lågtryckssensorer (under 5 psi) erbjuder keramik- eller silikonmembran (direkt mediakontakt) högre känslighet. För applikationer med ultrahög renhet (halvledare, läkemedel), kan membranet vara tillverkat av aluminiumoxidkeramik eller kisel utan några metallvåtade delar. Givarhusmaterial: IP65/IP67/IP68-klassade kapslingar krävs för tvättning, utomhus eller dränkbara applikationer. Höljesalternativ inkluderar rostfritt stål (för korrosiva miljöer), aluminium (för allmän industri) och polykarbonat (för lätta inomhusbruk). Tätningsmaterial: O-ringar (Viton, EPDM, NBR) eller packningar används för att täta tryckporten och huset. Tätningsmaterialet måste vara kompatibelt med processvätskan. Viton (FKM) är lämplig för de flesta oljor, bränslen och kemikalier; EPDM är lämplig för vatten, ånga och bromsvätskor; NBR är lämplig för mineraloljor och bränslen. För högtemperaturapplikationer (över 125°C / 260°F) kan metalltätningar eller glas-till-metall-tätning krävas.

Manometertryckssensorer används i flera branscher, med specifikationer som varierar beroende på applikation. För hydrauliska system (industripressar, formsprutningsmaskiner, entreprenadutrustning, gaffeltruckar) är en 0-5000 psi till 0-10 000 psi manometertrycksensor med 4-20 mA utgång och IP67-klassning standard. Sensorn måste tåla tryckspikar (2-3x märktryck) och ha hög övertryckskapacitet. För pneumatiska system (tryckluftsövervakning, luftverktyg, pneumatiska ställdon) används en 0-150 psi eller 0-300 psi gauge sensor med 0-10 VDC-utgång och snabbsvarstid (under 1 ms). För vätskenivåmätning i öppna tankar (vattentorn, sumpar, kemikalietankar, avloppsvattenbassänger) mäter en dränkbar manometertrycksensor det hydrostatiska trycket i botten av tanken. Trycket är proportionellt mot vätskehöjden: 1 psi ≈ 2,31 fot (0,7 meter) vatten. För noggrann nivåmätning måste sensorn ventileras genom kabeln (ventilerad mätare design) så att atmosfäriska tryckvariationer upphävs. För vakuumövervakning (vakuumförpackning, sugkoppar, medicinsk sug, laboratorievakuumkammare) krävs en sammansatt trycksensor (-14,7 till 0 psi, -1 till 0 bar) för att mäta negativt tryck i förhållande till atmosfären. Sensorn ska ha hög upplösning vid låga tryck (0,1 % FS eller bättre). För pumpstyrning och brunnsövervakning (vattenbrunnar, bevattningspumpar, boosterpumpar) används en 0-200 psi gauge sensor med 4-20 mA uteffekt och ett robust hölje av rostfritt stål för att övervaka pumpens utloppstryck och skydda mot torrkörning. Tabellen nedan matchar applikationer med rekommenderade specifikationer.

För tillverkare som exporterar manometertryckssensorer är dokumenterade kvalitets- och överensstämmelsecertifieringar viktiga. De mest efterfrågade standarderna och certifieringarna inkluderar: CE-märkning (europeisk överensstämmelse) enligt EMC-direktivet (2014/30/EU) och RoHS-direktivet (2011/65/EU), ISO 9001 (kvalitetsledningssystem), och för tillämpningar i riskområden, ATEX (europeisk) eller IECEx (internationell) säkerhetscertifiering (Exme-säker) för intrina-säker (extrinasäker) säkerhetscertifiering. Specifika prestandatester inkluderar: noggrannhetstest (mätning vid 5-10 kalibreringspunkter över tryckområdet, upp och ner, för att verifiera linjäritet, hysteres och repeterbarhet), temperaturkompensationstest (mätning vid -20°C, 25°C och 85°C eller specificerat område för att verifiera nollskift och spanskiftetest vid drifthastighetstest 500-1) (långtidstest av drifthastighet vid 0-timmars tryck 0) 85°C för att verifiera att uteffekten inte ändras mer än angivet procenttal per år), övertryckstest (tillämpning av 1,5x till 3x nominellt tryck utan skador), sprängtryckstest (destruktivt test för att verifiera säkerhetsmarginalen), elektriskt säkerhetstest (isolationsresistans, dielektrisk hållfasthet) och EMC-test (utstrålade och genomförda emissioner per CISPR 10-10-2 immunitet per CISPR 10-10, 10-10-2). För trycksensorer som används i medicinsk utrustning krävs ISO 13485-certifiering. För fordonstillämpningar krävs IATF 16949-certifiering. För dricksvattenapplikationer kan NSF/ANSI 61-certifiering krävas för material i kontakt med dricksvatten. Många stora industriella köpare kräver också fabriksrevisioner som täcker ISO 9001 och dokumenterad kalibreringsspårbarhet till internationella standarder (NIST, PTB eller andra nationella metrologiinstitut). Tillverkare som upprätthåller nuvarande certifieringar och transparenta kvalitetsregister får en konkurrensfördel i internationella inköp.