Rodzaje przetworników ciśnienia

Proste samodzielne wprowadzenie przetwornika ciśnienia

Jako czujnik ciśnienia, którego wyjście jest sygnałem standardowym, przetwornik ciśnienia jest urządzeniem, które przyjmuje zmienną ciśnienia i proporcjonalnie konwertuje ją na standardowy sygnał wyjściowy. Może on konwertować parametry ciśnienia gazu, cieczy itp. odczuwane przez czujnik tensometryczny na standardowe sygnały elektryczne (takie jak 4-20 mA DC itp.), co umożliwia wykorzystanie urządzeń pomocniczych, takich jak sygnalizatory alarmowe, rejestratory, regulatory itp. do pomiaru i sygnalizacji oraz regulacji procesów.

Klasyfikacja przetworników ciśnienia

Zazwyczaj przetworniki ciśnienia dzielimy według zasady:
Pojemnościowe przetworniki ciśnienia, rezystancyjne przetworniki ciśnienia, indukcyjne przetworniki ciśnienia, półprzewodnikowe przetworniki ciśnienia oraz piezoelektryczne przetworniki ciśnienia do pomiaru wysokiej częstotliwości. Spośród nich najczęściej stosowane są rezystancyjne przetworniki ciśnienia. Wśród pojemnościowych przetworników ciśnienia, przetwornik Rosemount 3051S jest przedstawicielem produktów z najwyższej półki.

Przetworniki ciśnienia można podzielić na metalowe, ceramiczne, z krzemu dyfuzyjnego, z krzemu monokrystalicznego, szafirowe, z folii natryskiwanej itp. w zależności od rodzaju komponentów wrażliwych na ciśnienie.

• Metalowe przetworniki ciśnienia charakteryzują się niską dokładnością, ale mają niewielki wpływ na temperaturę i nadają się do stosowania w obszarach o szerokim zakresie temperatur i niskich wymaganiach dotyczących dokładności.
• Ceramiczne czujniki ciśnienia charakteryzują się lepszą dokładnością, ale są bardziej podatne na zmiany temperatury. Ceramika ma również tę zaletę, że jest odporna na uderzenia i korozję, co może być wykorzystywane w obszarach wymagających reakcji.
• Dokładność przenoszenia ciśnienia przez krzem dyfuzyjny jest bardzo wysoka, a dryft temperaturowy również jest duży, dlatego przed jego użyciem zazwyczaj wymagana jest kompensacja temperatury. Co więcej, nawet po kompensacji temperatury, nie można zmierzyć ciśnienia powyżej 125°C. Jednak w temperaturze pokojowej współczynnik czułości krzemu dyfuzyjnego jest 5 razy wyższy niż ceramiki, dlatego jest on powszechnie stosowany w dziedzinie pomiarów o wysokiej precyzji.
• Przetwornik ciśnienia z monokrystalicznego krzemu to najdokładniejszy czujnik stosowany w przemyśle. Jest to udoskonalona wersja przetwornika z krzemu dyfuzyjnego. Oczywiście, jego cena również jest wyższa. Obecnie japońskim przedstawicielem w dziedzinie przetworników ciśnienia z monokrystalicznego krzemu jest firma Yokogawa.
• Przetwornik ciśnienia szafirowy nie jest wrażliwy na zmiany temperatury i ma dobre właściwości robocze nawet w warunkach wysokiej temperatury; szafir ma wyjątkowo dużą odporność na promieniowanie; nie ma dryftu pn; może pracować normalnie w najgorszych warunkach roboczych i jest niezawodny. Wysoka wydajność, dobra dokładność, minimalny błąd temperaturowy i ogólnie dobry stosunek jakości do ceny.
• Nadajnik ciśnienia z cienką warstwą natryskową nie zawiera kleju i charakteryzuje się wyższą długoterminową stabilnością i niezawodnością niż czujnik tensometryczny z klejem. Jest mniej podatny na zmiany temperatury: przy zmianie temperatury o 100°C dryft zera wynosi zaledwie 0,5%. Jego parametry temperaturowe są znacznie lepsze niż w przypadku dyfuzyjnego czujnika ciśnienia z krzemu. Ponadto może on mieć bezpośredni kontakt z mediami korozyjnymi.

Zasady działania różnych typów przetworników ciśnienia

• Zasada działania pojemnościowego przetwornika ciśnienia.

Gdy ciśnienie działa bezpośrednio na powierzchnię membrany pomiarowej, membrana ulega niewielkiemu odkształceniu. Precyzyjny układ na membranie pomiarowej przekształca to niewielkie odkształcenie w wysoce liniowe napięcie, proporcjonalne do ciśnienia i proporcjonalne do napięcia wzbudzenia. Sygnał ten jest następnie przetwarzany przez dedykowany układ scalony na standardowy w branży sygnał prądowy 4-20 mA lub sygnał napięciowy 1-5 V.

• Zasada działania przetwornika ciśnienia z dyfuzyjnego krzemu

Ciśnienie mierzonego medium działa bezpośrednio na membranę czujnika (zwykle membranę 316L), powodując, że membrana wytwarza mikroprzesunięcie proporcjonalne do ciśnienia medium, zmieniając wartość rezystancji czujnika i wykrywając ją za pomocą układu Wheatstone'a. Ta zmiana jest przekształcana i wyprowadzana na standardowy sygnał pomiarowy odpowiadający temu ciśnieniu.

• Zasada działania monokrystalicznego przetwornika ciśnienia krzemowego

Piezorezystancyjne czujniki ciśnienia są konstruowane z wykorzystaniem efektu piezorezystancyjnego monokrystalicznego krzemu. Jako element sprężysty stosuje się monokrystaliczną płytkę krzemową. Podczas zmian ciśnienia monokrystaliczny krzem wytwarza odkształcenie, tak że opór odkształcenia bezpośrednio na nim rozproszony powoduje zmianę proporcjonalną do mierzonego ciśnienia, a następnie odpowiedni sygnał wyjściowy napięciowy jest uzyskiwany przez układ mostkowy.

• Zasada działania ceramicznego przetwornika ciśnienia

Ciśnienie działa bezpośrednio na przednią powierzchnię ceramicznej membrany, powodując jej lekkie odkształcenie. Rezystor grubowarstwowy jest nadrukowany z tyłu ceramicznej membrany i podłączony do mostka Wheatstone'a (mostka zamkniętego) dzięki efektowi piezorezystancyjnemu warystora. Mostek generuje wysoce liniowy sygnał napięciowy, proporcjonalny do ciśnienia i proporcjonalny do napięcia wzbudzenia. Rezystory ceramiczne są zazwyczaj stosowane do pomiaru ciśnienia w sprężarkach powietrza.

• Zasada działania przetwornika ciśnienia tensometrycznego

Najczęściej używanymi tensometrycznymi przetwornikami ciśnienia są tensometry oporowe metalowe i tensometry półprzewodnikowe. Tensometr oporowy metalowy to rodzaj czułego urządzenia, które przetwarza zmianę naprężenia badanego elementu na sygnał elektryczny. Istnieją dwa rodzaje tensometrów: drutowe i foliowe. Zazwyczaj tensometr jest ściśle połączony z mechaniczną matrycą naprężeń za pomocą specjalnego kleju. Pod wpływem zmiany naprężenia matryca ta również odkształca tensometr oporowy, co powoduje zmianę wartości rezystancji tensometru, a tym samym zmianę napięcia przyłożonego do rezystora. Tensometry oporowe są stosunkowo rzadkie na rynku.

• Przetwornik ciśnienia szafirowego

Nadajnik ciśnienia szafirowego wykorzystuje zasadę działania rezystancji odkształceniowej, wykorzystuje precyzyjne, czułe komponenty krzemowo-szafirowe i przekształca sygnał ciśnienia na standardowy sygnał elektryczny za pomocą dedykowanego układu wzmacniacza.

• Nadajnik ciśnienia folii rozpylanej

Element wrażliwy na ciśnienie, napylany metodą natryskową, jest wytwarzany w technologii mikroelektronicznej, tworząc trwały i stabilny mostek Wheatstone'a na powierzchni elastycznej membrany ze stali nierdzewnej. Gdy ciśnienie mierzonego medium działa na elastyczną membranę ze stali nierdzewnej, mostek Wheatstone'a po drugiej stronie generuje sygnał elektryczny proporcjonalny do ciśnienia. Ze względu na dobrą odporność na uderzenia, napylane warstwy są często stosowane w miejscach, gdzie występują częste uderzenia ciśnienia, na przykład w urządzeniach hydraulicznych.

Środki ostrożności przy wyborze przetwornika ciśnienia

• Wybór zakresu wartości ciśnienia przetwornika:

Najpierw należy określić maksymalną wartość mierzonego ciśnienia w układzie. Ogólnie rzecz biorąc, należy wybrać przetwornik o zakresie ciśnienia około 1,5 raza większym od wartości maksymalnej lub przyjąć zakres ciśnienia normalnego dla przetwornika ciśnienia. Powszechną metodą jest również pomiar w zakresie 1/3–2/3 zakresu normalnego.

• Jaki rodzaj medium ciśnieniowego:

Lepkie ciecze i błoto zablokują porty ciśnieniowe. Czy rozpuszczalniki lub substancje żrące mogą zniszczyć materiały w przetworniku, które mają bezpośredni kontakt z tymi mediami?
Materiałem przetwornika ciśnienia, który ma kontakt z medium, jest stal nierdzewna 316. Jeśli medium nie jest korozyjne dla stali nierdzewnej 316, wówczas zasadniczo wszystkie przetworniki ciśnienia nadają się do pomiaru ciśnienia medium;
Jeśli medium jest korozyjne dla stali nierdzewnej 316, należy zastosować uszczelnienie chemiczne i zastosować pomiar pośredni. Zastosowanie kapilary wypełnionej olejem silikonowym do kierowania ciśnieniem może zapobiec korozji przetwornika ciśnienia i wydłużyć jego żywotność.

• Jaka dokładność jest potrzebna nadajnikowi:

Dokładność zależy od: nieliniowości, histerezy, niepowtarzalności, temperatury, przesunięcia skali zerowej i temperatury. Im wyższa dokładność, tym wyższa cena. Zazwyczaj dokładność przetwornika ciśnienia z krzemu dyfuzyjnego wynosi 0,5 lub 0,25, a przetwornika ciśnienia z krzemu pojemnościowego lub monokrystalicznego – 0,1 lub nawet 0,075.

• Podłączenie procesowe przetwornika:

Zazwyczaj przetworniki ciśnienia montuje się na rurociągach lub zbiornikach. Oczywiście niewielka ich część jest instalowana i użytkowana z przepływomierzami. Przetworniki ciśnienia występują zazwyczaj w trzech formach montażu: gwintowym, kołnierzowym i zaciskowym. Dlatego przed wyborem przetwornika ciśnienia należy również uwzględnić przyłącze procesowe. W przypadku przyłącza gwintowanego należy określić jego specyfikację. W przypadku kołnierzy należy wziąć pod uwagę specyfikację średnicy nominalnej kołnierza.

Wprowadzenie do branży przetworników ciśnienia

Około 40 krajów na całym świecie zajmuje się badaniami i produkcją czujników, z czego Stany Zjednoczone, Japonia i Niemcy to regiony o największej produkcji czujników. Te trzy kraje łącznie odpowiadają za ponad 50% światowego rynku czujników.

Obecnie rynek przetworników ciśnienia w moim kraju jest rynkiem dojrzałym, o wysokiej koncentracji. Dominującą pozycję zajmują jednak rynki zagraniczne, reprezentowane przez firmy Emerson, Yokogawa, Siemens itp. Produkty markowe stanowią około 70% udziału w rynku i mają absolutną przewagę w dużych i średnich projektach inżynieryjnych.

Wynika to z następstw wczesnego przyjęcia przez mój kraj strategii „rynku technologii”, która mocno uderzyła w przedsiębiorstwa państwowe i niegdyś była w stanie upadłości, ale jednocześnie niektórzy producenci, reprezentowani przez chińskie przedsiębiorstwa prywatne, po cichu się pojawiają i rosną w siłę. Przyszły rynek przetworników ciśnienia w Chinach jest pełen nowych niewiadomych.