Gauge Pressure Sensor vs. Absolute and Differential Pressure Sensors: En teknisk veiledning for industriell automatisering og prosesskontroll

En manometertrykksensor (også kalt relativ trykksensor) er en enhet som måler trykket i forhold til det omgivende atmosfæriske trykket. Sensoren har en ventilert referanseport som er åpen mot den omkringliggende atmosfæren. Føleelementet måler forskjellen mellom prosesstrykket som påføres den ene siden av membranen og det atmosfæriske trykket på den andre siden. Når prosesstrykket er lik atmosfærisk trykk, er sensorutgangen null (0 psi, 0 bar eller 0 kPa). When the process pressure is higher than atmospheric (positive pressure), the output is positive. When the process pressure is lower than atmospheric (vacuum or negative pressure), the output is negative. The sensing element is typically a piezoresistive silicon micro-machined diaphragm (MEMS) or a thin-film strain gauge on a metal diaphragm. Når trykket deformerer membranen, endres motstanden til piezoresistorene, og produserer en elektrisk utgang proporsjonal med det påførte trykket. Utgangssignalet forsterkes vanligvis til standard industrielle nivåer: 4-20 mA sløyfestrøm, 0-5 VDC, 0-10 VDC eller digitale utganger (I2C, SPI, CAN-buss). Måletrykksensorer brukes i tusenvis av bruksområder: trykkovervåking av hydraulisk system, trykkluftsystemer, vanndistribusjonsnettverk, pumpekontroll, tanknivåmåling (ved å måle hydrostatisk trykk) og pneumatiske kontroller. For detailed technical specifications, sourcing professionals can refer to manometertrykksensorer product pages for material data sheets and test reports.

Den grunnleggende forskjellen mellom måle-, absolutt- og differensialtrykksensorer ligger i referansetrykket som brukes til måling. Gauge pressure sensors use atmospheric pressure as the reference. The sensor has a vented housing or a reference port open to the air. Utgangen er null ved atmosfæretrykk. Målesensorer er egnet for de fleste industrielle prosesser fordi operatører bryr seg om trykk i forhold til miljøet (f.eks. 100 psi over atmosfæren). Absolute pressure sensors use a sealed vacuum reference chamber (perfect vacuum, 0 psi absolute) as the reference. Sensoren er ikke ventilert til atmosfæren. Utgangen er null bare i et perfekt vakuum. Absolutte sensorer brukes til barometrisk trykkmåling, høydeføling og applikasjoner der atmosfæriske trykkvariasjoner vil påvirke målingen (f.eks. lekkasjetesting av forseglede beholdere, vakuumovnstrykkkontroll). Differential pressure sensors measure the difference between two process pressures (P1 - P2). Ingen av portene er ventilert til atmosfæren. Differensialsensorer brukes til strømningsmåling (ved bruk av åpningsplater), filterovervåking (trykkfall over et filter) og væskenivåmåling i lukkede tanker (forskjell mellom bunntrykk og toppdamptrykk). Valget avhenger av applikasjonen. For en ventilert tank er måleren riktig. For a sealed tank with varying atmospheric pressure, differential may be needed. For høydemåling kreves absolutt. Tabellen nedenfor oppsummerer viktige forskjeller.

Moderne manometertrykksensorer bruker MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems) teknologi, som integrerer mikroskopiske mekaniske strukturer med elektroniske kretser på en enkelt silisiumbrikke. Kjernen i MEMS-trykksensoren er en mikromaskinert silisiummembran, typisk 5 til 50 mikrometer tykk, produsert ved hjelp av fotolitografi og etseprosesser. Piezoresistorer (dopet silisiumområder som endrer motstand når de belastes) diffunderes inn i membranen på steder med høy belastning (kanter og senter). Når det påføres trykk, bøyer membranen seg, noe som forårsaker belastning i piezomotstandene. Motstandsendringen er proporsjonal med det påførte trykket. De fire piezoresistorene er koblet sammen i en Wheatstone-brokonfigurasjon, som konverterer motstandsendringer til et differensialspenningssignal. Spenningssignalet forsterkes, lineariseres, temperaturkompenseres og konverteres til ønsket utgangsformat (4-20 mA, spenning eller digitalt) av en ASIC (Application-Specific Integrated Circuit) eller signalbehandlingskrets. MEMS-brikken er montert på et underlag (keramikk, PCB eller metall), trådbundet og beskyttet med gelbelegg eller isolasjonsmembran i rustfritt stål for mediekompatibilitet. Målereferansen oppnås ved å ventilere baksiden av MEMS-brikken (eller baksiden av isolasjonsmembranen) til atmosfæren gjennom et ventilasjonshull i sensorhuset. MEMS-teknologi gir flere fordeler: svært liten størrelse (brikke så liten som 1 mm x 1 mm), høy følsomhet (mikrovolt per pascal-område), lavt strømforbruk (milliwatt), utmerket repeterbarhet og lave kostnader i store volumer. For tøffe industrielle miljøer (korrosive væsker, høy temperatur), kan MEMS-brikken isoleres fra mediet med en membran i rustfritt stål og fylles med silikonolje (oljefylt manometertrykksensor).

Måletrykksensorer er tilgjengelige i et bredt spekter av trykkområder for å passe til ulike industrielle bruksområder. Lavtrykksområder (0-1 psi til 0-15 psi, 0-0,07 bar til 0-1 bar) brukes til HVAC-lufttrykkovervåking, differensialtrykk i renrom og pneumatiske systemer med lavt trykk. Mellomtrykksområder (0-50 psi til 0-500 psi, 0-3,5 bar til 0-35 bar) brukes til generell industriell hydraulikk, vanndistribusjon, pumpeutløpstrykk og prosesskontroll. Høytrykksområder (0-1000 psi til 0-10 000 psi, 0-70 bar til 0-700 bar) brukes til hydraulikk for tungt utstyr, sprøytestøpemaskiner, hydrauliske presser og vannstråleskjæring med høy trykk. Vakuum- eller sammensatte områder (-14,7 psi til 0 psi, -1 bar til 0 bar) måler undertrykk (vakuum) for sugeovervåking, vakuumpakking og laboratorieapplikasjoner. Sammensatte områder (-14,7 til 30 psi, -1 til 2 bar) måler både vakuum og positivt trykk. Utgangssignaler er standardisert for industriell kompatibilitet. Analoge utganger: 4-20 mA sløyfestrøm (mest vanlig for industriell styring, lange kabelstrekninger, støyimmunitet), 0-5 VDC, 0-10 VDC (vanlig for PLS-er og datainnsamling), og 1-5 VDC. Digitale utganger: I2C og SPI (for innebygde systemer og IoT-enheter), RS-485 Modbus (for industrielle nettverk) og CAN-buss (for bil og tungt utstyr). Eksitasjonsspenningen er typisk 5 VDC eller 9-30 VDC (for sløyfedrevne 4-20 mA sensorer).

Nøyaktighet er den mest kritiske spesifikasjonen for en manometertrykksensor. Det er vanligvis uttrykt som en prosentandel av full skala (%FS). Måletrykksensorer av industrikvalitet oppnår en nøyaktighet på ±0,5 % FS, ±0,25 % FS eller ±0,1 % FS. Høypresisjonssensorer for laboratorie- eller kalibreringsapplikasjoner oppnår ±0,05 % FS eller bedre. Nøyaktighet inkluderer flere feilkilder: linearitet (avvik av utgangen fra en rett linje over trykkområdet), hysterese (forskjell i utgang ved økende trykk vs. synkende trykk), repeterbarhet (evne til å produsere samme utgang for samme trykk under identiske forhold), og temperatureffekter (nullforskyvning og spennskift med temperatur). For en ±0,5 % FS-sensor er det totale feilbåndet (inkludert linearitet, hysterese, repeterbarhet og temperatureffekter over det kompenserte temperaturområdet) innenfor ±0,5 % av fullskalaavlesningen. For eksempel har en 0-100 psi-sensor med ±0,5 % FS-nøyaktighet en maksimal feil på ±0,5 psi når som helst. Temperaturkompensasjon er avgjørende for nøyaktig måling over varierende driftstemperaturer. Sensoren er kalibrert ved flere temperaturer (vanligvis -20°C, 25°C og 85°C), og kompensasjonskoeffisientene lagres i sensorens ASIC eller mikrokontroller. Under drift måler sensoren temperatur og bruker korreksjonsfaktorene på trykkavlesningen. Det kompenserte temperaturområdet er typisk -20 °C til 85 °C for industrielle sensorer, eller -40 °C til 125 °C for sensorer for biler og utvidet rekkevidde. Utenfor det kompenserte området reduseres nøyaktigheten med en spesifisert hastighet (f.eks. ±0,03 % FS per °C).

Materialene som brukes i manometertrykksensorkonstruksjonen bestemmer kjemisk kompatibilitet, temperaturbestandighet og langsiktig stabilitet. Trykkportmateriale: rustfritt stål (304, 316 eller 316L) er det vanligste for industrielle sensorer, og gir utmerket korrosjonsbestandighet for vann, olje, luft og milde kjemikalier. For svært etsende medier (syrer, etsende stoffer, saltvann) er Hastelloy C-276, Inconel eller titanporter tilgjengelige. For mat- og farmasøytiske applikasjoner kreves 316L rustfritt stål med sanitære Tri-Clamp-koblinger. Membranmateriale: for generelle sensorer gir 316L membran i rustfritt stål (tykkelse 0,05-0,2 mm) god følsomhet og holdbarhet. For lavtrykkssensorer (under 5 psi), gir keramisk eller silisiummembran (direkte mediekontakt) høyere følsomhet. For applikasjoner med ultrahøy renhet (halvleder, farmasøytisk), kan membranen være laget av aluminiumoksyd keramikk eller silisium uten metall fuktede deler. Sensorhusmateriale: IP65/IP67/IP68-klassifiserte kapslinger kreves for nedvasking, utendørs eller nedsenkbare applikasjoner. Husalternativer inkluderer rustfritt stål (for korrosive miljøer), aluminium (for generell industri) og polykarbonat (for lett bruk innendørs). Tetningsmaterialer: O-ringer (Viton, EPDM, NBR) eller pakninger brukes til å tette trykkporten og huset. Tetningsmaterialet må være kompatibelt med prosessvæsken. Viton (FKM) er egnet for de fleste oljer, drivstoff og kjemikalier; EPDM er egnet for vann, damp og bremsevæsker; NBR er egnet for mineraloljer og drivstoff. For bruk ved høye temperaturer (over 125°C / 260°F), kan metalltetninger eller glass-til-metall-forsegling være nødvendig.

Måletrykksensorer brukes på tvers av flere bransjer, med spesifikasjoner som varierer etter applikasjon. For hydrauliske systemer (industripresser, sprøytestøpemaskiner, anleggsutstyr, gaffeltrucker) er en trykksensor på 0-5000 psi til 0-10 000 psi manometer med 4-20 mA utgang og IP67-klassifisering standard. Sensoren må tåle trykktopper (2-3x merketrykk) og ha høy overtrykksevne. For pneumatiske systemer (trykkluftovervåking, luftverktøy, pneumatiske aktuatorer) brukes en 0-150 psi eller 0-300 psi gauge sensor med 0-10 VDC utgang og hurtigresponstid (under 1 ms). For væskenivåmåling i åpne tanker (vanntårn, kummer, kjemikalietanker, avløpsbassenger) måler en nedsenkbar manometertrykksensor hydrostatisk trykk i bunnen av tanken. Trykket er proporsjonalt med væskehøyden: 1 psi ≈ 2,31 fot (0,7 meter) vann. For nøyaktig nivåmåling må sensoren ventileres gjennom kabelen (ventilert målerdesign) slik at atmosfæriske trykkvariasjoner kanselleres. For vakuumovervåking (vakuumpakking, sugekopper, medisinsk sug, laboratorievakuumkamre), kreves det en sammensatt trykksensor (-14,7 til 0 psi, -1 til 0 bar) for å måle negativt trykk i forhold til atmosfæren. Sensoren skal ha høy oppløsning ved lavt trykk (0,1 % FS eller bedre). For pumpekontroll og brønnovervåking (vannbrønner, vanningspumper, boosterpumper) brukes en 0-200 psi gauge sensor med 4-20 mA utgang og robust hus i rustfritt stål for å overvåke pumpens utløpstrykk og beskytte mot tørrkjøringsforhold. Tabellen nedenfor samsvarer med applikasjoner med anbefalte spesifikasjoner.

For produsenter som eksporterer manometertrykksensorer, er dokumenterte kvalitets- og samsvarssertifiseringer avgjørende. De mest etterspurte standardene og sertifiseringene inkluderer: CE-merking (European Conformity) under EMC-direktivet (2014/30/EU) og RoHS-direktivet (2011/65/EU), ISO 9001 (kvalitetsstyringssystem), og for bruk i farlige områder, ATEX (europeisk) eller IECEx (internasjonal) sikkerhetssertifisering (Exme i ensikker) eller intrina-sikkert (exflasproof). Spesifikke ytelsestester inkluderer: nøyaktighetstest (måling ved 5-10 kalibreringspunkter over trykkområdet, opp og ned, for å verifisere linearitet, hysterese og repeterbarhet), temperaturkompensasjonstest (måling ved -20°C, 25°C og 85°C eller spesifisert område for å verifisere nullforskyvning og spanskiftetest ved 500 timers stabilitetstest ved 0-1 timers stabilitetstest ved trykktest 0). 85°C for å verifisere at ytelsen ikke endres mer enn spesifisert prosentandel per år), overtrykkstest (påføring av 1,5x til 3x nominelt trykk uten skade), sprengningstrykktest (destruktiv test for å verifisere sikkerhetsmargin), elektrisk sikkerhetstest (isolasjonsmotstand, dielektrisk styrke) og EMC-test (utstrålt og ledet emisjon per CISPR 101-10-2-immunitet per IEC01,6-2-immunitet per IEC 01,-2). For trykksensorer som brukes i medisinsk utstyr, kreves ISO 13485-sertifisering. For bilapplikasjoner kreves IATF 16949-sertifisering. For bruk med drikkevann kan NSF/ANSI 61-sertifisering være nødvendig for materialer i kontakt med drikkevann. Mange store industrielle kjøpere krever også fabrikkrevisjoner som dekker ISO 9001 og dokumentert kalibreringssporbarhet til internasjonale standarder (NIST, PTB eller andre nasjonale metrologiinstitutter). Produsenter som opprettholder gjeldende sertifiseringer og transparente kvalitetsopptegnelser får et konkurransefortrinn i internasjonal innkjøp.