Verschillende typen drukomzetters

Er is een alomtegenwoordig aantal ontwerpen van drukomzetters beschikbaar voor gebruik in een willekeurig aantal industriële of laboratoriumtoepassingen. Deze omvatten de industriële drukomvormer, de vloeistof drukomvormer, en de micro drukomvormer, onder anderen.
Drukomzetters kunnen in een aantal vormen en maten komen, maar de meerderheid van de omzetters heeft een cilindervormig centrum dat het membraan en de meetdrukkamer huisvest, een drukpoort aan het ene eind dat typisch een schroefdraad, bout, weerhaak gemonteerd, of open is, en aan het andere eind een plaats voor signaaloverdracht.

Mechanische methoden voor drukmeting zijn al eeuwenlang bekend. U-buismanometers behoorden tot de eerste drukmeters. Oorspronkelijk waren deze buizen van glas en werden er naar behoefte schalen aan toegevoegd. Maar manometers zijn groot, onhandig en niet erg geschikt om in automatische regelkringen te worden geïntegreerd. Daarom zijn manometers meestal te vinden in het laboratorium of worden zij gebruikt als lokale indicatoren. Afhankelijk van de gebruikte referentiedruk kunnen zij absolute, manometer- en verschildruk aangeven.
Verschildruktransducers worden vaak gebruikt bij debietmeting, waar zij zijn ontworpen voor het meten van het drukverschil over een venturi, opening, of ander type primair element. Het waargenomen drukverschil is gerelateerd aan de stroomsnelheid en dus aan de volumetrische doorstroming. Veel kenmerken van moderne druktransmitters zijn afkomstig van de differentiële drukomvormer. In feite zou men de verschildruktransductor kunnen beschouwen als het model voor alle druktransductoren.

De “overdruk” wordt gedefinieerd ten opzichte van atmosferische omstandigheden. In die delen van de wereld waar nog Engelse eenheden worden gebruikt, wordt de overdruk aangegeven door een “g” toe te voegen aan de omschrijving van de eenheid. Daarom wordt de drukeenheid “pounds per square inch gauge” afgekort tot psig. Wanneer SI-eenheden worden gebruikt, is het gebruikelijk “gauge” toe te voegen aan de gebruikte eenheden, zoals “Pa gauge”. Wanneer de druk wordt gemeten in absolute eenheden, is de referentie volledig vacuüm en is de afkorting voor “pounds per square inch absolute” psia.

Dikwijls worden de termen manometer, sensor, transducer en transmitter door elkaar gebruikt. De term manometer verwijst gewoonlijk naar een autonome indicator die de gemeten procesdruk omzet in de mechanische beweging van een wijzer. Een drukomvormer kan het sensorelement van een manometer combineren met een mechanisch-naar-elektrische of mechanisch-naar-pneumatische omvormer en een stroombron. Een druktransmitter is een gestandaardiseerd drukmeetpakket dat bestaat uit drie basiscomponenten: een druktransductor, de bijbehorende voeding, en een signaalomvormer/transmitter die het signaal van de transductor omzet in een gestandaardiseerde output.
Drukzenders kunnen de drukmeting van belang verzenden door middel van een analoog pneumatisch (3-15 psig), analoog elektronisch (4-20 mA dc), of digitaal elektronisch signaal. Wanneer opnemers rechtstreeks worden gekoppeld aan digitale data-acquisitiesystemen en zich op enige afstand van de data-acquisitiehardware bevinden, wordt de voorkeur gegeven aan signalen met een hoge uitgangsspanning. Deze signalen moeten worden beschermd tegen zowel elektromagnetische als radiofrequente interferentie (EMI/RFI) wanneer ze over langere afstanden worden verstuurd.
Druk transducer prestatie-gerelateerde termen vereisen ook een definitie. Transducer nauwkeurigheid verwijst naar de mate van conformiteit van de gemeten drukwaarde aan een geaccepteerde standaard. Zij wordt gewoonlijk uitgedrukt als een percentage van ofwel de volle schaal ofwel van de werkelijke aflezing van het instrument. Bij apparaten met een procentuele volle schaal neemt de fout toe naarmate de absolute waarde van de meting daalt. De herhaalbaarheid heeft betrekking op de mate van overeenstemming tussen een aantal opeenvolgende drukmetingen van dezelfde variabele. Lineariteit is een maatstaf voor de mate waarin de output van de omvormer lineair toeneemt met de druk. Hysteresisfout beschrijft het verschijnsel waarbij dezelfde procesdruk resulteert in verschillende uitgangssignalen, afhankelijk van het feit of de druk vanuit een lagere of hogere druk wordt benaderd.

Van mechanisch naar elektronisch

De eerste drukmeters gebruikten flexibele elementen als sensoren. Als de druk veranderde, bewoog het flexibele element, en deze beweging werd gebruikt om een wijzer voor een wijzerplaat te laten draaien. In deze mechanische druksensoren detecteerde een Bourdonbuis, een membraan of een balgelement de procesdruk en veroorzaakte een overeenkomstige beweging.
Een Bourdonbuis is C-vormig en heeft een ovale doorsnede waarbij één uiteinde van de buis verbonden is met de procesdruk (figuur 3-1A). Het andere uiteinde is verzegeld en verbonden met de wijzer of het zendermechanisme. Om hun gevoeligheid te vergroten kunnen de elementen van de Bourdonbuis worden verlengd tot spiralen of spiraalvormige spiralen (figuren 3-1B en 3-1C). Hierdoor wordt hun effectieve hoeklengte vergroot en daarmee de beweging aan hun punt, die op zijn beurt de resolutie van de opnemer vergroot.

De familie van flexibele druksensorelementen omvat ook de balg en de diafragma’s (figuur 3-2). Membranen zijn populair omdat zij minder ruimte vergen en omdat de beweging (of kracht) die zij produceren voldoende is voor de werking van elektronische transducers. Zij zijn ook verkrijgbaar in een groot aantal materialen voor drukmeting in corrosieve toepassingen.
Na de jaren twintig ontwikkelden zich automatische regelsystemen en tegen de jaren vijftig waren druktransmitters en gecentraliseerde controlekamers gemeengoed. Het vrije uiteinde van een Bourdon-buis (balg of diafragma) hoefde daarom niet langer te worden verbonden met een lokale wijzer, maar diende om een procesdruk om te zetten in een overgebracht (elektrisch of pneumatisch) signaal. Aanvankelijk was de mechanische koppeling verbonden met een pneumatische drukzender, die gewoonlijk een uitgangssignaal van 3-15 psig genereerde voor transmissie over afstanden van enkele honderden meters, of zelfs verder met booster-repeaters. Later, toen de halfgeleiderelektronica zich verder ontwikkelde en de transmissieafstanden groter werden, werden de drukzenders elektronisch. De eerste ontwerpen genereerden gelijkspanningsuitgangen (10-50 mV; 1-5 V; 0-100 mV), maar later werden zij gestandaardiseerd als 4-20 mA dc stroomuitgangssignalen.
Omwille van de inherente beperkingen van mechanische bewegings-balans apparaten, werden eerst de kracht-balans en later de solid-state druk transducer geïntroduceerd. De eerste spanningsmeters met ongebonden draad werden eind jaren dertig geïntroduceerd. In dit apparaat wordt de draaddraad bevestigd aan een structuur onder spanning, en wordt de weerstand in de gespannen draad gemeten. Dit ontwerp was van nature instabiel en kon de ijking niet handhaven. Er waren ook problemen met de degradatie van de verbinding tussen de gloeidraad en het diafragma, en met hysteresis veroorzaakt door thermo-elastische rek in de draad.

De zoektocht naar verbeterde sensoren voor rek- en drukmetingen resulteerde eerst in de introductie van gelijmde dunne-film en uiteindelijk diffuse halfgeleider-spanningsmeters. Deze werden eerst ontwikkeld voor de automobielindustrie, maar verlegden zich kort daarna naar het algemene terrein van de drukmeting en -overdracht in alle industriële en wetenschappelijke toepassingen. Halfgeleiderdruksensoren zijn gevoelig, goedkoop, nauwkeurig en reproduceerbaar. (Voor meer details over de werking van rekstrookjes, zie hoofdstuk 2.)
Veel pneumatische druktransmitters zijn nog steeds in gebruik, vooral in de petrochemische industrie. Maar omdat regelsystemen steeds meer gecentraliseerd en geautomatiseerd worden, zijn deze apparaten vervangen door analoge elektronische en, meer recent, digitale elektronische transmitters.
Transducertypes
Figuur 3 biedt een algemene oriëntatie voor de wetenschapper of ingenieur die voor de taak komt te staan een drukdetector te kiezen uit de vele beschikbare ontwerpen. Deze tabel toont het bereik van vacuüm- en drukmetingen die verschillende sensortypes kunnen detecteren en de soorten interne referenties (vacuüm of atmosferische druk) die worden gebruikt, indien van toepassing.
Omdat elektronische druk deze typen transducers van het grootste nut zijn voor industriële en laboratorium data acquisitie en controle toepassingen, worden de werkingsprincipes en voor- en nadelen van elk van deze verder uitgewerkt in deze sectie.

Technologieën in drukomzetters

Hier volgen korte beschrijvingen van de verschillende typen drukomzetters die beschikbaar zijn, met inbegrip van de werkingsprincipes en de voor- en nadelen van elk.

Strain Gauge

Strain gage-type drukomzetters worden veel gebruikt, vooral voor druk met een smalle spanwijdte en voor drukverschilmetingen. Deze apparaten kunnen overdruk detecteren als de lagedrukpoort open wordt gelaten voor de atmosfeer of verschildruk als deze is aangesloten op twee procesdrukken. Als de lagedrukzijde een verzegelde vacuümreferentie is, zal de transmitter fungeren als een absolute druktransmitter.
Strain gage omzetters zijn verkrijgbaar voor drukbereiken zo laag als 3 inch water tot zo hoog als 200.000 psig (1400 MPa). De onnauwkeurigheid varieert van 0,1% van de spanwijdte tot 0,25% van de volle schaal. Bijkomende foutbronnen kunnen zijn een afwijking van 0,25% van de volle schaal over zes maanden en een temperatuureffect van 0,25% van de volle schaal per 1000¡ F.

Capaciteit drukopnemers

Capaciteit drukopnemers werden oorspronkelijk ontwikkeld voor gebruik in laag vacuüm onderzoek. Capaciteitsverandering is het gevolg van de beweging van een membraanelement. Afhankelijk van het type druk, kan de capacitieve drukopnemer een absolute, gauge, of differentiële drukopnemer zijn.
Capacitieve drukopnemers zijn wijdverspreid, deels vanwege hun grote bereik, van hoge vacuüms in het microngebied tot 10.000 psig (70 MPa). Differentiële drukken zo laag als 0,01 inch water kunnen gemakkelijk worden gemeten. En in vergelijking met rekstrookopnemers wijken ze niet veel af. Er zijn betere ontwerpen beschikbaar die nauwkeurig zijn tot op 0,1% van de aflezing of 0,01% van de volledige schaal. Een typisch temperatuureffect is 0,25% van de volle schaal per 1000¡ F.
Capacitantie-type sensoren worden vaak gebruikt als secundaire standaarden, vooral in toepassingen met lage differentiële en lage absolute druk. Zij reageren ook vrij snel, omdat de afstand die het membraan fysiek moet afleggen slechts een paar micron bedraagt. Nieuwere capacitieve drukopnemers zijn beter bestand tegen corrosie en zijn minder gevoelig voor zwerfcapaciteit en trillingseffecten die in oudere ontwerpen “leesbewegingen” veroorzaakten. oestvrij staal is het meest gebruikte membraanmateriaal, maar voor corrosieve toepassingen zijn legeringen van hoognikkelstaal, zoals Inconel of Hastelloy, beter geschikt. Tantaal wordt ook gebruikt voor sterk corrosieve toepassingen bij hoge temperaturen. In een speciaal geval kunnen zilveren membranen worden gebruikt om de druk van chloor, fluor en andere halogenen in hun elementaire toestand te meten.

Potentiometrische drukomzetters

De potentiometrische druksensor biedt een eenvoudige methode om een elektronische uitgang van een mechanische drukmeter te verkrijgen. Het apparaat bestaat uit een precisie-potentiometer, waarvan de schraperarm mechanisch is verbonden met een Bourdon- of balgelement. De beweging van de sleeparm over de potentiometer zet de mechanisch gedetecteerde sensoruitslag om in een weerstandsmeting, met behulp van een Wheatstone-brugschakeling.
De mechanische aard van de verbindingen tussen de schraperarm en de Bourdonbuis, balg of diafragma-element introduceert onvermijdelijke fouten in dit type meting. Temperatuureffecten veroorzaken extra fouten vanwege de verschillen in thermische uitzettingscoëfficiënten van de metalen onderdelen van het systeem. Fouten zullen ook ontstaan door mechanische slijtage van de componenten en van de contacten.
Potentiometrische transducers kunnen uiterst klein worden gemaakt en in zeer krappe ruimtes worden geïnstalleerd, zoals in de behuizing van een 4,5-in. meetklok-drukmeter. Zij leveren ook een sterke output die zonder extra versterking kan worden afgelezen. Hierdoor kunnen zij worden gebruikt in toepassingen met een laag vermogen. Zij zijn ook niet duur. Potentiometrische omzetters kunnen drukken tussen 5 en 10.000 psig (35 KPa tot 70 MPa) meten. Hun nauwkeurigheid ligt tussen 0,5% en 1% van de volledige schaal, exclusief drift en de effecten van temperatuur.

Resonantiedraaddrukopnemers

De resonantiedraaddrukopnemer werd eind jaren zeventig geïntroduceerd. Bij dit ontwerp wordt een draad aan het ene uiteinde door een statisch element en aan het andere uiteinde door het sensordiafragma gegrepen. Een oscillatorschakeling zorgt ervoor dat de draad op zijn resonantiefrequentie gaat oscilleren. Een verandering in de procesdruk verandert de draadspanning, die op zijn beurt de resonantiefrequentie van de draad verandert. Een digitale tellerschakeling detecteert de verschuiving. Omdat deze verandering in frequentie vrij nauwkeurig kan worden gedetecteerd, kan dit type transducer worden gebruikt voor toepassingen met lage differentiële druk, maar ook voor het detecteren van absolute en overdruk.
Het belangrijkste voordeel van de resonante draaddrukopnemer is dat hij een inherent digitaal signaal genereert, en daarom rechtstreeks naar een stabiele kristalklok in een microprocessor kan worden gezonden. Beperkingen zijn de gevoeligheid voor temperatuurschommelingen, een niet-lineair uitgangssignaal, en enige gevoeligheid voor schokken en trillingen. Deze beperkingen worden meestal geminimaliseerd door gebruik te maken van een microprocessor om te compenseren voor niet-lineariteiten en voor variaties in omgevingstemperatuur en procestemperatuur.
Resonantiedraad transducers kunnen absolute drukken detecteren vanaf 10 mm Hg, differentiële drukken tot 750 in. water, en overdrukdrukken tot 6,000 psig (42 MPa). Typical accuracy is 0.1% of calibrated span, with six-month drift of 0.1% and a temperature effect of 0.2% per 1000¡ F. .