Diferite tipuri de traductoare de presiune

Există un număr omniprezent de modele de traductoare de presiune disponibile pentru a fi utilizate în orice număr de aplicații industriale sau de laborator. Acestea includ, printre altele, traductorul de presiune industrial, traductorul de presiune pentru lichide și microtransductorul de presiune.
Transductoarele de presiune pot veni într-o serie de forme și dimensiuni, dar majoritatea transductoarelor au un centru în formă de cilindru care găzduiește membrana și camera de presiune de măsurare, un orificiu de presiune la un capăt, care este de obicei un orificiu filetat, cu șuruburi, cu bare montate sau deschis, iar la celălalt capăt o locație pentru transmiterea semnalului.

Metodele mecanice de măsurare a presiunii sunt cunoscute de secole. Manometrele cu tub U au fost printre primii indicatori de presiune. Inițial, aceste tuburi erau fabricate din sticlă, iar cântarele erau adăugate la ele în funcție de necesități. Dar manometrele sunt mari, incomode și nu sunt potrivite pentru integrarea în buclele de control automat. Prin urmare, manometrele se găsesc de obicei în laborator sau sunt utilizate ca indicatori locali. În funcție de presiunea de referință utilizată, acestea pot indica presiune absolută, manometrică și diferențială.
Transductoarele de presiune diferențială sunt adesea utilizate în măsurarea debitului, unde sunt concepute pentru măsurarea presiunii diferențiale prin intermediul unui venturi, orificiu sau alt tip de element primar. Diferența de presiune detectată este legată de viteza de curgere și, prin urmare, de debitul volumetric. Multe caracteristici ale transmițătoarelor de presiune moderne provin de la traductorul de presiune diferențială. De fapt, se poate considera că transmițătorul de presiune diferențială este modelul tuturor traductoarelor de presiune.

Presiunea „manometrică” este definită în raport cu condițiile atmosferice. În acele părți ale lumii care continuă să folosească unități englezești, presiunea manometrică este indicată prin adăugarea unui „g” la descriptorul unităților. Prin urmare, unitatea de presiune „pounds per square inch gauge” este prescurtată psig. Atunci când se utilizează unități SI, este corect să se adauge „gauge” la unitățile utilizate, cum ar fi „Pa gauge”. Atunci când măsurarea presiunii se face în unități absolute, referința este vidul complet, iar abrevierea pentru „lire pe inch pătrat absolut” este psia.

Deseori, termenii manometru, senzor, traductor și emițător de presiune sunt utilizați în mod interschimbabil. Termenul manometru se referă, de obicei, la un indicator autonom care convertește presiunea de proces detectată în mișcarea mecanică a unui indicator. Un traductor de presiune poate combina elementul senzor al unui manometru cu un convertor mecanic-electric sau mecanic-pneumatic și cu o sursă de alimentare. Un emițător de presiune este un pachet standardizat de măsurare a presiunii format din trei componente de bază: un traductor de presiune, sursa de alimentare a acestuia și un condiționer/retransmițător de semnal care convertește semnalul traductorului într-o ieșire standardizată.
Transmițătoarele de presiune pot trimite măsurarea presiunii de interes utilizând un semnal pneumatic analogic (3-15 psig), electronic analogic (4-20 mA dc) sau electronic digital. Atunci când transductoarele sunt interfațate direct cu sistemele digitale de achiziție de date și sunt amplasate la o anumită distanță față de hardware-ul de achiziție de date, sunt preferate semnalele de înaltă tensiune de ieșire. Aceste semnale trebuie protejate atât împotriva interferențelor electromagnetice, cât și a celor de radiofrecvență (EMI/RFI) atunci când călătoresc pe distanțe mai mari.
Termenii legați de performanța traductorului de presiune necesită, de asemenea, o definiție. Precizia traductorului se referă la gradul de conformitate a valorii măsurate a presiunii cu un standard acceptat. De obicei, este exprimată ca procent fie din scala completă, fie din citirea reală a instrumentului. În cazul dispozitivelor cu scală completă procentuală, eroarea crește pe măsură ce valoarea absolută a măsurătorii scade. Repetabilitatea se referă la gradul de concordanță între un număr de măsurători consecutive ale presiunii pentru aceeași variabilă. Linearitatea este o măsură a gradului în care ieșirea traductorului crește liniar odată cu creșterea presiunii. Eroarea de histerezis descrie fenomenul prin care aceeași presiune de proces rezultă în semnale de ieșire diferite în funcție de faptul că presiunea este abordată de la o presiune mai mică sau mai mare.

De la mecanic la electronic

Primile manometre au folosit elemente flexibile ca senzori. Pe măsură ce presiunea se modifica, elementul flexibil se deplasa, iar această mișcare era folosită pentru a roti un indicator în fața unui cadran. În acești senzori de presiune mecanici, un tub Bourdon, o diafragmă sau un element cu burduf detectau presiunea de proces și provocau o mișcare corespunzătoare.
Un tub Bourdon este în formă de C și are o secțiune transversală ovală, cu un capăt al tubului conectat la presiunea de proces (figura 3-1A). Celălalt capăt este sigilat și conectat la indicatorul sau la mecanismul transmițătorului. Pentru a le crește sensibilitatea, elementele tubului Bourdon pot fi extinse în spirale sau bobine elicoidale (figurile 3-1B și 3-1C). Acest lucru mărește lungimea lor unghiulară efectivă și, prin urmare, mărește mișcarea la vârful lor, ceea ce, la rândul său, mărește rezoluția traductorului.

Familia de elemente flexibile ale senzorilor de presiune include, de asemenea, burdufurile și diafragmele (figura 3-2). Diafragmele sunt populare pentru că necesită mai puțin spațiu și pentru că mișcarea (sau forța) pe care o produc este suficientă pentru operarea transductoarelor electronice. De asemenea, acestea sunt disponibile într-o gamă largă de materiale pentru măsurarea presiunii în aplicații de servicii corozive.
După anii 1920, sistemele de control automat au evoluat, iar în anii 1950, transmițătoarele de presiune și camerele de control centralizat erau ceva obișnuit. Prin urmare, capătul liber al unui tub Bourdon (burduf sau diafragmă) nu mai trebuia să fie conectat la un indicator local, ci servea la transformarea unei presiuni de proces într-un semnal transmis (electric sau pneumatic). La început, legătura mecanică era conectată la un emițător de presiune pneumatică, care genera de obicei un semnal de ieșire de 3-15 psig pentru a fi transmis pe distanțe de câteva sute de metri, sau chiar mai departe cu ajutorul unor repetori de amplificare. Mai târziu, pe măsură ce electronica în stare solidă s-a maturizat și distanțele de transmisie au crescut, transmițătoarele de presiune au devenit electronice. Primele modele generau ieșiri de tensiune continuă (10-50 mV; 1-5 V; 0-100 mV), dar mai târziu au fost standardizate ca semnale de ieșire de curent continuu de 4-20 mA dc.
Din cauza limitărilor inerente ale dispozitivelor mecanice de echilibrare a mișcării, au fost introduse mai întâi balanța de forță și mai târziu traductorul de presiune în stare solidă. Primele tensiometre cu fir nelegat au fost introduse la sfârșitul anilor 1930. În acest dispozitiv, filamentul de sârmă este atașat la o structură supusă unei tensiuni, iar rezistența din firul tensionat este măsurată. Acest model era în mod inerent instabil și nu putea menține calibrarea. De asemenea, au existat probleme legate de degradarea legăturii dintre filamentul de sârmă și diafragmă și de histerezisul cauzat de deformarea termoelastică a sârmei.

Cercetarea unor senzori îmbunătățiți pentru măsurarea tensiunii și presiunii a dus mai întâi la introducerea tensiometrelor cu peliculă subțire lipită și, în cele din urmă, a tensiometrelor cu semiconductori difuzați. Aceștia au fost dezvoltați mai întâi pentru industria auto, dar la scurt timp după aceea au trecut în domeniul general al măsurării și transmiterii presiunii în toate aplicațiile industriale și științifice. Senzorii de presiune cu semiconductori sunt sensibili, ieftini, exacți și repetabili. (Pentru mai multe detalii despre funcționarea manometrelor de presiune, a se vedea capitolul 2.)
Multe transmițătoare pneumatice de presiune sunt încă în funcțiune, în special în industria petrochimică. Dar, pe măsură ce sistemele de control continuă să devină din ce în ce mai centralizate și computerizate, aceste dispozitive au fost înlocuite cu transmițătoare electronice analogice și, mai recent, cu transmițătoare electronice digitale.
Tipurile de traductoare
Figura 3 oferă o orientare generală cercetătorului sau inginerului care s-ar putea confrunta cu sarcina de a selecta un detector de presiune dintre numeroasele modele disponibile. Acest tabel prezintă intervalele de vid și de măsurare a presiunii pe care diferitele tipuri de senzori sunt capabile să le detecteze și tipurile de referințe interne (vid sau presiune atmosferică) utilizate, dacă este cazul.
Pentru că presiunea electronică aceste tipuri de traductoare sunt de cea mai mare utilitate pentru aplicațiile de achiziție și control al datelor industriale și de laborator, principiile de funcționare și avantajele și dezavantajele fiecăruia dintre acestea sunt elaborate în continuare în această secțiune.

Tehnologii în domeniul traductoarelor de presiune

Iată scurte descrieri ale diferitelor tipuri de traductoare de presiune disponibile, inclusiv principiile de funcționare și argumentele pro și contra ale fiecăruia.

Transductoarele de presiune de tip strain gage

Transductoarele de presiune de tip strain gage sunt utilizate pe scară largă, în special pentru presiunea cu deschidere îngustă și pentru măsurători de presiune diferențială. Aceste dispozitive pot detecta presiunea manometrică dacă portul de joasă presiune este lăsat deschis în atmosferă sau presiunea diferențială dacă sunt conectate la două presiuni de proces. Dacă partea de joasă presiune este o referință de vid sigilată, transmițătorul va acționa ca un transmițător de presiune absolută.
Transductoarele cu etalon sunt disponibile pentru intervale de presiune de la 3 inci de apă până la 200.000 psig (1400 MPa). Inexactitatea variază de la 0,1% din intervalul de calibrare la 0,25% din scala completă. Sursele de eroare suplimentare pot fi o derivă de 0,25% din scala completă pe o perioadă de șase luni și un efect de temperatură de 0,25% din scala completă la 1000¡ F.

Transductoare de presiune cu capacitate

Transductoarele de presiune cu capacitate au fost inițial dezvoltate pentru a fi utilizate în cercetarea în vid redus. Modificarea capacității rezultă din mișcarea unui element de diafragmă. În funcție de tipul de presiune, traductorul capacitiv poate fi un traductor de presiune absolută, manometrică sau diferențială.
Transductoarele de presiune capacitivă sunt larg răspândite în parte datorită gamei lor largi, de la viduri înalte în gama micronilor până la 10.000 psig (70 MPa). Pot fi măsurate cu ușurință presiuni diferențiale de până la 0,01 inci de apă. Și, în comparație cu traductoarele de tip strain gage, acestea nu se abat prea mult. Sunt disponibile modele mai bune care au o precizie de până la 0,1% din citire sau 0,01% din scala completă. Un efect tipic al temperaturii este de 0,25% din scala completă la 1000¡ F.
Senzorii de tip capacitate sunt adesea utilizați ca etaloane secundare, în special în aplicațiile de presiune diferențială scăzută și de presiune absolută scăzută. De asemenea, sunt destul de receptivi, deoarece distanța pe care trebuie să o parcurgă fizic diafragma este de numai câțiva microni. Traductoarele de presiune cu capacitate mai noi sunt mai rezistente la coroziune și sunt mai puțin sensibile la capacitatea de dispersie și la efectele vibrațiilor care obișnuiau să provoace „tremurături de citire” în cazul modelelor mai vechi.
Oțelul inoxidabil este cel mai frecvent utilizat ca material pentru diafragmă, dar pentru servicii corozive, aliajele de oțel cu conținut ridicat de nichel, cum ar fi Inconel sau Hastelloy, oferă performanțe mai bune. Tantalumul este, de asemenea, utilizat pentru aplicații foarte corozive și la temperaturi ridicate. Ca un caz special, diafragmele de argint pot fi folosite pentru a măsura presiunea clorului, a fluorului și a altor halogeni în starea lor elementară.

Transductoare de presiune potențiometrică

Senzorul de presiune potențiometrică oferă o metodă simplă de obținere a unei ieșiri electronice de la un manometru mecanic. Dispozitivul constă dintr-un potențiometru de precizie, al cărui braț ștergător este legat mecanic de un element Bourdon sau de un burduf. Mișcarea brațului ștergătorului peste potențiometru convertește deviația senzorului detectată mecanic într-o măsurătoare de rezistență, folosind un circuit în punte Wheatstone.
Natura mecanică a legăturilor care conectează brațul ștergătorului la tubul Bourdon, la burduf sau la elementul de diafragmă introduce erori inevitabile în acest tip de măsurare. Efectele de temperatură cauzează erori suplimentare din cauza diferențelor dintre coeficienții de dilatare termică ai componentelor metalice ale sistemului. De asemenea, erorile se vor dezvolta din cauza uzurii mecanice a componentelor și a contactelor.
Transductoarele potențiometrice pot fi făcute extrem de mici și pot fi instalate în spații foarte înguste, cum ar fi în interiorul carcasei unui manometru cu cadran de 4,5 inci. De asemenea, acestea oferă o ieșire puternică care poate fi citită fără amplificare suplimentară. Acest lucru le permite să fie utilizate în aplicații cu putere redusă. Ele sunt, de asemenea, ieftine. Traductoarele potențiometrice pot detecta presiuni între 5 și 10.000 psig (35 KPa până la 70 MPa). Precizia lor este cuprinsă între 0,5% și 1% din scala completă, fără a include deriva și efectele temperaturii.

Transductoare de presiune cu fir rezonant

Transductorul de presiune cu fir rezonant a fost introdus la sfârșitul anilor 1970. În acest model, un fir este prins de un element static la un capăt și de diafragma de detecție la celălalt capăt. Un circuit oscilator face ca firul să oscileze la frecvența sa de rezonanță. O modificare a presiunii de proces modifică tensiunea firului, ceea ce, la rândul său, modifică frecvența de rezonanță a firului. Un circuit de contor digital detectează această schimbare. Deoarece această modificare a frecvenței poate fi detectată destul de precis, acest tip de traductor poate fi utilizat pentru aplicații de presiune diferențială scăzută, precum și pentru a detecta presiuni absolute și manometrice.
Avantajul cel mai semnificativ al traductorului de presiune cu fir rezonant este că acesta generează un semnal intrinsec digital și, prin urmare, poate fi trimis direct la un ceas de cristal stabil într-un microprocesor. Printre limitări se numără sensibilitatea la variațiile de temperatură, un semnal de ieșire neliniar și o anumită sensibilitate la șocuri și vibrații. Aceste limitări sunt de obicei reduse la minimum prin utilizarea unui microprocesor pentru a compensa neliniaritățile, precum și variațiile de temperatură ambiantă și de proces.
Transductoarele cu fir rezonant pot detecta presiuni absolute de la 10 mm Hg, presiuni diferențiale de până la 750 in. apă și presiuni manometrice de până la 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. .