Czujniki ciśnienia, często określane jako przetworniki ciśnienia lub przetworniki ciśnienia, mierzą ciśnienie względne, bezwzględne lub różnicowe w różnych zastosowaniach. Obejmują one na przykład technologię procesową, aplikacje mobilne lub budowę sprężarek. W niektórych przypadkach są one dostępne jako połączone czujniki ciśnienia i temperatury, dzięki czemu oba parametry mogą być mierzone za pomocą jednego urządzenia.
Czujniki ciśnienia mają zwykle membranę, która jest poddawana różnym ciśnieniom po obu stronach.
W czujniku ciśnienia bezwzględnego po jednej stronie znajduje się komora bezpowietrzna (próżnia). Po drugiej stronie znajduje się ciśnienie procesowe, które odkształca membranę, gdy się zmienia. Stopień odkształcenia jest mierzony i stanowi miarę różnicy między ciśnieniem procesowym a próżnią (ciśnienie absolutne).
W przypadku czujnika ciśnienia względnego komora jest otwarta, tak że panuje w niej ciśnienie atmosferyczne. Membrana odkształca się w zależności od różnicy między ciśnieniem procesowym a ciśnieniem atmosferycznym (ciśnienie względne).
Czujniki różnicy ciśnień mają 2 przyłącza procesowe; ciśnienia działają w przeciwnych kierunkach na membranę. Wynikiem pomiaru jest różnica między dwoma ciśnieniami (ciśnienie różnicowe).
Przetwornik ciśnienia ma przyłącze procesowe, przez które jest umieszczany w procesie. Zwykle jest ono wkręcane w proces, ale czasami połączenie jest również wykonywane za pomocą kołnierza.
Technologia czujnika, która przekształca ciśnienie w sygnał elektryczny, znajduje się w obudowie. Jest to również miejsce, w którym znajduje się elektronika oceniająca, która generuje sygnał analogowy lub cyfrowy z surowego sygnału. Połączenie elektryczne jest zwykle realizowane za pomocą styku wtykowego.
Z reguły czujniki ciśnienia wysyłają zmierzone ciśnienie jako sygnał analogowy (zwykle poprzez sygnał prądowy 4 do 20 mA). Często są one jednak również wyposażone w interfejsy, takie jak IO-Link, canOPEN lub HART. Przetworniki ciśnienia z Single Pair Ethernet są często również bezpośrednio dostępne za pośrednictwem aplikacji w chmurze.
Czujniki z wyświetlaczem i innymi funkcjami są również często wymagane w technologii procesowej.
Przetworniki ciśnienia posiadają membranę, której odkształcenie lub ugięcie jest miarą ciśnienia procesowego. W większości przypadków membrana jest chroniona wewnątrz czujnika. Jeśli w systemie występują skoki ciśnienia, które mogłyby uszkodzić system pomiarowy, kanał ciśnieniowy jest wyposażony w przepustnicę (opór przepływu), dzięki czemu krótkie skoki ciśnienia nie docierają do membrany.
Podczas pomiaru w lepkich mediach, kanał ciśnieniowy może zostać zablokowany. Z tego powodu należy użyć membrany płuczącej.
Wybór odpowiedniego czujnika ciśnienia zależy od różnych czynników, w tym od konkretnych wymagań aplikacji. Ważną rolę odgrywają na przykład zakres ciśnienia, dokładność i warunki środowiskowe. Więcej informacji można znaleźć w poniższym filmie.
Wybór systemu pomiarowego zależy głównie od poziomu mierzonego ciśnienia. Poniżej wymieniono najważniejsze typy czujników ciśnienia.
Indukcyjne czujniki ciśnienia umożliwiają pomiar bardzo niskich wartości ciśnienia w czystym powietrzu. Mierzone powietrze jest doprowadzane do czujnika za pomocą węży, dzięki czemu czujniki mają inną konstrukcję niż pokazano powyżej.
Czujnik zawsze mierzy różnicę ciśnień poprzez dwa połączenia węży. Na przykład, jeśli wąż pochodzi z pomieszczenia czystego, a drugie połączenie pozostaje otwarte, taki czujnik ciśnienia mierzy nadciśnienie w pomieszczeniu czystym. Jest to bardzo ważne, ponieważ wtedy czyste powietrze wydostaje się z pomieszczenia czystego przez małe nieszczelności, a zanieczyszczone powietrze nie dostaje się do pomieszczenia czystego.
Jeśli oba połączenia mają ciśnienie występujące przed i za filtrem powietrza, mierzona jest różnica ciśnień. W tym zastosowaniu jest to miara stopnia zanieczyszczenia filtra.
System pomiarowy składa się z dwóch przykręconych metalowych połówek, do których w środku przymocowana jest cewka. Pomiędzy połówkami znajduje się membrana z żelazną płytką. Jeśli ciśnienie w komorze wzrasta, zmienia się różnica ciśnień, a wraz z nią odległość między żelazną płytką a cewkami. Odległość ta wpływa na indukcyjność cewek i dlatego jest miarą różnicy ciśnień.
Możliwość pomiaru bardzo małych różnic ciśnienia
Niska odporność na nadciśnienie
Medium pomiarowym musi być czyste powietrze.
Porównanie ciśnienia w systemach znajdujących się w różnych lokalizacjach
Stosunkowo niski zakres średnich temperatur (np. -10 do +50 °C)
Pojemnościowe przetworniki ciśnienia wymagają wyższego ciśnienia minimalnego. Jednak pomiar ciśnienia w gazach i cieczach jest również możliwy przy użyciu tych czujników od ciśnienia 0,05 bara.
Czujnik ciśnienia składa się z ceramicznego korpusu, którego struktura z metalicznymi (złotymi) powierzchniami reprezentuje kondensator.
Górna płytka kondensatora jest stroną stałą (elektroda Cp), ruchoma membrana reprezentuje drugą płytkę (przeciwelektrodę). Pierścień lutowniczy łączy membranę z korpusem i utrzymuje odległość. Jeśli do membrany zostanie przyłożony nacisk, odległość między płytkami zmieni się, a wraz z nią pojemność.
Bezpieczeństwo przeciążeniowe tego czujnika jest bardzo wysokie (100 x Prated), ponieważ ruchoma membrana może poruszać się tylko tak daleko, jak nieruchoma płytka i jest do niej dociskana. W zależności od konstrukcji, czujniki mogą być używane do pomiaru ciśnienia względnego lub bezwzględnego.
Odporność chemiczna ceramiki jest bardzo dobra i prawie nie podlega procesom starzenia korozyjnego, co skutkuje wysoką stabilnością długoterminową. Do uszczelnienia obudowy używana jest jednak uszczelka. W zależności od medium procesowego należy wybrać odpowiedni materiał uszczelniający pod względem odporności materiału.
Pomiar nawet bardzo niskich wartości ciśnienia w gazach i cieczach
Możliwość pomiaru ciśnienia bezwzględnego
Wyjątkowa odporność na przeciążenia
Wymagany materiał uszczelniający między czujnikiem a przyłączem ciśnieniowym
Ten typ czujnika ciśnienia może być stosowany w bardzo szerokim zakresie ciśnienia. W zależności od ciśnienia, piezorezystancyjny chip krzemowy zmienia swoją wartość rezystancji.
Chip nie jest umieszczony na membranie, ale jest bezpośrednio wystawiony na działanie ciśnienia procesowego. W przypadku pomiaru bardzo niskich wartości ciśnienia - wyłącznie w gazach - medium procesowe jest podawane bezpośrednio do chipa (około 0,04 do 0,1 bara). Jeśli mierzone jest wyższe ciśnienie, w czujnikach stosowany jest olej wypełniający.
Ciśnienie procesowe jest przenoszone do oleju wypełniającego przez membranę, a ten jest podawany do chipa krzemowego. Tego typu konstrukcja umożliwia ekonomiczny pomiar ciśnienia w gazach i cieczach do 100 barów. Zasadniczo można również skonstruować czujniki do pomiaru ciśnienia do 1000 barów. Jednak ze względu na stosunkowo wysokie koszty, metoda ta jest stosowana przy tak wysokich ciśnieniach tylko wtedy, gdy istnieją ku temu szczególne powody.
Materiał półprzewodnikowy jest bardzo wrażliwy na temperaturę, więc kompensacja temperatury, a tym samym elektronika oceniająca dla tych czujników są stosunkowo złożone - jest to wyzwanie dla producenta. Wersje wysokotemperaturowe mogą być również realizowane ze względu na przenoszenie ciśnienia przez olej wypełniający.
Wysokie bezpieczeństwo przeciążeniowe
Wysokie ciśnienie rozrywające
Nie wymaga uszczelnienia
Podstawowy korpus tego czujnika ciśnienia z membraną jest wykonany z ceramiki. Grubość membrany różni się w zależności od zakresu ciśnienia. Tensometry są nakładane na stronę membrany skierowaną w kierunku przeciwnym do ciśnienia za pomocą procesu sitodruku, a następnie wypalane. Między czujnikiem a przyłączem ciśnieniowym wymagana jest uszczelka w celu uszczelnienia czujnika ceramicznego w systemie pomiarowym. Korpus podstawy znajduje się całkowicie wewnątrz czujnika i nie jest widoczny z zewnątrz. Ciśnienie procesowe jest przykładane do membrany przez kanał ciśnieniowy. Zakres przeciążenia kruchej ceramiki jest dość wysoki, ale ciśnienie rozrywające jest niższe niż w przypadku metalowych materiałów nośnych.
Wymaga minimalnego ciśnienia ok. 1,6 bara, w przeciwnym razie pomiar może być przeprowadzony do bardzo wysokiego ciśnienia.
Brak możliwości pomiaru ciśnienia bezwzględnego
Te przetworniki ciśnienia również mogą mierzyć ciśnienie do 1000 barów, choć mogą być używane dopiero od 40 barów. Podstawa metalowych cienkowarstwowych czujników ciśnienia i membrana są zwykle wykonane ze stali nierdzewnej. Czujniki tensometryczne o grubości warstwy <1 µm są nakładane przy użyciu procesu chemicznego, dlatego też określa się je mianem czujników cienkowarstwowych. Ten typ czujnika ciśnienia jest bardzo odporny na wibracje i obciążenia udarowe. Może być przyspawany do obudowy, dzięki czemu nie jest wymagane dodatkowe uszczelnienie.
W porównaniu z czujnikami grubowarstwowymi, czujniki cienkowarstwowe mają tylko nieznacznie wyższą odporność na przeciążenia, ale znacznie wyższe ciśnienie rozrywające.
Brak możliwości pomiaru ciśnienia bezwzględnego
Przetworniki ciśnienia charakteryzują się dobrą trwałością. W zależności od producenta i konstrukcji czujnika przemysłowego, określone zachowanie długoterminowe wynosi zwykle 0,1 - 0,5% zakresu pomiarowego/rok. Niemniej jednak zaleca się regularną kontrolę w celu zapewnienia optymalnej funkcjonalności w zastosowaniach przemysłowych. Podczas tak zwanej kalibracji DAkkS lub kalibracji ISO czujnik ciśnienia jest poddawany ciśnieniu odniesienia i określane są odchylenia. Odchylenie jest kompensowane przez regulację (na czujniku ciśnienia lub na jednostce oceniającej), jeśli jest akceptowalne. Dzięki kalibracji uzyskuje się niezawodne procesy.
W technologii procesowej w większości zastosowań wykorzystywane są następujące czujniki ciśnienia: