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Un mondo sotto pressione: misure di pressione per le industrie di processo

Introduzione

La pressione è il secondo parametro più misurato dopo la temperatura nelle industrie di processo. Spesso è importante misurare con precisione per controllare la qualità del prodotto finale e rapidamente per controllare i processi dinamici.

Altre considerazioni importanti sono gli ambienti difficili di molte applicazioni, i requisiti di sicurezza d'uso in atmosfere esplosive e il costo di mantenimento dei registri di calibrazione. La scelta di idonei prodotti per la misurazione della pressione può essere scoraggiante.

Questo articolo prende in considerazione le diverse tecnologie disponibili e i vantaggi che ciascuna porta, nonché il modo in cui tali vantaggi prestazionali si adattano ad applicazioni particolari.

Neculai Moisoi

Metrologo senior, Druck

ian abb

Responsabile prodotti industriali, Druck

All'interno di questo articolo verranno anche illustrati gli usi tipici dei sensori di pressione nelle industrie di processo e le sfide che gli utenti devono affrontare.

Tipi fondamentali di sensori di pressione

L'industria dei sensori di pressione ha subito un rapido sviluppo dopo l'invenzione iniziale in 1938 degli estensimetri da EE Simmons del California Institute of Technology e AC Ruge del Massachusetts Institute of Technology. Sebbene siano disponibili molti fattori di forma, di seguito viene presentato un aspetto generico di un sensore di pressione.

Misurazione della pressione

Figura 1: un sensore di pressione generico con un diaframma di isolamento

Tipi per principio di rilevamento

I sensori piezo-resistivi sono il tipo di sensore più utilizzato, grazie alla varietà di applicazioni che soddisfano elevati livelli di precisione e alla loro costruzione normalmente robusta.

La maggior parte dei sensori piezo-resistivi si basa su un ponte di Wheatstone su un substrato di silicio, dove ogni resistenza nel ponte cambia il suo valore con la deformazione / pressione applicata e quindi questo segnale può essere modificato in una varietà di uscite elettriche.

Esistono poche applicazioni in cui sono richiesti parametri al di fuori delle capacità dei sensori piezo-resistivi, tuttavia per la maggior parte delle applicazioni industriali i sensori piezo-resistivi sono la scelta preferita.

I sensori capacitivi sono disponibili anche in una grande varietà di forme e forme, con forme generalmente molto semplici in cui un diaframma sottile è una piastra di un condensatore e la pressione applicata causerà la deformazione / movimento elastico del diaframma e quindi un cambiamento nella capacità elettrica .

Grazie alla loro elevata sensibilità, sono buoni sensori per la misurazione della pressione inferiore a 20 mbar (20 hPa), ma è necessario prestare attenzione poiché sono generalmente sensibili alle vibrazioni e agli urti.

I sensori induttivi hanno un approccio simile ai sensori capacitivi, in cui una capsula di rilevamento (elastica) sta spostando un elemento centrale all'interno di un trasformatore differenziale variabile lineare, quindi la variazione di induzione è proporzionale alla pressione applicata.

Una grande varietà di capsule di rilevamento può essere utilizzata con sensori induttivi; nel senso che possono essere utilizzati per diverse gamme, ma è necessario prestare attenzione al rumore elettrico e / o agli shock e alle vibrazioni.

I trasduttori di pressione risonanti sono alcuni dei sensori a base di silicio più accurati sul mercato e il principio di funzionamento si basa sulla variazione di frequenza di un risonatore quando lo stress viene applicato ad esso, generalmente attraverso un diaframma di silicio, collegato alle estremità del risonatore.

Sono generalmente sensori robusti e presentano diversi fattori di forma con vari gradi di protezione contro i fattori ambientali. Tuttavia, il loro principio meccanico potrebbe renderli vulnerabili alle onde meccaniche, specialmente se queste onde meccaniche attivano diverse modalità di frequenza del risonatore.

Tipi per output

I due principali tipi di sensori di pressione sono l'emissione continua di quantità o l'uscita discreta (digitale).

I tipi continui sono mV, V, mA e Hz) e ogni tipo ha i suoi vantaggi e svantaggi. Con questo in mente, ognuno dovrebbe essere scelto in base all'applicazione e all'ambiente. Ad esempio, è desiderabile un'uscita mV se il segnale deve essere modificato in un'applicazione su misura senza la necessità di inviarlo per lunghe distanze, mentre un'uscita V o un'uscita mA può essere inviata su distanze relativamente lunghe, poiché è meno probabile essere influenzato dall'ambiente operativo rispetto a un output mV.

I sensori di pressione dell'uscita digitale stanno diventando sempre più popolari in quanto possono essere facilmente integrati in sistemi computerizzati, utilizzando lo stesso set di cavi per più sensori (Modbus, Profibus, Canbus) e che possono anche essere utilizzati come configurazione “plug & play” ( RS232, USB) o anche collegato senza fili (wireless, Bluetooth).

Caratteristiche metrologiche dei sensori di pressione

Le caratteristiche metrologiche dei sensori di pressione possono variare sostanzialmente da produttore a produttore ed è molto importante comprendere queste caratteristiche per garantire che venga scelto un sensore adatto per l'applicazione prevista.

Da una prospettiva metrologica pura, alcuni dei parametri (ad es. Ripetibilità, precisione, accuratezza) hanno una definizione qualitativa, tuttavia nel corso degli anni sono stati usati come parametri quantitativi, quindi li useremo allo stesso modo. Di seguito ci concentreremo sui principali parametri metrologici:

Offset del segnale

L'offset del segnale è l'errore del sensore alla pressione minima (la Figura 2 mostra l'offset del segnale per un sensore di pressione con un intervallo da 0 a 1000 mbar e un'uscita da 0 a 5 V). Da un punto di vista pratico, è importante sapere se l'offset del sensore può essere regolato ("re-azzerato") poiché molti sensori potrebbero spostarsi nel tempo e sarebbe auspicabile la possibilità di "re-zero".

Insieme alla regolazione dell'offset, molti sensori hanno la capacità di regolare l'intervallo (uscita alla massima pressione meno uscita alla minima pressione), che aiuterà anche a correggere la deriva nel tempo. La misurazione e il ripristino di tali offset richiede un piano di calibrazione e manutenzione per garantire che le prestazioni rimangano entro i limiti richiesti.

manometro sensore di pressione 0-1000 mbar. Misurazione della pressione

Figura 2: offset del sensore di pressione

Sensibilità

La sensibilità del sensore è il rapporto tra la variazione del segnale di uscita e la variazione di pressione. Se consideriamo il grafico sopra in cui l'uscita cambia di 5 V, mentre la pressione cambia di 1000 mbar, la sensibilità è 5 mV / mbar. Questo è un parametro importante per il modo in cui utilizzeremo il segnale nell'applicazione, oltre a determinare come le prestazioni del sensore saranno influenzate dal rumore elettrico.

Precisione

La precisione è generalmente il termine usato per descrivere il comportamento dei sensori in termini di ripetibilità, errore di linearità e isteresi del segnale. Tradizionalmente alcuni produttori hanno usato il termine "accuratezza" per descrivere questo parametro.

Tuttavia, come regola empirica, qualunque sia il nome di questo parametro, l'approccio migliore è capire quali sono le sue parti costitutive. La precisione come parametro non ci dice quanto accuratamente stiamo misurando la pressione, ma più come si comportano i sensori stessi. Ad esempio: è ripetibile? è lineare? c'è un'isteresi di pressione o temperatura?

La ripetibilità è la vicinanza dell'accordo tra i risultati di misurazioni successive della stessa pressione effettuate nelle stesse condizioni di misurazione in un periodo di tempo relativamente breve. Spesso la ripetibilità è determinata come la deviazione standard delle misurazioni ripetute o l'ampiezza (massimo - minimo).

L'errore di linearità è determinato come la differenza tra il valore misurato dal sensore e la linea teorica (che è determinata come BSL - miglior adattamento rettilineo o TSL - adattamento rettilineo terminale), che assume un comportamento lineare del sensore. La figura 3 rappresenta l'errore di linearità per un caso BSL e per caratterizzare i sensori viene scelto l'errore massimo (come scenario peggiore).

manometro sensore di pressione 0-2000 mbar. Misurazione della pressione

Figura 3: errore di linearità del sensore di pressione

L'errore di isteresi della pressione o della temperatura è la differenza tra due misurazioni separate prese nello stesso punto, ma una in cui il valore aumenta e una in cui il valore diminuisce. Le dimensioni dell'isteresi variano in base alla tecnologia del sensore di pressione e alla costruzione fisica del sensore.

sensore di pressione assoluta 0-100 mbar. Misurazione della pressione

Figura 4: errore di isteresi della pressione


generaleI parametri 3 sopra descritti sono inclusi in una specifica, che definisce i limiti accettabili per la precisione (esempio: la precisione è +/- 0.1% del fondo scala).

accuratezza

La precisione dovrebbe essere associata all'errore di misurazione specificato, compreso l'impatto dell'errore sistematico, dell'errore casuale e della deriva (nei casi in cui l'accuratezza è specificata per un periodo di tempo). L'accuratezza di un sensore di pressione o di una misurazione viene ottenuta come parte della valutazione dell'incertezza della misurazione e comprende molti fattori, tra cui le incertezze standard e / o Unit Under Test (UUT), la precisione, ecc. Valutazione dell'incertezza della misurazione / calibrazione richiede conoscenze specialistiche, quindi qui ci concentreremo su come interpretare l'accuratezza.

Ogni misura dovrebbe avere l'incertezza di misura con essa (attraverso una dichiarazione di precisione nella scheda tecnica o l'incertezza in un certificato di calibrazione). Il più delle volte, l'accuratezza viene valutata come Incertezza estesa, che si presume segua una distribuzione normale e il fattore di copertura = 2. In termini semplici come nell'esempio seguente: il valore reale della quantità misurata x si trova con una probabilità 95% all'interno dell'intervallo (xU, x + U).

Misurazione della pressione

Figura 5: rappresentazione della precisione per un valore di pressione X


Quando si confronta la precisione con l'accuratezza per un sensore di pressione: la precisione ci dice come si comporta il sensore, mentre l'accuratezza (e includerà i fattori di precisione) ci dice quanto sia accurata la nostra misurazione o quali sono i confini che contengono il vero valore della misurazione.

Stabilità a lungo termine (deriva)

La stabilità a lungo termine di uno strumento è spesso riferita alla sua quantità opposta, ovvero alla deriva a lungo termine, secondo le seguenti definizioni:

  • La stabilità di uno strumento di misura è di proprietà di uno strumento di misura, per cui le sue proprietà metrologiche rimangono costanti nel tempo
  • La deriva strumentale è la variazione continua o incrementale nel tempo in indicazione, dovuta a cambiamenti nelle proprietà metrologiche di uno strumento di misura

Il più delle volte, la deriva di uno strumento segue un determinato modello matematico nel tempo, ma a causa della variazione da una parte all'altra per un dato modello, la deriva viene espressa come un intervallo di tolleranza, D = + / - 10 Pa, quindi dovrebbe essere incluso nella precisione complessiva dello strumento.

In generale, il sensore di pressione mostra una qualche forma di deriva nel tempo, quindi è importante che i sistemi siano progettati con il potenziale da regolare sia per la deriva di offset che per la distanza e che sia adottato un programma di calibrazione e manutenzione.

Quantità d'influenza

Le quantità di influenza sono eventuali quantità esterne (cioè non incluse nell'input / output), che possono influenzare le prestazioni di un sensore di pressione. Il più delle volte, i produttori di sensori di pressione forniscono la gamma per la quantità di influenza e il suo effetto sulle caratteristiche metrologiche del sensore.

L'influenza di fattori esterni è principalmente indicata come un intervallo di tolleranza, che dovrebbe essere preso in considerazione quando si valuta l'accuratezza dello strumento. Ad esempio, quando si considera l'effetto della temperatura per un sensore di pressione, la quantità di influenza (temperatura) viene definita da -10 a + 50 ° C e quindi il suo effetto viene definito come un intervallo di tolleranza ± 0.75% del fondo scala.

Le quantità di influenza e il loro effetto dovrebbero essere forniti dai produttori attraverso le loro schede tecniche e differiscono in base alla quantità misurata e al tipo di sensore., Le quantità di influenza più comuni sono: temperatura, umidità, pressione atmosferica, campi elettromagnetici, vibrazioni, rumore.

Sulla base dell'applicazione, le specifiche dichiarate per influenzare le quantità dovrebbero essere esaminate attentamente, poiché in alcuni casi gli effetti indotti sono molto maggiori della precisione e / o accuratezza dichiarata.

Taratura dei sensori di pressione

Negli anni passati, i sensori di pressione sarebbero stati portati fuori dal sistema in cui venivano incorporati e calibrati in un laboratorio metrologico. Tuttavia, ciò comporta un costo associato, in quanto sarà necessario installare i sensori di riserva per evitare tempi di inattività o il sistema si arresterebbe semplicemente e la risorsa si arresterebbe fino a quando i sensori non verranno restituiti dalla calibrazione / test.

Nei tempi moderni, la maggior parte dei sensori sono calibrati "sul posto" utilizzando calibratori di pressione, alcuni dei quali hanno la capacità di generare e misurare contemporaneamente la pressione e l'uscita (in mV, V, mA, ecc.). Inoltre, molti calibratori possono valutare l'incertezza di calibrazione (molte volte definita "accuratezza") e archiviare / trasmettere i dati automaticamente attraverso un sistema di gestione dei dati.

È sempre consigliabile disporre di un sistema di questo tipo in quanto mantiene tutti i dati di calibrazione in modo sicuro, il che semplifica la gestione delle risorse, riduce gli errori di segnalazione e aiuta a conformarsi alle certificazioni ISO.

Il metodo di calibrazione è un metodo diretto e oltre ai controlli operativi che devono essere eseguiti prima della selezione (scelta dei raccordi giusti per le connessioni di pressione, garanzia di un sistema privo di perdite, precauzioni di sicurezza, ecc.), Il calibratore deve essere scelto come regola empirica per essere 4 volte più accurata rispetto al sensore calibrato.

calibratore portatile. Misurazione della pressione

Figura 6: calibrazione remota di un sensore di pressione mediante un calibratore modulare

Scegliere il sensore giusto per l'applicazione

Scegliere il sensore giusto per un'applicazione significa abbinare i requisiti dell'applicazione al particolare parametro a cui l'utente è interessato.

Ad esempio, in un'applicazione di prova di tenuta l'accuratezza assoluta è una considerazione secondaria al rumore. Se la lettura è cambiata è fondamentale e quindi se i sensori fraintendono la barra 10 come barra 9 le conseguenze non sono profonde, poiché l'alta risoluzione è di maggiore importanza, al fine di vedere un piccolo cambiamento di pressione.

Come altro esempio in un circuito di controllo, la velocità di risposta è fondamentale. Se il sensore sta emettendo la pressione che era presente 100 ms in passato, sarà molto difficile ottimizzare un processo dinamico.

Naturalmente, ci sono alcune applicazioni, come il trasferimento fiscale e la fornitura di una massa di gas a un processo, in cui l'accuratezza complessiva è il fattore più importante. Esiste un rapporto 1: 1 tra errore di pressione ed errore sulla massa, o per dirla in altro modo, un errore 1% nella lettura della pressione è un errore 1% nel conto.

In questa situazione è importante prendere in considerazione non solo la cifra di "accuratezza" del titolo, ma anche le prestazioni nell'intervallo di temperatura operativa e quindi includere la cifra di stabilità per impostare un periodo di ricalibrazione al fine di mantenere l'accuratezza complessiva in ogni momento .

I produttori tendono a fornire quanti più dettagli possibile sulla loro documentazione tecnica e di marketing, ma devono bilanciare la quantità di informazioni fornite con rendere le informazioni facilmente accessibili e comprensibili.

Per una maggiore certezza dei migliori requisiti di abbinamento a una particolare applicazione, è spesso necessario coinvolgere un team di progettazione del fornitore di un sensore di pressione e, in alcuni casi critici, è possibile impegnarsi in una partnership al fine di progettare una soluzione personalizzata per un'applicazione specifica .

Process Industry Informer

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