Typy tlakových snímačů

Jednoduché samoinstalace tlakového převodníku

Jako tlakový senzor, jehož výstupem je standardizovaný signál, je tlakový vysílač přístroj, který přijímá tlakovou proměnnou a proporcionálně ji převádí na standardizovaný výstupní signál. Dokáže převádět fyzikální tlakové parametry plynu, kapaliny atd. snímané snímačem zatížení na standardizované elektrické signály (například 4-20mADC atd.) a poskytovat tak sekundární nástroje, jako jsou indikační alarmy, záznamníky, regulátory atd. pro měření, indikaci a regulaci procesů.

Klasifikace tlakových snímačů

Obvykle se převodníky tlaku, o kterých mluvíme, dělí podle principu:
Kapacitní snímače tlaku, odporové snímače tlaku, indukční snímače tlaku, polovodičové snímače tlaku a piezoelektrické snímače tlaku pro vysokofrekvenční měření. Mezi nimi jsou nejpoužívanější odporové snímače tlaku. Kapacitní snímač tlaku představuje snímač Rosemount 3051S jakožto špičkový produkt.

Tlakové snímače lze podle tlakově citlivých součástí rozdělit na kovové, keramické, difúzně křemíkové, monokrystalické křemíkové, safírové, naprašované filmové atd.

• Kovový snímač tlaku má nízkou přesnost, ale malý vliv teploty a je vhodný pro oblasti se širokým teplotním rozsahem a nízkými požadavky na přesnost.
• Keramické tlakové senzory mají lepší přesnost, ale jsou více ovlivněny teplotou. Keramika má také výhodu v odolnosti proti nárazu a korozi, což lze využít v oblasti měření odezvy.
• Přesnost přenosu tlaku u difuzního křemíku je velmi vysoká a teplotní drift je také velký, takže před použitím je obvykle nutná teplotní kompenzace. Navíc ani po teplotní kompenzaci nelze měřit tlak nad 125 °C. Při pokojové teplotě je však koeficient citlivosti difuzního křemíku 5krát vyšší než u keramiky, takže se obecně používá v oblasti vysoce přesného měření.
• Monokrystalický křemíkový tlakový snímač je nejpřesnějším senzorem v průmyslové praxi. Jedná se o vylepšenou verzi difúzního křemíku. Samozřejmě je i cena vyšší. V současné době je japonská společnost Yokogawa zástupcem v oblasti monokrystalického křemíkového tlaku.
• Safírový tlakový snímač není citlivý na změny teploty a má dobré provozní vlastnosti i za vysokých teplot; safír má extrémně silnou odolnost proti záření; žádný pn drift; může normálně fungovat i za nejhorších provozních podmínek a je spolehlivý. Vysoký výkon, dobrá přesnost, minimální teplotní chyba a vysoká celková cena/výkon.
• Tenkovrstvý snímač tlaku s naprašováním neobsahuje žádné lepidlo a vykazuje vyšší dlouhodobou stabilitu a spolehlivost než tenzometrický snímač s lepivým lepidlem; je méně ovlivněn teplotou: při změně teploty o 100 °C je nulová odchylka pouze 0,5 %. Jeho teplotní výkon je mnohem lepší než u difuzního křemíkového snímače tlaku; navíc může přijít do přímého kontaktu s běžnými korozivními médii.

Principy různých typů tlakových snímačů

• Princip kapacitního snímače tlaku.

Když tlak přímo působí na povrch měřicí membrány, membrána vytváří malou deformaci. Vysoce přesný obvod na měřicí membráně transformuje tuto malou deformaci na vysoce lineární napěťový signál úměrný tlaku a budicímu napětí a poté pomocí specializovaného čipu převede tento napěťový signál na standardní proudový signál 4–20 mA nebo napěťový signál 1–5 V.

• Princip difúzního křemíkového snímače tlaku

Tlak měřeného média přímo působí na membránu senzoru (obvykle membrána z nerezové oceli 316L), což způsobuje, že membrána vytváří mikroposuv úměrný tlaku média, čímž se mění hodnota odporu senzoru a detekuje se pomocí Wheatstoneova obvodu. Tuto změnu senzor převádí a vydává standardní měřicí signál odpovídající tomuto tlaku.

• Princip monokrystalického křemíkového tlakového snímače

Piezorezistivní tlakové senzory jsou konstruovány s využitím piezorezistivního jevu monokrystalického křemíku. Jako elastický prvek se používá monokrystalická křemíková destička. Při změně tlaku monokrystalický křemík vytváří napětí, takže odpor vůči napětí, který na něj přímo působí, vytváří změnu úměrnou měřenému tlaku a poté se pomocí můstkového obvodu získá odpovídající výstupní napěťový signál.

• Princip keramického tlakového převodníku

Tlak působí přímo na přední povrch keramické membrány, což způsobuje její mírnou deformaci. Silnovrstvý rezistor je natištěn na zadní straně keramické membrány a je připojen k Wheatstoneovu můstku (uzavřený můstek) díky piezorezistivnímu jevu varistoru. Můstek generuje vysoce lineární napěťový signál úměrný tlaku a budicímu napětí. Obecně se používá pro měření tlaku vzduchových kompresorů, spíše se používá keramika.

• Princip tenzometrického snímače tlaku

Nejčastěji používané tenzometrické snímače tlaku jsou kovové odporové tenzometry a polovodičové tenzometry. Kovové odporové tenzometry jsou citlivé zařízení, které převádí změnu napětí na testovaném tělese na elektrický signál. Existují dva druhy drátových tenzometrů a kovových fóliových tenzometrů. Tenzometr je obvykle pevně spojen s matricí mechanického napětí pomocí speciálního lepidla. Když je matrice vystavena změně napětí, deformuje se i odporový tenzometr, takže se změní hodnota odporu tenzometru a tím se změní i napětí přivedené na rezistor. Tenzometrické snímače tlaku jsou na trhu relativně vzácné.

• Safírový snímač tlaku

Safírový snímač tlaku využívá princip odporu proti deformaci, používá vysoce přesné křemíkové safírové komponenty a převádí tlakový signál na standardní elektrický signál pomocí specializovaného zesilovacího obvodu.

• Vysílač tlaku naprašovacího filmu

Naprašovací tlakově citlivý element je vyroben mikroelektronickou technologií a na povrchu elastické nerezové membrány vytváří pevný a stabilní Wheatstoneův můstek. Když tlak měřeného média působí na elastickou nerezovou membránu, Wheatstoneův můstek na druhé straně vytváří elektrický výstupní signál úměrný tlaku. Díky své dobré rázové odolnosti se naprašované filmy často používají v místech s častým působením tlaku, například v hydraulických zařízeních.

Bezpečnostní opatření pro výběr tlakového snímače

• Výběr rozsahu hodnot tlaku převodníku:

Nejprve určete maximální hodnotu měřeného tlaku v systému. Obecně řečeno, je třeba zvolit převodník s tlakovým rozsahem, který je asi 1,5krát větší než maximální hodnota, nebo nechat převodník tlaku v rozsahu normálního tlaku. Běžnou metodou je také 1/3~2/3 normálního rozsahu.

• Jaký druh tlakového média:

Viskózní kapaliny a kaly ucpávají tlakové otvory. Rozpouštědla nebo korozivní látky ničí materiály ve vysílači, které jsou s těmito médii v přímém kontaktu?
Materiál všeobecného tlakového snímače, který je v kontaktu s médiem, je nerezová ocel 316. Pokud médium není korozivní pro nerezovou ocel 316, pak jsou v podstatě všechny tlakové snímače vhodné pro měření tlaku média;
Pokud je médium korozivní pro nerezovou ocel 316, mělo by se použít chemické těsnění a nepřímé měření. Použití kapilární trubice naplněné silikonovým olejem k vedení tlaku může zabránit korozi tlakového snímače a prodloužit jeho životnost.

• Jakou přesnost vysílač potřebuje:

Přesnost je určena: nelinearitou, hysterezí, neopakovatelností, teplotou, nulovým offsetem stupnice a teplotou. Čím vyšší je přesnost, tím vyšší je cena. Obecně je přesnost difuzního křemíkového snímače tlaku 0,5 nebo 0,25 a kapacitní nebo monokrystalický křemíkový snímač tlaku má přesnost 0,1 nebo dokonce 0,075.

• Procesní připojení převodníku:

Snímače tlaku se obvykle instalují na potrubí nebo nádrže. Samozřejmě malá část z nich se instaluje a používá s průtokoměry. Obvykle existují tři způsoby instalace snímačů tlaku: závit, příruba a svorka. Proto je před výběrem snímače tlaku nutné zvážit také procesní připojení. Pokud se jedná o závit, je nutné určit specifikaci závitu. U přírub je nutné zvážit specifikace příruby s jmenovitým průměrem.

Úvod do průmyslu tlakových vysílačů

Výzkumem a výrobou senzorů se zabývá přibližně 40 zemí světa, z nichž Spojené státy, Japonsko a Německo jsou regiony s největší produkcí senzorů. Tyto tři země dohromady tvoří více než 50 % světového trhu se senzory.

V dnešní době je trh s tlakovými snímači v mé zemi vyspělým trhem s vysokou koncentrací trhu. Dominantní postavení však zaujímají zahraniční země, jako jsou Emerson, Yokogawa, Siemens atd. Značkové produkty tvoří přibližně 70 % tržního podílu a mají absolutní výhodu ve velkých a středních inženýrských projektech.

Je to způsobeno důsledky raného přijetí strategie „trhu pro technologie“ v mé zemi, která značně zasáhla státní podniky v mé zemi a kdysi se ocitla v selhání. Zároveň se však někteří výrobci, zastoupení čínskými soukromými podniky, tiše objevují a sílí. Budoucí čínský trh s tlakovými snímači je plný nových neznámých.