Gauge-druksensor versus absolute en differentiële druksensoren: een technische gids voor industriële automatisering en procescontrole

Een manometerdruksensor (ook wel relatieve druksensor genoemd) is een apparaat dat de druk meet ten opzichte van de atmosferische omgevingsdruk. De sensor heeft een geventileerde referentiepoort die open staat voor de omringende atmosfeer. Het sensorelement meet het verschil tussen de procesdruk die wordt uitgeoefend op de ene kant van het membraan en de atmosferische druk die wordt uitgeoefend op de andere kant. Wanneer de procesdruk gelijk is aan de atmosferische druk, is de sensoruitvoer nul (0 psi, 0 bar of 0 kPa). Wanneer de procesdruk hoger is dan de atmosferische druk (positieve druk), is de output positief. Wanneer de procesdruk lager is dan de atmosferische druk (vacuüm of negatieve druk), is de output negatief. Het sensorelement is doorgaans een piëzoresistief silicium micro-machinaal diafragma (MEMS) of een dunne-film rekstrookje op een metalen diafragma. Terwijl de druk het diafragma vervormt, verandert de weerstand van de piëzo-weerstanden, waardoor een elektrische output ontstaat die evenredig is aan de uitgeoefende druk. Het uitgangssignaal wordt doorgaans versterkt tot standaard industriële niveaus: 4-20 mA lusstroom, 0-5 VDC, 0-10 VDC of digitale uitgangen (I2C, SPI, CAN-bus). Overdruksensoren worden gebruikt in duizenden toepassingen: drukbewaking van hydraulische systemen, persluchtsystemen, waterdistributienetwerken, pompbesturing, tankniveaumeting (door het meten van de hydrostatische druk) en pneumatische bedieningselementen. Voor gedetailleerde technische specificaties kunnen sourcingprofessionals terecht manometerdruksensoren productpagina's voor materiaalgegevensbladen en testrapporten.

Het fundamentele verschil tussen meter-, absolute- en verschildruksensoren ligt in de referentiedruk die voor de meting wordt gebruikt. Overdruksensoren gebruiken atmosferische druk als referentie. De sensor heeft een geventileerde behuizing of een referentiepoort die open is naar de lucht. De output is nul bij atmosferische druk. Gauge-sensoren zijn geschikt voor de meeste industriële processen omdat operators zich druk maken over de druk ten opzichte van de omgeving (bijvoorbeeld 100 psi boven de atmosfeer). Absolute druksensoren gebruiken een afgedichte vacuümreferentiekamer (perfect vacuüm, 0 psi absoluut) als referentie. De sensor wordt niet naar de atmosfeer geventileerd. De output is alleen nul in een perfect vacuüm. Absolute sensoren worden gebruikt voor het meten van de barometrische druk, hoogtemeting en toepassingen waarbij variaties in de atmosferische druk de meting zouden beïnvloeden (bijvoorbeeld lektesten van afgesloten containers, drukregeling in vacuümovens). Verschildruksensoren meten het verschil tussen twee procesdrukken (P1 - P2). Geen van beide poorten wordt naar de atmosfeer afgevoerd. Differentiële sensoren worden gebruikt voor flowmeting (met behulp van orifice plates), filtermonitoring (drukval over een filter) en vloeistofniveaumeting in gesloten tanks (verschil tussen onderste druk en bovenste dampdruk). De keuze is afhankelijk van de toepassing. Voor een geventileerde tank is de meter correct. Voor een afgesloten tank met variërende atmosferische druk kan een differentieel nodig zijn. Voor hoogtemeting is absoluut vereist. De onderstaande tabel vat de belangrijkste verschillen samen.

Moderne manometerdruksensoren maken gebruik van MEMS-technologie (Micro-Electro-Mechanical Systems), die microscopische mechanische structuren integreert met elektronische circuits op een enkele siliciumchip. De kern van de MEMS-druksensor is een microbewerkt siliciumdiafragma, doorgaans 5 tot 50 micrometer dik, vervaardigd met behulp van fotolithografie- en etsprocessen. Piëzoweerstanden (gedoteerde siliciumgebieden die de weerstand veranderen wanneer ze worden belast) worden op plaatsen met hoge spanning (randen en midden) in het diafragma gediffundeerd. Wanneer er druk wordt uitgeoefend, buigt het diafragma door, waardoor spanning in de piëzoweerstanden ontstaat. De weerstandsverandering is evenredig met de uitgeoefende druk. De vier piëzoweerstanden zijn verbonden in een Wheatstone-brugconfiguratie, die weerstandsveranderingen omzet in een differentieel spanningssignaal. Het spanningssignaal wordt versterkt, gelineariseerd, temperatuurgecompenseerd en geconverteerd naar het gewenste uitvoerformaat (4-20 mA, spanning of digitaal) door een ASIC (Application-Specific Integrated Circuit) of signaalconditioneringscircuit. De MEMS-chip is gemonteerd op een substraat (keramiek, PCB of metaal), draadgebonden en beschermd met gelcoating of roestvrijstalen isolatiemembraan voor mediacompatibiliteit. De meterreferentie wordt bereikt door de achterkant van de MEMS-chip (of de achterkant van het isolatiemembraan) naar de atmosfeer te ventileren via een ventilatiegat in de sensorbehuizing. MEMS-technologie biedt verschillende voordelen: zeer klein formaat (chip zo klein als 1 mm x 1 mm), hoge gevoeligheid (microvolt per pascal-bereik), laag energieverbruik (milliwatt), uitstekende herhaalbaarheid en lage kosten bij grote volumes. Voor zware industriële omgevingen (corrosieve vloeistoffen, hoge temperaturen) kan de MEMS-chip door een roestvrijstalen membraan van de media worden geïsoleerd en gevuld met siliconenolie (met olie gevulde manometerdruksensor).

Overdruksensoren zijn verkrijgbaar in een breed scala aan drukbereiken voor verschillende industriële toepassingen. Lagedrukbereiken (0-1 psi tot 0-15 psi, 0-0,07 bar tot 0-1 bar) worden gebruikt voor HVAC-luchtdrukbewaking, differentiaaldruk in cleanrooms en pneumatische lagedruksystemen. Middendrukbereiken (0-50 psi tot 0-500 psi, 0-3,5 bar tot 0-35 bar) worden gebruikt voor algemene industriële hydrauliek, waterdistributie, pomppersdruk en procescontrole. Hogedrukbereiken (0-1000 psi tot 0-10.000 psi, 0-70 bar tot 0-700 bar) worden gebruikt voor de hydraulica van zwaar materieel, spuitgietmachines, hydraulische persen en hogedrukwaterstraalsnijden. Vacuüm- of samengestelde bereiken (-14,7 psi tot 0 psi, -1 bar tot 0 bar) meten de negatieve druk (vacuüm) voor zuigbewaking, vacuümverpakking en laboratoriumtoepassingen. Verbindingsbereiken (-14,7 tot 30 psi, -1 tot 2 bar) meten zowel vacuüm als positieve druk. Uitgangssignalen zijn gestandaardiseerd voor industriële compatibiliteit. Analoge uitgangen: 4-20 mA lusstroom (meest gebruikelijk voor industriële besturing, lange kabellengtes, ruisimmuniteit), 0-5 VDC, 0-10 VDC (gebruikelijk voor PLC's en data-acquisitie) en 1-5 VDC. Digitale uitgangen: I2C en SPI (voor embedded systemen en IoT-apparaten), RS-485 Modbus (voor industriële netwerken) en CAN-bus (voor auto's en zware apparatuur). De bekrachtigingsspanning is doorgaans 5 VDC of 9-30 VDC (voor lusgevoede 4-20 mA-sensoren).

Nauwkeurigheid is de meest kritische specificatie voor een manometerdruksensor. Het wordt doorgaans uitgedrukt als een percentage van de volledige schaal (%FS). Industriële druksensoren bereiken een nauwkeurigheid van ±0,5% FS, ±0,25% FS of ±0,1% FS. Uiterst nauwkeurige sensoren voor laboratorium- of kalibratietoepassingen bereiken ±0,05% FS of beter. Nauwkeurigheid omvat verschillende foutbronnen: lineariteit (afwijking van de output van een rechte lijn over het drukbereik), hysteresis (verschil in output bij het verhogen van de druk versus het verlagen van de druk), herhaalbaarheid (het vermogen om dezelfde output te produceren voor dezelfde druk onder identieke omstandigheden) en temperatuureffecten (zero shift en span shift met temperatuur). Voor een ±0,5% FS-sensor ligt de totale foutband (inclusief lineariteit, hysteresis, herhaalbaarheid en temperatuureffecten over het gecompenseerde temperatuurbereik) binnen ±0,5% van de volledige schaalwaarde. Een sensor van 0-100 psi met een nauwkeurigheid van ±0,5% FS heeft bijvoorbeeld op elk punt een maximale fout van ±0,5 psi. Temperatuurcompensatie is essentieel voor nauwkeurige metingen bij variërende bedrijfstemperaturen. De sensor is gekalibreerd op meerdere temperaturen (meestal -20°C, 25°C en 85°C) en de compensatiecoëfficiënten worden opgeslagen in de ASIC of microcontroller van de sensor. Tijdens bedrijf meet de sensor de temperatuur en past de correctiefactoren toe op de drukmeting. Het gecompenseerde temperatuurbereik is doorgaans -20°C tot 85°C voor industriële sensoren, of -40°C tot 125°C voor sensoren in de automobielsector en sensoren met een groter bereik. Buiten het gecompenseerde bereik neemt de nauwkeurigheid af met een bepaalde snelheid (bijvoorbeeld ±0,03% FS per °C).

De materialen die worden gebruikt in de constructie van de manometerdruksensor bepalen de chemische compatibiliteit, temperatuurbestendigheid en stabiliteit op lange termijn. Materiaal drukpoort: roestvrij staal (304, 316 of 316L) is het meest voorkomende materiaal voor industriële sensoren en biedt uitstekende corrosieweerstand voor water, olie, lucht en milde chemicaliën. Voor zeer corrosieve media (zuren, bijtende stoffen, zout water) zijn Hastelloy C-276, Inconel of titanium poorten beschikbaar. Voor voedsel- en farmaceutische toepassingen is 316L roestvrij staal met sanitaire Tri-Clamp-aansluitingen vereist. Membraanmateriaal: voor sensoren voor algemeen gebruik zorgt het 316L roestvrijstalen membraan (dikte 0,05-0,2 mm) voor een goede gevoeligheid en duurzaamheid. Voor lagedruksensoren (minder dan 5 psi) biedt een keramisch of siliciumdiafragma (direct mediacontact) een hogere gevoeligheid. Voor toepassingen met ultrahoge zuiverheid (halfgeleider, farmaceutisch) kan het diafragma zijn gemaakt van aluminiumoxide-keramiek of silicium zonder met metaal bevochtigde delen. Materiaal sensorbehuizing: Behuizingen met IP65/IP67/IP68-classificatie zijn vereist voor afspoel-, buiten- of onderdompelbare toepassingen. Behuizingsopties omvatten roestvrij staal (voor corrosieve omgevingen), aluminium (voor algemene industriële toepassingen) en polycarbonaat (voor lichte binnentoepassingen). Afdichtingsmaterialen: Voor het afdichten van de drukaansluiting en behuizing worden O-ringen (Viton, EPDM, NBR) of pakkingen gebruikt. Het afdichtingsmateriaal moet compatibel zijn met de procesvloeistof. Viton (FKM) is geschikt voor de meeste oliën, brandstoffen en chemicaliën; EPDM is geschikt voor water, stoom en remvloeistoffen; NBR is geschikt voor minerale oliën en brandstoffen. Voor toepassingen bij hoge temperaturen (boven 125°C / 260°F) kunnen metalen afdichtingen of glas-op-metaal afdichtingen vereist zijn.

Overdruksensoren worden in meerdere industrieën gebruikt, waarbij de specificaties per toepassing variëren. Voor hydraulische systemen (industriële persen, spuitgietmachines, bouwmachines, vorkheftrucks) is een druksensor van 0-5000 psi tot 0-10.000 psi met een uitgangsvermogen van 4-20 mA en IP67-classificatie standaard. De sensor moet bestand zijn tegen drukpieken (2-3x de nominale druk) en een hoge overdrukcapaciteit hebben. Voor pneumatische systemen (persluchtbewaking, luchtgereedschap, pneumatische actuatoren) wordt een 0-150 psi of 0-300 psi manometersensor met 0-10 VDC-uitgang en snelle responstijd (minder dan 1 ms) gebruikt. Voor vloeistofniveaumetingen in open tanks (watertorens, putten, chemicaliëntanks, afvalwaterbassins) meet een dompelbare druksensor de hydrostatische druk op de bodem van de tank. De druk is evenredig met de vloeistofhoogte: 1 psi ≈ 2,31 voet (0,7 meter) water. Voor een nauwkeurige niveaumeting moet de sensor via de kabel worden geventileerd (ontwerp met geventileerde meter), zodat variaties in de atmosferische druk worden geannuleerd. Voor vacuümbewaking (vacuümverpakkingen, zuignappen, medische afzuiging, laboratoriumvacuümkamers) is een samengestelde druksensor (-14,7 tot 0 psi, -1 tot 0 bar) vereist om de negatieve druk ten opzichte van de atmosfeer te meten. De sensor moet een hoge resolutie hebben bij lage druk (0,1% FS of beter). Voor pompbesturing en bronbewaking (waterputten, irrigatiepompen, boosterpompen) wordt een 0-200 psi-metersensor met 4-20 mA-uitgang en robuuste roestvrijstalen behuizing gebruikt om de persdruk van de pomp te bewaken en te beschermen tegen droogloopomstandigheden. De onderstaande tabel komt overeen met toepassingen met aanbevolen specificaties.

Voor fabrikanten die manometerdruksensoren exporteren, zijn gedocumenteerde kwaliteits- en conformiteitscertificeringen essentieel. De meest gevraagde normen en certificeringen zijn onder meer: ​​CE-markering (Europese conformiteit) onder de EMC-richtlijn (2014/30/EU) en RoHS-richtlijn (2011/65/EU), ISO 9001 (kwaliteitsmanagementsysteem), en voor toepassingen in explosiegevaarlijke omgevingen, ATEX (Europese) of IECEx (internationale) certificering voor intrinsieke veiligheid (Ex ia) of drukvaste behuizing (Ex d). Specifieke prestatietests omvatten: nauwkeurigheidstest (meting op 5-10 kalibratiepunten over het drukbereik, omhoog en omlaag, om de lineariteit, hysteresis en herhaalbaarheid te verifiëren), temperatuurcompensatietest (meting bij -20°C, 25°C en 85°C of gespecificeerd bereik om nulverschuiving en spanshift te verifiëren), stabiliteitstest op lange termijn (500-1000 uur drifttest bij nominale druk bij 85°C om te verifiëren dat de output niet meer verandert dan het gespecificeerde percentage per jaar), overdruktest (toepassing van 1,5x tot 3x nominale druk zonder schade), barstdruktest (destructieve test om de veiligheidsmarge te verifiëren), elektrische veiligheidstest (isolatieweerstand, diëlektrische sterkte) en EMC-test (uitgestraalde en geleide emissies volgens CISPR 11, immuniteit volgens IEC 61000-4-2 tot -6). Voor druksensoren die in medische hulpmiddelen worden gebruikt, is ISO 13485-certificering vereist. Voor automobieltoepassingen is IATF 16949-certificering vereist. Voor drinkwatertoepassingen kan NSF/ANSI 61-certificering vereist zijn voor materialen die in contact komen met drinkwater. Veel grote industriële kopers vereisen ook fabrieksaudits die ISO 9001 bestrijken en gedocumenteerde herleidbaarheid van de kalibratie volgens internationale normen (NIST, PTB of andere nationale metrologie-instituten). Fabrikanten die de huidige certificeringen en transparante kwaliteitsgegevens behouden, verkrijgen een concurrentievoordeel bij internationale inkoop.