← Terug naar drukmeet- en regelcategorie

Een wereld onder druk: drukmetingen voor procesindustrieën

Inleiding

Druk is de tweede meest gemeten parameter na temperatuur in procesindustrieën. Het is vaak belangrijk om nauwkeurig te meten om de kwaliteit van het eindproduct te beheersen en om snel dynamische processen te beheersen.

Andere belangrijke overwegingen zijn de uitdagende omgevingen van veel toepassingen, de veiligheidseisen voor gebruik in explosieve omgevingen en de kosten voor het bijhouden van kalibratierecords. De keuze van geschikte drukmeetproducten kan ontmoedigend zijn.

Dit artikel gaat in op de verschillende beschikbare technologieën en welke voordelen deze met zich meebrengen, en hoe deze prestatievoordelen geschikt zijn voor bepaalde toepassingen.

neculai moisoi

Senior metroloog, Druck

ian abb

Industrieel productmanager, Druck

In dit artikel worden ook de typische toepassingen van druksensoren in procesindustrieën en de uitdagingen waarvoor gebruikers staan, afgebeeld.

Fundamentele soorten druksensoren

De druksensorenindustrie heeft een snelle ontwikkeling doorgemaakt na de eerste uitvinding in 1938 van de spanningsgebonden meters door EE Simmons van het California Institute of Technology en AC Ruge van Massachusetts Institute of Technology. Hoewel veel vormfactoren beschikbaar zijn, wordt hieronder een generiek uiterlijk van een druksensor weergegeven.

Drukmeting

Figuur 1: een generieke druksensor met een isolatiemembraan

Typen volgens detectieprincipe

Piëzo-resistieve sensoren zijn het meest gebruikte type sensoren, vanwege de verscheidenheid aan toepassingen die geschikt zijn voor hoge nauwkeurigheidsniveaus en hun normaal robuuste constructie.

De meeste piëzo-resistieve sensoren zijn gebaseerd op een Wheatstone-brug op een siliciumsubstraat, waarbij elke weerstand in de brug van waarde verandert met de toegepaste spanning / druk en dit signaal kan vervolgens worden gewijzigd in een verscheidenheid aan elektrische uitgangen.

Er zijn maar weinig toepassingen waar parameters vereist zijn die buiten de mogelijkheden van piëzo-resistieve sensoren vallen, maar voor de meeste industriële toepassingen hebben piëzo-resistieve sensoren de voorkeur.

Capacitieve sensoren komen ook voor in een grote verscheidenheid aan vormen en vormen, met over het algemeen zeer eenvoudige vormen waarbij een dun membraan een plaat van een condensator is en de uitgeoefende druk de elastische vervorming / beweging van het membraan en dus een verandering in de elektrische capaciteit zal veroorzaken .

Vanwege hun hoge gevoeligheid maken ze goede sensoren voor drukmetingen lager dan 20 mbar (20 hPa), maar voorzichtigheid is geboden omdat ze doorgaans gevoelig zijn voor trillingen en schokken.

Inductieve sensoren hebben een vergelijkbare benadering als capacitieve sensoren, waarbij een detecterende (elastische) capsule een kernelement binnen een lineaire variabele differentiaaltransformator beweegt, vandaar dat de verandering in inductie evenredig is met de toegepaste druk.

Een grote verscheidenheid aan detectiecapsules kan worden gebruikt met inductieve sensoren; dit betekent dat ze voor verschillende bereiken kunnen worden gebruikt, maar wees voorzichtig met elektrische ruis en / of schokken en trillingen.

Resonante drukomzetters zijn enkele van de meest nauwkeurige op silicium gebaseerde sensoren op de markt en het werkingsprincipe is gebaseerd op de verandering in frequentie van een resonator omdat de spanning erop wordt uitgeoefend, meestal via een siliciumdiafragma, verbonden met de uiteinden van de resonator.

Het zijn over het algemeen robuuste sensoren en hebben verschillende vormfactoren met verschillende mate van bescherming tegen omgevingsfactoren. Hun mechanische principe zou ze echter kwetsbaar kunnen maken voor mechanische golven, vooral als deze mechanische golven verschillende frequentiemodi van de resonator activeren.

Typen op uitvoer

De belangrijkste twee soorten druksensoren zijn uitvoer van continue hoeveelheden of discrete (digitale) uitvoer.

De continue typen zijn mV, V, mA en Hz) en elk type heeft zijn eigen voor- en nadelen. Met dit in gedachten, moet elk worden gekozen op basis van de toepassing en de omgeving. Een mV-uitgang is bijvoorbeeld wenselijk als het signaal moet worden aangepast in een op maat gemaakte toepassing zonder dat het over lange afstanden moet worden verzonden, terwijl een V-uitgang of mA-uitgang over relatief lange afstanden kan worden verzonden, omdat dit minder waarschijnlijk is beïnvloed door de werkomgeving dan een mV-uitgang.

Digitale uitgangsdruksensoren worden steeds populairder omdat ze eenvoudig kunnen worden geïntegreerd in computersystemen, met dezelfde set draden voor meerdere sensoren (Modbus, Profibus, Canbus) en dat ze ook kunnen worden gebruikt als een "plug & play" -configuratie ( RS232, USB) of zelfs aangesloten zonder kabels (draadloos, Bluetooth).

Metrologische kenmerken van druksensoren

De metrologische kenmerken van druksensoren kunnen aanzienlijk verschillen van fabrikant tot fabrikant en het is erg belangrijk om deze kenmerken te begrijpen om ervoor te zorgen dat een geschikte sensor wordt gekozen voor de beoogde toepassing.

Vanuit een puur metrologisch perspectief hebben sommige parameters (bijv. Herhaalbaarheid, precisie, nauwkeurigheid) een kwalitatieve definitie, maar door de jaren heen zijn ze als kwantitatieve parameters gebruikt, daarom zullen we ze op dezelfde manier gebruiken. Hieronder zullen we ons concentreren op de belangrijkste metrologische parameters:

Signaal offset

Signaaloffset is de fout van de sensor bij de minimale druk (Afbeelding 2 toont de signaaloffset voor een druksensor met een bereik van 0 tot 1000 mbar en een uitgang van 0 tot 5 V). Uit praktisch oogpunt is het belangrijk om te weten of de sensoroffset kan worden aangepast ("opnieuw op nul gezet"), omdat veel sensoren na verloop van tijd kunnen afdrijven en de mogelijkheid om opnieuw op nul te stellen wenselijk zou zijn.

Samen met de offset-aanpassing hebben veel sensoren de mogelijkheid om de overspanning (output bij maximale druk minus output bij minimale druk) aan te passen, wat ook zal helpen om drift in de loop van de tijd te corrigeren. Het meten en resetten van dergelijke offsets vereist een kalibratie- en onderhoudsplan om ervoor te zorgen dat de prestaties binnen de vereiste grenzen blijven.

manometer druksensor 0-1000 mbar. Drukmeting

Figuur 2: Offset druksensor

Gevoeligheid

De sensorgevoeligheid is de verhouding tussen de verandering van het uitgangssignaal en de drukverandering. Als we de bovenstaande grafiek beschouwen waarin de uitvoer verandert met 5 V, terwijl de druk verandert met 1000 mbar, dan is de gevoeligheid 5 mV / mbar. Dit is een belangrijke parameter voor de manier waarop we het signaal in de toepassing zouden gebruiken, en om te bepalen hoe de sensorprestaties worden beïnvloed door elektrische ruis.

precisie

Precisie is over het algemeen de term die wordt gebruikt om het gedrag van sensoren te beschrijven in termen van herhaalbaarheid, lineariteitsfout en signaalhysterese. Traditioneel gebruiken sommige fabrikanten de term 'nauwkeurigheid' om deze parameter te beschrijven.

Als vuistregel, ongeacht de naam voor deze parameter, is de beste aanpak echter om te begrijpen wat de samenstellende delen zijn. Precisie als parameter vertelt ons niet hoe nauwkeurig we de druk meten, maar meer hoe de sensoren zelf zich gedragen. Bijvoorbeeld - is het herhaalbaar? is het lineair? is er druk- of temperatuurhysterese?

Herhaalbaarheid is de mate van overeenstemming tussen de resultaten van opeenvolgende metingen van dezelfde druk, uitgevoerd onder dezelfde meetomstandigheden in een relatief korte tijdsperiode. Vaak wordt de herhaalbaarheid bepaald als de standaardafwijking van de herhaalde metingen of de amplitude (maximum - minimum).

Lineariteitsfout wordt bepaald als het verschil tussen de gemeten waarde door de sensor en de theoretische lijn (die ofwel wordt bepaald als BSL - beste rechte lijn fit of TSL - terminal rechte lijn fit), die lineair gedrag van de sensor veronderstelt. Figuur 3 geeft de lineariteitsfout weer voor een BSL-behuizing en om de sensoren te karakteriseren, wordt de maximale fout gekozen (als het slechtste scenario).

manometer druksensor 0-2000 mbar. Drukmeting

Figuur 3: lineariteitsfout druksensor

Druk- of temperatuurhysteresefout is het verschil tussen twee afzonderlijke metingen op hetzelfde punt, maar een waar de waarde toeneemt en een waar de waarde afneemt. De hysteresisgrootte varieert op basis van zowel de druksensortechnologie als de fysieke constructie van de sensor.

absolute druksensor 0-100 mbar. Drukmeting

Figuur 4: Drukhysteresisfout


algemeenDe 3-parameters die hierboven zijn beschreven, zijn opgenomen in één specificatie, die de acceptabele limieten voor precisie definieert (voorbeeld: precisie is +/- 0.1% van de volledige schaal).

nauwkeurigheid

Nauwkeurigheid moet worden geassocieerd met de gespecificeerde meetfout, inclusief de impact van systematische fout, willekeurige fout en drift (in gevallen waarin nauwkeurigheid gedurende een bepaalde periode wordt gespecificeerd). De nauwkeurigheid van een druksensor of van een meting wordt verkregen als onderdeel van de evaluatie van de meetonzekerheid en omvat vele factoren, waaronder de standaard en / of de Unit On Test (UUT) onzekerheden, precisie, enz. Evaluatie van de meetonzekerheid / kalibratie vereist specialistische kennis, daarom zullen we ons hier concentreren op de interpretatie van nauwkeurigheid.

Elke meting moet de meetonzekerheid met zich meebrengen (hetzij door een nauwkeurigheidsverklaring in het gegevensblad of onzekerheid in een kalibratiecertificaat). Meestal wordt de nauwkeurigheid geëvalueerd als Uitgebreide onzekerheid, waarvan wordt aangenomen dat deze een normale verdeling volgt en de dekkingsfactor = 2. In eenvoudige bewoordingen zoals in het onderstaande voorbeeld: de werkelijke waarde van de gemeten hoeveelheid x wordt gevonden met een 95% waarschijnlijkheid binnen het bereik (xU, x + U).

Drukmeting

Figuur 5: weergave van de nauwkeurigheid voor een drukwaarde X


Bij het vergelijken van precisie met nauwkeurigheid voor een druksensor: precisie vertelt ons hoe de sensor zich gedraagt, terwijl nauwkeurigheid (en het omvat de precisiefactoren) ons hoe nauwkeurig onze meting is, of welke de grenzen zijn die de werkelijke waarde van de meting bevatten.

Lange termijn stabiliteit (drift)

Langetermijnstabiliteit van een instrument wordt vaak aangeduid door zijn tegengestelde hoeveelheid - namelijk de drift op lange termijn, volgens de volgende definities:

  • Stabiliteit van een meetinstrument is de eigenschap van een meetinstrument, waardoor de metrologische eigenschappen ervan in de tijd constant blijven
  • Instrumentele drift is de continue of incrementele verandering in de tijd in indicatie, als gevolg van veranderingen in metrologische eigenschappen van een meetinstrument

Meestal volgt de afwijking van een instrument in de loop van de tijd een bepaald wiskundig model, maar vanwege de variatie van onderdeel tot onderdeel voor een bepaald model, wordt de afwijking uitgedrukt als een tolerantiebereik, D = + / - 10 Pa, vandaar het moet worden opgenomen in de algehele nauwkeurigheid van het instrument.

Over het algemeen vertoont de druksensor enige vorm van drift in de loop van de tijd, daarom is het belangrijk dat systemen worden ontworpen met het potentieel om te worden aangepast voor zowel: offset- als span drift en dat een kalibratie- en onderhoudsprogramma wordt aangenomen.

Invloed hoeveelheden

Invloedgrootheden zijn externe (dat wil zeggen niet inbegrepen in de invoer / uitvoer) hoeveelheden, die de prestaties van een druksensor kunnen beïnvloeden. Meestal geven de druksensorfabrikanten het bereik voor de invloedshoeveelheid en het effect ervan op de metrologische kenmerken van de sensor.

De invloed van externe factoren wordt meestal gegeven als een tolerantiebereik, waarmee rekening moet worden gehouden bij de evaluatie van de instrumentnauwkeurigheid. Wanneer bijvoorbeeld het temperatuureffect voor een druksensor wordt overwogen, wordt de invloedshoeveelheid (temperatuur) gedefinieerd van -10 tot + 50 ° C en vervolgens wordt het effect gedefinieerd als een tolerantiebereik ± 0.75% van de volledige schaal.

De invloedshoeveelheden en hun effect moeten door fabrikanten worden verstrekt via hun gegevensbladen en ze verschillen op basis van wat de gemeten hoeveelheid is en het type sensor. De meest voorkomende invloedhoeveelheden zijn: temperatuur, vochtigheid, atmosferische druk, elektromagnetische velden, trillingen, lawaai.

Op basis van de toepassing moeten de vermelde specificaties voor het beïnvloeden van hoeveelheden nauwkeurig worden onderzocht, omdat in sommige gevallen de geïnduceerde effecten veel groter zijn dan de geclaimde precisie en / of nauwkeurigheid.

Kalibratie van druksensoren

Vroeger werden druksensoren uit het systeem gehaald en in een metrologisch laboratorium ingebouwd en gekalibreerd. Dit brengt echter kosten met zich mee, omdat reserve-sensoren moeten worden geïnstalleerd om uitvaltijd te voorkomen of het systeem gewoon zou stoppen en het activum stil zou staan ​​totdat de sensoren terugkomen van kalibratie / testen.

In de moderne tijd worden de meeste sensoren ter plaatse gekalibreerd met behulp van drukkalibrators, waarvan sommige de mogelijkheid hebben om tegelijkertijd druk en de output (in mV, V, mA, enz.) Te genereren en te meten. Ook kunnen veel van de kalibrators de kalibratieonzekerheid evalueren (vaak aangeduid als "nauwkeurigheid") en de gegevens automatisch opslaan / verzenden via een gegevensbeheersysteem.

Het is altijd raadzaam om een ​​dergelijk systeem te hebben, omdat het alle kalibratiegegevens veilig bewaart, waardoor het eenvoudiger is om de activa te beheren, rapportagefouten te verminderen en helpt te voldoen aan ISO-certificeringen.

De kalibratiemethode is een directe methode en naast de operationele controles die voorafgaand aan de selectie moeten worden uitgevoerd (het kiezen van de juiste fittingen voor de drukverbindingen, zorgen voor een lekvrij systeem, veiligheidsmaatregelen, enz.), Moet de kalibrator worden gekozen als een vuistregel om 4 maal nauwkeuriger te zijn dan de gekalibreerde sensor.

draagbare kalibrator. Drukmeting

Figuur 6: Kalibratie op afstand van een druksensor met behulp van een modulaire kalibrator

De juiste sensor kiezen voor de toepassing

Het kiezen van de juiste sensor voor een applicatie gaat over het matchen van de vereisten van de applicatie met de specifieke parameter waarin de gebruiker geïnteresseerd is.

In een lektesttoepassing is absolute nauwkeurigheid bijvoorbeeld een secundaire overweging voor ruis. Of de meetwaarde is veranderd, is van cruciaal belang en dus als de sensoren 10-balk als 9-balk verkeerd lezen, zijn de gevolgen niet groot, omdat een hoge resolutie van groter belang is om een ​​kleine verandering in de druk te zien.

Als een ander voorbeeld in een regellus is de reactiesnelheid cruciaal. Als de sensor in het verleden 100 ms uitvoert, zal het erg moeilijk zijn om een ​​dynamisch proces te optimaliseren.

Natuurlijk zijn er enkele toepassingen, zoals fiscale overdracht en het leveren van een massa gas aan een proces, waarbij de algehele nauwkeurigheid de belangrijkste factor is. Er is een 1: 1-relatie tussen drukfout en de fout op de massa, of anders gezegd, een 1% -fout in de drukaflezing is een 1% -fout in de factuur.

In deze situatie is het belangrijk om niet alleen rekening te houden met het "nauwkeurigheidsgetal" van de kop, maar ook met de prestaties over het bedrijfstemperatuurbereik en vervolgens het stabiliteitsgetal op te nemen om een ​​herkalibratieperiode in te stellen om de algehele nauwkeurigheid te allen tijde te behouden. .

Fabrikanten geven de neiging om zoveel mogelijk details in hun technische en marketingliteratuur te vermelden, maar moeten de hoeveelheid informatie die wordt gegeven afwegen tegen het gemakkelijk toegankelijk en begrijpelijk maken van de informatie.

Voor een grotere zekerheid van de beste afstemmingsvereisten voor een bepaalde toepassing, is het vaak noodzakelijk om het ontwerpteam van een druksensorleverancier in te schakelen en in sommige kritieke gevallen is het mogelijk om een ​​partnerschap aan te gaan om een ​​aangepaste oplossing voor een specifieke toepassing te ontwerpen .

Procesindustrie Informer

Gerelateerd nieuws

Laat een reactie achter

Deze site gebruikt Akismet om spam te verminderen. Ontdek hoe uw reactiegegevens worden verwerkt.

Deel via