Snímače tlaku zohrávajú kľúčovú úlohu v mnohých priemyselných aplikáciách. Nakoniec detekujú presné zmeny tlaku a tlak vydávajú ako elektrický signál. V našej sekcii FAQ Vám poskytneme komplexný prehľad o ich pracovných metódach, štruktúre a použitých meracích systémoch.
Snímače tlaku, často označované ako prevodníky tlaku alebo prevodníky tlaku, merajú relatívny, absolútny alebo diferenčný tlak v rôznych aplikáciách. Ide napríklad o procesnú techniku, mobilné aplikácie alebo konštrukciu kompresorov. V niektorých prípadoch sú k dispozícii ako kombinovaný snímač tlaku a teploty, takže oba parametre je možné merať jedným zariadením.
Snímače tlaku majú zvyčajne membránu, ktorá je na oboch stranách vystavená rôznym tlakom.
V snímači absolútneho tlaku je na jednej strane bezvzduchová komora (vákuum). Na druhej strane existuje procesný tlak, ktorého zmena deformuje membránu. Tento stupeň deformácie sa meria a je mierou rozdielu medzi procesným tlakom a vákuom (absolútny tlak).
V prípade snímača relatívneho tlaku je komora otvorená, takže prevláda atmosférický tlak. Membrána sa deformuje ako funkcia rozdielu medzi procesným tlakom a atmosférickým tlakom (relatívnym tlakom).
Snímače diferenčného tlaku majú 2 procesné prípojky; Tlaky majú opačný účinok na membránu. Výsledkom merania je rozdiel medzi dvoma tlakmi (diferenčný tlak).
Snímač absolútneho tlaku – (1) procesný tlak, (2) membrána snímača, (3) vákuum
Snímač relatívneho tlaku – (1) procesný tlak + atmosférický tlak, (2) membrána snímača, (3) atmosférický tlak
Snímač diferenčného tlaku – (1) tlak 1, (2) membrána snímača, (3) tlak 2
Prevodník tlaku má procesné pripojenie, cez ktoré je umiestnený v procese. Zvyčajne sa zaskrutkuje do procesu; Niekedy sa však spojenie uskutočňuje aj pomocou príruby.
Senzorová technológia, ktorá premieňa tlak na elektrický signál, je umiestnená v kryte. Tu možno nájsť aj vyhodnocovaciu elektroniku, ktorá tvorí analógový alebo digitálny signál zo surového signálu. Elektrické pripojenie sa zvyčajne realizuje prostredníctvom zástrčkového kontaktu.
Snímače tlaku spravidla vydávajú nameraný tlak ako analógový signál (zvyčajne prostredníctvom prúdového signálu 4 až 20 mA). Často však disponujú aj rozhraniami ako IO-Link, canOPEN alebo HART. Vysielače tlaku s jednopárovým ethernetom sú často prístupné aj priamo cez cloudové aplikácie.
V procesnej technológii sú často potrebné snímače so zobrazením a ďalšími funkciami.
Príklady snímačov tlaku
Prevodník tlaku s displejom pre procesnú techniku
Prevodníky tlaku majú membránu, ktorej deformácia alebo vychýlenie je mierou procesného tlaku. Vo väčšine prípadov je membrána chránená vo vnútri senzora. Ak sú v systéme tlakové špičky, ktoré môžu poškodiť merací systém, tlakový kanál je vybavený škrtiacou klapkou (prietokový odpor), takže krátkodobé tlakové špičky nedosiahnu membránu.
Pri meraní vo viskóznych médiách by sa tlakový kanál upchal. Preto sa na tieto účely musí použiť čelná splachovacia membrána.
Snímač tlaku s vnútornou membránou
Snímač tlaku so splachovacou membránou
Výber vhodného snímača tlaku závisí od viacerých faktorov vrátane špecifických požiadaviek aplikácie. Dôležitú úlohu zohráva napríklad rozsah tlaku, presnosť a podmienky prostredia. Viac sa o tom dozviete v nasledujúcom videu.
Výber meracej zostavy závisí hlavne od úrovne tlaku, ktorý sa má merať. Najdôležitejšie typy snímačov tlaku nájdete nižšie.
Indukčné snímače tlaku umožňujú meranie extrémne nízkych hodnôt tlaku v čistom vzduchu. Meraný vzduch sa privádza do snímača hadicami, takže snímače majú inú konštrukciu, ako bolo predtým znázornené.
Snímač vždy meria tlakový rozdiel prostredníctvom dvoch hadicových prípojok. Ak napríklad hadicové potrubie pochádza z čistých priestorov a druhé pripojenie zostane otvorené, takýto snímač tlaku meria pretlak v čistých priestoroch. Je to veľmi dôležité, pretože to znamená, že čistý vzduch z čistých priestorov vstupuje do čistých priestorov kvôli menším únikom, ale bez kontaminovaného vzduchu.
Ak príslušný tlak prevláda pred alebo za vzduchovým filtrom pri oboch pripojeniach, stanoví sa diferenčný tlak. V tejto aplikácii je to miera stupňa kontaminácie filtra.
Merací systém pozostáva z dvoch skrutkovaných kovových polovíc, z ktorých každá má v strede pripevnenú cievku. Medzi polovicami je membrána so železnou krvnou doštičkou. Ak sa tlak v komore zvýši, zmení sa diferenčný tlak a tým aj vzdialenosť medzi železnou platňou a cievkami. Vzdialenosť ovplyvňuje indukčnosť cievok, a preto je to miera tlakového rozdielu.
Snímač diferenčného tlaku – (1) tlak 1, (2) tlak 2
Princíp merania snímača indukčného tlaku – (1) cievka, (2) železná doštička, (3) tlak
Indukčná meracia jednotka
Kapacitné prevodníky tlaku vyžadujú vyšší minimálny tlak. Meranie tlaku v plynoch a kvapalinách je však možné aj s týmito snímačmi od tlaku 0,05 baru.
Snímač tlaku pozostáva z keramického základného telesa, ktorého štruktúra tvorí kondenzátor s kovovými (zlatými) povrchmi.
Horná kondenzátorová doska je pevná strana (elektróda Cp), pohyblivá membrána je druhá doska (protielektróda). Spájkovací krúžok spája membránu so základným telom a udržuje vzdialenosť. Keď je membrána pod tlakom, mení sa rozstup dosiek a tým aj kapacita.
Odolnosť tohto snímača proti preťaženiu je veľmi vysoká (100 x PNominálny), pretože pohyblivá membrána sa môže pohybovať len tak ďaleko ako pevná doska a hniezdi sa tam. V závislosti od konštrukcie je možné snímače použiť na meranie relatívneho alebo absolútneho tlaku.
Chemická odolnosť keramiky je veľmi dobrá a sotva podlieha procesom korozívneho starnutia, čo vedie k vysokej dlhodobej stabilite. Na utesnenie krytu sa však používa tesnenie. V závislosti od technologického média sa musí zvoliť vhodný tesniaci materiál s ohľadom na odolnosť materiálu.
Štruktúra snímača kapacitného tlaku – (1) Cp-elektróda, (2) olovnicový krúžok, (3) protielektróda
Meranie relatívneho (hore) a absolútneho tlaku (dole) so snímačmi kapacitného tlaku – (1) atmosférický tlak, (2) základné teleso, (3) tlaková membrána, (4) tlak
Kapacitný snímač tlaku
S týmto typom snímača tlaku sú možné konštrukcie v extrémne širokom rozsahu tlakov. V závislosti od tlaku mení piezorezistentný kremíkový čip svoju hodnotu odporu.
Čip nie je umiestnený na membráne, ale je priamo natlakovaný procesným tlakom. Na meranie hodnôt veľmi nízkeho tlaku – výlučne v plynoch – sa procesné médium privádza priamo do čipu (približne 0,04 až 0,1 baru). Ak sa meria vyšší tlak, v senzoroch sa použije plniaci olej.
Procesný tlak sa prenáša do plniaceho oleja cez membránu, ktorá sa privádza do kremíkového čipu. Takáto konštrukcia umožňuje nákladovo efektívne meranie tlaku v plynoch a kvapalinách do 100 barov. V zásade je možné nastaviť snímače aj na meranie do 1000 barov. Vzhľadom na relatívne vysoké náklady sa však proces používa iba pri takom vysokom tlaku, ak existujú osobitné dôvody.
Polovodičový materiál je veľmi citlivý na teplotu, takže kompenzácia teploty a tým aj vyhodnocovacia elektronika týchto snímačov sú pomerne zložité – práve tu je výrobca vystavený problému. Vďaka prenosu tlaku cez plniaci olej je možné realizovať aj vysokoteplotné verzie.
Ilustrácia kremíkového čipu
Štruktúra piezorezistívneho snímača tlaku - (1) vyrovnávanie tlaku pre relatívny tlak (neplatí pre absolútny tlak), (2) plniaci olej, (3) membrána, (4) kremíkový čip, (5) procesný tlak
Piezorezistívny snímač tlaku
Merací systém na meranie tlaku v prostredí s teplotou do 200 °C
Snímače sú veľmi odolné voči preťaženiu + tlaku. Napríklad 1 snímač + 2 možné meracie rozsahy (relatívny tlak)
-600 až 600 mbar: preťažiteľnosť až do 6 barov, tlak pri roztrhnutí 12 barov
-1 až 10 barov: Preťažiteľnosť až do 60 barov, tlak pri roztrhnutí 100 barov
Základné telo tohto snímača tlaku s membránou je vyrobené z keramiky. Hrúbka membrány sa líši v závislosti od tlakového rozsahu. Na strane membrány, ktorá je odvrátená od tlaku, sa pomocou sieťotlače aplikujú tenzometre a potom sa zapečú. Na utesnenie keramického snímača v meracom systéme je potrebné tesnenie medzi snímačom a tlakovým pripojením. Základné telo je úplne vo vnútri snímača a nie je viditeľné zvonku. Membrána je natlakovaná procesným tlakom cez tlakový kanál. Rozsah preťaženia krehkej keramiky je pomerne vysoký, ale tlak prasknutia je nižší ako tlak kovových podkladov.
Keramické základné teleso hrubovrstvového snímača tlaku
Keramický snímač tlaku hrubá vrstva
Tieto prevodníky tlaku tiež umožňujú meranie až do 1000 barov, ale môžu byť použité iba od 40 barov. Základné telo kovových tenkovrstvových snímačov tlaku a membrána sú zvyčajne vyrobené z nehrdzavejúcej ocele. Tenzometre s hrúbkou vrstvy <1μm sa nanášajú chemickým procesom, preto sa nazývajú tenkovrstvové senzory. Tento typ snímača tlaku je veľmi odolný voči vibráciám a nárazovému zaťaženiu. Môže byť privarený k krytu, čím sa eliminuje potreba dodatočného tesnenia.
Tenkovrstvový snímač tlaku - (1) Leptaná štruktúra na strane smerujúcej od tlaku
Púzdro tenkovrstvového snímača tlaku
Prevodníky tlaku vykazujú dobré dlhodobé správanie. V závislosti od výrobcu a konštrukcie priemyselného snímača je špecifikované dlhodobé správanie zvyčajne 0,1 – 0,5 % meracieho rozpätia/rok. Napriek tomu sa pre optimálne fungovanie v priemyselných aplikáciách odporúča pravidelná kontrola. Pri tejto takzvanej kalibrácii DAkkS alebo kalibrácii ISO je snímač tlaku vystavený referenčnému tlaku a sú zistené odchýlky. Odchýlka sa kompenzuje v primeranej výške nastavením (buď na snímači tlaku alebo na vyhodnocovacej jednotke). Kalibráciou sa dosahujú spoľahlivé procesy.
V procesnej technológii sa vo väčšine aplikácií používajú nasledujúce snímače tlaku:
