Typy tlakových snímačov

Jednoduché samoinštalačné predstavenie snímača tlaku

Ako tlakový snímač, ktorého výstupom je štandardizovaný signál, je tlakový vysielač prístroj, ktorý prijíma tlakovú premennú a proporcionálne ju prevádza na štandardizovaný výstupný signál. Dokáže previesť fyzikálne tlakové parametre plynu, kvapaliny atď. snímané snímačom zaťaženia na štandardizované elektrické signály (napríklad 4-20mADC atď.) a poskytnúť sekundárne nástroje, ako sú indikačné alarmy, záznamníky, regulátory atď., na meranie, indikáciu a reguláciu procesov.

Klasifikácia tlakových snímačov

Zvyčajne sa snímače tlaku, o ktorých hovoríme, delia podľa princípu:
Kapacitné snímače tlaku, odporové snímače tlaku, indukčné snímače tlaku, polovodičové snímače tlaku a piezoelektrické snímače tlaku na vysokofrekvenčné meranie. Medzi nimi sú najpoužívanejšie odporové snímače tlaku. Kapacitný snímač tlaku predstavuje snímač Rosemount 3051S ako reprezentant špičkových produktov.

Tlakové snímače možno podľa komponentov citlivých na tlak rozdeliť na kovové, keramické, difúzne kremíkové, monokryštalické kremíkové, zafírové, naprašované filmové atď.

• Kovový snímač tlaku má nízku presnosť, ale malý vplyv teploty a je vhodný pre oblasti so širokým teplotným rozsahom a nízkymi požiadavkami na presnosť.
• Keramické tlakové senzory majú lepšiu presnosť, ale sú viac ovplyvnené teplotou. Keramika má tiež výhodu odolnosti voči nárazom a korózii, čo možno využiť v oblasti odozvy.
• Presnosť prenosu tlaku difúzneho kremíka je veľmi vysoká a teplotný drift je tiež veľký, takže pred použitím je vo všeobecnosti potrebná teplotná kompenzácia. Navyše, ani po teplotnej kompenzácii nie je možné merať tlak nad 125 °C. Pri izbovej teplote je však koeficient citlivosti difúzneho kremíka 5-krát vyšší ako pri keramike, takže sa všeobecne používa v oblasti vysoko presného merania.
• Monokryštalický kremíkový tlakový snímač je najpresnejším senzorom v priemyselnej praxi. Je to vylepšená verzia difúzneho kremíka. Samozrejme, cena je tiež vyššia. V súčasnosti je japonská spoločnosť Yokogawa zástupcom v oblasti monokryštalického kremíkového tlaku.
• Zafírový snímač tlaku nie je citlivý na zmeny teploty a má dobré prevádzkové vlastnosti aj za vysokých teplôt; zafír má extrémne silnú odolnosť voči žiareniu; žiadny pn drift; môže normálne pracovať aj za najhorších prevádzkových podmienok a je spoľahlivý. Vysoký výkon, dobrá presnosť, minimálna teplotná chyba a vysoká celková cena/výkon.
• Tenkovrstvový snímač tlaku naprašovaním neobsahuje žiadne lepidlo a vykazuje vyššiu dlhodobú stabilitu a spoľahlivosť ako lepkavý tenzometrický snímač; je menej ovplyvnený teplotou: pri zmene teploty o 100 ℃ je nulový drift iba 0,5 %. Jeho teplotný výkon je oveľa lepší ako difúzny kremíkový snímač tlaku; okrem toho môže priamo prísť do kontaktu s bežnými korozívnymi médiami.

Princípy rôznych typov tlakových snímačov

• Princíp kapacitného snímača tlaku.

Keď tlak priamo pôsobí na povrch meracej membrány, membrána vytvára malú deformáciu. Vysoko presný obvod na meracej membráne transformuje túto malú deformáciu na vysoko lineárne napätie úmerné tlaku a budiacemu napätiu a potom pomocou špeciálneho čipu prevedie tento napäťový signál na štandardný prúdový signál 4 – 20 mA alebo napäťový signál 1 – 5 V.

• Princíp difúzneho kremíkového prevodníka tlaku

Tlak meraného média priamo pôsobí na membránu senzora (zvyčajne membrána z nehrdzavejúcej ocele 316L), čo spôsobuje, že membrána vytvára mikroposun úmerný tlaku média, čím sa mení hodnota odporu senzora a detekuje sa pomocou Wheatstonovho obvodu. Táto zmena sa potom prevedie a vydá štandardný merací signál zodpovedajúci tomuto tlaku.

• Princíp monokryštalického kremíkového tlakového prevodníka

Piezorezistívne tlakové senzory sú konštruované s využitím piezorezistívneho efektu monokryštálového kremíka. Ako elastický prvok sa používa monokryštálový kremíkový plátok. Pri zmene tlaku monokryštálový kremík vytvára napätie, takže odpor voči deformácii, ktorý naň priamo difunduje, vytvára zmenu úmernú nameranému tlaku a mostíkový obvod potom získa zodpovedajúci výstupný napäťový signál.

• Princíp keramického prevodníka tlaku

Tlak pôsobí priamo na predný povrch keramickej membrány, čo spôsobuje jej miernu deformáciu. Hrubovrstvový rezistor je vytlačený na zadnej strane keramickej membrány a vďaka piezorezistivnému efektu varistora je pripojený k Wheatstonovmu mostíku (uzavretý mostík). Mostík generuje vysoko lineárny napäťový signál úmerný tlaku a budiacemu napätiu. Vo všeobecnosti sa používa na meranie tlaku vzduchových kompresorov, pričom sa viac používa keramika.

• Princíp tenzometrického snímača tlaku

Najbežnejšie používané snímače tlaku s tenzometrom sú kovové odporové tenzometre a polovodičové tenzometre. Kovový odporový tenzometr je druh citlivého zariadenia, ktoré premieňa zmenu napätia na testovanom telese na elektrický signál. Existujú dva druhy drôtových tenzometrov a kovových fóliových tenzometrov. Tenzometr je zvyčajne pevne spojený s matricou mechanického napätia pomocou špeciálneho lepidla. Keď je matrica vystavená zmene napätia, odporový tenzometr sa tiež deformuje, takže sa zmení hodnota odporu tenzometra, a tým sa zmení aj napätie privádzané na rezistor. Tenzometre sú na trhu pomerne zriedkavé.

• Zafírový snímač tlaku

Zafírový snímač tlaku využíva princíp odporu voči deformácii, využíva vysoko presné kremíkovo-zafírové citlivé komponenty a prevádza tlakový signál na štandardný elektrický signál prostredníctvom špeciálneho zosilňovacieho obvodu.

• Prevodník tlaku naprašovacej fólie

Naprašovací tlakovo citlivý prvok je vyrobený mikroelektronickou technológiou a na povrchu elastickej membrány z nehrdzavejúcej ocele vytvára pevný a stabilný Wheatstonov mostík. Keď tlak meraného média pôsobí na elastickú membránu z nehrdzavejúcej ocele, Wheatstonov mostík na druhej strane vytvára elektrický výstupný signál úmerný tlaku. Vďaka svojej dobrej odolnosti voči nárazom sa naprašované filmy často používajú v situáciách s častým pôsobením tlaku, napríklad v hydraulických zariadeniach.

Bezpečnostné opatrenia pri výbere snímača tlaku

• Výber rozsahu hodnoty tlaku vysielača:

Najprv určte maximálnu hodnotu nameraného tlaku v systéme. Vo všeobecnosti je potrebné vybrať vysielač s tlakovým rozsahom, ktorý je približne 1,5-krát väčší ako maximálna hodnota, alebo nechať vysielač tlaku pôsobiť v rozsahu normálneho tlaku. Bežnou metódou je aj rozsah 1/3 až 2/3 normálneho rozsahu.

• Aký druh tlakového média:

Viskózne kvapaliny a kaly upchajú tlakové otvory. Rozpúšťadlá alebo korozívne látky zničia materiály vo vysielači, ktoré sú v priamom kontakte s týmito médiami?
Materiál všeobecného tlakového snímača, ktorý prichádza do kontaktu s médiom, je nehrdzavejúca oceľ 316. Ak médium nie je korozívne pre nehrdzavejúcu oceľ 316, potom sú v podstate všetky tlakové snímače vhodné na meranie tlaku média;
Ak je médium korozívne pre nehrdzavejúcu oceľ 316, malo by sa použiť chemické tesnenie a malo by sa použiť nepriame meranie. Ak sa na vedenie tlaku použije kapilárna trubica naplnená silikónovým olejom, môže sa zabrániť korózii tlakového prevodníka a predĺžiť sa jeho životnosť.

• Aká presnosť vysielača je potrebná:

Presnosť je určená: nelinearitou, hysteréziou, neopakovateľnosťou, teplotou, nulovým ofsetom stupnice a teplotou. Čím vyššia je presnosť, tým vyššia je cena. Presnosť difúzneho kremíkového snímača tlaku je vo všeobecnosti 0,5 alebo 0,25 a kapacitný alebo monokryštalický kremíkový snímač tlaku má presnosť 0,1 alebo dokonca 0,075.

• Procesné pripojenie prevodníka:

Tlakové snímače sa vo všeobecnosti inštalujú na potrubia alebo nádrže. Samozrejme, malá časť z nich sa inštaluje a používa s prietokomermi. Zvyčajne existujú tri spôsoby inštalácie tlakových snímačov: závit, príruba a svorka. Preto je potrebné pred výberom tlakového snímača zvážiť aj procesné pripojenie. Ak je závitové, je potrebné určiť špecifikáciu závitu. V prípade prírub je potrebné zvážiť špecifikácie príruby s menovitým priemerom.

Úvod do priemyslu tlakových vysielačov

Približne 40 krajín sveta sa zaoberá výskumom a výrobou senzorov, pričom Spojené štáty, Japonsko a Nemecko sú regiónmi s najväčšou produkciou senzorov. Tieto tri krajiny spolu tvoria viac ako 50 % svetového trhu so senzormi.

V súčasnosti je trh s tlakovými prevodníkmi v mojej krajine rozvinutým trhom s vysokou koncentráciou trhu. Dominantné postavenie však majú zahraničia, ako napríklad Emerson, Yokogawa, Siemens atď. Značkové produkty tvoria približne 70 % podielu na trhu a majú absolútnu výhodu vo veľkých a stredných inžinierskych projektoch.

Je to spôsobené dôsledkami skorého prijatia stratégie „trhu pre technológie“ v mojej krajine, ktorá výrazne zasiahla štátne podniky v mojej krajine a kedysi bola v stave zlyhania, ale zároveň sa niektorí výrobcovia, zastúpení čínskymi súkromnými podnikmi, potichu objavujú a silnejú. Budúci čínsky trh s prevodníkmi tlaku je plný nových neznámych.