← Tilbage til Pressure Measurement & Control kategori

En verden under pres: Måling af tryk til procesindustrier

Introduktion

Tryk er den næst mest målte parameter efter temperatur i procesindustrier. Det er ofte vigtigt at måle nøjagtigt for at kontrollere kvaliteten af ​​det endelige produkt og hurtigt at kontrollere dynamiske processer.

Andre vigtige overvejelser er de udfordrende miljøer i mange applikationer, sikkerhedskravene til anvendelse i eksplosive omgivelser og omkostningerne ved vedligeholdelse af kalibreringsregistre. Valget af passende trykmålingsprodukter kan være skræmmende.

Denne artikel beskriver de forskellige teknologier, der er tilgængelige, og hvilke fordele hver bringer, samt hvordan disse ydelsesfordele passer til bestemte applikationer.

neculai moisoi

Seniormetrolog, Druck

ian abb

Industriel produktchef, Druck

Inden for denne artikel vil de typiske anvendelser af trykfølerer i procesindustrier og hvilke udfordringer brugerne står overfor også blive afbildet.

Grundlæggende typer tryksensorer

Trykfølerindustrien gennemgik en hurtig udvikling efter den oprindelige opfindelse i 1938 af de stempelbundne målere af EE Simmons fra California Institute of Technology og AC Ruge fra Massachusetts Institute of Technology. Selvom mange formfaktorer er tilgængelige, præsenteres et generisk udseende af en trykføler nedenfor.

Trykmåling

Figur 1: En generisk tryksensor med en isoleringsmembran

Typer efter sensing princip

Piezo-resistive sensorer er den mest anvendte type sensorer på grund af de mange anvendelser, som de passer til høje nøjagtigheder og deres normalt robuste konstruktion.

De fleste piezo-resistive sensorer er baseret på en Wheatstone-bro på et siliciumsubstrat, hvor hver modstand i broen ændrer sin værdi med den påførte belastning / tryk, og derefter kan dette signal ændres til forskellige elektriske udgange.

Der er få applikationer, hvor der kræves parametre, der er uden for funktionerne i piezo-resistive sensorer, men for de fleste industrielle applikationer er piezo-resistive sensorer det foretrukne valg.

Kapacitive sensorer findes også i en lang række former og former, med generelt meget enkle former, hvor en tynd membran er en plade af en kondensator, og det anvendte tryk vil forårsage membranens elastiske deformation / bevægelse og dermed en ændring i den elektriske kapacitet .

På grund af deres høje følsomhed skaber de gode sensorer til trykmåling, der er lavere end 20 mbar (20 hPa), men der skal udvises forsigtighed, da de typisk er følsomme over for vibrationer og stød.

Induktive sensorer har en lignende tilgang til kapacitive sensorer, hvor en sensing (elastisk) kapsel bevæger et kerneelement inde i en lineær variabel differentiell transformator, hvorfor ændringen i induktion er proportional med det påførte tryk.

Et stort udvalg af sensorkapsler kan bruges sammen med induktive sensorer; hvilket betyder, at de kan bruges til forskellige intervaller, men der skal udvises omhu med elektrisk støj og / eller stød og vibrationer.

Resonanstryktransducere er nogle af de mest nøjagtige siliciumbaserede sensorer på markedet, og funktionsprincippet er baseret på ændringen i frekvens af en resonator, da spændingen påføres den, generelt gennem en siliciummembran, forbundet til enderne af resonator.

De er generelt robuste sensorer og findes i forskellige formfaktorer med forskellige grader af beskyttelse mod miljøfaktorerne. Imidlertid kan deres mekaniske princip gøre dem sårbare over for mekaniske bølger, især hvis disse mekaniske bølger aktiverer forskellige frekvenstilstande af resonatoren.

Typer efter output

De vigtigste to typer tryksensorer er kontinuerlige mængder output eller diskret (digital) output.

De kontinuerlige typer er mV, V, mA og Hz), og hver type har sine egne fordele og ulemper. Med dette i tankerne skal hver vælges baseret på applikationen og miljøet. Som et eksempel er en mV-udgang ønskelig, hvis signalet skal modificeres i en skræddersyet applikation uden behov for at sende det i lange afstande, mens en V-udgang eller mA-udgang kan sendes over relativt lange afstande, da det er mindre sandsynligt at blive påvirket af driftsmiljøet end en mV-output.

Digitale output-tryksensorer bliver mere populære, da de let kan integreres i edb-systemer ved hjælp af det samme sæt ledninger til flere sensorer (Modbus, Profibus, Canbus), og at de også kan bruges som en "plug & play" -konfiguration ( RS232, USB) eller endda tilsluttet uden ledninger (Trådløs, Bluetooth).

â € <Tryksensorer metrologiske egenskaber

Tryksensorers metrologiske egenskaber kan variere betydeligt fra producent til producent, og det er meget vigtigt at forstå disse egenskaber for at sikre, at der vælges en passende sensor til den tilsigtede anvendelse.

Fra et rent metrologisk perspektiv har nogle af parametrene (f.eks. Repeterbarhed, præcision, nøjagtighed) en kvalitativ definition, men gennem årene er de blevet brugt som kvantitative parametre, og derfor vil vi bruge dem på samme måde. Nedenfor vil vi fokusere på de vigtigste metrologiske parametre:

Signal offset

Signalforskydning er sensorens fejl ved minimumstrykket (figur 2 viser signalforskyvningen for en trykføler med et område fra 0 til 1000 mbar og et output fra 0 til 5 V). Fra et praktisk synspunkt er det vigtigt at vide, om sensorforskydningen kan justeres (“nulstilles”), da mange sensorer kunne drive med tiden, og evnen til at “nulstille” ville være ønskelig.

Sammen med forskydningsindstillingen har mange sensorer mulighed for at justere spændvidden (output ved maksimalt tryk minus output ved minimalt tryk), hvilket også vil hjælpe med at korrigere drift over tid. Måling og nulstilling af sådanne forskydninger kræver en kalibrerings- og vedligeholdelsesplan for at sikre, at ydelsen forbliver inden for de krævede grænser.

måle tryksensor 0-1000 mbar. Trykmåling

Figur 2: Tryksensorforskydning

Følsomhed

Sensorens følsomhed er forholdet mellem udgangssignalændringen og trykændringen. Hvis vi overvejer grafen ovenfor, hvor output ændres med 5 V, mens trykket ændres med 1000 mbar, så er følsomheden 5 mV / mbar. Dette er en vigtig parameter for den måde, vi bruger signalet i applikationen på, samt at bestemme, hvordan sensorens ydelse vil blive påvirket af elektrisk støj.

Precision

Præcision er generelt udtrykket bruges til at beskrive sensorenes adfærd med hensyn til dens gentagelighed, linearitetsfejl og signalhysterese. Traditionelt har nogle producenter brugt udtrykket "nøjagtighed" til at beskrive denne parameter.

Som tommelfingerregel, uanset navnet på denne parameter, er den bedste fremgangsmåde imidlertid at forstå, hvad dens bestanddele er. Præcision som parameter fortæller os ikke, hvor nøjagtigt vi måler tryk, men mere hvordan sensorerne selv opfører sig. For eksempel - kan det gentages? er det lineært? er der tryk- eller temperaturhysterese?

Gentagbarhed er nærheden af ​​aftalen mellem resultaterne af successive målinger af det samme tryk udført under de samme målebetingelser i en relativt kort periode. Ofte bestemmes gentageligheden som standardafvigelsen for de gentagne målinger eller amplituden (maksimum - minimum).

Linearitetsfejl bestemmes som forskellen mellem den målte værdi af sensoren og den teoretiske linje (som enten bestemmes som BSL-bedste lige linjepasning eller TSL - terminal lige linjepasning), der antager sensorens lineære opførsel. Figur 3 repræsenterer linearitetsfejlen for en BSL-sag, og for at karakterisere sensorerne vælges den maksimale fejl (som worst-case-scenariet).

måle tryksensor 0-2000 mbar. Trykmåling

Figur 3: Trykfølerens linearitetsfejl

Tryk- eller temperaturhysteresefejl er forskellen mellem to separate målinger foretaget på det samme punkt, men en hvor stigningen stiger og en hvor værdien falder. Hysteresestørrelsen varierer baseret på både tryksensorteknologien og den fysiske konstruktion af sensoren.

absolut trykføler 0-100 mbar. Trykmåling

Figur 4: Fejl ved trykhysterese


Genereltly er 3-parametrene beskrevet ovenfor inkluderet i en specifikation, der definerer de acceptable grænser for præcision (eksempel: præcision er +/- 0.1% af fuld skala).

Nøjagtighed

Nøjagtighed skal forbindes med den specificerede målefejl, herunder påvirkningen af ​​systematisk fejl, tilfældig fejl og drift (i tilfælde, hvor nøjagtighed er specificeret over en periode). Nøjagtigheden af ​​en trykføler eller af en måling opnås som en del af måleusikkerhedsvurderingen og inkluderer mange faktorer, herunder standard og / eller Unit Under Test (UUT) usikkerheder, præcision osv. Evaluering af usikkerheden ved måling / kalibrering kræver specialviden, og her vil vi fokusere på, hvordan man fortolker nøjagtighed.

Hver måling skal have måleusikkerheden med sig (enten gennem en nøjagtighedsangivelse i databladet eller usikkerhed i et kalibreringscertifikat). Det meste af tiden vurderes nøjagtigheden som udvidet usikkerhed, der antages at følge en normal fordeling og dækningsfaktoren = 2. I enkle termer som i nedenstående eksempel: den sande værdi af den målte mængde x findes med en 95% sandsynlighed inden for området (xU, x + U).

Trykmåling

Figur 5: Nøjagtighedsrepræsentation for en trykværdi X


Når man sammenligner præcision med nøjagtighed for en trykføler: præcision fortæller os, hvordan sensoren opfører sig, mens nøjagtighed (og det vil omfatte præcisionsfaktorerne) fortæller os, hvor nøjagtig vores måling er, eller hvilke grænser der indeholder den sande værdi af målingen.

Langsigtet stabilitet (drift)

Langsigtet stabilitet af et instrument henvises ofte til dets modsatte mængde - nemlig den langsigtede drift i henhold til følgende definitioner:

  • Et måleinstruments stabilitet er et måleinstruments egenskab, hvor dets metrologiske egenskaber forbliver konstant i tiden
  • Instrumental drift er den kontinuerlige eller inkrementelle ændring over tid i indikation på grund af ændringer i et måleinstrumentets metrologiske egenskaber

Det meste af tiden følger drift af et instrument efter en given matematisk model over tid, men på grund af variationen fra del til del for en given model udtrykkes drift som et toleranceområde, D = + / - 10 Pa, følgelig det skal inkluderes i instrumentets samlede nøjagtighed.

Generelt udviser trykføleren en eller anden form for drift over tid, og det er derfor vigtigt, at systemer er designet med potentialet til at blive justeret for både: offset og span drift, og at et kalibrerings- og vedligeholdelsesprogram vedtages.

Indflydelsesmængder

Indflydelsesmængder er alle eksterne (dvs. ikke inkluderet i input / output) mængder, som kan påvirke ydeevnen for en trykføler. Det meste af tiden leverer trykfølerproducenterne området for indflydelsesmængde og dens virkning på sensorens metrologiske egenskaber.

Indflydelsen af ​​eksterne faktorer gives for det meste som et toleranceområde, som skal tages i betragtning ved evaluering af instrumentets nøjagtighed. Når man f.eks. Overvejer temperatureffekten for en trykføler, er indflydelsesmængden (temperaturen) defineret -10 til + 50 ° C, og derefter er dens virkning defineret som et toleranceområde ± 0.75% af fuld skala.

Indflydelsesmængderne og deres virkning skal leveres af producenterne via deres datablad, og de er forskellige afhængigt af, hvad den målte mængde er, og typen af ​​sensor. De mest almindelige påvirkningsmængder er: temperatur, fugtighed, atmosfærisk tryk, elektromagnetiske felter, vibrationer, støj.

Baseret på applikationen skal de angivne specifikationer for påvirkning af mængder undersøges nøje, da de inducerede effekter i nogle tilfælde er meget større end den påståede præcision og / eller nøjagtighed.

â € <Kalibrering af tryksensorer

I de forgangne ​​år ville tryksensorer blive taget ud af systemet, hvori de er inkorporeret og kalibreret i et metrologisk laboratorium. Dette vil dog medføre en tilknyttet omkostning, da det vil være nødvendigt at installere ekstra sensorer for at forhindre driftsstop, eller systemet vil blot stoppe, og aktivet vil være nede, indtil sensorerne er returneret fra kalibrering / test.

I moderne tid kalibreres de fleste af sensorer “på stedet” ved hjælp af trykkalibratorer, hvoraf nogle har kapacitet til at generere og måle tryk på samme tid og output (i mV, V, mA, osv.). Mange af kalibratorerne kan også evaluere kalibreringsusikkerheden (mange gange benævnt "nøjagtighed") og gemme / transmittere dataene automatisk gennem et datastyringssystem.

Det anbefales altid at have et sådant system, da det opbevarer alle kalibreringsdata sikkert, hvilket gør det lettere at styre aktiverne, reducerer rapporteringsfejl og hjælper med at overholde ISO-certificeringer.

Kalibreringsmetoden er en direkte metode, og ud over de operationelle kontroller, der skal udføres inden udvælgelse (valg af de rigtige beslag til trykforbindelserne, sikring af et lækagefri system, sikkerhedsforholdsregler osv.), Bør kalibratoren vælges som en tommelfingerregel for at være 4 gange mere nøjagtig end sensoren kalibreret.

bærbar kalibrator. Trykmåling

Figur 6: Fjernkalibrering af en tryksensor ved hjælp af en modulær kalibrator

Valg af den rigtige sensor til applikationen

Valg af den rigtige sensor til et program handler om at matche applikationens krav til den bestemte parameter, som brugeren er interesseret i.

For eksempel er en nøjagtighed i en lækketestapplikation en sekundær overvejelse til støj. Hvorvidt aflæsningen er ændret er nøglen, og hvis sensorerne fejlagtigt forlæser 10-bjælken som 9-bjælken, er konsekvenserne ikke dybe, da høj opløsning er af større betydning for at se en lille ændring i tryk.

Som et andet eksempel i en kontrolsløjfes reaktionshastighed er kritisk. Hvis sensoren udsender det tryk, der var til stede 100 ms i fortiden, vil det være meget vanskeligt at optimere en dynamisk proces.

Der er selvfølgelig nogle anvendelser, såsom skatteoverførsel og levering af en masse af gas til en proces, hvor den samlede nøjagtighed er den vigtigste faktor. Der er et 1: 1-forhold mellem trykfejl og fejlen på massen, eller for at sige dette på en anden måde, en 1% -fejl i trykaflæsningen er en 1% -fejl i regningen.

I denne situation er det vigtigt at tage ikke kun overskriften "nøjagtighed" i betragtning, men også ydelsen over driftstemperaturområdet og derefter inkludere stabilitetstallet til at indstille en rekalibreringsperiode for altid at opretholde den generelle nøjagtighed .

Producenterne har en tendens til at lægge så mange detaljer, som de kan i deres tekniske og marketinglitteratur, men skal afbalancere mængden af ​​information, der gives, med at gøre informationen let tilgængelig og forståelig.

For øget sikkerhed for bedst matchende krav til en bestemt applikation er det ofte nødvendigt at engagere en trykfølerleverandørens designteknologiteam, og i nogle kritiske tilfælde er det muligt at indgå i et partnerskab for at designe en tilpasset løsning til en bestemt applikation .

Process Industry Informer

Relaterede nyheder

Giv en kommentar

Dette websted bruger Akismet til at reducere spam. Lær, hvordan dine kommentardata behandles.

Del via