Jak dokonać prawidłowego wyboru przemysłowego czujnika ciśnienia

Jak dokonać wyboru przemysłowego czujnika ciśnienia Adobe Stock – BillionPhotos.com
19.3.2024

Precyzyjne i niezawodne pomiary stanowią klucz do osiągnięcia lepszej kontroli nad procesami produkcyjnymi, minimalizacji ryzyka awarii i wypadków, a także zapewnienia zgodności z regulacjami, co przekłada się na konkurencyjność i sukces na rynku.

Pomiary ciśnienia odgrywają bardzo istotną funkcję w wielu dziedzinach przemysłu i nauki. Do ich przeprowadzenia wykorzystuje się zaawansowane czujniki ciśnienia, często określane mianem przetworników ciśnienia. Te zaawansowane urządzenia są w stanie dokonywać pomiaru zmian wielkości fizycznych związanych z ciśnieniem i przekształcenia ich na odpowiedni sygnał wyjściowy, umożliwiający monitorowanie i sterowanie różnymi rodzajami systemów.

Przemysłowe czujniki ciśnienia najczęściej opierają swoje działanie na zasadzie tensometru, która jest powszechnie stosowaną techniką pomiarową. Wewnętrzna struktura tych czujników obejmuje membranę wykonaną z różnych materiałów, takich jak silikon, krzem, polimery, ceramika lub stal odporna na korozję. Membrana ta stanowi bardzo ważny element, który reaguje na nacisk wywierany przez medium znajdujące się pod ciśnieniem.

Pod wpływem nacisku membrana ulega elastycznemu odkształceniu, co prowadzi do zmiany rezystancji mostka tensometrycznego. Ta zmiana rezystancji jest następnie przekształcana w zmianę napięcia. Proces przekształcania fizycznej siły mechanicznej w proporcjonalne sygnały elektryczne umożliwia wykorzystanie czujników ciśnienia do precyzyjnego pomiaru ciśnienia. Dzięki tym urządzeniom możliwe jest monitorowanie i kontrolowanie procesów w różnych dziedzinach, począwszy od przemysłu, przez medycynę, aż po badania naukowe.

Technologie wykonania czujników ciśnienia

Czujniki ciśnienia są dostępne w różnych technologiach wykonania, które różnią się zastosowanymi materiałami, zasadami pomiaru i właściwościami. Oto kilka głównych technologii wykonania czujników ciśnienia

Czujniki cienkowarstwowe

Czujniki cienkowarstwowe działają na zasadzie podobnej do czujników tensometrycznych. Technologia cienkowarstwowa we współpracy z mostkiem Wheatstone umożliwia osiągnięcie wysokiej stabilności długookresowej, ponieważ połączenie tensometrów z podstawą jest w tej technologii wykonane na poziomie atomowym. Gwarantuje to doskonałą precyzję pomiarów, odporność na dynamiczne zmiany i wibracje oraz wysokie bezpieczeństwo w przypadku wystąpienia ciśnienia niszczącego. Ze względu na swoje właściwości przeznaczone są do wyższych zakresów pomiarowych. Ponadto znajdują zastosowanie w aplikacjach o ograniczonej powierzchni, takich jak przetworniki ciśnienia, przełączniki ciśnienia i manometry hydrauliczne.

Czujniki grubowarstwowe 

Zasada działania czujników grubowarstwowych opiera się na podobnych zasadach, co w przypadku czujników cienkowarstwowych i bazuje na mostku tensometrycznym. Struktury rezystancyjne nanoszone są metodą sitodruku w technologii grubowarstwowej, a następnie wypalane w wysokiej temperaturze. Charakteryzują się wysoką odpornością na przeciążenia i udary, co czyni je idealnymi do zastosowań, w których występują duże obciążenia mechaniczne. Jednak ze względu na konstrukcję – mogą mieć nieco niższą dokładność pomiaru i ograniczony zakres pomiarowy w porównaniu do czujników cienkowarstwowych. Czujniki grubowarstwowe znajdują szerokie zastosowanie w przemyśle, szczególnie w aplikacjach, w których występują trudne warunki środowiskowe lub duże obciążeniamechaniczne.

Czujniki krzemowe/piezorezystancyjne

Czujniki piezorezystancyjne, często nazywane także czujnikami krzemowymi, opierają się na zjawisku zmiany rezystancji materiału krzemowego w odpowiedzi na nacisk lub odkształcenie. Charakteryzują się wyjątkową czułością na nacisk, co czyni je idealnymi do pomiaru ciśnienia w różnych zastosowaniach. Jednak ze względu na wrażliwość na wpływy środowiskowe, czujniki te nie powinny mieć bezpośredniego kontaktu z mierzonym medium. W celu uniknięcia tego problemu, wewnętrzną komorę pomiarową wypełnia się olejem syntetycznym, a następnie uszczelnia. Ciśnienie w układzie pomiarowym oddziałuje poprzez membranę na olej wypełniający i czujniki krzemowe. Dzięki tej technologii półprzewodnikowe tensometry są znacznie wrażliwsze na odkształcenia niż tensometry metalowe. Czujniki piezorezystancyjne znajdują zastosowanie w wielu dziedzinach, w tym w przemyśle motoryzacyjnym, medycynie oraz przemyśle elektronicznym.

Czujniki pojemnościowe

Czujniki ciśnienia pojemnościowe opierają się na zasadzie zmiany pojemności kondensatora w odpowiedzi na nacisk lub ciśnienie. Głównym elementem tych czujników jest kondensator, składający się z dwóch okładek: nieruchomej płytki i ruchomej membrany pomiarowej. Kiedy nacisk jest wywierany na kondensator, odległość między okładkami zmienia się, co prowadzi do zmiany jego pojemności. Zmiana pojemności jest proporcjonalna do nacisku lub ciśnienia, co pozwala na dokładny pomiar tych wielkości.

Czujniki ciśnienia pojemnościowe charakteryzują się wysoką precyzją i stabilnością pomiarów, a także możliwością pracy w szerokim zakresie temperatur i w wymagających warunkach środowiskowych. Ze względu na wysoką czułość, są szczególnie dedykowane do pomiaru niskich ciśnień w zakresie kilku milibarów. Znajdują szerokie zastosowanie w różnych dziedzinach, takich jak przemysł motoryzacyjny, przemysł chemiczny, medycyna, a także w urządzeniach laboratoryjnych.

Czujniki indukcyjne

Czujniki indukcyjne do pomiaru ciśnienia są stosunkowo nową technologią w dziedzinie pomiaru ciśnienia. Głównym elementem tych czujników są dwie cewki, pomiędzy którymi może poruszać się płyta ferrytowa. Jej przemieszczanie podczas wywieranego nacisku prowadzi do zmiany indukcyjności cewek w przeciwnych kierunkach. 

Ta zmiana indukcyjności jest proporcjonalna do nacisku lub ciśnienia, co umożliwia dokładny pomiar tych wielkości. Czujniki te nadają się szczególnie do pomiaru niskich ciśnień w zakresie pomiarowym: 0–0,1 mbar (0–10 Pa). Obszary zastosowania są ograniczone do gazów nieagresywnych lub obojętnych, np. w ogrzewaniu, wentylacji lub technice pomieszczeń czystych.

Typowe błędy podczas doboru czujnika

Wybór odpowiedniego czujnika ciśnienia stanowi nie lada wyzwanie i może prowadzić do popełnienia różnych błędów. Oto przykładowe błędy, których warto unikać:

  • niewłaściwy zakres pomiarowy,
  • nieuwzględnienie warunków środowiskowych ,
  • błąd w doborze właściwej technologii,
  • brak uwzględnienia rodzaju połączenia czujnika z systemem,
  • wybór niewłaściwego źródła zasilania,
  • wybór nieodpowiedniego sygnału wyjściowego, 
  • nieodpowiednie wtyki i kable łączące czujnik ciśnienia z układem.

Unikanie tych błędów pomoże w dokładnym doborze czujnika ciśnienia, skutecznym monitorowaniu oraz sterowaniu procesami.

Wybór czujnika ciśnienia

Wybór właściwego czujnika zależy od konkretnego zastosowania, środowiska pracy oraz poziomu dokładności, jakiego oczekujemy. Ważne jest również uwzględnienie zakresu pomiarowego, przyłącza ciśnieniowego, sygnału wyjściowego, zakresy temperatury pracy, wpływu środowiska, podłączenia elektrycznego oraz wymiarów sensora. 

Przy wyborze czujnika ciśnienia warto również rozważyć, czy potrzebny jest model wyposażony w wyświetlacz lub inną formę wizualizacji pomiarów. Taki dodatek może być przydatny, zwłaszcza jeśli potrzebujemy natychmiastowej informacji o zmianach ciśnienia. Warto również zwrócić uwagę na kwestie związane z kalibracją i konserwacją czujnika, ponieważ utrzymanie dokładności pomiarów to kluczowy aspekt w wielu zastosowaniach.

Odpowiedni czujnik ciśnienia jest kluczowym elementem w zachowaniu precyzji i niezawodności od przemysłu po medycynę i badania naukowe. Zapewnia on monitorowanie i kontrolowanie procesów, co wpływa na jakość i bezpieczeństwo w wielu aspektach naszego codziennego życia. Dlatego dokładny dobór oraz właściwa konfiguracja czujnika ciśnienia są niezwykle ważne i wpływają na efektywność wielu systemów, a także urządzeń. Niezależnie od zastosowania zrozumienie różnych rodzajów czujników ciśnienia oraz unikanie typowych błędów podczas ich doboru może przynieść znaczne korzyści w zakresie oszczędności, jakości i bezpieczeństwa

O Autorze

Tagi artykułu

Zobacz również

Chcesz otrzymać nasze czasopismo?

Zamów prenumeratę