Gösterge Basınç Sensörü ile Mutlak ve Diferansiyel Basınç Sensörleri Karşılaştırması: Endüstriyel Otomasyon ve Proses Kontrolü için Teknik Kılavuz

Gösterge basınç sensörü (bağıl basınç sensörü olarak da bilinir), ortamın atmosferik basıncına göre basıncı ölçen bir cihazdır. Sensör, çevredeki atmosfere açık, havalandırmalı bir referans portuna sahiptir. Algılama elemanı, diyaframın bir tarafına uygulanan proses basıncı ile diğer tarafına uygulanan atmosferik basınç arasındaki farkı ölçer. Proses basıncı atmosfer basıncına eşit olduğunda sensör çıkışı sıfırdır (0 psi, 0 bar veya 0 kPa). Proses basıncı atmosferik basınçtan (pozitif basınç) yüksek olduğunda çıkış pozitiftir. Proses basıncı atmosferik basınçtan (vakum veya negatif basınç) düşük olduğunda çıkış negatiftir. Algılama elemanı tipik olarak piezo dirençli silikon mikro işlenmiş diyafram (MEMS) veya metal diyafram üzerindeki ince film gerinim ölçerdir. Basınç diyaframı deforme ettikçe piezo dirençlerin direnci değişir ve uygulanan basınca orantılı bir elektrik çıkışı üretilir. Çıkış sinyali tipik olarak standart endüstriyel seviyelere yükseltilir: 4-20 mA döngü akımı, 0-5 VDC, 0-10 VDC veya dijital çıkışlar (I2C, SPI, CAN veri yolu). Gösterge basınç sensörleri binlerce uygulamada kullanılmaktadır: hidrolik sistem basıncı izleme, basınçlı hava sistemleri, su dağıtım ağları, pompa kontrolü, tank seviyesi ölçümü (hidrostatik basıncı ölçerek) ve pnömatik kontroller. Ayrıntılı teknik özellikler için kaynak bulma profesyonelleri şu adrese başvurabilir: gösterge basınç sensörleri malzeme veri sayfaları ve test raporları için ürün sayfaları.

Gösterge, mutlak ve diferansiyel basınç sensörleri arasındaki temel fark, ölçüm için kullanılan referans basıncında yatmaktadır. Gösterge basınç sensörleri referans olarak atmosferik basıncı kullanır. Sensörün havalandırmalı bir mahfazası veya havaya açık bir referans portu vardır. Çıkış atmosferik basınçta sıfırdır. Gösterge sensörleri çoğu endüstriyel proses için uygundur çünkü operatörler çevreye göre (örneğin atmosferin 100 psi üzerindeki basınç) basıncı önemser. Mutlak basınç sensörleri, referans olarak kapalı bir vakum referans odası (mükemmel vakum, 0 psi mutlak) kullanır. Sensör atmosfere havalandırılmıyor. Çıkış yalnızca mükemmel bir vakumda sıfırdır. Mutlak sensörler barometrik basınç ölçümü, yükseklik algılama ve atmosferik basınç değişimlerinin ölçümü etkileyeceği uygulamalar (ör. kapalı kapların sızıntı testi, vakumlu fırın basınç kontrolü) için kullanılır. Fark basınç sensörleri iki proses basıncı (P1 - P2) arasındaki farkı ölçer. Her iki liman da atmosfere havalandırılmıyor. Diferansiyel sensörler akış ölçümü (delik plakaları kullanılarak), filtre izleme (filtre boyunca basınç düşüşü) ve kapalı tanklarda sıvı seviyesi ölçümü (alt basınç ile üst buhar basıncı arasındaki fark) için kullanılır. Seçim uygulamaya bağlıdır. Havalandırmalı bir tank için gösterge doğrudur. Değişken atmosferik basınca sahip kapalı bir tank için diferansiyel gerekebilir. Yükseklik ölçümü için mutlak gereklidir. Aşağıdaki tablo temel farklılıkları özetlemektedir.

Modern gösterge basınç sensörleri, mikroskobik mekanik yapıları tek bir silikon çip üzerindeki elektronik devrelerle birleştiren MEMS (Mikro-Elektro-Mekanik Sistemler) teknolojisini kullanır. MEMS basınç sensörünün çekirdeği, fotolitografi ve dağlama işlemleri kullanılarak üretilen, genellikle 5 ila 50 mikrometre kalınlığında, mikro işlenmiş bir silikon diyaframdır. Piezodirençler (gerilim uygulandığında direnci değiştiren katkılı silikon bölgeler), yüksek gerilimli konumlarda (kenarlar ve merkez) diyaframın içine yayılır. Basınç uygulandığında diyafram yön değiştirir ve piezo dirençlerde gerilime neden olur. Direnç değişimi uygulanan basınçla orantılıdır. Dört piezo direnç, direnç değişikliklerini diferansiyel voltaj sinyaline dönüştüren bir Wheatstone köprüsü konfigürasyonuna bağlanmıştır. Gerilim sinyali bir ASIC (Uygulamaya Özel Entegre Devre) veya sinyal koşullandırma devresi tarafından yükseltilir, doğrusallaştırılır, sıcaklık telafisi yapılır ve istenen çıkış formatına (4-20 mA, gerilim veya dijital) dönüştürülür. MEMS çipi bir alt katmana (seramik, PCB veya metal) monte edilir, kabloyla bağlanır ve ortam uyumluluğu için jel kaplama veya paslanmaz çelik izolasyon diyaframıyla korunur. Gösterge referansı, MEMS çipinin arka tarafının (veya izolasyon diyaframının arka tarafının) sensör muhafazasındaki bir havalandırma deliği yoluyla atmosfere havalandırılmasıyla elde edilir. MEMS teknolojisi çeşitli avantajlar sunar: çok küçük boyut (1 mm x 1 mm kadar küçük çip), yüksek hassasiyet (pascal aralığı başına mikrovolt), düşük güç tüketimi (miliwatt), mükemmel tekrarlanabilirlik ve yüksek hacimlerde düşük maliyet. Zorlu endüstriyel ortamlar için (aşındırıcı sıvılar, yüksek sıcaklık), MEMS çipi paslanmaz çelik bir diyaframla ortamdan izole edilebilir ve silikon yağıyla (yağ dolu gösterge basınç sensörü) doldurulabilir.

Gösterge basınç sensörleri, farklı endüstriyel uygulamalara uyacak şekilde geniş bir basınç aralığında mevcuttur. Düşük basınç aralıkları (0-1 psi ila 0-15 psi, 0-0,07 bar ila 0-1 bar) HVAC hava basıncı izleme, temiz oda fark basıncı ve düşük basınçlı pnömatik sistemler için kullanılır. Orta basınç aralıkları (0-50 psi ila 0-500 psi, 0-3,5 bar ila 0-35 bar) genel endüstriyel hidrolik, su dağıtımı, pompa tahliye basıncı ve proses kontrolü için kullanılır. Yüksek basınç aralıkları (0-1000 psi ila 0-10.000 psi, 0-70 bar ila 0-700 bar) ağır ekipman hidroliği, enjeksiyonlu kalıplama makineleri, hidrolik presler ve yüksek basınçlı su jeti ile kesme için kullanılır. Vakum veya bileşik aralıkları (-14,7 psi ila 0 psi, -1 bar ila 0 bar), emme izleme, vakum paketleme ve laboratuvar uygulamaları için negatif basıncı (vakum) ölçer. Bileşik aralıkları (-14,7 ila 30 psi, -1 ila 2 bar) hem vakumu hem de pozitif basıncı ölçer. Çıkış sinyalleri endüstriyel uyumluluk için standartlaştırılmıştır. Analog çıkışlar: 4-20 mA döngü akımı (endüstriyel kontrol, uzun kablolar, gürültü bağışıklığı için en yaygın olanı), 0-5 VDC, 0-10 VDC (PLC'ler ve veri toplama için ortak) ve 1-5 VDC. Dijital çıkışlar: I2C ve SPI (gömülü sistemler ve IoT cihazları için), RS-485 Modbus (endüstriyel ağlar için) ve CAN veri yolu (otomotiv ve ağır ekipmanlar için). Uyarma voltajı tipik olarak 5 VDC veya 9-30 VDC'dir (döngüden güç alan 4-20 mA sensörler için).

Doğruluk, bir gösterge basınç sensörünün en kritik özelliğidir. Genellikle tam ölçeğin yüzdesi (%FS) olarak ifade edilir. Endüstriyel sınıf gösterge basınç sensörleri ±%0,5 FS, ±%0,25 FS veya ±%0,1 FS doğruluğuna ulaşır. Laboratuvar veya kalibrasyon uygulamalarına yönelik yüksek hassasiyetli sensörler ±%0,05 FS veya daha iyisine ulaşır. Doğruluk çeşitli hata kaynaklarını içerir: doğrusallık (çıkışın basınç aralığı boyunca düz bir çizgiden sapması), histerezis (basıncı arttırırken ve basıncı azaltırken çıktıdaki fark), tekrarlanabilirlik (aynı koşullar altında aynı basınç için aynı çıktıyı üretme yeteneği) ve sıcaklık etkileri (sıfır kayma ve sıcaklıkla aralık kayması). ±%0,5 FS sensör için toplam hata bandı (doğrusallık, histerezis, tekrarlanabilirlik ve telafi edilmiş sıcaklık aralığı üzerindeki sıcaklık etkileri dahil) tam ölçek okumasının ±%0,5'i dahilindedir. Örneğin, ±%0,5 FS doğruluğuna sahip 0-100 psi sensör, herhangi bir noktada maksimum ±0,5 psi hataya sahiptir. Sıcaklık kompanzasyonu, değişen çalışma sıcaklıklarında doğru ölçüm için gereklidir. Sensör birden fazla sıcaklıkta (tipik olarak -20°C, 25°C ve 85°C) kalibre edilir ve dengeleme katsayıları sensörün ASIC'sinde veya mikro denetleyicisinde saklanır. Çalışma sırasında sensör sıcaklığı ölçer ve düzeltme faktörlerini basınç değerine uygular. Telafi edilmiş sıcaklık aralığı genellikle endüstriyel sensörler için -20°C ila 85°C veya otomotiv ve genişletilmiş menzilli sensörler için -40°C ila 125°C'dir. Telafi edilmiş aralığın dışında, doğruluk belirli bir oranda azalır (örneğin, °C başına ±%0,03 FS).

Gösterge basınç sensörü yapısında kullanılan malzemeler kimyasal uyumluluğu, sıcaklık direncini ve uzun vadeli stabiliteyi belirler. Basınç portu malzemesi: paslanmaz çelik (304, 316 veya 316L), endüstriyel sensörler için en yaygın olanıdır ve su, yağ, hava ve hafif kimyasallara karşı mükemmel korozyon direnci sağlar. Yüksek derecede aşındırıcı ortamlar (asitler, kostikler, tuzlu su) için Hastelloy C-276, Inconel veya titanyum portları mevcuttur. Gıda ve ilaç uygulamaları için sıhhi Tri-Clamp bağlantılı 316L paslanmaz çelik gereklidir. Diyafram malzemesi: genel amaçlı sensörler için 316L paslanmaz çelik diyafram (kalınlık 0,05-0,2 mm) iyi hassasiyet ve dayanıklılık sağlar. Düşük basınçlı sensörler (5 psi'nin altında) için seramik veya silikon diyafram (doğrudan ortam teması) daha yüksek hassasiyet sunar. Ultra yüksek saflıktaki uygulamalar için (yarı iletken, farmasötik), diyafram, metalle ıslatılmış parçaları olmayan alümina seramikten veya silikondan yapılabilir. Sensör muhafazası malzemesi: Yıkanabilir, dış mekan veya suya daldırılabilir uygulamalar için IP65/IP67/IP68 dereceli muhafazalar gereklidir. Muhafaza seçenekleri arasında paslanmaz çelik (aşındırıcı ortamlar için), alüminyum (genel endüstriyel için) ve polikarbonat (hafif iç mekan işleri için) yer alır. Sızdırmazlık malzemeleri: O-halkalar (Viton, EPDM, NBR) veya contalar, basınç portunu ve muhafazayı kapatmak için kullanılır. Conta malzemesi proses sıvısıyla uyumlu olmalıdır. Viton (FKM) çoğu yağ, yakıt ve kimyasal için uygundur; EPDM su, buhar ve fren sıvıları için uygundur; NBR mineral yağlar ve yakıtlar için uygundur. Yüksek sıcaklık uygulamaları için (125°C / 260°F üzeri), metal contalar veya camdan metale sızdırmazlık gerekebilir.

Gösterge basınç sensörleri, spesifikasyonları uygulamaya göre değişen birden fazla endüstride kullanılmaktadır. Hidrolik sistemler için (endüstriyel presler, enjeksiyonlu kalıplama makineleri, inşaat ekipmanı, forkliftler), 4-20 mA çıkışlı ve IP67 dereceli 0-5000 psi ila 0-10.000 psi arası gösterge basınç sensörü standarttır. Sensör, ani basınç artışlarına (nominal basıncın 2-3 katı) dayanmalı ve yüksek aşırı basınç kapasitesine sahip olmalıdır. Pnömatik sistemler için (basınçlı hava izleme, havalı aletler, pnömatik aktüatörler), 0-10 VDC çıkışlı ve hızlı yanıt süresine (1 ms'nin altında) sahip 0-150 psi veya 0-300 psi ölçüm sensörü kullanılır. Açık tanklarda (su kuleleri, hazneler, kimyasal tanklar, atık su havuzları) sıvı seviyesi ölçümü için dalgıç göstergeli basınç sensörü, tankın tabanındaki hidrostatik basıncı ölçer. Basınç sıvı yüksekliğiyle orantılıdır: 1 psi ≈ 2,31 fit (0,7 metre) su. Doğru seviye ölçümü için sensörün kablo aracılığıyla havalandırılması gerekir (havalandırmalı gösterge tasarımı), böylece atmosferik basınç değişiklikleri iptal edilir. Vakum izleme (vakum paketleme, vantuz, tıbbi emme, laboratuvar vakum odaları) için, atmosfere göre negatif basıncı ölçmek üzere bir bileşik basınç sensörü (-14,7 ila 0 psi, -1 ila 0 bar) gerekir. Sensör düşük basınçlarda yüksek çözünürlüğe sahip olmalıdır (%0,1 FS veya daha iyisi). Pompa kontrolü ve kuyu izleme (su kuyuları, sulama pompaları, takviye pompaları) için, pompa tahliye basıncını izlemek ve kuru çalışma koşullarına karşı koruma sağlamak üzere 4-20 mA çıkışlı ve sağlam paslanmaz çelik muhafazalı 0-200 psi ölçüm sensörü kullanılır. Aşağıdaki tablo, önerilen spesifikasyonlara sahip uygulamaları eşleştirmektedir.

Gösterge basınç sensörleri ihraç eden üreticiler için belgelenmiş kalite ve uyumluluk sertifikaları çok önemlidir. En çok talep edilen standartlar ve sertifikalar şunları içerir: EMC Direktifi (2014/30/EU) ve RoHS Direktifi (2011/65/EU) kapsamında CE işareti (Avrupa Uygunluğu), ISO 9001 (kalite yönetim sistemi) ve tehlikeli alan uygulamaları için, kendinden güvenlik (Ex ia) veya aleve dayanıklı muhafaza (Ex d) için ATEX (Avrupa) veya IECEx (uluslararası) sertifikası. Spesifik performans testleri şunları içerir: doğruluk testi (doğrusallık, histerezis ve tekrarlanabilirliği doğrulamak için basınç aralığı boyunca yukarı ve aşağı 5-10 kalibrasyon noktasında ölçüm), sıcaklık telafisi testi (sıfır kaymayı ve açıklık kaymasını doğrulamak için -20°C, 25°C ve 85°C'de veya belirtilen aralıkta ölçüm), uzun vadeli stabilite testi (çıkışın belirtilen yüzdeden daha fazla değişmediğini doğrulamak için 85°C'de nominal basınçta 500-1000 saatlik sapma testi) yıllık), aşırı basınç testi (hasarsız olarak 1,5 ila 3 kat nominal basınç uygulanması), patlama basıncı testi (güvenlik marjını doğrulamak için yıkıcı test), elektriksel güvenlik testi (yalıtım direnci, dielektrik gücü) ve EMC testi (CISPR 11'e göre yayılan ve iletilen emisyonlar, IEC 61000-4-2 ila -6'ya göre bağışıklık). Tıbbi cihazlarda kullanılan basınç sensörleri için ISO 13485 sertifikası gerekmektedir. Otomotiv uygulamaları için IATF 16949 sertifikası gerekmektedir. İçme suyu uygulamalarında, içme suyuyla temas eden malzemeler için NSF/ANSI 61 sertifikası gerekli olabilir. Birçok büyük endüstriyel alıcı ayrıca ISO 9001'i kapsayan fabrika denetimlerine ve uluslararası standartlara (NIST, PTB veya diğer ulusal metroloji enstitüleri) göre belgelenmiş kalibrasyon izlenebilirliğine ihtiyaç duyar. Mevcut sertifikaları ve şeffaf kalite kayıtlarını sürdüren üreticiler, uluslararası kaynak kullanımında rekabet avantajı elde ediyor.