Brug medieisolerede trykfølere til at øge pålideligheden og præcisionen i industrielle processer

Designere af industrielle og kommercielle processer med lukket kredsløb såsom opvarmning, ventilation, aircondition og køling (HVAC/R) bruger elektromekaniske tryktransducere til at forbedre styringen og forbedre procesydelsen. Problemet er, at væsker og gasser, der anvendes i disse systemer, kombineret med det brede spektrum af temperaturer og tryk, som systemerne fungerer under, kan angribe tryktransducerens materialer og forårsage korrosion, der kan føre til lækager, der kompromitterer sensorens integritet.

Designere har brug for en alternativ teknologi, der kan imødekomme miljømæssige udfordringer og samtidig give applikationens krævede nøjagtighed og pålidelighed.

Denne artikel beskriver, hvordan strain-gage-baserede tryktransducere fungerer, før der indføres medie-isoleret tryk (MIP) transducere fra Honeywell. Disse er fremstillet af rustfrit stål og har et hermetisk svejset design i stedet for O-ringen og klæbende tætninger, der ofte viser sig at være svagheder i typiske sensorer. Artiklen ser derefter på kilder til målefejl, og hvordan de kan minimeres, inden de demonstrerer, hvordan transducerne kan anvendes i et kommercielt kølesystem for at øge effektiviteten af processen.

Sådan fungerer en elektromekanisk tryktransducer

Moderne tryktransducere er baseret på elektriske udgange og fjerner ældre og ustabile mekaniske forbindelser og urskiver. De vigtigste fordele ved nutidens elektromekaniske enheder er pålidelighed, præcision og evnen til at blive overvåget eksternt. Deres vigtigste måleteknologi er baseret enten på piezoelektriske materialer eller strain-gages. Piezoelektriske tryktransducere er kun egnede til dynamisk trykmåling, mens strain-gage kan bruges til både dynamisk og statisk trykmåling. Denne artikel vil fokusere på sidstnævnte.

Strain-gages er elektriske kredsløb, der ændrer modstand, når de udsættes for belastning, hvor belastning er forholdet mellem ændringen i længde af et materiale, der er udsat for en kraft, sammenlignet med dets ubelastede længde (betegnet "ε"). Strain-gagen er typisk kategoriseret efter dens "gage-faktor" (GF), som er et mål for dens følsomhed over for belastning. Med andre ord er GF forholdet mellem den fraktionerede ændring i elektrisk modstand og den fraktionerede ændring i længde (eller belastning).

Under brug indsættes tryktransduceren direkte i tryksystemet, hvor systemets væske eller gas kommer ind i en port i transduceren og fortrænger en membran. En strain-gage fastgøres ved hjælp af et passende klæbemiddel til oversiden af denne membran (figur 1).

Figur 1: En membranmonteret strain-gage, der er egnet til brug i en tryktransducer. I dette eksempel er den faktiske diameter af strain-gagen er 6,35 millimeter (mm). (Billedkilde: Micro Measurements)

Selv under meget høje tryk er det sandsynligt, at længdeforandringerne af strain-gagen ikke er mere end et par ”millistrain” (mε), hvilket igen fører til en meget lille ændring i modstand. Antag for eksempel, at en testprøve gennemgår en belastning på 350 mε. Under denne belastning udviser en strain-gagen med en GF på 2 en ændring i elektrisk modstand på 2 (350 x 10^-6) = 0,07 procent. For en 350 ohm (Ω) gage, ville ændringen i modstand være kun 0,245 Ω.

Sådan foretages målinger med strain-gages

For nøjagtigt at måle så små modstandsændringer, samtidig med at støjpåvirkningen minimeres, er tryktransducerens strain-gage inkorporeret i det ene ben af en Wheatstone-bro, et netværk af fire resistive linjer med en excitationsspænding, E, påført over den (figur 2) .

Figur 2: I dette Wheatstone bro-kredsløbsdiagram er strain-gagen inkorporeret i den ene linje; R_G er modstandsdygtighed over for belastningsmængde og R_L1 og R_L2 er stregmålerens ledningsmodstand; modstande R₂, R₃ og R₄ er faste, kendte værdier; e_o er udgangsspændingen og E excitationsspændingen. (Billedkilde: Micro Measurements)

Wheatstone-broen er den elektriske ækvivalent med to parallelle spændingsdelerkredsløb med R_G (forudsat modstanden af lederne R_L1 og R_L2 er ubetydelig) og R₄ omfattende et spændingsdelerkredsløb og R₂ og R₃ omfattende det andet. Outputtet, f.eks e_o, måles mellem de midterste knudepunkter på de to spændingsdelere og kan beregnes ud fra:

 Ligning 1

Fra ligning 1 kan det ses, at når R_G/R₄ = R₃/R₂, udgangsspændingen, e_o, er nul, og broen siges at være afbalanceret. Enhver ændring i modstanden af strain-gagen vil derefter afbalancere broen og frembringe en ikke-nul e_o proportional med belastningen. I en tryktransducer siges udgangsspændingen fra den membranmonterede strain-gage at være "ratiometrisk" (lineært proportional) i forhold til forsyningsspændingen (excitations), E, over det komplette trykområde.

Temperaturkompensation

En designudfordring ved anvendelse af strain-gages er deres modtagelighed for temperatureffekter. Temperaturudsving kan indføre forskydnings- og spændingsfejl og øge hysterese.

strain-gagen kan varme op på grund af excitationsspændingen, E, men dette kan i høj grad mindskes ved at holde E lav. Ulempen er, at dette vil sænke systemets følsomhed, men udgangsspændingen fra Wheatstone-broen, f.eks e_o, kan forstærkes, hvis det kræves. Der skal dog udvises særlig forsigtighed for at undgå at forstærke overlejret støj. Én løsning er at bruge "bærefrekvens" forstærkere, der konverterer spændingsvariationen til en frekvensvariation, og bruger en smal båndbreddeoutput for at holde støj lav og reducere elektromagnetisk interferens uden for båndet (EMI).

En anden varmekilde kommer fra membranen og kroppen af selve tryktransduceren. Varme temperaturer får membranen til at ekspandere, og strain-gagen registrerer en belastning, der ikke direkte skyldes væske- eller gastryk.

For at afbøde disse effekter indeholder moderne strain-gages foranstaltninger til temperaturkompensations. Strain-gages er typisk fremstillet af en 55 procent kobber/45 procent nikkellegering. Materialet har en meget lav termisk ekspansionskoefficient (CTE), som begrænser temperaturinduceret belastning. Derudover kan en grad af "selvtemperaturkompensation" implementeres ved omhyggeligt at tilpasse CTE for strain-gagen med membranmaterialet, som det er fastgjort til, og begrænse temperaturinduceret belastning til blot et par mikrometer/meter grader Celsius (μm/m/° C).

En anden kilde til temperaturinduceret fejl kan komme fra de ledninger, der bærer spændingssignalerne til strain-gages. I den indledende diskussion af broegenskaberne i figur 2 ovenfor modstod disse ledninger (R_L1 og R_L2) blev antaget at være ubetydelig men hvis ledetrådene er lavet af kobber, kan så lidt som en temperaturstigning på 10 °C forårsage en broforskydning svarende til flere hundrede mikrobelastning (µε) direkte fra ledningerne. En almindelig teknik til at overvinde denne forskydning er at bruge en 3-leder bro (figur 3).

Figur 3: I dette Wheatstone-brokredsløbsdiagram flyttes den elektriske node med negativ udgangsbro fra toppen af R₄ til bunden af strain-gagen i slutningen af R._L2. Med leder R_L1 og R_L2 danner den samme modstand, vil broen være afbalanceret. Ledningen R_L3 er kun en spændingsfølende ledning og har ingen indflydelse på brobalancen. (Billedkilde: Micro Measurements)

I figur 3 kan det ses, at den negative udgangsbro elektriske node flyttes fra toppen af R₄ til bunden af strain-gagen i slutningen af R._L2. R_L1 og strain-gagen (R_G) omfatter en arm med R_L2 og modstand R₄ danner den tilstødende arm. Hvis R_L1 og R_L2 har samme modstand, så vil de to broarme have samme modstand, og broen er afbalanceret. Lederen R_L3 er kun en spændingsfølende ledning; den er ikke i serie med nogen af broarmene og har ingen indflydelse på brobalancen.

Tilvejebringelse af begge R_L1 og R_L2 er udsat for de samme temperatursvingninger, vil broen forblive afbalanceret. Derudover, fordi kun en ledningstråd er i serie med strain-gagen, reduceres lederinduceret temperaturfølsomhed med halvdelen sammenlignet med en to-leder konfiguration.

Ud over temperaturens indvirkning på tryktransducerens output er der andre fejlkilder. Disse fejlkilder henvises ofte til den "ideelle overføringsfunktion", som er en lige linje uafhængig af temperaturen, der passerer gennem den ideelle forskydning med en hældning svarende til det ideelle fuldskalaområde (FSS) over driftstrykområdet. Forskydningen er det udgangssignal, der opnås, når der påføres et referencetryk, og FSS er forskellen mellem udgangssignalet målt ved den øvre og nedre grænse for driftstrykområdet (figur 4).

Figur 4: En tryktransducers ideelle overførselsfunktion er en lige linje uafhængig af temperaturen, der passerer gennem den ideelle forskydning med en hældning svarende til den ideelle FSS over driftstrykområdet. (Billedkilde: Honeywell)

Tryktransducere af lavere kvalitet kan være udsat for relativt store forskydnings- og FSS-fejl, når de forlader fabrikken. Offset-fejlen er den maksimale trykafvigelse sammenlignet med den ideelle offset, mens FSS-fejl er den maksimale afvigelse i målt FSS ved referencetemperatur i forhold til den ideelle (eller mål) FSS som bestemt ud fra den ideelle overføringsfunktion.

Yderligere fejl kommer fra nøjagtigheden af selve tryktransduceren, som kan være udsat for ikke-linearitet, trykhysterese og ikke-repeterbarhed. Kombinationen af termisk inducerede fejl, transducer unøjagtigheder og offset og FSS fejl bestemmer tryktransducerens samlede fejlbånd (TEB). TEB er den maksimale afvigelse i output fra den ideelle overførselsfunktion over hele det kompenserede temperatur- og trykområde (figur 5).

Figur 5: Fejlkilderne for en tryktransducer tilføjes op til TEB. (Billedkilde: Honeywell)

Heavy-duty tryktransducere

Tryktransducere, der anvendes i industrielle applikationer, udsættes for ætsende væsker og gasser og store temperaturudsving. For eksempel udsættes transducerne, der anvendes i en HVAC/R-applikation, for kølemidler, såsom butan, propan, ammoniak, CO₂, glycol plus vand eller en række syntetiske hydrofluorcarbon-kølemidler, såsom R134A, R407C, R410A, R448A, R32, R1234ze eller R1234yf. Også temperaturer i industrielle HVAC/R-systemer spænder over det industrielle temperaturområde på -40 til +85 °C eller endnu højere.

Mange lav-til-mellem-tryk-transducere er fremstillet af legeringer som messing og bruger O-ringe og klæbemidler til at forsegle sensorens elektronik fra væsker og gasser, der berører membranen. Når de anvendes sammen med ætsende stoffer, kan tætningerne vise sig at være en svaghed og begynde at lække. Sådanne lækager kan i første omgang ikke opdages, hvilket fører til falske aflæsninger og dårlig systemkontrol. Til sidst forårsager lækagerne fejl, da elektronikken udsættes for ætsende væsker eller gasser.

For at undgå disse potentielle fejltilstande kan designere bruge Honeywells MIP-serie af tryktransducere. Disse kraftige, medie-isolerede tryktransducere eliminerer den indre O-ring og klæbende tætninger. Transducerne er fremstillet af rustfrit stål og har et hermetisk svejset design i stedet for en O-ringstætning. Designet gør MIP-sensorer kompatible med en bred vifte af medier, herunder aggressive væsker, vand og gasser over et temperaturinterval på -40 til 125 °C og tryk fra 100 kilopascal (kPa) til 6 megapascal (mPa) (figur 6) .

Figur 6: Honeywells MIP-serie tryktransducere er lavet af rustfrit stål og bruger et hermetisk svejset design, der eliminerer behovet for tætninger. Designet gør sensorerne kompatible med en bred vifte af medier, herunder aggressive væsker, vand og gasser. (Billedkilde: Honeywell)

MIP-serien fungerer fra en 5 volt forsyning og leverer et ratiometrisk output over et 0,5 til 4,5 volt jævnstrømsområde. TEB over hele tryktransducerens temperaturområde er ±1,0 procent for tryk ≤1 MPa og 0,75 procent for tryk> 1 MPa. Transducerens nøjagtighed er ±0,15 procent FSS (bedste pasform lige linje (BFSL)) (figur 7), og den har en responstid på 1 millisekund (ms) samt en burst-rating på over 20 MPa.

Figur 7: Tryktransducere i MIP-serien fungerer fra en 5 volt forsyning og leverer et ratiometrisk output over et 0,5 til 4,5 volt jævnstrømsområde. TEB over hele tryktransducerens temperaturområde er ±1,0 procent for tryk ≤1 MPa og 0,75 procent for tryk> 1 MPa. (Billedkilde: Honeywell)

Derudover har serien ±40 volt DC-overspændingsbeskyttelse og sensoroutputdiagnostik, når der opstår en elektrisk fejl (tabel 1).

Tabel 1: Driftsegenskaber for MIP-serietrykstransduceren. (Billedkilde: Honeywell)

Tryktransducere i HVAC-applikationer

Tryktransducere spiller en nøglerolle i applikationer såsom HVAC-systemer ved at muliggøre nøjagtig kontrol for at maksimere effektiviteten og samtidig sænke energiforbruget. Overvej f.eks. HVAC/R-cyklussen, der bruges af en industriel køleenhed (figur 8).

Figur 8: Diagram, der viser HVAC/R-cyklus. Heavy-duty tryktransducere ved kompressor- og fordamperudløb kan bruges til at overvåge kølemiddeltrykket for at sikre optimale kølemiddelfaseforandringer og til gengæld bestemme cyklusens effektivitet. (Billedkilde: Honeywell)

På kompressortrinet komprimeres lavtryksdamp fra fordamperen (forårsager opvarmning) og pumpes til kondensatoren. Ved kondensatoren frigiver dampen ved høj temperatur sin latente varme i luften og kondenserer til en varm væske. En tørrer fjerner derefter eventuelt vand fra kølemidlet. Derefter skubbes den varme væske fra kondensatoren ved doseringsindretningen gennem en strømningsbegrænsning, der reducerer dens tryk, hvilket tvinger kølemidlet til at opgive varmen. Derefter absorberer denne kolde væske inde i fordamperen varme fra kondensatorens returluftstrøm og skifter til en damp. Denne damp fortsætter med at absorbere varme, indtil den når kompressoren, hvor cyklussen gentager sig. Den kølige luft fra fordamperen bruges til at sænke temperaturen på den kølebeholder.

Kølecyklussen fungerer, fordi når kølemidlet skifter fra væske til damp og tilbage igen, er der en stor frigivelse eller forstærkning af latent energi. For at fungere effektivt og effektivt skal trykket i de forskellige dele af systemet overvåges nøje og kontrolleres. Dette er især tilfældet, når kølemidlet gennemgår væske-til-damp/damp-til-væske-faseændringerne. For eksempel skifter kølemidlet under lavt tryk fra en væske til en gas og absorberer latent energi (varme) ved en lavere temperatur, end det ellers ville gjort. Under højt tryk skifter kølemediegassen fra en gas til en væske ved højere temperaturer, end den ellers ville frigive latent energi (varme).

Ved at overvåge trykket ved kompressor- og fordamperudgangen kan kompressoren og doseringsindretningen indstilles til nøjagtigt at kontrollere strømmen (og dermed trykket) i cyklusens lave og høje trykdele, og temperaturen på kølemediefasen ændres igen for at maksimere systemets effektivitet.

Konklusion

Tryktransducere med strain-gages tilbyder en god løsning til trykmåling i industrielle processer, men designere af systemer, der sandsynligvis udsættes for ekstreme miljøer, skal være opmærksomme på begrænsningerne ved modeller, der bruger O-ringe og klæbemidler.

Honeywells MIP-serie af tryktransducere er designet til applikationer, der kan opleve sådanne ekstremer, og er fremstillet af rustfrit stål og et hermetisk svejset design. Konstruktionen gør MIP-sensorer kompatible med en bred vifte af industrielle væsker og gasser og sikrer lang levetid, selv ved forhøjede temperaturer og tryk. Honeywell-tryktransducere tilbyder også høj præcision, hurtig respons, god langvarig stabilitet og fremragende EMI-immunitet.