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Eine Welt unter Druck: Druckmessungen für die Prozessindustrie

Einführung

Der Druck ist der am zweithäufigsten gemessene Parameter nach der Temperatur in der verarbeitenden Industrie. Oft ist es wichtig, genau zu messen, um die Qualität des Endprodukts zu kontrollieren und dynamische Prozesse schnell zu kontrollieren.

Weitere wichtige Überlegungen sind die herausfordernden Umgebungen vieler Anwendungen, die Sicherheitsanforderungen für den Einsatz in explosionsgefährdeten Bereichen und die Kosten für die Führung von Kalibrierungsaufzeichnungen. Die Auswahl geeigneter Druckmessprodukte kann entmutigend sein.

In diesem Artikel werden die verschiedenen verfügbaren Technologien und die jeweiligen Vorteile sowie die jeweiligen Leistungsvorteile für bestimmte Anwendungen beschrieben.

neculai moisoi

Leitender Metrologe, Druck

ian abb

Industrieproduktmanager, Druck

In diesem Artikel werden auch die typischen Anwendungen von Drucksensoren in der Prozessindustrie und die Herausforderungen für Benutzer dargestellt.

Grundlegende Arten von Drucksensoren

Die Drucksensor-Industrie erfuhr nach der ersten Erfindung der Dehnungsmessstreifen in 1938 durch EE Simmons vom California Institute of Technology und AC Ruge vom Massachusetts Institute of Technology eine rasante Entwicklung. Obwohl viele Formfaktoren verfügbar sind, wird im Folgenden ein allgemeines Erscheinungsbild eines Drucksensors dargestellt.

Druckmessung

Abbildung 1: Ein generischer Drucksensor mit einer Isolationsmembran

Typen nach Abtastprinzip

Piezoresistive Sensoren sind die am häufigsten verwendeten Sensortypen, da sie sich für eine Vielzahl von Anwendungen eignen, die sich für ein hohes Maß an Genauigkeit eignen, und normalerweise robust gebaut sind.

Die meisten piezoresistiven Sensoren basieren auf einer Wheatstone-Brücke auf einem Siliziumsubstrat, wobei jeder Widerstand in der Brücke seinen Wert mit der ausgeübten Dehnung / dem ausgeübten Druck ändert und dieses Signal dann in eine Vielzahl von elektrischen Ausgängen geändert werden kann.

Es gibt nur wenige Anwendungen, bei denen Parameter erforderlich sind, die außerhalb der Möglichkeiten von piezoresistiven Sensoren liegen. Für die meisten industriellen Anwendungen sind jedoch piezoresistive Sensoren die bevorzugte Wahl.

Kapazitive Sensoren gibt es auch in einer großen Vielfalt von Formen und Gestalten, mit im Allgemeinen sehr einfachen Formen, bei denen eine dünne Membran eine Platte eines Kondensators ist und der angelegte Druck die elastische Verformung / Bewegung der Membran und damit eine Änderung der elektrischen Kapazität verursacht .

Aufgrund ihrer hohen Empfindlichkeit sind sie gute Sensoren für Druckmessungen unter 20 mbar (20 hPa). Vorsicht ist jedoch geboten, da sie normalerweise empfindlich gegen Vibrationen und Stöße sind.

Induktive Sensoren haben einen ähnlichen Ansatz wie kapazitive Sensoren, bei denen eine (elastische) Sensorkapsel ein Kernelement innerhalb eines linearen variablen Differentialtransformators bewegt. Daher ist die Änderung der Induktion proportional zum angelegten Druck.

Mit induktiven Sensoren kann eine Vielzahl von Sensorkapseln verwendet werden. Dies bedeutet, dass sie für verschiedene Bereiche verwendet werden können. Dabei ist jedoch auf elektrische Geräusche und / oder Stöße und Vibrationen zu achten.

Resonanzdruckwandler sind einige der genauesten Sensoren auf Siliziumbasis auf dem Markt, und das Funktionsprinzip basiert auf der Änderung der Frequenz eines Resonators, wenn die Beanspruchung auf ihn ausgeübt wird, im Allgemeinen über eine Siliziummembran, die mit den Enden der Membran verbunden ist Resonator.

Sie sind in der Regel robuste Sensoren und werden in unterschiedlichen Formfaktoren mit unterschiedlichem Schutzgrad gegen Umwelteinflüsse geliefert. Ihr mechanisches Prinzip könnte sie jedoch für mechanische Wellen anfällig machen, insbesondere wenn diese mechanischen Wellen verschiedene Frequenzmoden des Resonators aktivieren.

Typen nach Ausgabe

Die beiden Haupttypen von Drucksensoren sind kontinuierliche Mengenausgabe oder diskrete (digitale) Ausgabe.

Die kontinuierlichen Typen sind (mV, V, mA und Hz) und jeder Typ hat seine eigenen Vor- und Nachteile. In diesem Sinne sollte jede auf der Grundlage der Anwendung und der Umgebung ausgewählt werden. Beispielsweise ist ein mV-Ausgang wünschenswert, wenn das Signal in einer maßgeschneiderten Anwendung modifiziert werden muss, ohne dass es über große Entfernungen gesendet werden muss, während ein V-Ausgang oder ein mA-Ausgang über relativ große Entfernungen gesendet werden können, da dies weniger wahrscheinlich ist von der Betriebsumgebung beeinflusst zu werden als ein mV-Ausgang.

Digitale Ausgangsdrucksensoren erfreuen sich immer größerer Beliebtheit, da sie mit demselben Kabelsatz für mehrere Sensoren (Modbus, Profibus, Canbus) problemlos in Computersysteme integriert werden können und auch als Plug & Play-Konfiguration verwendet werden können ( RS232, USB) oder auch drahtlos verbunden (Wireless, Bluetooth).

Messtechnische Eigenschaften von Drucksensoren

Die messtechnischen Eigenschaften von Drucksensoren können von Hersteller zu Hersteller erheblich variieren, und es ist sehr wichtig, diese Eigenschaften zu verstehen, um sicherzustellen, dass ein geeigneter Sensor für die beabsichtigte Anwendung ausgewählt wird.

Aus rein messtechnischer Sicht haben einige Parameter (z. B. Wiederholbarkeit, Präzision, Genauigkeit) eine qualitative Definition. Im Laufe der Jahre wurden sie jedoch als quantitative Parameter verwendet, weshalb wir sie auf dieselbe Weise verwenden werden. Im Folgenden konzentrieren wir uns auf die wichtigsten messtechnischen Parameter:

Signalversatz

Signaloffset ist der Fehler des Sensors beim Mindestdruck (Abbildung 2 zeigt den Signaloffset für einen Drucksensor mit einem Bereich von 0 bis 1000 mbar und einem Ausgang von 0 bis 5 V). Aus praktischer Sicht ist es wichtig zu wissen, ob der Sensoroffset angepasst werden kann („Nullstellen zurücksetzen“), da viele Sensoren mit der Zeit abwandern könnten und die Fähigkeit wünschenswert wäre, „Nullstellen zurückzusetzen“.

Zusammen mit der Offset-Einstellung können viele Sensoren die Spanne einstellen (Ausgabe bei maximalem Druck minus Ausgabe bei minimalem Druck), was auch dazu beiträgt, die Drift mit der Zeit zu korrigieren. Das Messen und Zurücksetzen solcher Offsets erfordert einen Kalibrierungs- und Wartungsplan, um sicherzustellen, dass die Leistung innerhalb der erforderlichen Grenzen bleibt.

Manometer Drucksensor 0-1000 mbar. Druckmessung

Abbildung 2: Offset des Drucksensors

Empfindlichkeit

Die Sensorempfindlichkeit ist das Verhältnis von Ausgangssignaländerung und Druckänderung. Betrachten wir die obige Grafik, in der sich die Ausgabe um 5 V ändert, während sich der Druck um 1000 mbar ändert, dann beträgt die Empfindlichkeit 5 mV / mbar. Dies ist ein wichtiger Parameter für die Art und Weise, in der wir das Signal in der Anwendung verwenden und bestimmen, wie die Sensorleistung durch elektrisches Rauschen beeinflusst wird.

Präzision

Präzision bezeichnet im Allgemeinen das Verhalten von Sensoren in Bezug auf Wiederholbarkeit, Linearitätsfehler und Signalhysterese. Traditionell haben einige Hersteller den Begriff „Genauigkeit“ verwendet, um diesen Parameter zu beschreiben.

Als Faustregel gilt jedoch, dass unabhängig vom Namen dieses Parameters der beste Ansatz darin besteht, seine Bestandteile zu verstehen. Präzision als Parameter sagt uns nicht, wie genau wir den Druck messen, sondern wie sich die Sensoren selbst verhalten. Zum Beispiel - ist es wiederholbar? ist es linear? Gibt es eine Druck- oder Temperaturhysterese?

Wiederholbarkeit ist die Übereinstimmung zwischen den Ergebnissen aufeinanderfolgender Messungen desselben Drucks, die unter denselben Messbedingungen in einem relativ kurzen Zeitraum durchgeführt wurden. Oft wird die Wiederholbarkeit als Standardabweichung der wiederholten Messungen oder der Amplitude (Maximum - Minimum) bestimmt.

Der Linearitätsfehler wird als Differenz zwischen dem vom Sensor gemessenen Wert und der theoretischen Linie (die entweder als BSL-bester Geraden-Fit oder TSL-terminaler Geraden-Fit bestimmt wird) bestimmt, wobei das lineare Verhalten des Sensors vorausgesetzt wird. Abbildung 3 stellt den Linearitätsfehler für einen BSL-Fall dar und zur Charakterisierung der Sensoren wird der maximale Fehler gewählt (als Worst-Case-Szenario).

Manometer Drucksensor 0-2000 mbar. Druckmessung

Abbildung 3: Linearitätsfehler des Drucksensors

Der Druck- oder Temperatur-Hysteresefehler ist die Differenz zwischen zwei getrennten Messungen, die am selben Punkt durchgeführt wurden, wobei jedoch eine ansteigt und eine abfällt. Die Größe der Hysterese hängt sowohl von der Drucksensortechnologie als auch vom physikalischen Aufbau des Sensors ab.

Absolutdrucksensor 0-100 mbar. Druckmessung

Abbildung 4: Druckhysteresefehler


GeneralDie oben beschriebenen 3-Parameter sind in einer Spezifikation enthalten, in der die zulässigen Genauigkeitsgrenzen festgelegt sind (Beispiel: Die Genauigkeit beträgt +/- 0.1% des Skalenendwerts).

Genauigkeit

Die Genauigkeit sollte mit dem angegebenen Messfehler in Verbindung gebracht werden, einschließlich der Auswirkungen von systematischen Fehlern, Zufallsfehlern und Abweichungen (in Fällen, in denen die Genauigkeit über einen bestimmten Zeitraum angegeben wird). Die Genauigkeit eines Drucksensors oder einer Messung wird als Teil der Messunsicherheitsbewertung erhalten und umfasst viele Faktoren, einschließlich der Unsicherheiten, der Genauigkeit usw. des Standards und / oder des Prüflings. Bewertung der Mess- / Kalibrierungsunsicherheit erfordert Fachwissen, daher konzentrieren wir uns hier auf die Interpretation der Genauigkeit.

Mit jeder Messung sollte die Messunsicherheit verbunden sein (entweder durch eine Genauigkeitsangabe im Datenblatt oder durch eine Unsicherheit in einem Kalibrierungszertifikat). Meistens wird die Genauigkeit als erweiterte Unsicherheit bewertet, wobei angenommen wird, dass sie einer Normalverteilung und dem Erfassungsfaktor = 2 folgt. In einfachen Worten wie im folgenden Beispiel: Der wahre Wert der gemessenen Größe x wird mit einer Wahrscheinlichkeit von 95% innerhalb des Bereichs (xU, x + U) gefunden.

Druckmessung

Abbildung 5: Genauigkeitsdarstellung für einen Druckwert X


Beim Vergleich der Genauigkeit mit der Genauigkeit eines Drucksensors: Die Genauigkeit gibt an, wie sich der Sensor verhält, während die Genauigkeit (einschließlich der Genauigkeitsfaktoren) angibt, wie genau unsere Messung ist oder welche Grenzen den wahren Wert der Messung enthalten.

Langzeitstabilität (Drift)

Die Langzeitstabilität eines Instruments wird häufig durch seine entgegengesetzte Größe angegeben - nämlich die Langzeitdrift gemäß den folgenden Definitionen:

  • Die Stabilität eines Messgerätes ist die Eigenschaft eines Messgerätes, wobei dessen messtechnische Eigenschaften zeitlich konstant bleiben
  • Instrumentendrift ist die kontinuierliche oder inkrementelle Änderung der Anzeige im Zeitverlauf aufgrund von Änderungen der messtechnischen Eigenschaften eines Messgeräts

Die meiste Zeit folgt die Drift eines Instruments einem bestimmten mathematischen Modell über die Zeit, aber aufgrund der Variation von Teil zu Teil für ein bestimmtes Modell wird die Drift als Toleranzbereich ausgedrückt, also D = + / - 10 Pa Sie sollte in die Gesamtgenauigkeit des Instruments einbezogen werden.

Im Allgemeinen weist der Drucksensor im Laufe der Zeit eine gewisse Drift auf. Daher ist es wichtig, dass die Systeme so ausgelegt sind, dass sie sowohl für die Offset- als auch für die Span-Drift angepasst werden können und dass ein Kalibrierungs- und Wartungsprogramm angewendet wird.

Einflussgrößen

Einflussgrößen sind alle externen (dh nicht in der Eingabe / Ausgabe enthaltenen) Größen, die die Leistung eines Drucksensors beeinflussen können. Meist geben die Drucksensorhersteller den Bereich für die Einflussgröße und deren Auswirkung auf die messtechnischen Eigenschaften des Sensors an.

Der Einfluss externer Faktoren wird meist als Toleranzbereich angegeben, der bei der Bewertung der Gerätegenauigkeit berücksichtigt werden sollte. Wenn zum Beispiel der Temperatureffekt für einen Drucksensor berücksichtigt wird, wird die Einflussgröße (Temperatur) -10 bis + 50 ° C definiert und dann wird ihr Effekt als Toleranzbereich ± 0.75% des Skalenendwerts definiert.

Die Einflussgrößen und ihre Auswirkung sollten vom Hersteller über seine Datenblätter angegeben werden. Sie unterscheiden sich je nach Messgröße und Sensortyp. Die häufigsten Einflussgrößen sind: Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Luftdruck, elektromagnetische Felder, Vibrationen. Lärm.

Ausgehend von der Anwendung sollten die angegebenen Spezifikationen für die Beeinflussung von Größen genau geprüft werden, da in einigen Fällen die induzierten Effekte viel größer sind als die behauptete Präzision und / oder Genauigkeit.

Kalibrierung von Drucksensoren

In der Vergangenheit wurden Drucksensoren aus dem System entnommen, in das sie in einem messtechnischen Labor eingebaut und kalibriert wurden. Dies ist jedoch mit Kosten verbunden, da entweder Ersatzsensoren installiert werden müssen, um Ausfallzeiten zu vermeiden, oder das System einfach stoppt und die Anlage herunterfällt, bis die Sensoren von der Kalibrierung / dem Testen zurückgegeben werden.

In der heutigen Zeit werden die meisten Sensoren „vor Ort“ mit Hilfe von Druckkalibratoren kalibriert, von denen einige gleichzeitig den Druck und den Ausgang (in mV, V, mA usw.) erzeugen und messen können. Viele der Kalibratoren können auch die Kalibrierungsunsicherheit (oft als „Genauigkeit“ bezeichnet) auswerten und die Daten automatisch über ein Datenverwaltungssystem speichern / übertragen.

Es ist immer ratsam, über ein solches System zu verfügen, da alle Kalibrierungsdaten sicher aufbewahrt werden. Dies erleichtert die Verwaltung der Assets, reduziert Fehler bei der Berichterstellung und trägt zur Einhaltung der ISO-Zertifizierungen bei.

Die Kalibrierungsmethode ist eine direkte Methode. Neben den Funktionsprüfungen, die vor der Auswahl durchgeführt werden müssen (Auswahl der richtigen Armaturen für die Druckanschlüsse, Gewährleistung eines leckagefreien Systems, Sicherheitsvorkehrungen usw.), sollte der Kalibrator als ausgewählt werden Faustregel: 4-mal genauer als der kalibrierte Sensor.

tragbarer Kalibrator. Druckmessung

Abbildung 6: Fernkalibrierung eines Drucksensors mithilfe eines modularen Kalibrators

Auswahl des richtigen Sensors für die Anwendung

Bei der Auswahl des richtigen Sensors für eine Anwendung geht es darum, die Anforderungen der Anwendung an den jeweiligen Parameter anzupassen, an dem der Benutzer interessiert ist.

Beispielsweise ist in einer Dichtheitsprüfungsanwendung die absolute Genauigkeit eine sekundäre Überlegung zum Geräusch. Ob sich der Messwert geändert hat, ist entscheidend. Wenn der Sensor den 10-Balken als 9-Balken falsch interpretiert, sind die Konsequenzen nicht gravierend, da eine hohe Auflösung von größerer Bedeutung ist, um eine kleine Druckänderung zu erkennen.

Als weiteres Beispiel in einem Regelkreis ist die Reaktionsgeschwindigkeit kritisch. Wenn der Sensor den in der Vergangenheit vorhandenen Druck 100 ms ausgibt, ist es sehr schwierig, einen dynamischen Prozess zu optimieren.

Natürlich gibt es einige Anwendungen, z. B. die Übertragung von Steuern und die Abgabe einer Gasmenge an einen Prozess, bei dem die Gesamtgenauigkeit der wichtigste Faktor ist. Es gibt eine 1: 1-Beziehung zwischen dem Druckfehler und dem Fehler auf der Masse, oder anders ausgedrückt, ein 1% -Fehler in der Druckanzeige ist ein 1% -Fehler in der Rechnung.

In dieser Situation ist es wichtig, nicht nur die Überschrift „Genauigkeit“ zu berücksichtigen, sondern auch die Leistung über den Betriebstemperaturbereich und anschließend die Stabilitätszahl, um einen Neukalibrierungszeitraum festzulegen, um die Gesamtgenauigkeit jederzeit aufrechtzuerhalten .

Hersteller neigen dazu, ihre Fach- und Marketingliteratur so detailliert wie möglich zu gestalten, müssen jedoch die Informationsmenge so ausgleichen, dass die Informationen leicht zugänglich und verständlich sind.

Für eine höhere Sicherheit hinsichtlich der bestmöglichen Anpassung der Anforderungen an eine bestimmte Anwendung ist es häufig erforderlich, das Designteam eines Drucksensorlieferanten zu beauftragen, und in einigen kritischen Fällen ist es möglich, eine Partnerschaft einzugehen, um eine kundenspezifische Lösung für eine bestimmte Anwendung zu entwerfen .

Prozessindustrie Informer

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