EUR | USD

Gebruik media-geïsoleerde druksensors om de betrouwbaarheid te vergroten

Bijgedragen door De Noord-Amerikaanse redacteurs van Digi-Key

Ontwerpers van industriële en commerciële processen met een gesloten kringloop, zoals verwarming, ventilatie, airconditioning en koeling (HVAC/R) gebruiken elektromechanische druktransductors om de controle te verbeteren en de procesprestaties te verbeteren. Het probleem is dat de vloeistoffen en gassen die in deze systemen worden gebruikt, in combinatie met het brede scala aan temperaturen en drukken waarmee de systemen werken, de materialen van de drukomvormer kunnen aantasten, waardoor corrosie ontstaat die kan leiden tot lekken die de integriteit van de sensor in gevaar brengen.

Ontwerpers hebben behoefte aan een alternatieve technologie die de milieu-uitdagingen aankan en tegelijkertijd de vereiste nauwkeurigheid en betrouwbaarheid van de toepassing biedt.

Dit artikel beschrijft hoe strain gage-gebaseerde druktransductors werken voordat ze mediageïsoleerde druktransductors (MIP) van Honeywell introduceren. Deze zijn vervaardigd van roestvrij staal en hebben een hermetisch gelast ontwerp in plaats van de o-ring en de zelfklevende afdichtingen die vaak zwakheden blijken te zijn in typische sensors. In het artikel wordt vervolgens gekeken naar bronnen van meetfouten en hoe deze kunnen worden geminimaliseerd voordat wordt aangetoond hoe de transductors kunnen worden toegepast in een commercieel koelsysteem om de efficiëntie van het proces te verhogen.

Hoe een elektromechanische druktransductor werkt

Moderne druktransductor zijn gebaseerd op elektrische uitgangen en maken een einde aan oudere en wispelturige mechanische verbindingen en wijzerplaten. De belangrijkste voordelen van de huidige elektromechanische apparaten zijn betrouwbaarheid, precisie en de mogelijkheid om op afstand te worden bewaakt. Hun belangrijkste meettechnologie is gebaseerd op piëzo-elektrische materialen of op rekstrookjes. Piëzo-elektrische druktransductors zijn alleen geschikt voor dynamische drukmeting, terwijl rekstrookjes zowel voor dynamische als statische drukmeting kunnen worden gebruikt. Dit artikel zal zich richten op het laatste.

Spanningsmeters zijn elektrische circuits die van weerstand veranderen wanneer ze aan spanning worden blootgesteld, waarbij spanning de verhouding is tussen de verandering in lengte van een materiaal dat aan een kracht wordt blootgesteld en de onbelastbare lengte (aangeduid met "ε"). Het rekstrookje wordt meestal gecategoriseerd op basis van zijn "rekstrookje" (GF), wat een maat is voor zijn gevoeligheid voor de rek. Met andere woorden, GF is de verhouding tussen de fractionele verandering in elektrische weerstand en de fractionele verandering in lengte (of rek).

Bij gebruik wordt de druktransductor direct in het druksysteem geplaatst waar de vloeistof of het gas van het systeem een poort in de transductor binnenkomt en een diafragma verplaatst. Aan de bovenzijde van dit membraan wordt met behulp van een geschikte lijm een rekstrook bevestigd (Afbeelding 1).

Diagram van de op het membraan gemonteerde rekstrookAfbeelding 1: Een op het membraan gemonteerde rekstrook geschikt voor gebruik in een druktransductor. In dit voorbeeld is de werkelijke diameter van het rekstrookje 6,35 millimeter (mm). (Bron afbeelding: Micro Measurements))

Zelfs onder zeer hoge druk zal de verandering in de lengte van het rekstrookje waarschijnlijk niet meer zijn dan een paar "millistrain" (mε), wat op zijn beurt leidt tot een zeer kleine verandering in de weerstand. Stel dat een testexemplaar bijvoorbeeld een stam van 350 mε ondergaat. Onder deze belasting zal een rekstrook met een GF van 2 een verandering in de elektrische weerstand van 2 (350 x 10-6) = 0,07 procent vertonen. Voor een 350 ohm (Ω) gage zou de verandering in de weerstand slechts 0.245 Ω zijn.

Hoe de rekstrook te meten

Om dergelijke kleine veranderingen in de weerstand nauwkeurig te meten en tegelijkertijd de impact van het geluid te minimaliseren, is de rekstrook van de drukomvormer opgenomen in een poot van een Wheatstone-brug, een netwerk van vier weerstandsarmen met een bekrachtigingsspanning, E, die er overheen wordt aangebracht (figuur 2).

Afbeelding van het schema van de brug van WheatstoneAfbeelding 2: In dit brugdiagram van Wheatstone is de rekstrook opgenomen in één arm; RG is de rekstrookweerstand en RL1 en RL2 zijn de rekstrookdraadweerstanden; weerstanden R2, R3, en R4 zijn vaste, bekende waarden; eo is de uitgangsspanning en E de bekrachtigingsspanning. (Bron afbeelding: Micro Measurements)

De Wheatstone-brug is het elektrische equivalent van twee parallelle spanningsdelercircuits met RG (uitgaande van de weerstand van de draden RL1 en RL2 is te verwaarlozen) en R4 bestaande uit één spanningsdelercircuit, en R2 en R3 bestaande uit de tweede. De uitgang, eo, wordt gemeten tussen de middelste knooppunten van de twee spanningsdelers en kan worden berekend uit:

Vergelijking 1 Vergelijking 1

Uit vergelijking 1 blijkt dat wanneer RG/R4 = R3/R2, de uitgangsspanning, eo, nul is en de brug wordt geacht in balans te zijn. Elke verandering in de weerstand van het rekstrookje zal dan de brug uit balans brengen en een niet-nul eo proportioneel aan de rek opleveren. In een druktransductor wordt de uitgangsspanning van de membraan gemonteerde rekstrook "ratiometrisch" (lineair evenredig) met de voedingsspanning (excitatie), E, over het gehele drukbereik genoemd.

Temperatuurcompensatie

Een ontwerpuitdaging bij het gebruik van rekstrookjes is hun gevoeligheid voor temperatuureffecten. Temperatuurschommelingen kunnen offset- en overspanningsfouten veroorzaken en de hysteresis verhogen.

De rekstrook kan opwarmen door de bekrachtigingsspanning, E, maar dit kan in grote mate worden gemitigeerd door E laag te houden. Het nadeel is dat dit de gevoeligheid van het systeem verlaagt, maar de uitgangsspanning van de Wheatstone-brug, eo, kan desgewenst worden versterkt. Er moet echter speciale aandacht worden besteed aan het vermijden van het versterken van overmatig lawaai. Een oplossing is het gebruik van "draagfrequentie"-versterkers die de spanningsvariatie omzetten in een frequentievariatie en een smalle bandbreedte-uitgang gebruiken om de ruis laag te houden en elektromagnetische interferentie buiten de band (EMI) te verminderen.

Een tweede warmtebron komt van het membraan en het lichaam van de druktransductor zelf. Bij warme temperaturen zal het membraan uitzetten en de rekstrook een rek registreren die niet direct te wijten is aan de vloeistof- of gasdruk.

Om deze effecten te verzachten, bevatten moderne rekstrookjes temperatuurcompensatiemaatregelen. De rekstrookjes worden meestal vervaardigd uit een 55 procent koper/45 procent nikkellegering. Het materiaal heeft een zeer lage thermische uitzettingscoëfficiënt (CTE) die de door de temperatuur veroorzaakte belasting beperkt. Bovendien kan, door de CTE van de rekstrook zorgvuldig af te stemmen op die van het membraanmateriaal waaraan hij is bevestigd, een zekere "zelftemperatuurcompensatie" worden toegepast, waardoor de door de temperatuur veroorzaakte belasting wordt beperkt tot slechts enkele micrometers/meters/graden centigrade (μm/m/°C).

Een andere bron van temperatuur-geïnduceerde fout kan komen van de looddraden die de rekstrookspanningssignalen dragen. In de eerste bespreking van de brugkarakteristieken in bovenstaande Afbeelding 2 werd de weerstand van deze draden (RL1 en RL2) verwaarloosbaar geacht; maar als de looddraden van koper zijn gemaakt, dan kan een temperatuurstijging van 10 °C slechts enkele honderden microstrains (µε) rechtstreeks uit de draden een brugdeeltje veroorzaken. Een veel voorkomende techniek om deze offset te overwinnen is het gebruik van een drie-draads brug (Afbeelding 3).

Afbeelding van het schema van de brug van WheatstoneAfbeelding 3: In dit Wheatstone brugschakelschema wordt de negatieve uitgang van het elektrische knooppunt van de brug verplaatst van de bovenkant van R4 naar de onderkant van het rekstrookje aan het einde van RL2. Met looddraden RL1 en RL2 die dezelfde weerstand vormen, zal de brug in evenwicht zijn. De draad RL3 is alleen een spanningsgevoelige draad en heeft geen effect op het brugbalans. (Bron afbeelding: Micro Measurements)

In Afbeelding 3 is te zien dat de negatieve outputbrug elektrische knoop wordt verplaatst van de bovenkant van R4 naar de onderkant van het rekstrookje aan het einde van RL2. De draad RL1 en de rekstrook (RG) bestaan uit één arm, met RL2 en weerstand R4 die de aangrenzende arm vormen. Als de afleidingsdraden RL1 en RL2 dezelfde weerstand hebben, dan zijn de twee brugarmen gelijk in weerstand en is de brug in balans. De draad RL3 is alleen een spanningsgevoelige draad; hij staat niet in serie met een van de brugarmen en heeft geen effect op het brugbalans.

Als zowel RL1 en RL2 aan dezelfde temperatuurschommelingen onderhevig zijn, blijft de brug in balans. Bovendien, omdat slechts één looddraad in serie met het rekstrookje staat, wordt de temperatuursensitisatie door looddraad met de helft verminderd in vergelijking met een tweedraadsconfiguratie.

Naast het effect van de temperatuur op de uitgang van de druktransductor zijn er nog andere bronnen van fouten. Deze foutbronnen worden vaak verwezen naar de "ideale overdrachtsfunctie", die een rechte lijn is, onafhankelijk van de temperatuur, die door de ideale offset gaat met een helling gelijk aan de ideale full-scale span (FSS) over het bedrijfsdrukbereik. De offset is het uitgangssignaal dat wordt verkregen wanneer een referentiedruk wordt toegepast en FSS is het verschil tussen het uitgangssignaal dat wordt gemeten aan de boven- en ondergrens van het bedrijfsdrukbereik (Afbeelding 4).

Diagram van de ideale overdrachtsfunctie van de druktransductorAfbeelding 4: De ideale overdrachtsfunctie van een druktransductor is een rechte lijn, onafhankelijk van de temperatuur, die door de ideale offset gaat met een helling gelijk aan de ideale FSS over het werkdrukbereik. (Bron afbeelding: Honeywell)

Druktransductors van lagere kwaliteit kunnen bij het verlaten van de fabriek onderhevig zijn aan relatief grote offset- en FSS-fouten. De offsetfout is de maximale drukafwijking ten opzichte van de ideale offset, terwijl de FSS-fout de maximale afwijking is in de gemeten FSS bij referentietemperatuur ten opzichte van de ideale (of doel)FSS zoals bepaald vanuit de ideale overdrachtsfunctie.

Verdere fouten komen voort uit de nauwkeurigheid van de druktransductor zelf, die onderhevig kan zijn aan niet-lineariteit van de druk, drukhysterese en niet-herhaalbaarheid. De combinatie van thermisch geïnduceerde fouten, onnauwkeurigheden van de transductor en offset- en FSS-fouten bepalen de totale foutband (TEB) van de druktransductor. TEB is de maximale afwijking in vermogen van de ideale overdrachtsfunctie over het gehele gecompenseerde temperatuur- en drukbereik (Afbeelding 5).

Diagram van foutbronnen voor een druktransductorAfbeelding 5: De foutbronnen voor een druktransductor tellen op tot de TEB. (Bron afbeelding: Honeywell)

Zware druktransductors

Druktransductors die in industriële toepassingen worden gebruikt, worden blootgesteld aan corrosieve vloeistoffen en gassen en aan grote temperatuurschommelingen. De transductors die in een HVAC/R-toepassing worden gebruikt, worden bijvoorbeeld blootgesteld aan koelmiddelen zoals butaan, propaan, ammoniak, CO2, glycol plus water, of een reeks synthetische fluorkoolwaterstofkoelmiddelen zoals R134A, R407C, R410A, R448A, R32, R1234ze of R1234yf. Ook de temperaturen in industriële HVAC/R-systemen overspannen het industriële temperatuurbereik van -40 tot +85 °C of zelfs hoger.

Veel lage tot middelhoge drukomzetters zijn vervaardigd uit legeringen zoals messing en gebruiken o-ringen en lijmen om de elektronica van de sensor af te dichten van de vloeistoffen en gassen die het membraan raken. Bij gebruik met bijtende stoffen kunnen de afdichtingen een zwakte bewijzen en beginnen te lekken. Dergelijke lekken kunnen in het begin onopgemerkt blijven, wat leidt tot valse metingen en een slechte systeemcontrole. Uiteindelijk leiden de lekken tot uitval als de elektronica wordt blootgesteld aan de corrosieve vloeistoffen of gassen.

Om deze mogelijke storingsmodi te vermijden, kunnen ontwerpers gebruik maken van Honeywell's MIP Series van druktransductors. Deze zware, mediageïsoleerde druktransductors elimineren de interne o-ring en de zelfklevende afdichtingen. De transductors zijn vervaardigd uit roestvrij staal en hebben een hermetisch gelaste constructie in plaats van een o-ring afdichting. Het ontwerp maakt de MIP-sensors compatibel met een breed scala aan media, waaronder agressieve vloeistoffen, water en gassen, over een temperatuurbereik van -40 tot 125 °C en een druk van 100 kilopascal (kPa) tot 6 megapascal (mPa) (Afbeelding 6).

Afbeelding van Honeywell's MIP-serie druktransductorsAfbeelding 6: De MIP-serie druktransductors van Honeywell zijn gemaakt van roestvrij staal en maken gebruik van een hermetisch gelast ontwerp dat de noodzaak van afdichtingen overbodig maakt. Het ontwerp maakt de sensors compatibel met een breed scala aan media, waaronder agressieve vloeistoffen, water en gassen. (Bron afbeelding: Honeywell)

De MIP-serie werkt met een 5 volt voeding en biedt een ratiometrische uitgang over een 0,5 tot 4,5 volt DC-bereik. TEB over het gehele temperatuurbereik van de druktransductors is ±1,0 procent voor druk ≤1 MPa en 0,75 procent voor druk >1 MPa. De nauwkeurigheid van de transductor is ±0,15 procent FSS (best passende rechte lijn (BFSL)). (Figuur 7), en het heeft een responstijd van 1 milliseconde (ms) en een barstclassificatie van meer dan 20 MPa.

Grafiek van Honeywell MIP-serie druktransductorsAfbeelding 7: De MIP-serie druktransductors werken vanuit een 5 volt voeding en leveren een ratiometrische uitgang over een 0,5 tot 4,5 volt DC-bereik. TEB over het gehele temperatuurbereik van de druktransductor is ±1,0 procent voor druk ≤1 MPa en 0,75 procent voor druk >1 MPa. (Bron afbeelding: Honeywell)

Daarnaast beschikt de serie over ±40 volt DC overspanningsbeveiliging en sensoruitgangsdiagnose bij een elektrische storing (Tabel 1).

Tabel van Honeywell MIP-serie druktransductor operationele kenmerkenTabel 1: MIP-serie druktransductor werkingskarakteristieken. (Bron afbeelding: Honeywell)

Druktransductor in HVAC-toepassingen

Druktransductors spelen een belangrijke rol in toepassingen zoals HVAC-systemen door een nauwkeurige regeling mogelijk te maken om de efficiëntie te maximaliseren en tegelijkertijd het energieverbruik te verlagen. Denk bijvoorbeeld aan de HVAC/R-cyclus die door een industriële koelinstallatie wordt gebruikt (Afbeelding 8).

Afbeelding van het schema met de HVAC/R-cyclusAfbeelding 8: Diagram met HVAC/R-cyclus. Heavy-duty druktransductors aan de compressor- en verdamperuitlaten kunnen worden gebruikt om de koudemiddeldruk te controleren om optimale koelmiddel-faseveranderingen te garanderen en op hun beurt de efficiëntie van de cyclus te bepalen. (Bron afbeelding: Honeywell)

In de compressortrap wordt de lagedrukdamp uit de verdamper samengeperst (waardoor er verwarming ontstaat) en naar de condensor gepompt. Bij de condensor geeft de hoge temperatuurdamp zijn latente warmte af aan de lucht en condenseert tot een hete vloeistof. Een droger verwijdert dan eventueel water uit het koelmiddel. Vervolgens wordt de hete vloeistof uit de condensor bij het doseerapparaat door een stromingsbeperking geduwd die de druk ervan vermindert, waardoor het koudemiddel gedwongen wordt om warmte af te staan. Vervolgens neemt deze koude vloeistof in de verdamper de warmte van de retourluchtstroom van de condensator op en verandert in een damp. Deze damp blijft warmte absorberen tot aan de compressor, waar de cyclus zich herhaalt. De koele lucht uit de verdamper wordt gebruikt om de temperatuur van de koelcontainer te verlagen.

De koelcyclus werkt omdat, als het koudemiddel verandert van vloeistof naar damp en weer terug, er een grote hoeveelheid latente energie vrijkomt of wordt gewonnen. Om efficiënt en effectief te kunnen werken, moet de druk in de verschillende onderdelen van het systeem zorgvuldig worden bewaakt en gecontroleerd. Dit is met name het geval wanneer het koudemiddel de vloeistof-naar-damp/damp-naar-vloeistof fase verandert. Zo verandert het koudemiddel onder lage druk van een vloeistof in een gas en neemt het latente energie (warmte) op bij een lagere temperatuur dan anders het geval zou zijn. Onder hoge druk verandert het koelgas van een gas in een vloeistof bij hogere temperaturen dan anders het geval zou zijn, waardoor latente energie (warmte) vrijkomt.

Door de druk aan de uitgang van de compressor en de verdamper te controleren, kunnen de compressor en het doseerapparaat zo worden ingesteld dat het debiet (en dus de druk) in het lage- en het hogedrukgedeelte van de cyclus nauwkeurig wordt geregeld en dat de temperatuur van de koudemiddelfase verandert om het rendement van het systeem te maximaliseren.

Conclusie

Spanningsdruktransductors bieden een goede oplossing voor drukmeting in industriële processen, maar ontwerpers van systemen die waarschijnlijk worden blootgesteld aan milieu-extremen moeten zich bewust zijn van de beperkingen van modellen die gebruik maken van o-ringen en kleefstoffen.

Ontworpen voor toepassingen die dergelijke extremen kunnen ervaren, gebruiken de MIP-serie druktransductors van Honeywell roestvrijstalen fabricage en een hermetisch gelast ontwerp. De constructie maakt de MIP-sensors compatibel met een breed scala aan industriële vloeistoffen en gassen en zorgt voor een lange levensduur, zelfs bij hoge temperaturen en drukken. De Honeywell-druktransductors bieden ook een hoge precisie, snelle respons, goede stabiliteit op lange termijn en een uitstekende EMI-immuniteit.

Disclaimer: The opinions, beliefs, and viewpoints expressed by the various authors and/or forum participants on this website do not necessarily reflect the opinions, beliefs, and viewpoints of Digi-Key Electronics or official policies of Digi-Key Electronics.

Over deze uitgever

De Noord-Amerikaanse redacteurs van Digi-Key