Basınç sensörü nasıl çalışır?
Basınç sensörü, doğru basınç ölçümü için gereklidir. Baumer basınç sensörleri dirençli ve piezorezistif basınç ölçümüne dayanır. Elektrik direncindeki değişiklikler ölçülür ve elektrik sinyaline dönüştürülür. Bu, basınca bağlı olarak elektrik direnci değişen metal, seramik veya piezorezistif bir malzemeye dayanır.
Basınç ölçümü, proses teknolojisinde makineleri ve sistemleri izlemek ve kontrol etmek için en önemli ve yaygın kullanılan teknolojilerden biridir. Baumer, geniş bir uygulama yelpazesi için kapsamlı bir basınç sensörü portföyü sunar.
Mutlak, bağıl ve diferansiyel basınç
Mutlak:
- Vakuma göre basınç ölçümü
- Bağıl kompanzasyonsuz sızdırmaz sensör
- Örneğin buhar basıncı gibi mutlak basınca göre fiziksel süreçlerin izlenmesi veya kontrolü
Bağıl:
- Atmosferik basınca göre basınç ölçümü
- Bağıl kompanzasyonlu sensör
- "Açık" sensör, çevresinden etkilenir
- Çevre koşullarına göre fiziksel süreçlerin izlenmesi veya kontrolü
- Örneğin alt basınç: İş parçası tutma için vakum süreci
- Örneğin üst basınç: Havalandırmalı tanklarda hidrostatik seviye ölçümü
Birleşik:
- Negatiften pozitife kadar ölçülen gösterge veya diferansiyel basınç ölçümü
Diferansiyel:
- İki basınç arasındaki farkın ölçülmesi
Baumer basınç sensörleri temel olarak iki farklı basınç ölçüm yöntemiyle çalışır. Sensörün kullanılacağı amaca göre yöntem seçilir.
Dirençli Basınç Ölçümü
İnce bir metal veya seramik membranın deformasyonu elektriksel direncin değişmesine yol açar. Basınç metal şeridi gerdiğinde, şerit uzar ve direnci artar. Şerit sıkıştırıldığında ise, kesit alanı artar ve direnci azalır. Bu direnç değişimi elektriksel sinyal olarak kaydedilir ve basınca dönüştürülür.
Piezorezistif Basınç Ölçümü:
Bu prensip de malzemenin deformasyonuyla elektriksel direncin değişmesine dayanır ancak piezorezistif malzeme kullanır. Bu malzeme, deformasyon sırasında oluşan mekanik gerilimin, elektriksel iletkenlikte değişime neden olma özelliğine sahiptir. Direnç değişimi dirençli basınç ölçümüne göre daha büyüktür.
Bunlara ek olarak, piezoelektrik, kapasitif ve indüktif basınç sensörleri, vakum basınç sensörleri, frekans analog basınç sensörleri ve Hall elemanlı basınç sensörleri de bulunmaktadır.
Basınç Sensörü Teknolojisi
Yarı İletken Silikon Sensör, Endüstriyel Bağlantı (piezorezistif basınç ölçümü)
Yarı iletken malzemelerde, özgül direncin değişimi ve dolayısıyla sinyal, kristal yapıdaki elektronların değişken hareketliliğinden kaynaklanır. Bu hareketlilik, mekanik yük tarafından etkilenir. Hassas silikon çip ve proses ortamı, paslanmaz çelik membran (kapsül) ile ayrılır. Uygulamaya bağlı olarak, iç basınç iletimi için parafin veya silikon yağı kullanılır.
Ön Yüzü Düz Silikon Yarı İletken Sensör (piezorezistif basınç ölçümü)
Yarı iletken malzemelerde, özgül direncin değişimi ve dolayısıyla sinyal, kristal yapıdaki elektronların değişken hareketliliğinden kaynaklanır. Bu hareketlilik, mekanik yük tarafından etkilenir. Hassas silikon çip ve proses ortamı, paslanmaz çelik membran (kapsül) ile ayrılır. Uygulamaya bağlı olarak, iç basınç iletimi için parafin veya silikon yağı kullanılır.
Piezorezistif silikon teknolojisine sahip vericiler, yüksek ölçüm doğruluğu ve uzun vadeli stabiliteleri ile öne çıkar. Tamamen kaynaklı muhafazaları sayesinde dayanıklıdırlar ve potansiyel olarak patlayıcı alanlarda (ATEX) kullanılabilirler. Özellikle 0.5 m yükseklikten hidrostatik seviye ölçümleri gibi küçük ölçüm aralıkları için uygundurlar.
Seramik kalın film sensörü, monolit (dirençli basınç ölçümü), örneğin CTX/CTL
Temel gövde, arka yüzeyine dirençlerin basıldığı bir seramik monolittir. Bu yüzeye, referans basınç olarak ortam hava basıncı etki eder. Bu nedenle, esas olarak yalnızca relatif basınç ölçümü mümkündür. Seramik ölçüm hücreleri, iyi uzun vadeli stabilite ve korozyon direnci ile öne çıkar. Seramik proses bağlantısına kaynaklanamadığı için, ortam ayrımı için sızdırmazlık gereklidir. Seramik kalın film teknolojisinde dört direnç, Wheatstone köprüsü oluşturacak şekilde birleştirilmiştir. Basınç uygulandığında, diyaframın ortasında en yüksek gerilime, kenar bölgelerinde ise en büyük sıkışmaya maruz kalır. Seramik hücrelerde, ölçüm membranı aynı zamanda ortamdan ayıran membran işlevi görür. İç iletim sıvısı gerekmez.
Seramik kalın film sensörü (dirençli basınç ölçümü), örneğin PBSN
Ölçüm filmi, ince bir seramik membran disk ile seramik bir temel gövde arasındadır. Membranın bükülmesi için gereken boşluk, özel olarak oluşturulan bir boşlukla sağlanır. Bu hacim, ortam basıncı ile havalandırılabilir veya vakumlanabilir, böylece relatif veya mutlak basınç ölçümü yapılabilir. Seramik ölçüm hücreleri, iyi uzun vadeli stabilite ve korozyon direnci ile öne çıkar. Seramik proses bağlantısına kaynaklanamadığı için, ortam ayrımı için sızdırmazlık gereklidir. Seramik kalın film teknolojisinde dört direnç, Wheatstone köprüsü oluşturacak şekilde birleştirilmiştir. İnce film hücrelerinde, ölçüm membranı aynı zamanda ortamdan ayıran membran işlevi görür. İç iletim sıvısı gerekmez.
Metal ince film sensörü (dirençli basınç ölçümü)
Temel gövde paslanmaz çelikten yapılmıştır. Direnç yapısı fotolitografi ile üretilir. İnce film ölçüm hücreleri, basınç zirvelerine ve patlama basıncına karşı mükemmel dirençleriyle öne çıkar. Metal ince film teknolojisinde dört direnç, Wheatstone köprüsü oluşturacak şekilde birleştirilmiştir. Basınç uygulandığında, dirençler membranın merkezinde en yüksek gerilime ve kenar bölgesinde en güçlü sıkışmaya maruz kalır. İnce film hücrelerinde, ölçüm membranı aynı zamanda ortamdan ayırıcı membran olarak işlev görür. İç iletim sıvısı gerekmez. Genellikle, relatif basınç ölçümü için kullanılır çünkü membranın arkasında vakum oluşturmak yapısal olarak zorludur.
Gaz uygulamalarına uygunluk
Sterilizasyon süreçlerinde basınç
Cihazları ve ekipmanları sterilize etmek için sıcak buhar kullanılır. Küçük elemanlar, örneğin sensörler (PBMH otoklavlanabilir), uygun bir odada (otoklavda) sterilize edilebilir. Daha büyük sistemlerde ise, sıcak buhar sistemden geçirilerek "Yerinde Sterilizasyon" (SIP) gerçekleştirilir. Bu nedenle, bir sensörün dayanıklı olacak şekilde tasarlanması gerekir, ancak genellikle sterilizasyon sürecinde sinyal iletimi yapılmaz. Sensör, ilgili süre boyunca mevcut sıcaklık ve basınca dayanabilmelidir (örneğin, 134 °C'de 3 bar üzerinde 30 dakika). Fiziksel olarak, basınç ve sıcaklık birbirine doğrudan bağlıdır ve bu, doymuş buhar eğrisinde gösterilmiştir.
Baumer PBMx ve PFMx basınç sensörleri, sterilizasyon sürecini kontrol etmek için idealdir. Bu sensörler, sıcaklıktaki hızlı değişimlerde bile doğru değerler sağlar ve böylece basıncı izleyerek süreci güvenilir bir şekilde kontrol ederler. Bu, ilgili sıcaklığa ulaşılmasını sağlar.
Terminoloji ve ilişkilerin açıklaması
- Hassasiyet: Bu, tek bir ölçümün, birçok ölçümün ortalamasından sapmasını tanımlar ve yayılma dairesi olarak yorumlanabilir. Yüksek hassasiyet: küçük yayılma dairesi, düşük hassasiyet: büyük yayılma dairesi.
- Doğruluk: Bu, birçok ölçümün ortalama değerinin gerçek değerden olan uzaklığını (ofset) tanımlar. Yüksek doğruluk: küçük ofset, düşük doğruluk: büyük ofset.
- Ölçümün standart hatası: Bu bilgi, en uygun düz çizgi (BFSL) ile elde edilir ve hassasiyeti (yayılma dairesi) tanımlar.
- Maksimum ölçüm hatası: Bu, ölçümün standart hatasını ve bir sensörün ofsetini içerir.
Sıcaklık bağımlılığı
Uygulama, referans sıcaklıktan (örneğin 20 °C) sapabilir, bu nedenle standart veya maksimum ölçüm hatası farklı şekilde ele alınmalıdır.
- "Referans Sıcaklık Katsayısı" (TC sıfır noktası), sıfır noktasının sıcaklık bağımlılığını ve dolayısıyla doğruluğa olan etkisini tanımlar.
- "Ölçüm Aralığı Sıcaklık Katsayısı" (TC aralık), ölçüm aralığının sıcaklık bağımlılığını ve dolayısıyla hassasiyete olan etkisini, yani standart ölçüm hatasını tanımlar.
- TC sıfır noktası ve TC aralığı birlikte, maksimum ölçüm hatasının sıcaklık bağımlılığını tanımlar.
Maksimum ölçüm hatasının sıcaklık bağımlılığı
Çoğu durumda, çalışma sıcaklığı referans sıcaklıktan (örneğin 20 °C) saparsa, başlangıç doğruluğu düşük ancak sıcaklığa daha dayanıklı bir sensör, başlangıç doğruluğu yüksek ancak daha az kararlı bir sensörden tercih edilmelidir.
Hata Göstergesi
Baumer, "maksimum hata göstergesi"ni belirtir, yani istatistiksel olarak, sensörlerin %99,7'si spesifikasyona uyar. Bazı rakipler ise "tipik hata göstergesi"ni belirtir, bu durumda ürünlerin %32'si spesifikasyona uymaz.
Birim Dönüşümleri
