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Um mundo sob pressão: medições de pressão para indústrias de processo

Introdução

A pressão é o segundo parâmetro mais medido após a temperatura nas indústrias de processo. Muitas vezes, é importante medir com precisão para controlar a qualidade do produto final e controlar rapidamente os processos dinâmicos.

Outras considerações importantes são os ambientes desafiadores de muitas aplicações, os requisitos de segurança de uso em atmosferas explosivas e o custo de manutenção de registros de calibração. A escolha de produtos de medição de pressão adequados pode ser assustadora.

Este artigo considera as diferentes tecnologias que estão disponíveis e as vantagens que cada uma traz, bem como como essas vantagens de desempenho são adequadas para determinadas aplicações.

neculai moisoi

Metrologista Sênior, Druck

ian abb

Gerente de Produto Industrial, Druck

Neste artigo, os usos típicos dos sensores de pressão nas indústrias de processo e os desafios enfrentados pelos usuários também serão descritos.

Tipos fundamentais de sensores de pressão

A indústria de sensores de pressão sofreu um rápido desenvolvimento após a invenção inicial em 1938 dos strain gages usados ​​por EE Simmons, do Instituto de Tecnologia da Califórnia e AC Ruge, do Massachusetts Institute of Technology. Enquanto muitos fatores de forma estão disponíveis, uma aparência genérica de um sensor de pressão é apresentada abaixo.

Medição de pressão

Figura 1: Um sensor de pressão genérico com um diafragma de isolamento

Tipos por princípio de detecção

Os sensores piezo-resistivos são o tipo de sensores mais utilizado, devido à variedade de aplicações que se adequam a altos níveis de precisão e à sua construção normalmente robusta.

A maioria dos sensores piezo-resistivos é baseada em uma ponte de Wheatstone sobre um substrato de silício, onde cada resistor na ponte muda seu valor com a tensão / pressão aplicada e então este sinal pode ser modificado em uma variedade de saídas elétricas.

Existem poucas aplicações onde são necessários parâmetros que estão fora das capacidades dos sensores piezo-resistivos, no entanto, para a maioria das aplicações industriais, os sensores piezo resistivos são a escolha preferida.

Os sensores capacitivos também vêm em uma grande variedade de formas e formas, com formas geralmente muito simples, onde um diafragma fino é uma placa de um capacitor e a pressão aplicada causará a deformação / movimento elástico do diafragma e, portanto, uma alteração na capacidade elétrica .

Devido à sua alta sensibilidade, eles fazem bons sensores para medição de pressão menor que 20 mbar (20 hPa), mas deve-se ter cuidado, pois eles são tipicamente sensíveis a vibrações e choques.

Os sensores indutivos têm uma abordagem semelhante aos sensores capacitivos, onde uma cápsula sensora (elástica) está movendo um elemento central dentro de um transformador diferencial variável linear, portanto a mudança na indução é proporcional à pressão aplicada.

Uma grande variedade de cápsulas sensoriais pode ser usada com sensores indutivos; o que significa que eles podem ser usados ​​para diferentes faixas, mas deve-se tomar cuidado com ruídos elétricos e / ou choques e vibrações.

Os transdutores de pressão ressonante são alguns dos sensores baseados em silício mais precisos no mercado e o princípio de funcionamento é baseado na mudança na frequência de um ressonador à medida que o estresse é aplicado a ele, geralmente através de um diafragma de silício conectado às extremidades do ressonador.

Eles são geralmente sensores robustos e vêm em diferentes fatores de forma com vários graus de proteção contra os fatores ambientais. No entanto, seu princípio mecânico poderia torná-los vulneráveis ​​a ondas mecânicas, especialmente se essas ondas mecânicas ativassem diferentes modos de freqüência do ressonador.

Tipos por saída

Os dois principais tipos de sensores de pressão são a saída de quantidades contínuas ou a saída digital (discreta).

Os tipos contínuos são mV, V, mA e Hz) e cada tipo tem suas próprias vantagens e desvantagens. Com isso em mente, cada um deve ser escolhido com base na aplicação e no ambiente. Por exemplo, uma saída mV é desejável se o sinal tiver que ser modificado em um aplicativo sob medida, sem a necessidade de enviá-lo para longas distâncias, enquanto uma saída V ou saída mA pode ser enviada a distâncias relativamente longas, já que é menos provável para ser afetado pelo ambiente operacional do que uma saída mV.

Os sensores de pressão de saída digital estão se tornando mais populares, pois podem ser facilmente integrados em sistemas computadorizados, usando o mesmo conjunto de fios para múltiplos sensores (Modbus, Profibus, Canbus) e também podem ser usados ​​como configuração plug & play. RS232, USB) ou até mesmo conectado sem fios (sem fio, Bluetooth).

â € <Sensores metrológicos de sensores de pressão

As características metrológicas dos sensores de pressão podem variar substancialmente de fabricante para fabricante e é muito importante entender essas características para garantir que um sensor adequado seja escolhido para a aplicação pretendida.

A partir de uma perspectiva metrológica pura, alguns dos parâmetros (por exemplo, repetibilidade, precisão, exatidão) têm uma definição qualitativa, no entanto, ao longo dos anos eles foram utilizados como parâmetros quantitativos, portanto, vamos usá-los da mesma maneira. Abaixo, vamos nos concentrar nos principais parâmetros metrológicos:

Deslocamento de Sinal

O offset do sinal é o erro do sensor na pressão mínima (a Figura 2 mostra o deslocamento do sinal para um sensor de pressão com uma faixa de 0 a 1000 mbar e uma saída de 0 para 5 V). Do ponto de vista prático, é importante saber se o deslocamento do sensor pode ser ajustado ("re-zerado"), pois muitos sensores podem se deslocar com o tempo e a capacidade de "re-zero" seria desejável.

Juntamente com o ajuste de offset, muitos sensores têm a capacidade de ajustar o span (saída na pressão máxima menos a saída na pressão mínima), o que também ajudará a corrigir o desvio ao longo do tempo. Medir e redefinir tais compensações requer um plano de calibração e manutenção para garantir que o desempenho permaneça dentro dos limites requeridos.

sensor de pressão manométrica 0-1000 mbar. Medição de pressão

Figura 2: Deslocamento do sensor de pressão

Sensibilidade

A sensibilidade do sensor é a relação entre a mudança do sinal de saída e a mudança de pressão. Se considerarmos o gráfico acima onde a saída muda por 5 V, enquanto a pressão muda por 1000 mbar, então a sensibilidade é 5 mV / mbar. Este é um parâmetro importante para a maneira como usaríamos o sinal na aplicação, além de determinar como o desempenho do sensor será afetado pelo ruído elétrico.

Precisão

Precisão é geralmente o termo usado para descrever o comportamento dos sensores em termos de repetibilidade, erro de linearidade e histerese do sinal. Tradicionalmente, alguns fabricantes usaram o termo “precisão” para descrever esse parâmetro.

Entretanto, como regra geral, qualquer que seja o nome desse parâmetro, a melhor abordagem é entender quais são suas partes constituintes. A precisão como parâmetro não nos diz com que exatidão estamos medindo a pressão, mas sim como os próprios sensores se comportam. Por exemplo - é repetível? é linear? há histerese de pressão ou temperatura?

Repetibilidade é a proximidade da concordância entre os resultados de medições sucessivas da mesma pressão realizadas sob as mesmas condições de medição em um período relativamente curto de tempo. Muitas vezes, a repetibilidade é determinada como o desvio padrão das medições repetidas ou a amplitude (máximo - mínimo).

O erro de linearidade é determinado como a diferença entre o valor medido pelo sensor e a linha teórica (que é determinada como ajuste de linha reta BSL- melhor ou ajuste de linha reta TSL-terminal), que assume o comportamento linear do sensor. A figura 3 representa o erro de linearidade para um caso BSL e para caracterizar os sensores, o erro máximo é escolhido (como o pior cenário).

sensor de pressão manométrica 0-2000 mbar. Medição de pressão

Figura 3: Erro de linearidade do sensor de pressão

O erro de histerese de pressão ou temperatura é a diferença entre duas medições separadas tomadas no mesmo ponto, mas uma em que a está aumentando e outra em que o valor está diminuindo. O tamanho da histerese varia com base na tecnologia do sensor de pressão e na construção física do sensor.

sensor de pressão absoluta 0-100 mbar. Medição de pressão

Figura 4: Erro de histerese de pressão


GeralAlém disso, os parâmetros 3 descritos acima estão incluídos em uma especificação, que define os limites aceitáveis ​​de precisão (exemplo: precisão é +/- 0.1% da escala completa).

Precisão

A precisão deve ser associada ao erro de medição especificado, incluindo o impacto de erro sistemático, erro aleatório e desvio (nos casos em que a precisão é especificada durante um período de tempo). A precisão de um sensor de pressão ou de uma medição é obtida como parte da avaliação da incerteza de medição e inclui muitos fatores, incluindo a incerteza padrão, e / ou UUT (Unit Under Test), precisão etc. Avaliando a incerteza de medição / calibração requer conhecimento especializado, portanto, aqui, vamos nos concentrar em como interpretar a precisão.

Cada medição deve ter a incerteza de medição com ela (seja através de uma declaração de precisão na folha de dados ou incerteza em um certificado de calibração). Na maioria das vezes, a precisão é avaliada como Incerteza Expandida, que é assumida seguindo uma distribuição normal e o fator de cobertura = 2. Em termos simples, conforme o exemplo abaixo: o valor real da quantidade medida x é encontrado com uma probabilidade 95% dentro do intervalo (xU, x + U).

Medição de pressão

Figura 5: Representação de precisão para um valor de pressão X


Quando se compara a precisão com a precisão de um sensor de pressão: a precisão nos diz como o sensor se comporta, enquanto a precisão (e incluirá os fatores de precisão) nos diz quão precisas são nossas medições ou quais são os limites que contêm o valor real da medição.

Estabilidade a Longo Prazo (Drift)

A estabilidade a longo prazo de um instrumento é muitas vezes referida por sua quantidade oposta - ou seja, o desvio a longo prazo, conforme as seguintes definições:

  • A estabilidade de um instrumento de medição é propriedade de um instrumento de medição, pelo que as suas propriedades metrológicas permanecem constantes no tempo
  • Desvio instrumental é a mudança contínua ou incremental ao longo do tempo na indicação, devido a mudanças nas propriedades metrológicas de um instrumento de medição

Na maioria das vezes, a deriva de um instrumento segue um determinado modelo matemático ao longo do tempo, mas devido à variação de peça para peça para qualquer modelo dado, o desvio é expresso como um intervalo de tolerância, D = + / - 10 Pa, daí deve ser incluído na precisão geral do instrumento.

Geralmente, o sensor de pressão exibe alguma forma de desvio ao longo do tempo, portanto, é importante que os sistemas sejam projetados com o potencial de serem ajustados para ambos: deslocamento e desvio de amplitude e que um programa de calibração e manutenção seja adotado.

Quantidades de influência

As grandezas de influência são quaisquer grandezas externas (ou seja, não incluídas na entrada / saída), que podem influenciar o desempenho de um sensor de pressão. Na maioria das vezes, os fabricantes de sensores de pressão fornecem o intervalo para a quantidade de influência e seu efeito nas características metrológicas do sensor.

A influência de fatores externos é dada principalmente como uma faixa de tolerância, que deve ser levada em conta ao avaliar a precisão do instrumento. Por exemplo, ao considerar o efeito de temperatura para um sensor de pressão, a quantidade de influência (temperatura) é definida -10 para + 50 ° C e então o seu efeito é definido como uma faixa de tolerância ± 0.75% da escala completa.

As grandezas de influência e seus efeitos devem ser fornecidos pelos fabricantes através de suas folhas de dados e diferem com base na quantidade medida e no tipo de sensor. As grandezas de influência mais comuns são: temperatura, umidade, pressão atmosférica, campos eletromagnéticos, vibrações, barulho.

Com base na aplicação, as especificações declaradas para grandezas de influência devem ser cuidadosamente examinadas, pois em alguns casos os efeitos induzidos são muito maiores do que a precisão e / ou precisão reivindicada.

â € <Calibração de sensores de pressão

No passado, os sensores de pressão seriam retirados do sistema no qual eles são incorporados e calibrados em um laboratório metrológico. No entanto, isso virá com um custo associado, pois será necessário instalar sensores sobressalentes para evitar o tempo de inatividade ou o sistema simplesmente parará e o ativo ficará inativo até que os sensores sejam devolvidos pela calibração / teste.

Nos tempos modernos, a maioria dos sensores é calibrada “no local” usando calibradores de pressão, alguns dos quais têm a capacidade de gerar e medir a pressão ao mesmo tempo e a saída (em mV, V, mA, etc.). Além disso, muitos dos calibradores podem avaliar a incerteza de calibração (muitas vezes referenciada como “precisão”) e armazenar / transmitir os dados automaticamente através de um sistema de gerenciamento de dados.

É sempre aconselhável ter esse sistema, pois ele mantém todos os dados de calibração com segurança, o que facilita o gerenciamento dos ativos, reduz os erros de relatório e ajuda a estar em conformidade com as certificações ISO.

O método de calibração é um método direto e ao lado das verificações operacionais que precisam ser realizadas antes da seleção (escolhendo as conexões corretas para as conexões de pressão, garantindo um sistema livre de vazamentos, precauções de segurança, etc), o calibrador deve ser escolhido como um regra de ouro para ser 4 vezes mais preciso do que o sensor calibrado.

calibrador portátil. Medição de pressão

Figura 6: Calibração remota de um sensor de pressão usando um calibrador modular

Escolhendo o sensor certo para a aplicação

Escolher o sensor certo para um aplicativo é combinar os requisitos do aplicativo com o parâmetro específico em que o usuário está interessado.

Por exemplo, em uma aplicação de teste de vazamento, a precisão absoluta é uma consideração secundária ao ruído. Se a leitura foi alterada é fundamental e, portanto, se os sensores interpretarem mal a barra 10 como barra 9, as conseqüências não serão profundas, pois a alta resolução é de maior importância, a fim de observar uma pequena alteração na pressão.

Como outro exemplo em uma velocidade de resposta de loop de controle é crítico. Se o sensor estiver emitindo a pressão que estava presente 100 ms no passado, será muito difícil otimizar um processo dinâmico.

É claro que existem algumas aplicações, como transferência fiscal e entrega de uma massa de gás a um processo, em que a precisão geral é o fator mais importante. Existe um relacionamento 1: 1 entre o erro de pressão e o erro na massa, ou, em outras palavras, um erro 1% na leitura de pressão é um erro 1% na conta.

Nessa situação, é importante levar em conta não apenas o valor “precisão” da manchete, mas também o desempenho sobre a faixa de temperatura operacional e incluir o valor da estabilidade para definir um período de recalibração para manter a precisão geral em todos os momentos. .

Os fabricantes tendem a colocar o máximo de detalhes que puderem em sua literatura técnica e de marketing, mas devem equilibrar a quantidade de informações fornecidas para tornar as informações facilmente acessíveis e compreensíveis.

Para maior certeza dos melhores requisitos para uma determinada aplicação, muitas vezes é necessário envolver a equipe de engenharia de projeto do fornecedor do sensor de pressão e, em alguns casos críticos, é possível estabelecer uma parceria para projetar uma solução personalizada para uma aplicação específica. .

Informador de Indústria de Processos

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