← Voltar para a categoria Medição e Controle de Pressão

Mike Powers, Diretor de Marketing de Produtos para Sensores e Controles de Gemas, analisa a evolução da tecnologia de transdutores de pressão

transdutores

Os transdutores de pressão são amplamente utilizados em aplicações de processo e industriais, onde geralmente têm que suportar condições operacionais agressivas, desde picos hidráulicos de alta pressão a temperaturas extremas, choque mecânico e vibração. Em cada caso, os transdutores devem funcionar de forma confiável, consistente e precisa, sem manutenção ou recalibração; de fato, espera-se agora que os transdutores modernos sejam instrumentos genuinamente "aptos e esquecidos".

No entanto, dentro de cada transdutor, há normalmente um mecanismo sensitivo de pressão extremamente sensível, combinado com um pacote eletrônico sofisticado. Juntos, eles podem fornecer uma precisão melhor que 0.25% da saída da escala completa, com desvio quase zero ao longo do tempo, mas com uma resposta a mudanças na pressão de 1msec ou menos, e uma vida operacional superior a 100 milhões de ciclos.

Estes excelentes níveis de desempenho só são possíveis graças a vários métodos de construção altamente inovadores e cuidadosamente controlados. Três deles utilizam tecnologia de strain gage avançada: filme fino sputtered, deposição de vapor químico (CVD) e silício micro-usinado (MMS); enquanto a quarta usa capacitância como método de detecção de mudanças na pressão.

Atomicamente ligado
A tecnologia de filme fino sputtered foi desenvolvida há cerca de trinta anos e evoluiu a partir dos processos de fabricação usados ​​pelo setor de eletrônicos para a produção de circuitos integrados. A técnica de produção, embora relativamente direta, requer sistemas avançados de engenharia e condições cuidadosamente controladas para criar um sensor de strain gage com ligação atômica em um diafragma de aço inoxidável.

Isso é produzido colocando um material como o dióxido de silício em um vácuo e, em seguida, bombardeando-o com íons de argônio. Os átomos que são subsequentemente liberados são depositados em uma camada em um feixe de aço inoxidável para formar a camada isolante de base para o strain gage; utilizando o mesmo processo, este é então revestido com mais camadas de um material de calibre adequado, antes de ser modelado utilizando técnicas de fotoresistência. As áreas indesejadas são removidas por corrosão por pulverização, para criar um strain gauge isolado dieletricamente em um arranjo de ponte Wheatstone convencional, que é montado no verso de um diafragma de aço inoxidável.

Deslocamento do diafragma faz com que o strain gage flexione, seja em compressão ou sob tensão, com a saída elétrica sendo diretamente proporcional à pressão ou vácuo aplicado. A saída do sensor é conectada à eletrônica onboard, com toda a unidade contida em um invólucro de aço inoxidável compacto e vedado.

Esta construção é extremamente robusta, sendo o diafragma adequado para contato direto com quase todos os líquidos, óleos e gases. Além disso, os materiais de construção para o mecanismo do sensor e o transdutor como um todo são termicamente compatíveis para minimizar erros não repetíveis de histerese e estabilidade térmica, e para garantir que os coeficientes para zero térmico e mudanças na sensibilidade permaneçam constantes em uma ampla gama. faixa de temperatura.

Produção em volume
Embora os transdutores de pressão de película fina forneçam níveis excepcionais de desempenho e estabilidade a longo prazo, as complexidades mecânicas dos sensores de "primeira geração" significam que podem ser relativamente caros fabricar em grandes volumes. Foi para atender a essa necessidade que o processo de deposição de vapor químico foi originalmente pioneiro, usando processos de fabricação de semicondutores para produzir múltiplos sensores a um custo menor, mantendo muitos dos benefícios e características de desempenho de dispositivos de película fina.

Os sensores CVD são produzidos em bolachas em grandes lotes, utilizando o polissilício depositado em um substrato de aço inoxidável, com padrões de strain gauge sendo moídos quimicamente. A bolacha é então dividida para produzir feixes de sensores individuais, que são soldados a laser em um diafragma de soma de aço inoxidável e porta de pressão, antes de serem conectados à eletrônica interna para condicionamento e amplificação de sinal.

Esse processo permite que os conjuntos de sensores sejam produzidos em volume e com baixo custo unitário. Cada sensor gera uma alta saída elétrica a partir de uma pequena deflexão mecânica, simplificando o processamento do sinal e é inerentemente estável com uma precisão de até 0.5%. Ele também oferece uma longa vida útil com excelente resistência a choques de pressão e vibrações mecânicas. Além disso, o uso de brasagem a vácuo de alta temperatura do aço inoxidável durante a produção do sensor cria uma estrutura com baixa histerese e fluência, juntamente com alta resistência e resistência à corrosão.

Soluções menores
Tradicionalmente, a maioria dos transdutores de pressão foram fabricados com um diâmetro externo de cerca de 25mm. Isso é satisfatório para muitas aplicações industriais e de processo; no sector da água, resíduos e perfuração, no entanto, onde a tendência é para furos de menor diâmetro, é necessária uma unidade de diâmetro mais estreito de cerca de 19mm. Isto é difícil de conseguir com os métodos de produção de filme fino e CVD, em que o tamanho de cada sensor é limitado pelos requisitos mecânicos do diafragma.

Por comparação, os sensores de silício micro-usinados são produzidos com tecnologia similar àquela usada na fabricação de circuitos integrados em pastilhas de silício, com implantação iônica permitindo que uma estrutura de strain gage seja difundida na rede interna do silício. Isso otimiza as propriedades mecânicas e eletrônicas exclusivas do silício, permitindo que o tamanho do sensor e do diafragma sejam reduzidos proporcionalmente e sem afetar adversamente fatores como histerese, linearidade ou desempenho sob condições de operação difíceis. Em comum com a tecnologia CVD, os métodos de produção usados ​​nos transdutores MMS permitem fabricar volumes maiores a um custo unitário mais baixo, embora ao contrário dos dispositivos CVD onde o diafragma está em contato direto com a mídia, os sensores MMS geralmente são protegidos por diafragmas de isolamento preenchidos com óleo.

Demandas mais baixas
Em uma série de aplicações, os requisitos para monitoramento e controle de pressão podem ser relativamente modestos, exigindo um dispositivo de baixo custo, confiável, mas não necessariamente altamente especificado; ou, inversamente, um dispositivo que é capaz de fornecer medições em baixas pressões e em níveis razoáveis ​​de precisão, tipicamente ± 1% da deflexão da escala total.

Esta necessidade pode ser satisfeita pelo uso de sensores de capacitância, onde um diafragma de cerâmica flexível e uma placa fixa formam as duas superfícies de capacitância. A pressão ou o vácuo aplicado ao diafragma causará, portanto, uma mudança proporcional na capacitância, com o sinal de saída sendo novamente alimentado diretamente para a eletrônica integrada para subsequente condicionamento e amplificação.

Deve-se notar que, embora esses dispositivos tenham baixo custo, com bom desempenho de temperatura, eles também são limitados na aplicação; Em particular, a construção do sensor geralmente emprega o uso de vedações de vedação em forma de O que podem ser propensas a vazamentos. Muito cuidado também deve ser pago para possíveis problemas de compatibilidade de mídia com os selos empregados.

Eletrônica segura a chave
As tecnologias de transdutores descritas acima estão disponíveis há algum tempo e são comprovadas em muitas aplicações diferentes. Em cada caso, houve nos últimos anos desenvolvimentos nos respectivos processos de fabricação que, combinados com mudanças detalhadas no design e nos materiais de construção, levaram a uma melhoria constante em áreas como desempenho, estabilidade e confiabilidade.

Por exemplo, os dispositivos CVD mais recentes agora usam conjuntos de sensores menores e foram projetados para reduzir as dimensões gerais, para serem usados ​​em faixas de pressão baixas (0-16bar). Por outro lado, a capacidade dos dispositivos de filme fino foi ampliada para 2,200bar, enquanto o tamanho, peso e custos de fabricação foram reduzidos, para atender às necessidades de sistemas hidráulicos de alta pressão e injeção de trilhos diesel.

Talvez os desenvolvimentos mais importantes, no entanto, tenham sido os pacotes eletrônicos que estão sendo cada vez mais fornecidos com transdutores de pressão. Em particular, muitos dos mais recentes dispositivos e transdutores de filme fino incorporam tecnologia avançada ASIC (application specific integrated circuit), que permite que o desempenho e a funcionalidade de cada transdutor sejam ajustados para atender aos requisitos específicos de um mercado, aplicativo ou cliente.

Essas melhorias podem variar de aprimoramentos de precisão total, diagnósticos integrados e a capacidade de realizar análise de dados, com saída digital direta para sistemas de controle de processo de nível superior. O processamento digital também permite que os dispositivos sejam facilmente ligados em rede e ligados a um CLP, para formar um sistema de controle discreto e econômico para áreas onde a despesa e a complexidade da tecnologia de alto nível seriam inadequadas.

Da mesma forma, para dispositivos como transdutores de Gems MMS, onde são usados ​​para monitoramento de níveis hidrostáticos com líquidos com densidades em mudança, o uso de tecnologia de micro processador permite controlar a temperatura e a pressão e os resultados a serem processados ​​com uma gravidade específica conhecida, para produzir uma leitura de nível extremamente precisa.

O uso da tecnologia ASIC, combinado com melhorias nas técnicas de fabricação de volume, em muitos casos reduziu o custo unitário dos transdutores por um fator de 10; Por exemplo, o desempenho anteriormente associado a unidades vendidas por £ 300 agora pode ser fornecido a partir de dispositivos que custam £ 30 ou menos. Como resultado, existe potencial para o uso de transdutores de pressão se tornar ainda mais difundido e para que a tecnologia desempenhe um papel ainda maior na aquisição de dados e no controle do sistema.

Para mais informações sobre Sensores de Gemas, entre em contato com:

Sensores e controles de gemas
Basingstoke
Hampshire.

Pode ser contatado em

Tel: + 44 (0) 1256 320244.
E-mail: [Email protegido]
Rede: www.gemssensors.com

Informador de Indústria de Processos

Notícias relacionadas

Deixe um comentário

Seu endereço de email não será publicado. Campos obrigatórios são marcados com *

Este site usa o Akismet para reduzir o spam. Saiba como seus dados de comentário são processados.