magyar elektronika

E-mail cím:*

Név:

{a-feliratkozással-elfogadja-az-adl-kiadó-kft-adatvédelmi-és-adatkezelési-tájékoztatóját-1}

digi keyA zárt láncú ipari és kereskedelmi folyamatok, például fűtő-, szellőztető-, légkondicionáló és hűtőrendszerek tervezői elektromechanikus nyomásérzékelőket használnak a szabályozás javítása és a folyamat teljesítményének növelése érdekében. A probléma az, hogy a folyamatokban használt folyadékok és gázok, illetve a rendszerek működését kísérő szélsőséges hőmérsékleti és nyomásviszonyok megtámadhatják a nyomástávadók anyagát, korrodálva azt, ami veszélyezteti az érzékelő épségét.

 

A tervezőknek olyan alternatív technológiára van szükségük, amely megfelel a környezet támasztotta kihívásoknak, ugyanakkor biztosítja a szükséges pontosságot és megbízhatóságot.
Ez a cikk a Honeywell közegtől elszigetelt nyomástávadóinak (media-isolated pressure (MIP) transducer) bemutatása előtt ismerteti a nyúlásmérő bélyegeken alapuló nyomástávadók működési elvét. Ezek rozsdamentes acélból készülnek, és hermetikusan lehegesztett kialakításúak, az átlagos érzékelőknél gyakran gyenge pontnak bizonyuló tömítőgyűrűkkel és ragasztott tömítésekkel ellentétben. A cikk ezután áttekinti a mérési hibák forrásait és azok minimalizálásának módjait, majd bemutatja, hogyan alkalmazhatók a nyomástávadók egy kereskedelmi hűtőrendszerben a folyamat hatékonyságának javítására.

 

Az elektromechanikus nyomástávadók működése

A modern nyomástávadók elektromos kimenőjeleket szolgáltatnak és nem a régi, kevésbé megbízható mechanikus kapcsolószerkezeteket és számlapokat alkalmazzák. A mai elektromechanikus eszközök legfontosabb előnyei, hogy megbízhatók, pontosak és távolból is megfigyelhetők. Mérési technológiájuk leggyakrabban piezoelektromos anyagokon vagy nyúlásmérő bélyegeken alapul. A piezoelektromos nyomástávadók csak dinamikus nyomásmérésre alkalmasak, míg a nyúlásmérő-bélyeges egységek dinamikus és statikus mérésre is. Ez a cikk az utóbbiakkal foglalkozik.
A nyúlásmérő bélyegek olyan elektromos áramköri elemek, amelyek mechanikai nyúlás esetén változtatják az ellenállásukat, ahol a nyúlás az erőhatásnak kitett anyag hosszváltozásának és terheletlen hosszának aránya (jele: „ε”). A nyúlásmérő bélyegek besorolása tipikusan az „átalakítási tényező” (gage factor; GF) vagy más néven bélyegállandó alapján történik, ami a nyúlásra való érzékenység mértéke. Más szóval, a bélyegállandó (GF) az elektromos ellenállás viszonylagos megváltozásának és a hossz viszonylagos megváltozásának (vagyis a nyúlásnak) az aránya.
Működés közben a nyomástávadó közvetlenül a nyomás alatt álló rendszerben található, a rendszerben levő folyadék vagy gáz pedig a nyomástávadóba belépve elmozdít egy membránt. A nyúlásmérő bélyeg megfelelő ragasztóval ennek a membránnak a felső oldalához csatlakozik (1. ábra).

 

Figure 1

1. ábra  Membránra szerelt, nyomástávadóban való használatra alkalmas nyúlásmérő bélyeg. Ebben a példában a nyúlásmérő bélyeg átmérője 6,35 milliméter (mm) (Kép: Micro Measurements)


A nyúlásmérő bélyeg hosszának változása még igen nagy nyomás esetén sem több néhány „millinyúlásnál” (mε), ami igen kis ellenállás-változást jelent. Vegyünk például egy próbatestet, amely 350 mε nyúlásnak van kitéve. Ekkora terhelés alatt egy GF = 2 bélyegállandóval rendelkező nyúlásmérő bélyeg ellenállásának megváltozása 2 (350 × 10-6) = 0,07 százalék. 350 ohmos (Ω) nyúlásmérő bélyeg esetében ez mindössze 0,245 Ω.

 

Figure 2

2. ábra  Ebben a Wheatstone-híd áramkörben a nyúlásmérő bélyeg az egyik ágban található; RG a nyúlásmérő bélyeg ellenállása RL1 és RL2 a nyúlásmérő bélyeg vezetékeinek ellenállásai; az R2, R3 és R4 ellenállások fix, ismert értékűek; eo a kimenő feszültség és E a gerjesztő feszültség (A kép forrása: Micro Measurements)

 

Nyúlásmérő-bélyeges mérések végrehajtása

Az ilyen kis ellenállás-változások zaj általi befolyásának minimális szinten tartása melletti méréséhez a nyomástávadó nyúlásmérő bélyegét egy Wheatstone-híd – egy négy ágból álló, E gerjesztőfeszültségre kapcsolt ellenálláshálózat – egyik ágában helyezik el (2. ábra).
A Wheatstone-híd két párhuzamos feszültségosztó áramkör elektromos megfelelője, ahol az egyik áramkört RG és R4 alkotják (feltételezve, hogy a vezetékek RL1 és RL2 ellenállása elhanyagolható), a másik áramkört pedig az R2 és R3 ellenállások. Az eo kimenőfeszültség mérése a két feszültségosztó középső pontjai között történik és a következőképpen számítható:

eo = [R2/(R2 + R3) – R4/(RG + R4)] * E

Az egyenletből látható, hogy ha RG/R4 = R3/R2, akkor az eo kimenőfeszültség nulla, és azt mondjuk, hogy a híd kiegyenlített állapotban van. A nyúlásmérő bélyeg ellenállásának bármilyen megváltozására megszűnik a híd kiegyenlített állapota, és a nyúlással arányos, nullától eltérő eo kimenőfeszültség keletkezik. Egy nyomástávadóban a membránra szerelt nyúlásmérő bélyeg keltette kimenőfeszültséget az E táp- (gerjesztő) feszültséghez képest „ratiometrikusnak” (egyenesen arányosnak) nevezzük a teljes nyomástartományban.

 

Figure 3

3. ábra  Ebben a Wheatstone-híd áramkörben a kimenet negatív pontja az R4 felső kivezetése helyett a nyúlásmérő bélyeg alsó kivezetésén, az RL2-n található. Az ugyanakkora ellenállást jelentő RL1 és RL2 vezetékek révén a híd kiegyenlített állapotban lesz. Az RL3 csak egy feszültségérzékelő vezeték, ezért a híd kiegyenlítésére nincs hatása (Kép: Micro Measurements)

 

Hőmérséklet-kompenzálás

A nyúlásmérő bélyegek alkalmazásakor tervezési kihívást jelent a hőmérsékleti hatásokra való érzékenységük. A hőmérsékletbeli változások eltolási és a méréstartomány módosulásával kapcsolatos hibákat idéznek elő, illetve növelik a hiszterézist.
A nyúlásmérő bélyeg az E gerjesztő feszültség által felmelegedhet, de ez nagymértékben csökkenthető az E alacsonyan tartásával. Ennek hátránya, hogy csökken a rendszer érzékenysége, de a Wheatstone-híd eo kimenőfeszültsége szükség esetén erősíthető. Nagy gondot kell azonban fordítani a szuperponált zaj erősítésének elkerülésére. Egyik megoldás a „vivőfrekvenciás” erősítők használata, amelyek a feszültségváltozást frekvenciaváltozássá alakítják, és keskeny sávszélességű kimenetet használnak a zaj alacsony szinten tartása és a sávon kívüli elektromágneses interferencia (EMI) csökkentése céljából.
A hő másik forrása a membrán és maga a nyomástávadó teste. Magas hőmérséklet esetén a membrán kitágul, ebből kifolyólag a nyúlásmérő bélyeg olyan nyúlást érzékel, amit nem közvetlenül a folyadék vagy gáz nyomása okoz.
Az ilyen hatások csökkentésére a modern nyúlásmérő bélyegek beépített hőmérséklet-kompenzálással rendelkeznek. A nyúlásmérő bélyegek rendszerint 55 százalék rézből és 45 százalék nikkelből álló ötvözetből készülnek. Az anyag rendkívül alacsony hőtágulási együtthatóval (CTE) rendelkezik, ami korlátozza a hőmérséklet által előidézett nyúlást. Ezen túlmenően a nyúlásmérő bélyeg hőtágulási együtthatójának (CTE) a hordozó membrán anyagához való gondos illesztésével bizonyos fokú „hőmérséklet-önkompenzálás” valósítható meg, amely mindössze néhány mikrométer/méter/Celsius fok (μm/m/°C) értékre korlátozza a hőmérséklet okozta nyúlást.
A hőmérséklet okozta hiba másik forrását a nyúlásmérő bélyeg feszültségjeleit továbbító vezetékek jelenthetik. A híd jellemzőinek a 2. ábra alapján történő kezdeti tárgyalása során elhanyagolhatónak tételeztük fel ezeknek a vezetékeknek az ellenállását (RL1 és RL2), de ha az anyaguk réz, akkor a híd egyensúlya közvetlenül a vezetékek által előidézett hatás miatt már 10 °C hőmérséklet-emelkedés esetén többszáz „mikronyúlásnyit” (µε) is eltolódhat. Ennek az eltolásnak a kiküszöbölésére gyakran használják a háromvezetékes hidat (3. ábra).
A 3. ábrán látható, hogy a híd kimenetének negatív pontja az R4 ellenállásról átkerült a nyúlásmérő bélyeg alsó kivezetéséhez csatlakozó RL2-re. Az RL1 vezeték és a nyúlásmérő bélyeg (RG) egy ágat képeznek, a szomszédos ág pedig az RL2-ből és az R4 ellenállásból áll. Ha az RL1 és RL2 vezetékek ellenállása azonos, akkor a két hídág ellenállása azonos lesz, és a híd kiegyenlített állapotban van. Az RL3 csak egy feszültségérzékelő vezeték; nem kapcsolódik sorba a híd egyik ágával sem, és nincs hatása a híd kiegyenlítettségére.
Feltéve, hogy az RL1 és RL2 ugyanazon hőmérséklet-változásoknak van kitéve, a híd egyensúlyban marad. Ezenkívül, mivel csak egy vezeték kapcsolódik sorba a nyúlásmérő bélyeggel, a vezeték miatti hőmérséklet-érzékenység a kétvezetékes elrendezéshez képest a felére csökken.
A hőmérsékletnek a nyomástávadó kimenőfeszültségére gyakorolt hatásán kívül más hibaforrások is vannak. Ezeket a hibaforrásokat gyakran az „ideális átviteli függvényhez”, egy hőmérséklettől független egyenes vonalhoz viszonyítják, ami a teljes mérési tartomány (Full Scale Span; FSS) és az üzemi nyomástartomány hányadosaként számított ideális meredekséggel halad át az ideális eltolást megadó ponton. Az eltolás az a kimenőjel, ami a referencianyomás alkalmazásakor keletkezik, a teljes mérési tartomány (FSS) pedig az üzemi nyomástartomány felső és alsó határain mért kimenőjelek közötti különbség (4. ábra).

 

Figure 4

4. ábra  A nyomástávadó ideális átviteli függvénye egy egyenes vonal, ami a teljes mérési tartomány (Full Scale Span; FSS) és az üzemi nyomástartomány hányadosaként számított ideális meredekséggel halad át az ideális eltolást megadó ponton (Kép: Honeywell)


A rosszabb minőségű nyomástávadók viszonylag nagy eltolási értékkel és teljes méréstartomány-hibákkal (FSS-hibákkal) rendelkezhetnek a gyár elhagyásakor. Az eltolási hiba az ideális eltoláshoz viszonyított maximális nyomáseltérés, amíg a teljes méréstartomány-hiba (FSS-hiba) a referencia-hőmérsékleten mért teljes méréstartomány (FSS) eltérése az ideális átviteli függvényből meghatározott ideális (vagy előírt) teljes méréstartományhoz (FSS) képest.
További hibák származnak magának a nyomástávadónak a pontosságából, vagyis az esetleges nem lineáris nyomás, a nyomáshiszterézis vagy a megismételhetetlenség miatt.
A nyomástávadó teljes hibasávját (total error band; TEB) együttesen a termikus eredetű hibák, a nyomástávadó pontatlansága, illetve az eltolási és a teljes méréstartomány-hiba (FSS-hiba) határozzák meg. A teljes hibasáv (TEB) a kimenet maximális eltérése az ideális átviteli függvénytől a teljes kompenzált hőmérséklet- és nyomástartományban (5. ábra).

 

Figure 5

5. ábra  A nyomástávadó teljes hibasávját (TEB) alkotó hibaforrások (Kép: Honeywell)


Nagy igénybevételre tervezett nyomástávadók

Az ipari alkalmazásokban használt nyomástávadók korrozív folyadékoknak és gázoknak, valamint széles hőmérséklet-ingadozásoknak vannak kitéve. Például egy fűtő-, szellőztető-, légkondicionáló és hűtőrendszerben (HVAC/R) használt nyomástávadó butánnak, propánnak, ammóniának, CO2-nak, glikol plusz víznek, vagy olyan más szintetikus hidrofluor-karbon hűtőközegeknek van kitéve, mint az R134A, R407C, R410A, R448A, R32, R1234ze vagy R1234yf. Az ipari fűtő-, szellőztető-, légkondicionáló és hűtőrendszerekben (HVAC/R) a hőmérséklet-tartomány is -40 ... +85 °C közötti vagy még nagyobb.
Számos alacsony és közepes kategóriájú nyomástávadó ötvözetekből, például sárgarézből készül és tömítőgyűrűk, illetve ragasztók választják el az érzékelő elektronikáját a membránnal érintkező gázoktól és folyadékoktól. Korrozív anyagokkal használva a tömítések elégtelennek bizonyulhatnak és szivárgást okozhatnak. Az ilyen szivárgások eleinte észrevehetetlenek maradhatnak, hamis mérési eredményekhez és a rendszer nem megfelelő szabályozásához vezethetnek. A szivárgások hibákat is okozhatnak az elektronikai elemeknek a korrozív folyadékokkal vagy gázokkal való érintkezése esetén is.
Az ilyen potenciális hibafajtákat a tervezők elkerülhetik a Honeywell MIP-sorozatú nyomástávadói használatával. Ezekben a nagy igénybevételre tervezett, közegektől elszigetelt nyomástávadókban nincs szükség belső tömítőgyűrűk és ragasztók használatára. Rozsdamentes acélból készülnek, és hermetikusan lehegesztett kialakításúak a tömítőgyűrűs megoldással szemben. Ez a felépítés számos közeggel való használatra teszi alkalmassá őket, ideértve az agresszív folyadékokat, a vizet és a gázokat is a -40 ... 125 °C közötti hőmérséklet-tartományban 100 kilopascal (kPa) és 6 Megapascal (MPa) közötti nyomáson (6. ábra).

 

Figure 6

6. ábra  A Honeywell MIP sorozatú nyomástávadói rozsdamentes acélból készülnek és hermetikusan lehegesztett kialakításúak, ami szükségtelenné teszi tömítések használatát. Ez a felépítés számos közeggel, például agresszív folyadékokkal, vízzel és gázokkal való használatra teszi alkalmassá őket (Kép: Honeywell)


Az MIP-sorozat 5 V tápfeszültségtől működik és ratiometrikus (egyenesen arányos) kimenőjelet szolgáltat a 0,5 ... 4,5 V DC tartományban. A teljes hibasáv (TEB) a nyomástávadó teljes hőmérséklet-tartományában ±1,0 százalék ≤1 MPa és 0,75 százalék > 1 MPa nyomás esetén. A nyomástávadó pontossága ±0,15 százalék FSS (egyenes vonalú legjobb közelítés; best fit straight line (BFSL)) (7. ábra), 1 milliszekundum (ms) válaszidő és 20 MPa feletti repesztő nyomás mellett.

 

Figure 7

7. ábra  Az MIP-sorozatú nyomástávadók 5 V tápfeszültségtől működnek és ratiometrikus (egyenesen arányos) kimenőjelet szolgáltatnak a 0,5 ... 4,5 V DC tartományban. A teljes hibasáv (TEB) a nyomástávadó teljes hőmérséklet-tartományában ±1,0 százalék ≤1 MPa és 0,75 százalék > 1 MPa nyomás esetén (Kép: Honeywell)


A sorozat ezen túlmenően ±40 V DC túlfeszültség-védelemmel és elektromos hiba esetére érzékelőkimeneti diagnosztikával rendelkezik (1. táblázat).

 

Table 1

1. táblázat  Az MIP-sorozatú nyomástávadók működési karakterisztikája (Kép: Honeywell)

 

Nyomástávadók fűtő-, szellőztető- és légkondicionáló (HVAC) rendszerekben

A nyomásjeladóknak kulcsfontosságú szerepük van az olyan alkalmazásokban, mint a fűtő-, szellőztető- és légkondicionáló rendszerek. Precíz szabályozást tesznek lehetővé a hatékonyság maximalizálása és az energiafelhasználás egyidejű csökkentése érdekében. Lássuk példaként egy ipari hűtőberendezés által használt fűtő-, szellőztető-, légkondicionáló- és hűtőciklus szemléltetését (8. ábra).
A kompressziós fázisban a párologtatótól jövő alacsony nyomású gőz (hőfejlődés mellett) összenyomódik, majd szivattyúzással a kondenzátorba kerül. A kondenzátorban a magas hőmérsékletű gőz a levegőbe engedi rejtett hőjét és forró folyadékká kondenzálódik. Egy szárító ekkor eltávolítja az összes vizet a hűtőközegből. Ezután a mérőberendezésnél a kondenzátortól jövő forró folyadék átpréselődik egy áramláskorlátozón, ami lecsökkenti a nyomását, arra kényszerítve, hogy hőt adjon le. Majd a párologtató belsejében ez a hideg folyadék hőt nyel el a kondenzátor visszatérő levegőáramából, és gőzzé alakul. Ez a gőz folytatja a hőelnyelést, amíg eléri a kompresszort, ahol a ciklus újrakezdődik. A párologtatótól származó hideg levegő a hűtött tároló hőmérsékletének csökkentésére szolgál.
A hűtési ciklus azért működik, mert a hűtőközeg folyadékból gőzzé- és visszaalakulása a látens energia nagy mértékű leadásával vagy felvételével jár. A hatékony és eredményes működés érdekében a rendszer különböző részeiben gondosan figyelni és szabályozni kell a nyomást. Különösen fontos ez a hűtőközeg folyadékból-gőzzé, illetve gőzből-folyadékká való halmazállapot-változásánál. Például alacsony nyomáson a hűtőközeg alacsonyabb hőmérsékleten alakul át folyadékból gázzá és nyel el rejtett energiát (hőt), mint egyébként tenné. Nagy nyomáson a gáz halmazállapotú hűtőközeg magasabb hőmérsékleten alakul folyadékká és ad le rejtett energiát (hőt), mint egyébként tenné.
A nyomásnak a kompresszor és a párologtató kimenetén történő figyelésével a kompresszor és a mérőberendezés beállítható úgy, hogy precízen szabályozni tudja az áramlást (és ezáltal a nyomást) a ciklus alacsony és magas nyomású szakaszaiban, másfelől a hűtőközeg hőmérséklete is pontosan szabályozható a rendszer hatékonyságának maximalizálása érdekében.

 

Figure 8

8. ábra  Fűtő-, szellőztető-, légkondicionáló- és hűtőciklust ábrázoló diagram. A kompresszor és a párologtató kimenetén levő, nagy igénybevételre tervezett nyomástávadók a hűtőközeg nyomásának monitorozására használhatók a hűtőközeg optimális halmazállapot-változásainak biztosításához, és ezzel a ciklus hatékonyságának meghatározásához (Kép: Honeywell)

 

Összegzés

A nyúlásmérő-bélyeges nyomástávadók jó megoldást kínálnak a nyomás mérésére ipari folyamatokban, de a várhatóan szélsőséges környezeti hatásoknak kitett rendszerek tervezőinek figyelemmel kell lenniük a tömítőgyűrűs és ragasztós kialakítású modellek korlátaira.
A Honeywell ilyen szélsőséges körülményekre tervezett MIP-sorozatú nyomástávadói rozsdamentes acélból készülnek és hermetikusan lehegesztett kialakításúak. Ennek a felépítésnek köszönhetően az MIP érzékelők különböző ipari folyadékokkal és gázokkal együtt igen változatosan és széleskörűen alkalmazhatók, valamint ez hosszú élettartamot biztosít magas hőmérsékleten, illetve nyomáson is. A Honeywell nyomástávadók továbbá nagy pontosságot, gyors válaszidőt, hosszú idejű stabilitást és kiváló EMI védettséget kínálnak.

 

Szerző: Rolf Horn – Alkalmazástechnikai mérnök, Digi-Key Electronics

 

Digi-Key Electronics
Angol nyelvű kapcsolat
Arkadiusz Rataj
Sales Manager Central Eastern Europe & Turkey
Digi-Key Electronics Germany
Tel.: +48 696 307 330
E-mail: arkadiusz.rataj@digikey.com

www.digikey.hu

 

még több Digi-Key Electronics