Sensori di pressione, quali sono i diversi tipi?

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Esistono innumerevoli modelli di trasduttori di pressione disponibili per l'uso in qualsiasi applicazione industriale o di laboratorio. Tra questi vi sono il trasduttore di pressione industriale, il trasduttore di pressione per liquidi e il microtrasduttore di pressione, solo per citarne alcuni.

I trasduttori di pressione possono avere diverse forme e dimensioni, ma la maggior parte di essi presenta una parte centrale cilindrica che ospita il diaframma e la camera di misurazione della pressione, una porta di pressione a un'estremità, solitamente filettata, imbullonata, con raccordo a barbiglio o aperto, e all'altra estremità un punto per la trasmissione del segnale.

I metodi meccanici per la misurazione della pressione sono noti da secoli. I manometri a U sono stati tra i primi indicatori di pressione. In origine, questi tubi erano realizzati in vetro e, se necessario, venivano dotati di scale graduate. Tuttavia, i manometri sono ingombranti, poco maneggevoli e non adatti all'integrazione in circuiti di controllo automatico. Pertanto, i manometri si trovano solitamente nei laboratori o vengono utilizzati come indicatori locali. A seconda della pressione di riferimento utilizzata, possono indicare la pressione assoluta, manometrica e differenziale.

I trasduttori di pressione differenziale sono spesso utilizzati nella misura della portata, dove sono progettati per misurare la pressione differenziale attraverso un venturi, orifizio o altro tipo di elemento primario. La differenza di pressione rilevata è correlata alla velocità di flusso e pertanto alla portata volumetrica. Molte caratteristiche dei moderni trasmettitori di pressione derivano dal trasduttore di pressione differenziale. Infatti, si potrebbe considerare il trasmettitore di pressione differenziale il modello di riferimento per tutti i trasduttori di pressione.

La pressione "manometrica" è definita in relazione alle condizioni atmosferiche. Nelle parti del mondo che continuano a utilizzare le unità inglesi, la pressione manometrica è indicata aggiungendo una "g" al descrittore delle unità. Pertanto, l'unità di misura della pressione "libbre per pollice quadrato manometrico" è abbreviata con psig. Quando si utilizzano le unità SI, è corretto aggiungere "manometrico" alle unità utilizzate, ad esempio "Pa manometrico". Quando la misurazione della pressione è in unità assolute, il riferimento è il vuoto totale e l'abbreviazione di "libbre per pollice quadrato assoluto" è psia.
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Spesso i termini manometro, sensore, trasduttore e trasmettitore sono usati in modo intercambiabile. Il termine manometro di solito si riferisce a un indicatore autonomo che converte la pressione di processo rilevata nel movimento meccanico di un indicatore. Un trasduttore di pressione può combinare l'elemento sensibile di un manometro con un convertitore da meccanico a elettrico o da meccanico a pneumatico e un alimentatore. Un trasmettitore di pressione è un pacchetto standardizzato per la misurazione della pressione composto da tre componenti di base: un trasduttore di pressione, la sua alimentazione e un condizionatore/ritrasmettitore di segnale che converte il segnale del trasduttore in un'uscita standardizzata.
I trasmettitori di pressione possono inviare la misurazione della pressione di interesse utilizzando un segnale analogico pneumatico (3-15 psig), analogico elettronico (4-20 mA cc) o digitale elettronico. Quando i trasduttori sono interfacciati direttamente con sistemi di acquisizione dati digitali e si trovano a una certa distanza dall'hardware di acquisizione dati, sono preferibili segnali con tensione di uscita elevata. Questi segnali devono essere protetti dalle interferenze elettromagnetiche e radiofrequenze (EMI/RFI) quando percorrono lunghe distanze.
È inoltre necessario definire i termini relativi alle prestazioni dei trasduttori di pressione. La precisione del trasduttore si riferisce al grado di conformità del valore di pressione misurato a uno standard accettato. Di solito è espressa come percentuale del fondo scala o della lettura effettiva dello strumento. Nel caso di dispositivi con percentuale del fondo scala, l'errore aumenta al diminuire del valore assoluto della misurazione. La ripetibilità si riferisce alla vicinanza di concordanza tra una serie di misurazioni consecutive della pressione della stessa variabile. La linearità è una misura di quanto l'uscita del trasduttore aumenti linearmente con l'aumentare della pressione. L'errore di isteresi descrive il fenomeno per cui la stessa pressione di processo produce segnali di uscita diversi a seconda che la pressione sia avvicinata da una pressione inferiore o superiore.

Da meccanico a elettronico

I primi manometri utilizzavano elementi flessibili come sensori. Al variare della pressione, l'elemento flessibile si muoveva e questo movimento veniva utilizzato per ruotare un indicatore davanti a un quadrante. In questi sensori di pressione meccanici, un tubo Bourdon, un diaframma o un elemento a soffietto rilevavano la pressione di processo e provocavano un movimento corrispondente.
Un tubo Bourdon è a forma di C e ha una sezione trasversale ovale con un'estremità del tubo collegata alla pressione di processo (Figura 3-1A). L'altra estremità è sigillata e collegata al puntatore o al meccanismo del trasmettitore. Per aumentarne la sensibilità, gli elementi del tubo di Bourdon possono essere estesi in spirali o bobine elicoidali (Figura 3-1B e 3-1C). Ciò aumenta la loro lunghezza angolare effettiva e quindi aumenta il movimento alla loro estremità, il che a sua volta aumenta la risoluzione del trasduttore.
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La famiglia di elementi sensibili di pressione flessibili comprende anche i soffietti e i diaframmi (Figura 3-2). I diaframmi sono molto diffusi perché richiedono meno spazio e perché il movimento (o la forza) che producono è sufficiente per il funzionamento dei trasduttori elettronici. Sono inoltre disponibili in un'ampia gamma di materiali per la misurazione della pressione in applicazioni corrosive.
Dopo gli anni '20, i sistemi di controllo automatico si sono evoluti e negli anni '50 i trasmettitori di pressione e le sale di controllo centralizzate erano ormai comuni. Pertanto, l'estremità libera di un tubo Bourdon (soffietto o diaframma) non doveva più essere collegata a un indicatore locale, ma serviva a convertire la pressione di processo in un segnale trasmesso (elettrico o pneumatico). Inizialmente, il collegamento meccanico era collegato a un trasmettitore di pressione pneumatico, che di solito generava un segnale di uscita di 3-15 psig per la trasmissione su distanze di diverse centinaia di piedi, o anche più lontano con ripetitori booster. Successivamente, con la maturazione dell'elettronica a stato solido e l'aumento delle distanze di trasmissione, i trasmettitori di pressione sono diventati elettronici. I primi tipi di sonda generavano uscite di tensione continua (10-50 mV; 1-5 V; 0-100 mV), ma in seguito furono standardizzati come segnali di uscita di corrente continua 4-20 mA.
A causa delle limitazioni intrinseche dei dispositivi meccanici a bilanciamento del movimento, furono introdotti prima i trasduttori di forza e successivamente i trasduttori di pressione a stato solido. I primi estensimetri a filo libero furono introdotti alla fine degli anni '30. In questo dispositivo, il filamento metallico è fissato a una struttura sotto sforzo e vengono misurati i valori momentanei della resistenza nel filo sottoposto a sforzo. Questo tipo di sonda era intrinsecamente instabile e non era in grado di mantenere la calibrazione. C'erano anche problemi di degrado del legame tra il filamento metallico e il diaframma e di isteresi causata dalla deformazione termoelastica del filo.
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La ricerca di sensori migliorati per la misurazione della deformazione e della pressione ha portato prima all'introduzione di estensimetri a film sottile incollato e infine di estensimetri a semiconduttore diffuso. Questi sono stati inizialmente sviluppati per il Settore automobilistico, ma poco dopo sono stati applicati al campo generale della misurazione e della trasmissione della pressione in tutte le applicazioni industriali e scientifiche. I sensori di pressione a semiconduttore sono sensibili, economici, precisi e ripetibili. (Per maggiori dettagli sul funzionamento degli estensimetri, vedere il capitolo 2).
Molti trasmettitori di pressione pneumatici sono ancora in funzione, in particolare nell'industria petrolchimica. Tuttavia, con la crescente centralizzazione e computerizzazione dei sistemi di controllo, questi dispositivi sono stati sostituiti da trasmettitori elettronici analogici e, più recentemente, da trasmettitori elettronici digitali.

Tipi di trasduttori
breve-descrizione-immagine La figura 3 fornisce un orientamento generale allo scienziato o all'ingegnere che potrebbe trovarsi di fronte al compito di selezionare un rilevatore di pressione tra i numerosi tipi di sonda disponibili. Questa tabella mostra gli intervalli di vuoto e di misurazione della pressione che i vari tipi di sensori sono in grado di rilevare e i tipi di riferimenti interni (vuoto o pressione atmosferica) utilizzati, se presenti.
Poiché i trasduttori di pressione elettronici di questo tipo sono particolarmente utili per l'acquisizione dei dati industriali e di laboratorio e per applicazioni di controllo, in questa sezione vengono illustrati in modo più approfondito i principi di funzionamento e i pro e i contro di ciascuno di essi.

Tecnologie nei trasduttori di pressione

Di seguito sono riportate brevi descrizioni dei diversi tipi di trasduttori di pressione disponibili, compresi i principi di funzionamento e i pro e i contro di ciascuno.

Estensimetro

I sensori di tipo capacitivo sono spesso utilizzati come standard secondari, specialmente in applicazioni a bassa pressione differenziale e assoluta. Sono anche piuttosto reattivi, poiché la distanza che il diaframma deve percorrere fisicamente è di pochi micron. I trasduttori di pressione capacitivi più recenti sono più resistenti alla corrosione e meno sensibili alla capacità parassita e agli effetti delle vibrazioni che causavano "oscillazioni di lettura" nei tipi di sonda precedenti.

I trasduttori di pressione di tipo estensimetrico sono ampiamente utilizzati, in particolare per la misurazione della pressione a campata ridotta e della pressione differenziale. Questi dispositivi sono in grado di rilevare la pressione manometrica se la porta di bassa pressione è lasciata aperta all'atmosfera o la pressione differenziale se collegati a due pressioni di processo. Se il lato a bassa pressione è un riferimento a vuoto sigillato, il trasmettitore fungerà da trasmettitore di pressione assoluta.

I trasduttori a estensimetro sono disponibili per intervalli di pressione compresi tra un minimo di 3 pollici d'acqua e un massimo di 200.000 psig (1400 MPa). L'imprecisione varia dallo 0,1% dell'intervallo allo 0,25% del fondo scala. Ulteriori fonti di errore possono essere una deriva dello 0,25% del fondo scala in sei mesi e un effetto della temperatura dello 0,25% del fondo scala per 1000 °F.

Trasduttori di pressione a capacità

I trasduttori di pressione a capacità sono stati originariamente sviluppati per l'uso nella ricerca sul vuoto basso. La variazione di capacità è il risultato del movimento di un elemento a diaframma. A seconda del tipo di pressione, il trasduttore capacitivo può essere un trasduttore di pressione assoluta, relativa o differenziale.

I trasduttori di pressione capacitivi sono molto diffusi in parte grazie alla loro ampia gamma di misura, che va dall'alto vuoto nell'ordine dei micron a 10.000 psig (70 MPa). È possibile misurare facilmente pressioni differenziali fino a 0,01 pollici d'acqua. Inoltre, rispetto ai trasduttori con estensimetro, non presentano grandi derive. Sono disponibili tipi di sonda migliori con una precisione dello 0,1% della lettura o dello 0,01% del fondo scala. Un tipico effetto della temperatura è dello 0,25% del fondo scala per 1000 °F.

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L'acciaio inossidabile è il materiale più comunemente utilizzato per i diaframmi, ma per le applicazioni corrosive, le leghe di acciaio ad alto contenuto di nichel, come Inconel o Hastelloy, offrono prestazioni migliori. Il tantalio viene utilizzato anche per applicazioni altamente corrosive e ad alta temperatura. Come caso speciale, i diaframmi in argento possono essere utilizzati per misurare la pressione del cloro, del fluoro e di altri alogeni allo stato elementare.

Trasduttori di pressione potenziometrici

Il sensore di pressione potenziometrico fornisce un metodo semplice per ottenere un'uscita elettronica da un manometro meccanico. Il dispositivo è costituito da un potenziometro di precisione, il cui braccio di contatto è collegato meccanicamente a un elemento Bourdon o a soffietto. Il movimento del braccio di contatto attraverso il potenziometro converte la deflessione del sensore rilevata meccanicamente in una misurazione della resistenza, utilizzando un circuito a ponte di Wheatstone.

La natura meccanica dei collegamenti che uniscono il braccio del cursore al tubo Bourdon, al soffietto o all'elemento a diaframma introduce inevitabili errori in questo tipo di misurazione. Gli effetti della temperatura causano ulteriori errori a causa delle differenze nei coefficienti di espansione termica dei componenti metallici del sistema. Si verificano inoltre errori dovuti all'usura meccanica dei componenti e dei contatti.

breve-descrizione-immagine I trasduttori potenziometrici possono essere realizzati in dimensioni estremamente ridotte e installati in spazi molto ristretti, come all'interno dell'alloggiamento di un manometro con quadrante da 4,5 pollici. Forniscono inoltre un segnale di uscita forte che può essere letto senza amplificazione aggiuntiva. Ciò consente di utilizzarli in applicazioni a bassa potenza. Sono inoltre economici. I trasduttori potenziometrici possono rilevare pressioni comprese tra 5 e 10.000 psig (da 35 KPa a 70 MPa). La loro accuratezza è compresa tra lo 0,5% e l'1% del fondo scala, esclusi la deriva e gli effetti della temperatura.

Trasduttori di pressione a filo risonante

Il trasduttore di pressione a filo risonante è stato introdotto alla fine degli anni '70. In questo tipo di sonda, un filo è fissato da un elemento statico a un'estremità e dal diaframma sensibile all'altra. Un circuito oscillatore fa oscillare il filo alla sua frequenza di risonanza. Una variazione della pressione di processo modifica la tensione del filo, che a sua volta modifica la frequenza di risonanza del filo. Un circuito contatore digitale rileva lo spostamento. Poiché questa variazione di frequenza può essere rilevata con estrema precisione, questo tipo di trasduttore può essere utilizzato per applicazioni a bassa pressione differenziale, nonché per rilevare pressioni assolute e manometriche.

Il vantaggio più significativo del trasduttore di pressione a filo risonante è che genera un segnale intrinsecamente digitale e quindi può essere inviato direttamente a un orologio a cristallo stabile in un microprocessore. Le limitazioni includono la sensibilità alle variazioni di temperatura, un segnale di uscita non lineare e una certa sensibilità agli urti e alle vibrazioni. Queste limitazioni sono in genere ridotte al minimo utilizzando un microprocessore per compensare le non linearità e le variazioni di temperatura ambiente e di processo.

I trasduttori a filo risonante possono rilevare pressioni assolute da 10 mm Hg, pressioni differenziali fino a 750 pollici d'acqua e pressioni manometriche fino a 6.000 psig (42 MPa). La precisione tipica è dello 0,1% dell'intervallo calibrato, con una deriva semestrale dello 0,1% e un effetto della temperatura dello 0,2% per 1000 °F. .