Paranna teollisuusprosessien luotettavuutta ja tarkkuutta käyttämällä mediaeristettyjä paineantureita

Suljetun silmukan teollisten ja kaupallisten prosessien, esimerkkinä lämmitys, ilmanvaihto, ilmastointi ja jäähdytys (HVAC/R), suunnittelijat käyttävät sähkömekaanisia paineantureita ohjauksen parantamiseksi ja prosessin suorituskyvyn parantamiseksi. Ongelmana on, että näissä järjestelmissä käytetyt nesteet ja kaasut yhdistettynä laajaan lämpötila- ja painealueeseen, jolla järjestelmiä käytetään, voivat vaikuttaa paineanturin materiaaleihin aiheuttaen korroosiota. Tämä voi johtaa vuotoihin ja vaarantaa anturin toiminta.

Suunnittelijat tarvitsevat vaihtoehtoisen tekniikan, joka pystyy vastaamaan ympäristöhaasteisiin tarjoamalla samalla sovellukselta vaaditun tarkkuuden ja luotettavuuden.

Tässä artikkelissa kuvataan miten venymäliuskaan perustuvat paineanturit toimivat ennen kuin siinä esitellään Honeywellin mediaeristetyt paine-anturit (MIP). Nämä on valmistettu ruostumattomasta teräksestä ja niissä on hermeettisesti hitsattu rakenne O-renkaan ja liimatiivisteiden sijaan, jotka osoittautuvat usein heikkouksiksi tyypillisissä antureissa. Artikkeli tarkastelee sitten mittausvirheiden lähteitä ja miten ne voidaan minimoida, ennen kuin siinä osoitetaan, kuinka antureita voidaan käyttää kaupallisessa jäähdytysjärjestelmässä prosessin tehokkuuden lisäämiseksi.

Kuinka sähkömekaaninen paineanturi toimii

Nykyaikaiset paineanturit perustuvat sähköisiin lähtöihin ja ne korvaavat vanhemmat oikukkaat mekaaniset vivut ja asteikot. Nykypäivän sähkömekaanisten laitteiden tärkeimmät edut ovat luotettavuus, tarkkuus ja mahdollisuus etävalvontaan. Niiden pääasiallinen mittaustekniikka perustuu joko pietsosähköisiin materiaaleihin tai venymäliuskoihin. Pietsosähköiset paineanturit soveltuvat vain dynaamiseen paineen mittaukseen, kun taas venymäliuskayksiköitä voidaan käyttää sekä dynaamiseen että staattiseen paineen mittaukseen. Tässä artikkelissa keskitytään jälkimmäiseen.

Venymäliuskat ovat sähköisiä piirejä, joiden resistanssi muuttuu kun niitä venytetään. Venymä on suhdeluku, joka ilmaisee pituuden muutoksen alkuperäiseen pituuteen verrattuna (merkitään ”ε”). Venymäliuska luokitellaan tyypillisesti sen "resistanssin muuttumiskertoimen" (GF, ”Gage Factor”) mukaan. Tämä mittaa sen venytysherkkyyttä. Toisin sanoen GF on sähköisen resistanssin muutossuhteen suhde pituuden (tai venymän) muutossuhteeseen.

Käytössä paineanturi työnnetään suoraan paineistettuun järjestelmään, jossa järjestelmän neste tai kaasu vaikuttaa anturin aukon kautta liikuttaen sen kalvoa. Venymäliuska kiinnitetään sopivalla liimalla tämän kalvon yläosaan (kuva 1).

Kuva 1: Kalvoon asennettu venymäliuska, joka soveltuu käytettäväksi paineanturissa. Tässä esimerkissä venymäliuskan todellinen halkaisija on 6,35 millimetriä (mm). (Kuvalähde: Micro Measurements)

Jopa erittäin korkeissa paineissa venymäpituuden muutos on todennäköisesti vain muutama “millistrain” (mε), mikä puolestaan johtaa hyvin pieneen muutokseen resistanssissa. Oletetaanpa esimerkiksi, että testinäyte venyy 350 mε. Tässä kuormituksessa venymäliuska, jonka GF on 2, näyttää sähkövastuksen muutokseksi 2 (350 x 10^-6) = 0,07 prosenttia. 350 ohmin (Ω) mitalla vastuksen muutos olisi vain 0,245 Ω.

Kuinka mitata venymäliuska

Jotta tällaiset pienet resistanssimuutokset voitaisiin mitata tarkasti ja minimoida kohinan vaikutus, paineanturin venymäliuska yhdistetään Wheatstone-sillan toiseen osaan. Tämä on neljän resistiivisen haaran verkko, jonka yli on kohdistettu viritysjännite E (kuva 2) .

Kuva 2: Tässä Wheatstone-sillan piirikaaviossa venymäliuska on yhdistetty yhteen haaraan; R_G on venymäliuskan resistanssi ja R_L1 ja R_L2 ovat venymäliuskan johtimen resistanssi; vastukset R₂ , R₃ ja R₄ ovat kiinteitä ja tunnettuja arvoja; e_o on lähtöjännite ja E viritysjännite. (Kuvalähde: Micro Measurements)

Wheatstone-silta on kahden rinnakkaisen jännitteenjakopiirin sähköinen ekvivalentti; R_G (olettaen että johtimien resistanssit R_L1 ja R_L2 ovat merkityksettömiä) ja R₄ muodostavat yhden jännitteenjakopiirin; ja R₂ ja R₃ muodostavat toisen. Lähtö e_o mitataan kahden jännitteenjakajan keskisolmujen väliltä ja se voidaan laskea seuraavasti:

Yhtälö 1

Yhtälöstä 1 voidaan nähdä, että kun R_G/R₄ = R₃/R₂, lähtöjännite e_o on nolla ja sillan sanotaan olevan tasapainossa. Kaikki muutokset venymäliuskan resistanssissa saavat sillan pois tasapainosta ja tuottavat venymämäärään suhteellisen nollasta poikkeavan jännitteen e_o. Paineanturissa kalvoon asennetun venymäliuskan lähtöjännitteen sanotaan olevan "ratiometrinen" (lineaarisesti verrannollinen) syöttöjännitteeseen (viritysjännite) E koko painealueella.

Lämpötilan kompensointi

Venymäliuskoja käytettäessä niiden alttius lämpötilavaikutuksille muodostaa haasteen. Lämpötilan vaihtelut voivat aiheuttaa poikkeama- ja mittausvirheitä ja lisätä hystereesiä.

Venymämittari voi lämmetä viritysjännitteen E takia, mutta sitä voidaan vähentää pitämällä E alhaisena. Haittapuolena on se, että tämä laskee järjestelmän herkkyyttä, mutta Wheatstone-sillan lähtöjännitettä e_o voidaan tarvittaessa vahvistaa. On kuitenkin kiinnitettävä erityistä huomiota ettei kasvanutta kohinaa vahvisteta. Yksi ratkaisu on käyttää "kantoaaltotaajuusvahvistimia", jotka muuntavat jännitevaihtelun taajuusvaihteluksi ja käyttävät kapeaa kaistanleveyslähtöä kohinan pitämiseksi alhaisena ja kaistan ulkopuolisten sähkömagneettisten häiriöiden (EMI) vähentämiseksi.

Toisen lämmönlähteen muodostavat itse paineanturin kalvo ja runko. Kuuman lämpötilan seurauksena kalvo laajenee ja venymäliuska rekisteröi venymän, joka ei johdu suoraan nesteen tai kaasun paineesta.

Näiden vaikutusten vähentämiseksi nykyaikaiset venymäliuskat sisältävät ominaisuuksia lämpötilan kompensoimiseksi. Venymäliuskat valmistetaan tyypillisesti seoksesta, josta 55 prosenttia on kuparia ja 45 prosenttia on nikkeliseosta. Tällä materiaalilla on erittäin pieni lämpölaajenemiskerroin (CTE), joka vähentää lämpötilan aiheuttamaa venymää. Lisäksi sovittamalla venymäliuskan CTE-arvo huolellisesti sen kalvomateriaalin arvoon, johon se on kiinnitetty, voidaan aikaansaada tietty "lämpötilan automaattinen kompensointi", joka rajoittaa lämpötilan aiheuttaman venymän vain muutamaan mikrometriin/metri/celsiusaste (μm/m/°C).

Toinen lämpötilaan liittyvä virhelähde voi olla johtimet, jotka kuljettavat venymäliuskan jännitesignaaleja. Alustavassa keskustelussa sillan ominaisuuksista edellä olevassa kuvassa 2 näiden johtojen resistanssin (R_L1 ja R_L2) oletettiin olevan merkityksetön; mutta jos johtimet valmistetaan kuparista, niin niinkin pieni kuin 10 °C:n lämpötilan nousu voi aiheuttaa jo pelkästään johdoista siltaan siirtymän, joka vastaa useita satoja µε-yksikköjä (”microstrain ”). Yleinen tekniikka tämän siirtymän korjaamiseksi on käyttää kolmijohtimista siltaa (kuva 3).

Kuva 3: Tässä Wheatstone-sillan piirikaaviossa sillan negatiivisen lähdön sähköinen solmu siirretään R₄:n yläosasta venymäliuskan pohjaan R_L2:n päässä. Johtimet R_L1 ja R_L2 muodostavat saman resistanssin ja silta on tasapainossa. Johdin R_L3 on vain jännitettä mittaava johto, eikä sillä ole vaikutusta sillan tasapainoon. (Kuvalähde: Micro Measurements)

Kuvasta 3 voidaan nähdä, että sillan negatiivisen lähdön sähköinen solmu siirretään R₄:n yläosasta venymäliuskan pohjaan R_L2:n päässä. Johdin R_L1 ja venymäliuska (R_G) muodostavat yhden haaran ja R _L2 sekä vastus R₄ muodostavat toisen haaran. Jos johtimien R_L1 ja R_L2 resistanssi on sama, silloin sillan molemmilla haaroilla on sama resistanssi ja silta on tasapainossa. Johdin R_L3 on vain jännitettä mittaava johto; se ei ole sarjassa minkään sillan haaran kanssa eikä sillä ole vaikutusta sillan tasapainoon.

Jos sekä R_L1:n ja R_L2:n lämpötilavaihtelut ovat samat, silta pysyy tasapainossa. Lisäksi koska vain yksi johdin on sarjassa venymäliuskan kanssa, johtimen aiheuttama lämpötilaherkistyminen laskee puoleen verrattuna kaksilankaiseen konfiguraatioon.

Paitsi että lämpötila vaikuttaa paineanturin lähtöön, on muitakin virhelähteitä. Näitä virhelähteitä verrataan usein ”ihanteelliseen siirtofunktioon”, joka on lämpötilasta riippumaton suora viiva, joka kulkee ihanteellisen siirtymän läpi kaltevuudella, joka vastaa ihanteellista täysimittaista aluetta (FSS) käyttöpaine-alueella. Siirtymä on lähtösignaali, joka saadaan käytettäessä vertailupainetta, ja FSS on käyttöpaine-alueen ylä- ja alarajalla mitattujen lähtösignaalien erotus (kuva 4).

Kuva 4: Paineanturin ihanteellinen siirtofunktio on lämpötilasta riippumaton suora viiva, joka kulkee ihanteellisen siirtymän läpi ja jonka kaltevuus vastaa ihanteellista FSS-arvoa käyttöpaine-alueella. (Kuvalähde: Honeywell)

Heikkolaatuisissa paineantureissa voi esiintyä suhteellisen suuria siirtymä- ja FSS-virheitä kun ne lähtevät tehtaalta. Siirtymävirhe on suurin painepoikkeama ihanteelliseen siirtymään verrattuna, kun taas FSS-virhe on suurin poikkeama mitatussa FSS-alueessa vertailulämpötilassa suhteessa ihanteelliseen (tai haluttuun) FSS-alueeseen joka määritetään ihanteellisesta siirtofunktiosta.

Muita virheitä aiheuttavat itse paineanturin tarkkuus, joita voivat olla paineen epälineaarisuus, painehystereesi ja toistumattomuus. Lämmön aiheuttamien virheiden, anturin epätarkkuuksien sekä siirtymä- ja FSS-virheiden yhdistelmä määrää paineanturin kokonaisvirhekaistan (TEB). TEB on suurin lähtöpoikkeama ihanteellisesta siirtofunktiosta koko kompensoidulla lämpötila- ja paine-alueella (kuva 5).

Kuva 5: Paineanturin virhelähteet summautuvat TEB-arvoon. (Kuvalähde: Honeywell)

Raskaaseen käyttöön tarkoitetut paineanturit

Teollisuudessa käytettävät paineanturit altistuvat syövyttäville nesteille ja kaasuille sekä suurille lämpötilan vaihteluille. Esimerkiksi LVI-sovelluksessa käytettävät muuntimet altistuvat kylmäaineille kuten butaanille, propaanille, ammoniakille, CO₂-kaasulle, glykolille ja vedelle, tai joukolle synteettisiä fluorihiilivetyjä sisältäviä kylmäaineita kuten R134A, R407C, R410A, R448A, R32, R1234ze tai R1234yf. Teollisuuden LVI-järjestelmien lämpötilat kattavat myös teollisuuden lämpötila-alueen -40 ... +85 °C tai jopa enemmän.

Monet matalan ja keskitason paineanturit on valmistettu sellaisista seoksista kuten messinki ja ne käyttävät O-renkaita ja liimoja anturin elektroniikan erottamiseen kalvoon koskettavista nesteistä ja kaasuista. Käytettäessä syövyttäviä aineita tiivisteet voivat osoittautua ongelmallisiksi ja alkaa vuotaa. Tällaiset vuodot voivat jäädä aluksi huomaamatta, mikä johtaa virheellisiin lukemiin ja järjestelmän huonoon hallittavuuteen. Lopulta vuodot aiheuttavat vikoja, kun elektroniikka altistuu syövyttäville nesteille tai kaasuille.

Näiden mahdollisten vikatilojen välttämiseksi suunnittelijat voivat käyttää HoneywellinMIP-sarjan paineantureita. Nämä raskaaseen käyttöön tarkoitetut mediaeristetyt paineanturit eliminoivat sisäiset O-renkaat ja liimatiivisteet. Anturit on valmistettu ruostumattomasta teräksestä ja niissä on hermeettisesti hitsattu rakenne O-rengastiivisteen sijaan. Tämän rakenteen ansiosta MIP-antureita voidaan käyttää useiden medioiden kanssa, mukaan lukien aggressiiviset nesteet, vesi ja kaasut lämpötila-alueella -40 .. 125 °C ja paineilla 100 kilopascalista (kPa) 6 megapascaliin (mPa) (kuva 6) .

Kuva 6: Honeywellin MIP-sarjan paineanturit on valmistettu ruostumattomasta teräksestä ja niissä on hermeettisesti hitsattu rakenne, joka eliminoi tiivisteiden tarpeen. Tämän rakenteen ansiosta antureita voidaan käyttää monenlaisten medioiden kanssa, mukaan lukien aggressiiviset nesteet, vesi ja kaasut. (Kuvalähde: Honeywell)

MIP-sarjan käyttöjännite on 5 volttia ja se tarjoaa ratiometrisen lähdön 0,5–4,5 DC-volttia. TEB paineanturin koko lämpötila-alueella on ±1,0 prosenttia paineissa ≤1 MPa ja 0,75 prosenttia paineissa >1 MPa. Anturin tarkkuus on ±0,15 prosenttia FSS-arvosta (BFSL (Best Fit Straight Line)) (kuva 7) ja sen vasteaika on 1 millisekunti (ms) ja purskeluokitus yli 20 MPa.

Kuva 7: MIP-sarjan paineanturien käyttöjännite on 5 volttia ja ne tarjoavat ratiometrisen lähdön 0,5–4,5 DC-volttia. TEB paineanturin koko lämpötila-alueella on ±1,0 prosenttia paineissa ≤1 MPa ja 0,75 prosenttia paineissa >1 MPa. (Kuvalähde: Honeywell)

Lisäksi sarja tarjoaa ±40 voltin DC-ylijännitesuojan sekä sähkövian tapahtuessa anturin lähtödiagnostiikan (taulukko 1).

Taulukko 1: MIP-sarjan paineanturin käyttöominaisuudet. (Kuvalähde: Honeywell)

Paineanturit LVI-sovelluksissa

Paineanturilla on keskeinen rooli sellaisissa sovelluksissa kuten LVI-järjestelmät ja ne mahdollistavat tarkan hallinnan tehokkuuden maksimoimiseksi ja energiankulutuksen vähentämiseksi samanaikaisesti. Tarkastellaanpa esimerkiksi teollisen jäähdytysyksikön käyttämää LVI-sykliä (kuva 8).

Kuva 8: Kaaviossa näytetään LVI-sykli. Kompressorin ja höyrystimen ulostulojen raskaaseen käyttöön tarkoitettuja paineantureita voidaan käyttää kylmäainepaineen seurantaan kylmäaineen optimaalisten vaihemuutosten varmistamiseksi ja vuorostaan syklin tehokkuuden määrittämiseksi. (Kuvalähde: Honeywell)

Kompressorivaiheessa höyrystimestä tuleva matalapainehöyry puristetaan (aiheuttaa kuumenemista) ja se pumpataan lauhduttimeen. Lauhduttimessa kuuma höyry vapauttaa sisältämänsä lämmön ilmaan ja kondensoituu kuumaksi nesteeksi. Kuivain poistaa sitten veden kylmäaineesta. Tämän jälkeen annostelulaitteessa lauhduttimesta tuleva kuuma neste työnnetään virtausrajoittimen läpi, mikä vähentää sen painetta ja pakottaa kylmäaineen luovuttamaan lämpöä. Sitten tämä kylmä neste absorboi höyrystimen sisällä lämpöä lauhduttimen paluuilmavirrasta ja muuttuu höyryksi. Tämä höyry absorboi edelleen lämpöä, kunnes se saavuttaa kompressorin, jossa sykli toistuu. Höyrystimestä saatavaa viileää ilmaa käytetään lämpötilan alentamiseksi jäähdytetyssä tilassa.

Jäähdytyssykli toimii, koska muuttuessaan nestemäisestä höyryksi ja takaisin kylmäaine pystyy vapauttamaan ja sitomaan runsaasti energiaa. Toimiakseen tehokkaasti ja korkealla hyötysuhteella järjestelmän eri osissa olevaa painetta on seurattava ja ohjattava huolellisesti. Tämä on erityisen tärkeää kun kylmäaine muuttuu nesteestä höyryksi ja höyrystä nesteeksi. Esimerkiksi alhaisessa paineessa kylmäaine muuttuu nestemäisestä kaasuksi ja absorboi latenttia energiaa (lämpöä) alhaisemmassa lämpötilassa kuin muutoin. Korkeassa paineessa kylmäainekaasu muuttuu kaasusta nesteeksi korkeammassa lämpötilassa kuin muutoin ja vapauttaa latenttia energiaa (lämpöä).

Seuraamalla kompressorin ja höyrystimen ulostulopainetta kompressori ja annostelulaite voidaan asettaa säätämään tarkasti virtausta (ja siten myös painetta) syklin matala- ja korkeapaineisissa osissa sekä näin vuorostaan ohjata kylmäaineen tilamuunnosten lämpötilaa järjestelmän tehokkuuden maksimoimiseksi.

Yhteenveto

Venymäliuskaa käyttävät paineanturit tarjoavat hyvän ratkaisun paineen mittaamiseen teollisissa prosesseissa, mutta sellaisten järjestelmien suunnittelijoiden, jotka todennäköisesti altistuvat ympäristön ääriarvoille, on tunnettava O-renkaita ja liimoja käyttävien mallien rajoitukset.

Honeywellin MIP-sarjan paineanturit on suunniteltu sovelluksiin, jotka saattavat altistua tällaisille ääriarvoille, ja ne on valmistettu ruostumattomasta teräksestä ja niissä käytetään hermeettisesti hitsattua rakennetta. Tämän rakenteen ansiosta MIP-antureita voidaan käyttää useiden teollisten nesteiden ja kaasujen kanssa ja se varmistaa pitkän käyttöiän jopa korkeissa lämpötiloissa ja paineissa. Honeywellin paineanturit tarjoavat myös korkean tarkkuuden, nopean vasteen, hyvän pitkän aikavälin vakauden ja erinomaisen EMI-immuniteetin.