EUR | USD

Einsatz medienisolierter Drucksensoren zur Erhöhung der Zuverlässigkeit und Präzision von Industrieprozessen

Zur Verfügung gestellt von Nordamerikanische Fachredakteure von Digi-Key

Konstrukteure von industriellen und kommerziellen Prozessen mit geschlossenem Regelkreis wie Heizung, Lüftung, Klimaanlage und Kühlung (Haustechnik) verwenden elektromechanische Druckwandler, um die Steuerung zu verbessern und die Prozessleistung zu steigern. Das Problem besteht darin, dass die in diesen Systemen verwendeten Flüssigkeiten und Gase in Verbindung mit dem weiten Temperatur- und Druckbereich, in dem die Systeme arbeiten, die Materialien des Druckwandlers angreifen und Korrosion verursachen können, die zu Leckagen führen kann, die die Integrität des Sensors beeinträchtigen.

Konstrukteure benötigen eine alternative Technologie, die den Umweltherausforderungen gerecht wird und gleichzeitig die erforderliche Genauigkeit und Zuverlässigkeit für die Anwendung bietet.

Dieser Artikel beschreibt die Funktionsweise von auf Dehnungsmessstreifen (DMS) basierenden Druckwandlern vor der Einführung von medienisolierten Druckwandlern (MIP) von Honeywell. Diese werden aus rostfreiem Stahl hergestellt und weisen eine hermetisch verschweißte Konstruktion anstelle der O-Ring- und Klebstoffdichtungen auf, die sich bei typischen Sensoren oft als Schwächen erweisen. Der Artikel befasst sich dann mit Quellen von Messfehlern und wie diese minimiert werden können, bevor gezeigt wird, wie die Messumformer in einer Gewerbekälteanlage eingesetzt werden können, um die Effizienz des Prozesses zu erhöhen.

Wie ein elektromechanischer Druckwandler funktioniert

Moderne Druckwandler basieren auf elektrischen Ausgängen und machen Schluss mit älteren und kniffligen mechanischen Verbindungen und Skalen. Die Hauptvorteile der heutigen elektromechanischen Geräte sind Zuverlässigkeit, Präzision und die Möglichkeit der Fernüberwachung. Ihre Hauptmesstechnik basiert entweder auf piezoelektrischen Materialien oder Dehnungsmessstreifen. Piezoelektrische Druckaufnehmer sind nur für die dynamische Druckmessung geeignet, während DMS-Einheiten sowohl für die dynamische als auch für die statische Druckmessung verwendet werden können. Dieser Artikel konzentriert sich auf Letzteres.

Dehnungsmessstreifen sind elektrische Schaltkreise, die ihren Widerstand ändern, wenn sie einer Dehnung ausgesetzt sind, wobei Dehnung das Verhältnis der Längenänderung eines Materials, das einer Kraft ausgesetzt ist, zu seiner unbelasteten Länge ist (bezeichnet als „ε“). Der Dehnungsmessstreifen wird typischerweise nach seinem „Messfaktor“ (GF) kategorisiert, der ein Maß für seine Dehnungsempfindlichkeit ist. Mit anderen Worten: GF ist das Verhältnis der Änderung des elektrischen Widerstands zur Änderung der Länge (oder Dehnung).

Bei der Verwendung wird der Druckwandler direkt in das unter Druck stehende System eingeführt, wo die Flüssigkeit oder das Gas des Systems in eine Öffnung im Wandler eintritt und eine Membran verdrängt. Ein Dehnungsmessstreifen wird mit einem geeigneten Klebstoff auf der Oberseite dieser Membran befestigt (Abbildung 1).

Diagramm eines membranmontierten DehnungsmessstreifensAbbildung 1: Ein membranmontierter Dehnungsmessstreifen, der zur Verwendung in einem Druckwandler geeignet ist. Der Durchmesser des Dehnungsmessstreifens beträgt 6,35 Millimeter (mm). (Bildquelle: Micro Measurements)

Selbst bei sehr hohen Drücken dürfte die Längenänderung des Dehnungsmessstreifens nicht mehr als ein paar „mε“ betragen, was wiederum zu einer sehr geringen Widerstandsänderung führt. Nehmen wir zum Beispiel an, eine Probe wird einer Belastung von 350 mε ausgesetzt. Unter dieser Belastung zeigt ein Dehnungsmessstreifen mit einem GF von 2 eine Änderung des elektrischen Widerstands von 2 x (350 x 10-6) = 0,07 Prozent. Für ein Messgerät mit 350 Ohm (Ω) würde die Widerstandsänderung nur 0,245 Ω betragen.

Wie man Messungen mit Dehnungsmessstreifen durchführt

Zur genauen Messung solch kleiner Widerstandsänderungen bei gleichzeitiger Minimierung des Einflusses von Rauschen ist der Dehnungsmessstreifen des Druckaufnehmers in einen Schenkel einer Wheatstone-Brücke integriert, ein Netzwerk von vier Widerstandsarmen, über die eine Erregerspannung E angelegt wird (Abbildung 2).

Abbildung des Schaltplans der Wheatstone-BrückeAbbildung 2: In diesem Wheatstone-Brückenschaltplan ist der Dehnungsmessstreifen in einem Zweig integriert; RG ist der DMS-Widerstand und RL1 und RL2 sind die DMS-Zuleitungsdrahtwiderstände; die Widerstände R2, R3 und R4 sind feste, bekannte Werte; eo ist die Ausgangsspannung und E die Erregerspannung. (Bildquelle: Micro Measurements)

Die Wheatstone-Brücke ist das elektrische Äquivalent von zwei parallelen Spannungsteilerschaltungen, wobei RG (unter der Annahme, dass der Widerstand der Zuleitungsdrähte RL1 und RL2 vernachlässigbar ist) und R4 eine Spannungsteilerschaltung bilden, und R2 und R3 die zweite. Die Ausgabe, eo, wird zwischen den mittleren Knoten der beiden Spannungsteiler gemessen und kann wie folgt berechnet werden:

Gleichung 1 Gleichung 1

Aus Gleichung 1 geht hervor, dass, wenn RG/R4 = R3/R2, die Ausgangsspannung eo gleich Null ist und die Brücke als symmetrisch bezeichnet wird. Jede Widerstandsänderung des Dehnungsmessstreifens bringt dann die Brücke aus dem Gleichgewicht und erzeugt einen von Null verschiedenen eo proportional zur Dehnung. In einem Druckwandler soll die Ausgangsspannung des membranmontierten Dehnungsmessstreifens über den gesamten Druckbereich „ratiometrisch“ (linear proportional) zur Speise-(Erregungs-)Spannung E sein.

Temperaturkompensation

Eine konstruktive Herausforderung bei der Verwendung von Dehnungsmessstreifen ist ihre Anfälligkeit für Temperatureffekte. Temperaturschwankungen können Offset- und Bereichsfehler verursachen und die Hysterese erhöhen.

Der Dehnungsmessstreifen kann sich durch die Erregerspannung E erwärmen, dies kann jedoch weitgehend abgeschwächt werden, indem E niedrig gehalten wird. Der Nachteil ist, dass dadurch die Empfindlichkeit des Systems verringert wird, aber die Ausgangsspannung der Wheatstone-Brücke, eo, kann bei Bedarf verstärkt werden. Es muss jedoch besonders darauf geachtet werden, dass überlagerndes Rauschen nicht verstärkt wird. Eine Lösung besteht in der Verwendung von „Trägerfrequenz“-Verstärkern, die die Spannungsschwankung in eine Frequenzschwankung umwandeln und eine schmale Ausgangsbandbreite verwenden, um das Rauschen niedrig zu halten und elektromagnetische Störungen (EMI) außerhalb des Bandes zu reduzieren.

Eine zweite Wärmequelle kommt von der Membrane und dem Körper des Druckwandlers selbst. Bei heißen Temperaturen dehnt sich die Membrane aus und der Dehnungsmessstreifen registriert eine Dehnung, die nicht direkt auf den Flüssigkeits- oder Gasdruck zurückzuführen ist.

Um diese Effekte abzuschwächen, enthalten moderne Dehnungsmessstreifen Temperaturkompensationsmaßnahmen. Die Dehnungsmessstreifen werden in der Regel aus einer Legierung mit 55 Prozent Kupfer und 45 Prozent Nickel hergestellt. Das Material hat einen sehr niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten (WAK), der die temperaturbedingte Dehnung begrenzt. Darüber hinaus kann durch sorgfältige Abstimmung des WAK des Dehnungsmessstreifens mit dem WAK des Membranmaterials, an dem er befestigt ist, ein gewisser „Temperatureigenausgleich“ realisiert werden, der die temperaturbedingte Dehnung auf wenige Mikrometer/Meter/Grad Celsius begrenzt (μm/m/°C).

Eine weitere Quelle für temperaturbedingte Fehler kann von den Zuleitungsdrähten ausgehen, die die DMS-Spannungssignale führen. In der anfänglichen Diskussion über die Brückeneigenschaften in Abbildung 2 oben wurde der Widerstand dieser Drähte (RL1 und RL2) als vernachlässigbar angenommen; wenn die Zuleitungsdrähte jedoch aus Kupfer bestehen, könnte bereits ein Temperaturanstieg von 10°C einen Brückenoffset von mehreren hundert µε direkt von den Zuleitungen verursachen. Eine gängige Technik zur Überwindung dieses Offsets ist die Verwendung einer Dreidrahtbrücke (Abbildung 3).

Abbildung des Schaltplans der Wheatstone-BrückeAbbildung 3: In diesem Wheatstone-Brückenschaltplan wird der elektrische Knoten der negativen Ausgangsbrücke von der Oberseite von R4 zur Unterseite des Dehnungsmessstreifens am Ende von RL2 verschoben. Wenn die Zuleitungsdrähte RL1 und RL2 den gleichen Widerstand haben, wird die Brücke abgeglichen. Der Zuleitungsdraht RL3 ist ein reiner Spannungsmessdraht und hat keinen Einfluss auf den Brückenausgleich. (Bildquelle: Micro Measurements)

Abbildung 3: In diesem Wheatstone-Brückenschaltplan wird der elektrische Knoten der negativen Ausgangsbrücke von der Oberseite von R4 zur Unterseite des Dehnungsmessstreifens am Ende von RL2 verschoben. Der Zuleitungsdraht RL1 und der Dehnungsmessstreifen (RG) bestehen aus einem Arm, wobei RL2 und der Widerstand R4 den benachbarten Arm bilden. Wenn die Zuleitungsdrähte RL1 und RL2 den gleichen Widerstand haben, dann sind die beiden Brückenarme gleich und die Brücke ist symmetrisch. Der Zuleitungsdraht RL3 ist ein reiner Spannungsmessdraht; er ist mit keinem der Brückenarme in Reihe geschaltet und hat keinen Einfluss auf die Symmetrie der Brücke.

Unter der Voraussetzung, dass sowohl RL1 als auch RL2 den gleichen Temperaturschwankungen unterliegen, bleibt die Brücke abgeglichen. Da nur ein Zuleitungsdraht mit dem Dehnungsmessstreifen in Reihe geschaltet ist, wird außerdem die durch den Zuleitungsdraht induzierte Temperatursensibilisierung im Vergleich zu einer Zweidrahtkonfiguration um die Hälfte reduziert.

Neben dem Einfluss der Temperatur auf die Ausgabe des Druckwandlers gibt es noch andere Fehlerquellen. Diese Fehlerquellen werden oft auf die „ideale Übertragungsfunktion“ bezogen, die eine temperaturunabhängige Gerade ist, die durch den idealen Offset mit einer Steigung gleich der idealen Skalenendwertspanne (FSS) über den Betriebsdruckbereich verläuft. Der Offset ist das Ausgangssignal, das man erhält, wenn ein Referenzdruck angelegt wird, und FSS ist die Differenz zwischen den Ausgangssignalen, die an der oberen und unteren Grenze des Betriebsdruckbereichs gemessen werden (Abbildung 4).

Diagramm der idealen Übertragungsfunktion des DruckwandlersAbbildung 4: Die ideale Übertragungsfunktion eines Druckaufnehmers ist eine temperaturunabhängige Gerade, die durch den idealen Offset mit einer Steigung gleich dem idealen FSS über den Betriebsdruckbereich verläuft. (Bildquelle: Honeywell)

Druckmessumformer geringerer Qualität können beim Verlassen des Werks relativ großen Offset- und FSS-Fehlern unterliegen. Der Offset-Fehler ist die maximale Druckabweichung im Vergleich zum idealen Offset, während der FSS-Fehler die maximale Abweichung des gemessenen FSS bei der Referenztemperatur im Vergleich zum idealen (oder Ziel-) FSS ist, wie aus der idealen Übertragungsfunktion bestimmt.

Weitere Fehler ergeben sich aus der Genauigkeit des Druckaufnehmers selbst, die von der Nichtlinearität des Drucks, der Druckhysterese und der Nichtwiederholbarkeit des Drucks abhängen kann. Die Kombination von thermisch induzierten Fehlern, Ungenauigkeiten des Druckaufnehmers sowie Offset- und FSS-Fehler bestimmen das Gesamtfehlerband (TEB) des Druckaufnehmers. TEB ist die maximale Abweichung der Leistung von der idealen Übertragungsfunktion über den gesamten kompensierten Temperatur- und Druckbereich (Abbildung 5).

Diagramm der Fehlerquellen für einen DruckwandlerAbbildung 5: Die Fehlerquellen für einen Druckaufnehmer summieren sich zum TEB. (Bildquelle: Honeywell)

Hochbelastbare Druckwandler

Druckwandler, die in industriellen Anwendungen eingesetzt werden, sind korrosiven Flüssigkeiten und Gasen sowie starken Temperaturschwankungen ausgesetzt. Beispielsweise sind die in einer HLK/R-Anwendung verwendeten Messwandler Kältemitteln wie Butan, Propan, Ammoniak, CO2, Glykol plus Wasser oder einer Reihe von synthetischen Fluorkohlenwasserstoff-Kältemitteln wie R134A, R407C, R410A, R448A, R32, R1234ze oder R1234yf ausgesetzt. Außerdem erstrecken sich die Temperaturen in industriellen HLK/R-Systemen über den industriellen Temperaturbereich von -40°C bis +85°C oder sogar darüber.

Viele Druckwandler für den unteren bis mittleren Druckbereich werden aus Legierungen wie Messing hergestellt und verwenden O-Ringe und Klebstoffe, um die Elektronik des Sensors gegen die Flüssigkeiten und Gase abzudichten, die die Membran berühren. Bei Verwendung mit korrosiven Substanzen können die Dichtungen eine Schwäche aufweisen und undicht werden. Solche Lecks können zunächst unentdeckt bleiben, was zu falschen Messwerten und schlechter Systemkontrolle führt. Letztendlich führen die Lecks zu Ausfällen, da die Elektronik den korrosiven Flüssigkeiten oder Gasen ausgesetzt wird.

Um diese potentiellen Ausfallmodi zu vermeiden, können Konstrukteure Honeywells MIP-Serie von Druckwandlern verwenden. Diese hochbelastbaren, medienisolierten Druckwandler machen den internen O-Ring und die Klebstoffdichtungen überflüssig. Die Messwertaufnehmer sind aus Edelstahl gefertigt und weisen anstelle einer O-Ring-Dichtung eine hermetisch verschweißte Konstruktion auf. Das Design macht die MIP-Sensoren kompatibel mit einer Vielzahl von Medien, einschließlich aggressiven Flüssigkeiten, Wasser und Gasen über einen Temperaturbereich von -40 bis 125°C und Drücken von 100 Kilopascal (kPa) bis 6 Megapascal (MPa) (Abbildung 6).

Abbildung von Honeywells Druckmessumformern der Serie MIPAbbildung 6: Die Druckmesswandler der Serie MIP von Honeywell sind aus Edelstahl gefertigt und verwenden eine hermetisch verschweißte Konstruktion, die Dichtungen überflüssig macht. Das Design macht die Sensoren mit einer Vielzahl von Medien kompatibel, einschließlich aggressiver Flüssigkeiten, Wasser und Gase. (Bildquelle: Honeywell)

Die MIP-Serie wird mit einer 5-Volt-Versorgung betrieben und bietet einen ratiometrischen Ausgang über einen Gleichstrombereich von 0,5 bis 4,5 Volt. Der TEB über den gesamten Temperaturbereich des Druckaufnehmers beträgt ±1,0 Prozent für Drücke ≤1 MPa und 0,75 Prozent für Drücke >1 MPa. Die Genauigkeit des Wandlers beträgt ±0,15 Prozent FSS (Best Fit Straight Line (BFSL)) (Abbildung 7), und es hat eine Reaktionszeit von 1 Millisekunde (ms) und eine Burst-Bewertung von über 20 MPa.

Grafik zu Druckwandlern der Serie MIP von HoneywellAbbildung 7: Die Druckmessumformer der Serie MIP werden mit einer 5-Volt-Versorgung betrieben und liefern ein ratiometrisches Ausgangssignal über einen Gleichstrombereich von 0,5 bis 4,5 Volt. Der TEB über den gesamten Temperaturbereich des Druckaufnehmers beträgt ±1,0 Prozent für Drücke ≤1 MPa und 0,75 Prozent für Drücke >1 MPa. (Bildquelle: Honeywell)

Darüber hinaus verfügt die Serie über einen ±40 Volt DC-Überspannungsschutz und eine Sensorausgangsdiagnose, wenn ein elektrischer Fehler auftritt (Tabelle 1).

Tabelle der Betriebskenndaten von Honeywell-Druckwandlern der Serie MIPTabelle 1: Betriebseigenschaften der Druckwandler der Serie MIP. (Bildquelle: Honeywell)

Druckwandler in HLK-Anwendungen

Druckwandler spielen eine Schlüsselrolle in Anwendungen wie z.B. HLK-Systemen, indem sie eine präzise Steuerung zur Maximierung der Effizienz bei gleichzeitiger Senkung des Energieverbrauchs ermöglichen. Betrachten Sie zum Beispiel den HLK/R-Kreislauf, der von einem industriellen Kühlaggregat verwendet wird (Abbildung 8).

Abbildung des Diagramms eines HLK/R-ZyklusAbbildung 8: Diagramm zur Darstellung des HLK/R-Zyklus. Hochleistungsdruckwandler an den Verdichter- und Verdampferausgängen können zur Überwachung des Kältemitteldrucks eingesetzt werden, um optimale Kältemittel-Phasenwechsel zu gewährleisten und damit wiederum die Effizienz des Zyklus zu bestimmen. (Bildquelle: Honeywell)

In der Verdichterstufe wird Niederdruckdampf aus dem Verdampfer verdichtet (was zu einer Erwärmung führt) und zum Kondensator gepumpt. Am Kondensator gibt der Hochtemperaturdampf seine latente Wärme an die Luft ab und kondensiert zu einer heißen Flüssigkeit. Ein Trockner entfernt dann das Wasser aus dem Kältemittel. Dann wird am Messgerät die heiße Flüssigkeit aus dem Verflüssiger durch eine Strömungsdrossel gedrückt, die ihren Druck reduziert und das Kältemittel zwingt, Wärme abzugeben. Dann nimmt diese kalte Flüssigkeit im Verdampfer Wärme aus dem Rückluftstrom des Kondensators auf und verwandelt sich in Dampf. Dieser Dampf absorbiert weiterhin Wärme, bis er den Kompressor erreicht, wo sich der Zyklus wiederholt. Die kühle Luft aus dem Verdampfer wird verwendet, um die Temperatur des Kühlcontainers zu senken.

Der Kältekreislauf funktioniert, weil beim Wechsel des Kältemittels von Flüssigkeit zu Dampf und wieder zurück eine große Menge an latenter Energie freigesetzt oder gewonnen wird. Um effizient und effektiv arbeiten zu können, muss der Druck in den verschiedenen Teilen des Systems sorgfältig überwacht und kontrolliert werden. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn das Kältemittel den Phasenwechsel Flüssigkeit-Dampf/Dampf-Flüssigkeit durchläuft. Zum Beispiel wechselt das Kältemittel unter niedrigem Druck von einer Flüssigkeit zu einem Gas und absorbiert latente Energie (Wärme) bei einer niedrigeren Temperatur, als es sonst der Fall wäre. Unter hohem Druck wandelt sich das Kältemittelgas bei höheren Temperaturen, als es sonst der Fall wäre, von einem Gas in eine Flüssigkeit und setzt dabei latente Energie (Wärme) frei.

Durch die Überwachung des Drucks am Verdichter- und Verdampferauslass können der Verdichter und das Messgerät so eingestellt werden, dass der Durchfluss (und damit der Druck) im Nieder- und Hochdruckteil des Kreislaufs genau geregelt wird und sich im Gegenzug die Temperatur der Kältemittelphase ändert, um die Effizienz des Systems zu maximieren.

Fazit

Druckaufnehmer mit Dehnungsmessstreifen bieten eine gute Lösung für die Druckmessung in industriellen Prozessen, aber Konstrukteure von Systemen, die wahrscheinlich extremen Umwelteinflüssen ausgesetzt sind, müssen sich der Grenzen von Modellen mit O-Ringen und Klebstoffen bewusst sein.

Die Druckwandler der Serie MIP von Honeywell wurden für Anwendungen entwickelt, die solchen Extremen ausgesetzt sein können. Sie sind aus Edelstahl gefertigt und hermetisch verschweißt. Die Konstruktion macht die MIP-Sensoren kompatibel mit einer Vielzahl von industriellen Flüssigkeiten und Gasen und gewährleistet eine lange Lebensdauer auch bei erhöhten Temperaturen und Drücken. Die Druckwandler von Honeywell bieten außerdem hohe Präzision, schnelles Ansprechverhalten, gute Langzeitstabilität und ausgezeichnete EMI-Immunität.

Haftungsausschluss: Die Meinungen, Überzeugungen und Standpunkte der verschiedenen Autoren und/oder Forumsteilnehmer dieser Website spiegeln nicht notwendigerweise die Meinungen, Überzeugungen und Standpunkte der Digi-Key Electronics oder offiziellen Politik der Digi-Key Electronics wider.

Über den Verlag

Nordamerikanische Fachredakteure von Digi-Key