I sensori di pressione svolgono un ruolo cruciale in numerose applicazioni industriali. Rilevano infatti precise variazioni di pressione e le trasmettono sotto forma di segnale elettrico. Nella nostra sezione FAQ vi forniamo una panoramica completa del loro funzionamento, della loro struttura e dei sistemi di misura utilizzati.
I sensori di pressione, spesso chiamati trasmettitori di pressione o trasduttori di pressione, misurano la pressione relativa, assoluta o differenziale in diverse applicazioni. Queste includono, ad esempio, la tecnologia di processo, le applicazioni mobili o la costruzione di compressori. In alcuni casi, sono disponibili come sensori combinati di pressione e temperatura, in modo da poter misurare entrambi i parametri con un unico dispositivo.
I sensori di pressione hanno di solito una membrana sottoposta a pressioni diverse su entrambi i lati.
In un sensore di pressione assoluta c'è una camera senza aria (vuota) da un lato. Dall'altro lato c'è la pressione di processo, che deforma la membrana quando cambia. Questo grado di deformazione viene misurato e rappresenta una misura della differenza tra la pressione di processo e il vuoto (pressione assoluta).
Con un sensore di pressione relativa, la camera è aperta in modo che sia presente la pressione atmosferica. La membrana si deforma in base alla differenza tra la pressione di processo e la pressione atmosferica (pressione relativa).
I sensori di pressione differenziale hanno 2 connessioni al processo; le pressioni agiscono in direzioni opposte sulla membrana. Il risultato della misura è la differenza tra le due pressioni (pressione differenziale).
Sensore di pressione assoluta – (1) pressione di processo, (2) membrana del sensore, (3) vuoto
Sensore di pressione relativa - (1) pressione di processo + pressione atmosferica, (2) membrana del sensore, (3) pressione atmosferica
Sensore di pressione differenziale - (1) pressione 1, (2) membrana del sensore, (3) pressione 2
Un trasmettitore di pressione ha una connessione al processo attraverso la quale viene inserito nel processo. Di solito è avvitato al processo, ma a volte il collegamento avviene anche tramite una flangia.
La tecnologia del sensore, che converte la pressione in un segnale elettrico, si trova in una custodia. Qui si trova anche l'elettronica di valutazione, che genera un segnale analogico o digitale dal segnale grezzo. Il collegamento elettrico è solitamente realizzato tramite un contatto a spina.
Di norma, i sensori di pressione emettono la pressione misurata come segnale analogico (di solito tramite un segnale di corrente da 4 a 20 mA). Tuttavia, spesso dispongono anche di interfacce come IO-Link, canOPEN o HART. I trasmettitori di pressione con Single Pair Ethernet sono spesso direttamente accessibili anche tramite applicazioni cloud.
Anche i sensori con display e altre funzionalità sono spesso richiesti nella tecnologia di processo.
Esempi di sensori di pressione
Trasmettitore di pressione con display per la tecnologia di processo
I trasmettitori di pressione hanno una membrana la cui deformazione o deflessione misura la pressione di processo. Nella maggior parte dei casi, la membrana è protetta all'interno del sensore. Se nel sistema si verificano picchi di pressione che potrebbero danneggiare il sistema di misura, il canale di pressione è dotato di una chiusura (resistenza al flusso) in modo che i brevi picchi di pressione non raggiungano la membrana.
Quando si misurano fluidi viscosi, il canale di pressione si ostruisce. Per questo motivo, è necessario utilizzare una membrana affacciata.
Trasmettitore di pressione con membrana interna
Trasmettitore di pressione con membrana affacciata
La scelta di un sensore di pressione dipende da vari fattori, tra cui i requisiti specifici dell'applicazione. Ad esempio, il campo di pressione, la precisione e le condizioni ambientali giocano un ruolo importante. Per saperne di più, consultate il seguente video.
La scelta del sistema di misura dipende principalmente dal livello di pressione da misurare. Di seguito sono elencati i principali tipi di sensori di pressione.
I sensori di pressione induttivi consentono di misurare valori di pressione estremamente bassi in aria pulita. L'aria da misurare viene convogliata al sensore tramite tubi flessibili, per cui i sensori hanno un design diverso da quello mostrato sopra.
Il sensore misura sempre una differenza di pressione attraverso le due connessioni del tubo. Ad esempio, se un tubo flessibile proviene da una camera bianca e la seconda connessione viene lasciata aperta, il sensore di pressione misura la sovrapressione nella camera bianca. Questo è molto importante, perché in questo modo l'aria pulita fuoriesce dalla camera bianca attraverso piccole perdite e l'aria contaminata non entra nella camera bianca.
Se entrambe le connessioni hanno la pressione presente prima e dopo un filtro dell'aria, si misura la pressione differenziale. In questa applicazione, è una misura del grado di contaminazione del filtro.
Il sistema di misura è costituito da due metà metalliche avvitate, a ciascuna delle quali è fissata una bobina al centro. Tra le due metà si trova una membrana con una piastra di ferro. Se la pressione in una camera aumenta, la pressione differenziale cambia e con essa la distanza tra la piastra di ferro e le bobine. La distanza influenza l'induttanza delle bobine ed è quindi una misura della differenza di pressione.
Sensori di pressione differenziale – (1) pressione 1, (2) pressione 2
Principio di misura del sensore di pressione induttivo - (1) bobina, (2) piastra di ferro, (3) pressione
Cella di misura induttiva
I trasmettitori di pressione capacitivi richiedono una pressione minima più elevata. Tuttavia, con questi sensori è possibile misurare la pressione di gas e liquidi a partire da una pressione di 0,05 bar.
Il sensore di pressione è costituito da un corpo di base in ceramica la cui struttura con superfici rivestite in metallo (oro) rappresenta un condensatore.
La piastra superiore del condensatore è il lato fisso (elettrodo Cp), mentre la membrana mobile rappresenta la seconda piastra (controelettrodo). L'anello di saldatura collega la membrana al corpo base e ne mantiene la distanza. Se si applica una pressione alla membrana, la distanza tra le piastre cambia e con essa la capacità.
La sicurezza di sovraccarico di questo sensore è molto elevata (100 x Prated), in quanto la membrana mobile può muoversi solo fino alla piastra fissa e viene premuta contro di essa. A seconda del design, i sensori possono essere utilizzati per misurare la pressione relativa o assoluta.
La resistenza chimica della ceramica è molto buona e difficilmente è soggetta a processi di invecchiamento corrosivi, il che si traduce in un'elevata stabilità a lungo termine. Tuttavia, per sigillare la custodia viene utilizzata una guarnizione. A seconda del fluido di processo, è necessario selezionare un materiale di tenuta adeguato in base alla resistenza del materiale.
Struttura di un sensore di pressione capacitivo - (1) elettrodo Cp, (2) anello di saldatura, (3) contatore
Misurazione della pressione relativa (in alto) e assoluta (in basso) con sensori di pressione capacitivi - (1) pressione atmosferica, (2) corpo base, (3) membrana di pressione, (4) pressione
Sensore di pressione capacitivo
Questo tipo di sensore di pressione può essere utilizzato in un intervallo di pressione estremamente ampio. A seconda della pressione, un chip di silicio piezoresistivo cambia il suo valore di resistenza.
Il chip non è posizionato sulla membrana, ma è direttamente esposto alla pressione di processo. Per misurare valori di pressione molto bassi, esclusivamente nei gas, il fluido di processo viene alimentato direttamente al chip (da 0,04 a 0,1 bar circa). Se si misura una pressione più elevata, nei sensori viene utilizzato olio di riempimento.
La pressione di processo viene trasferita all'olio di riempimento attraverso una membrana e questo viene alimentato al chip di silicio. Questo tipo di struttura consente di misurare in modo economico la pressione di gas e liquidi fino a 100 bar. In linea di principio, si possono costruire anche sensori per misurare fino a 1000 bar. Tuttavia, a causa dei costi relativamente elevati, il metodo viene utilizzato a pressioni così elevate solo in presenza di ragioni particolari.
Il materiale semiconduttore è molto sensibile alla temperatura e quindi la compensazione della temperatura e quindi l'elettronica di valutazione di questi sensori sono relativamente complesse - una sfida per il produttore. Le versioni ad alta temperatura possono essere realizzate anche grazie alla trasmissione della pressione attraverso l'olio di riempimento.
Illustrazione di un chip di silicio
Struttura di un sensore di pressione piezoresistivo - (1) compensazione della pressione relativa (chiuso per la pressione assoluta), (2) olio di riempimento, (3) membrana, (4) chip di silicio, (5) pressione di processo
Sensore di pressione piezoresistivo
Sistema di misura per la misurazione della pressione in un mezzo fino a 200 °C
I sensori sono molto resistenti ai sovraccarichi e alla pressione di scoppio.
Esempio di 1 sensore + 2 range di misurazione possibili (pressione relativa)
-600 a 600 mbar: Sovraccaricabile fino a 6 bar, pressione di scoppio 12 bar
-1 a 10 bar: Sovraccaricabile fino a 60 bar, pressione di scoppio 100 bar
Il corpo di questo sensore di pressione con la membrana è in ceramica. Lo spessore della membrana varia a seconda del campo di pressione. Gli estensimetri sono applicati sul lato della membrana rivolto verso la pressione mediante un processo di serigrafia e poi bruciati. Per sigillare il sensore ceramico nel sistema di misura, è necessaria una guarnizione tra il sensore e la connessione di pressione. Il corpo si trova completamente all'interno del sensore e non è visibile dall'esterno. La pressione di processo viene applicata alla membrana attraverso il canale di pressione. Il campo di sovraccarico della ceramica fragile è piuttosto elevato, ma la pressione di scoppio è inferiore a quella dei materiali portanti metallici.
Corpo base in ceramica di un sensore di pressione a film spesso
Sensore di pressione a film spesso in ceramica
Questi trasmettitori di pressione possono anche misurare fino a 1000 bar, anche se possono essere utilizzati solo a partire da 40 bar. Il corpo dei sensori di pressione metallici a film sottile e la membrana sono solitamente in acciaio inossidabile. Gli estensimetri con uno spessore dello strato di <1µm sono applicati con un processo chimico, motivo per cui vengono chiamati sensori a film sottile. Questo tipo di sensore di pressione è molto robusto contro le vibrazioni e gli urti. Può essere saldato all'alloggiamento, in modo da non richiedere alcuna guarnizione aggiuntiva.
Sensore di pressione a film sottile - (1) Struttura incisa sul lato opposto a quello della pressione
Custodia di un sensore di pressione a film sottile
I trasmettitori di pressione hanno un buon rendimento a lungo termine. A seconda del produttore e del design del sensore industriale, il rendimento a lungo termine specificato è solitamente pari allo 0,1-0,5% dell'intervallo di misura/anno. Tuttavia, per una funzionalità ottimale nelle applicazioni industriali, si raccomanda un controllo regolare. Durante la cosiddetta taratura DAkkS o taratura ISO, il sensore di pressione viene sottoposto a una pressione di riferimento e vengono determinate le deviazioni. La deviazione viene compensata con una regolazione (sul sensore di pressione o sull'unità di valutazione) se è accettabile. La taratura consente di ottenere processi affidabili.
Nella tecnologia di processo, i seguenti sensori di pressione sono utilizzati nella maggior parte delle applicazioni:
