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Un mundo bajo presión: Mediciones de presión para industrias de procesos

Introducción

La presión es el segundo parámetro más medido después de la temperatura en las industrias de proceso. A menudo es importante medir con precisión para controlar la calidad del producto final y controlar rápidamente los procesos dinámicos.

Otras consideraciones importantes son los entornos desafiantes de muchas aplicaciones, los requisitos de seguridad del uso en atmósferas explosivas y el costo de mantener registros de calibración. La elección de productos de medición de presión adecuados puede ser desalentadora.

Este artículo considera las diferentes tecnologías que están disponibles y qué ventajas trae cada una, así como la forma en que esas ventajas de rendimiento se adaptan a aplicaciones particulares.

Neculai Moisoi

Metrólogo Senior, Druck

ian abb

Gerente de Producto Industrial, Druck

En este artículo también se describirán los usos típicos de los sensores de presión en las industrias de procesos y los desafíos que enfrentan los usuarios.

Tipos fundamentales de sensores de presión

La industria de sensores de presión experimentó un rápido desarrollo después de la invención inicial en 1938 de los medidores de presión por EE Simmons del Instituto de Tecnología de California y AC Ruge del Instituto de Tecnología de Massachusetts. Si bien hay muchos factores de forma disponibles, a continuación se presenta una apariencia genérica de un sensor de presión.

Medición de la presión

Figura 1: un sensor de presión genérico con un diafragma de aislamiento

Tipos por principio de detección

Los sensores piezo-resistivos son el tipo más usado de sensores, debido a la variedad de aplicaciones que satisfacen los altos niveles de precisión y su construcción normalmente robusta.

La mayoría de los sensores piezo-resistivos se basan en un puente de Wheatstone en un sustrato de silicio, donde cada resistencia en el puente cambia su valor con la tensión / presión aplicada y luego esta señal se puede modificar en una variedad de salidas eléctricas.

Existen pocas aplicaciones en las que se requieren parámetros que están fuera de las capacidades de los sensores piezo resistivos, sin embargo, para la mayoría de las aplicaciones industriales, los sensores piezo resistivos son la opción preferida.

Los sensores capacitivos vienen también en una gran variedad de formas y formas, con formas generalmente muy simples donde un diafragma delgado es una placa de un capacitor y la presión aplicada causará la deformación / movimiento elástico del diafragma y por lo tanto un cambio en la capacidad eléctrica .

Debido a su alta sensibilidad, son buenos sensores para medir la presión por debajo de 20 mbar (20 hPa), pero se debe tener precaución, ya que suelen ser sensibles a las vibraciones y los golpes.

Los sensores inductivos tienen un enfoque similar a los sensores capacitivos, donde una cápsula de detección (elástica) mueve un elemento central dentro de un transformador diferencial variable lineal, por lo tanto, el cambio en la inducción es proporcional a la presión aplicada.

Se puede usar una gran variedad de cápsulas sensoriales con sensores inductivos; lo que significa que se pueden usar para diferentes rangos, pero se debe tener cuidado con el ruido eléctrico y / o golpes y vibraciones.

Los transductores de presión resonantes son algunos de los sensores basados ​​en silicio más precisos del mercado y el principio de funcionamiento se basa en el cambio en la frecuencia de un resonador a medida que se le aplica tensión, generalmente a través de un diafragma de silicio, conectado a los extremos del resonador.

Generalmente son sensores robustos y vienen en diferentes factores de forma con diversos grados de protección contra los factores ambientales. Sin embargo, su principio mecánico podría hacerlos vulnerables a las ondas mecánicas, especialmente si estas ondas mecánicas activan diferentes modos de frecuencia del resonador.

Tipos por salida

Los dos tipos principales de sensores de presión son la salida de cantidades continuas o la salida discreta (digital).

Los tipos continuos son mV, V, mA y Hz) y cada tipo tiene sus propias ventajas y desventajas. Teniendo esto en cuenta, cada uno debe elegirse en función de la aplicación y el entorno. Como ejemplo, una salida de mV es deseable si la señal debe modificarse en una aplicación a medida sin la necesidad de enviarla a largas distancias, mientras que una salida de V o mA puede enviarse a distancias relativamente largas, ya que es menos probable para verse afectado por el entorno operativo que una salida de mV.

Los sensores de presión de salida digital se están volviendo más populares, ya que pueden integrarse fácilmente en sistemas computarizados, utilizando el mismo conjunto de cables para múltiples sensores (Modbus, Profibus, Canbus) y que también pueden usarse como una configuración de "plug & play" ( RS232, USB) o incluso conectado sin cables (inalámbrico, Bluetooth).

Características metrológicas de los sensores de presión.

Las características metrológicas de los sensores de presión pueden variar sustancialmente de un fabricante a otro y es muy importante comprender estas características para garantizar que se elija un sensor adecuado para la aplicación prevista.

Desde una perspectiva puramente metrológica, algunos de los parámetros (por ejemplo, la repetibilidad, la precisión, la precisión) tienen una definición cualitativa, sin embargo, a través de los años se han utilizado como parámetros cuantitativos, por lo que los utilizaremos de la misma manera. A continuación nos centraremos en los principales parámetros metrológicos:

Desplazamiento de la señal

El desplazamiento de la señal es el error del sensor a la presión mínima (la Figura 2 muestra el desplazamiento de la señal para un sensor de presión con un rango de 0 a 1000 mbar y una salida de 0 a 5 V). Desde un punto de vista práctico, es importante saber si el desplazamiento del sensor se puede ajustar ("volver a poner a cero"), ya que muchos sensores podrían desviarse con el tiempo y sería deseable la posibilidad de "volver a cero".

Junto con el ajuste de compensación, muchos sensores tienen la capacidad de ajustar el intervalo (salida a la presión máxima menos la salida a la presión mínima), lo que también ayudará a corregir la deriva con el tiempo. La medición y el restablecimiento de tales compensaciones requieren un plan de calibración y mantenimiento para garantizar que el rendimiento se mantenga dentro de los límites requeridos.

Sensor de presión manométrica 0-1000 mbar. Medida de presion

Figura 2: Compensación del sensor de presión


Sensibilidad

La sensibilidad del sensor es la relación entre el cambio de la señal de salida y el cambio de presión. Si consideramos el gráfico anterior donde cambia la salida en 5 V, mientras que la presión cambia en 1000 mbar, entonces la sensibilidad es 5 mV / mbar. Este es un parámetro importante para la forma en que usaríamos la señal en la aplicación, así como para determinar cómo el ruido eléctrico afectará el rendimiento del sensor.

Precisión

La precisión es generalmente el término se utiliza para describir el comportamiento de los sensores en términos de su repetibilidad, error de linealidad e histéresis de la señal. Tradicionalmente, algunos fabricantes han usado el término "precisión" para describir este parámetro.

Sin embargo, como regla general, cualquiera que sea el nombre para este parámetro, el mejor enfoque es entender cuáles son sus partes constituyentes. La precisión como parámetro no nos dice qué tan exactamente estamos midiendo la presión, sino más bien cómo se comportan los sensores. Por ejemplo, ¿es repetible? es lineal? ¿Hay histéresis de presión o temperatura?

La repetibilidad es la proximidad del acuerdo entre los resultados de mediciones sucesivas de la misma presión llevadas a cabo en las mismas condiciones de medición en un período de tiempo relativamente corto. A menudo, la repetibilidad se determina como la desviación estándar de las mediciones repetidas o la amplitud (máximo - mínimo).

El error de linealidad se determina como la diferencia entre el valor medido por el sensor y la línea teórica (que se determina como BSL, el mejor ajuste de línea recta o TSL, el ajuste de línea recta terminal), que asume el comportamiento lineal del sensor. La Figura 3 representa el error de linealidad para un caso BSL y para caracterizar los sensores, se elige el error máximo (como el peor escenario).

Sensor de presión manométrica 0-2000 mbar. Medida de presion

Figura 3: Error de linealidad del sensor de presión

El error de histéresis de presión o temperatura es la diferencia entre dos mediciones separadas tomadas en el mismo punto, pero una en la que aumenta y otra donde el valor disminuye. El tamaño de la histéresis varía según la tecnología del sensor de presión y la construcción física del sensor.

Sensor de presión absoluta 0-100 mbar. Medida de presion

Figura 4: Error de histéresis de presión.


GeneralPor lo tanto, los parámetros 3 descritos anteriormente se incluyen en una especificación, que define los límites aceptables para la precisión (ejemplo: la precisión es +/- 0.1% de la escala completa).

Exactitud

La precisión debe estar asociada con el error de medición especificado, incluido el impacto del error sistemático, el error aleatorio y la deriva (en los casos en que la precisión se especifica durante un período de tiempo). La precisión de un sensor de presión o de una medición se obtiene como parte de la evaluación de la incertidumbre de la medición e incluye muchos factores, incluidos el estándar y / o las incertidumbres, la precisión de la Unidad bajo prueba (UUT), etc. Evaluación de la incertidumbre de la medición / calibración requiere conocimiento especializado, por lo tanto aquí nos enfocaremos en cómo interpretar la precisión.

Cada medición debe tener la incertidumbre de la medición (ya sea a través de una declaración de precisión en la hoja de datos o la incertidumbre en un certificado de calibración). La mayoría de las veces, la precisión se evalúa como Incertidumbre Expandida, que se supone que sigue una distribución normal y el factor de cobertura = 2. En términos simples, como se muestra en el siguiente ejemplo: el valor verdadero de la cantidad medida x se encuentra con un 95% de probabilidad dentro del rango (xU, x + U).

Medición de la presión

Figura 5: Representación de precisión para un valor de presión X


Cuando se compara la precisión con la precisión para un sensor de presión: la precisión nos dice cómo se comporta el sensor, mientras que la precisión (e incluirá los factores de precisión) nos dice qué tan precisa es nuestra medición, o cuáles son los límites que contienen el verdadero valor de la medición.

Estabilidad a largo plazo (deriva)

La estabilidad a largo plazo de un instrumento se refiere a menudo por su cantidad opuesta, es decir, la deriva a largo plazo, según las siguientes definiciones:

  • La estabilidad de un instrumento de medición es la propiedad de un instrumento de medición, por lo que sus propiedades metrológicas permanecen constantes en el tiempo
  • La deriva instrumental es el cambio continuo o incremental en el tiempo en la indicación, debido a los cambios en las propiedades metrológicas de un instrumento de medición.

La mayoría de las veces, la deriva de un instrumento sigue un modelo matemático dado a lo largo del tiempo, pero debido a la variación de parte a parte para cualquier modelo dado, la deriva se expresa como un rango de tolerancia, D = + / - 10 Pa, por lo tanto Debe incluirse en la precisión general del instrumento.

En general, el sensor de presión exhibe alguna forma de deriva a lo largo del tiempo, por lo tanto, es importante que los sistemas estén diseñados con la posibilidad de ajustarse tanto para la desviación de desviación como la desviación de tramo y que se adopte un programa de mantenimiento y calibración.

Cantidades de influencia

Las cantidades de influencia son cualquier cantidad externa (es decir, no incluida en la entrada / salida), que puede influir en el rendimiento de un sensor de presión. La mayoría de las veces, los fabricantes de sensores de presión proporcionan el rango para la cantidad de influencia y su efecto en las características metrológicas del sensor.

La influencia de factores externos se da principalmente como un rango de tolerancia, que debe tenerse en cuenta al evaluar la precisión del instrumento. Por ejemplo, al considerar el efecto de la temperatura para un sensor de presión, la cantidad de influencia (temperatura) se define de -10 a + 50 ° C y luego su efecto se define como un rango de tolerancia ± 0.75% de la escala completa.

Las cantidades de influencia y su efecto deben ser suministrados por los fabricantes a través de sus hojas de datos y difieren según la cantidad medida y el tipo de sensor. Las cantidades de influencia más comunes son: temperatura, humedad, presión atmosférica, campos electromagnéticos, vibraciones, ruido.

Sobre la base de la aplicación, las especificaciones indicadas para influir en las cantidades deben examinarse detenidamente, ya que en algunos casos los efectos inducidos son mucho mayores que la precisión y / o precisión declarada.

Calibración de sensores de presión.

En años pasados, los sensores de presión serían sacados del sistema en el que se incorporan y se calibran en un laboratorio de metrología. Sin embargo, esto tendrá un costo asociado, ya que será necesario instalar cualquiera de los sensores de repuesto para evitar el tiempo de inactividad o el sistema simplemente se detendría y el activo estaría inactivo hasta que los sensores regresen de la calibración / prueba.

En los tiempos modernos, la mayoría de los sensores se calibran "en el lugar" utilizando calibradores de presión, algunos de los cuales tienen la capacidad de generar y medir la presión al mismo tiempo y la salida (en mV, V, mA, etc.). Además, muchos de los calibradores pueden evaluar la incertidumbre de la calibración (muchas veces denominada "precisión") y almacenar / transmitir los datos automáticamente a través de un sistema de gestión de datos.

Siempre es recomendable tener un sistema de este tipo ya que mantiene todos los datos de calibración de forma segura, lo que facilita la administración de los activos, reduce los errores de informes y ayuda a cumplir con las certificaciones ISO.

El método de calibración es un método directo y, además de las comprobaciones operativas que deben realizarse antes de la selección (elegir los accesorios adecuados para las conexiones de presión, garantizar un sistema sin fugas, precauciones de seguridad, etc.), el calibrador debe elegirse como un La regla de oro para ser 4 es más precisa que el sensor calibrado.

Calibrador portátil. Medida de presion

Figura 6: Calibración remota de un sensor de presión usando un calibrador modular

Elegir el sensor adecuado para la aplicación.

Elegir el sensor correcto para una aplicación se trata de hacer coincidir los requisitos de la aplicación con el parámetro en particular que le interesa al usuario.

Por ejemplo, en una aplicación de prueba de fugas, la precisión absoluta es una consideración secundaria al ruido. Si la lectura ha cambiado es clave y, por lo tanto, si los sensores no leen bien la barra 10 como la barra 9, las consecuencias no son profundas, ya que la resolución alta es de mayor importancia para ver un pequeño cambio en la presión.

Como otro ejemplo en un bucle de control, la velocidad de respuesta es crítica. Si el sensor está emitiendo la presión que estuvo presente 100 ms en el pasado, será muy difícil optimizar un proceso dinámico.

Por supuesto, hay algunas aplicaciones, como la transferencia fiscal y la entrega de una masa de gas a un proceso, donde la precisión general es el factor más importante. Existe una relación 1: 1 entre el error de presión y el error en la masa, o dicho de otra manera, un error de 1% en la lectura de presión es un error de 1% en la factura.

En esta situación, es importante tener en cuenta no solo la figura de "precisión" del titular, sino también el rendimiento en el rango de temperatura de operación y luego incluir la figura de estabilidad para establecer un período de recalibración a fin de mantener la precisión general en todo momento. .

Los fabricantes tienden a poner tantos detalles como pueden en su documentación técnica y de marketing, pero deben equilibrar la cantidad de información proporcionada para que la información sea fácilmente accesible y comprensible.

Para mayor certeza de los mejores requisitos de adaptación para una aplicación particular, a menudo es necesario contratar el equipo de ingeniería de diseño de un proveedor de sensores de presión y, en algunos casos críticos, es posible participar en una asociación para diseñar una solución personalizada para una aplicación específica .

Informador de la industria de procesos

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