Utilizzare i sensori di pressione isolati dai mezzi per aumentare l'affidabilità e la precisione dei processi industriali

I progettisti di processi industriali e commerciali a ciclo chiuso come il riscaldamento, la ventilazione, il condizionamento e la refrigerazione (HVAC/R) utilizzano i trasduttori di pressione elettromeccanici per migliorare il controllo e le prestazioni del processo. Il problema è che i liquidi e i gas utilizzati in questi impianti, combinati con l'ampio intervallo di temperature e pressioni a cui operano, possono attaccare i materiali del trasduttore di pressione, causando la corrosione e portando anche a perdite che compromettono l'integrità del sensore.

I progettisti hanno bisogno di una tecnologia alternativa in grado di rispondere alle sfide ambientali e che fornisca al tempo stesso la precisione e l'affidabilità richieste dall'applicazione.

Questo articolo descrive il funzionamento dei trasduttori di pressione basati sugli estensimetri prima di presentare i trasduttori di pressione isolati dai mezzi (MIP) di Honeywell. Questi prodotti in acciaio inossidabile sono caratterizzati da una struttura saldata ermeticamente che sostituisce l'anello toroidale e le tenute adesive che spesso si rivelano essere i punti deboli dei tipici sensori. L'articolo esamina poi le fonti degli errori di misurazione e come minimizzarli prima di dimostrare come si possano applicare i trasduttori in un impianto di refrigerazione commerciale per aumentare l'efficienza del processo.

Come funziona un trasduttore di pressione elettromeccanico

I moderni trasduttori di pressione si basano su uscite elettriche ed eliminano i vecchi collegamenti meccanici e i quadranti. I vantaggi principali dei dispositivi elettromeccanici di oggi sono l'affidabilità, la precisione e la possibilità del monitoraggio a distanza. La loro principale tecnologia di misurazione si basa su materiali piezoelettrici o su estensimetri. I trasduttori di pressione piezoelettrici sono adatti solo per la misurazione dinamica della pressione, mentre le unità ad estensimetro possono essere usate per la misurazione sia dinamica che statica della pressione. Questo articolo si concentrerà sul secondo metodo.

Gli estensimetri sono circuiti elettrici che cambiano di resistenza se sono soggetti a deformazione, dove la deformazione è il rapporto fra la variazione della lunghezza di un materiale soggetto a forza rispetto alla sua lunghezza non sotto carico (designato "ε"). L'estensimetro è tipicamente classificato secondo il suo "fattore di indicazione" (GF), che è una misura della sua sensibilità alla deformazione. In altre parole, GF è il rapporto fra la variazione frazionaria della resistenza elettrica e la variazione frazionaria della lunghezza (o deformazione).

Durante l'uso, il trasduttore di pressione viene inserito direttamente nel sistema pressurizzato, dove il liquido o il gas dell'impianto entra in una porta del trasduttore e sposta un diaframma. Sul lato superiore di questo diaframma viene applicato un estensimetro per mezzo di un adesivo adatto (Figura 1).

Figura 1: Un estensimetro montato su un diaframma adatto all'impiego in un trasduttore di pressione. In questo esempio, il diametro effettivo dell'estensimetro è di 6,35 millimetri. (Immagine per gentile concessione di Micro Measurements)

Anche in presenza di pressioni molto elevate, la variazione di lunghezza dell'estensimetro è probabilmente non più di qualche "millistrain" (mε), il che a sua volta porta a una variazione minima della resistenza. Ad esempio, si supponga che un provino subisca una deformazione di 350 mε. Sotto questo carico, un estensimetro con un GF di 2 mostrerà una variazione della resistenza elettrica di 2 (350 x 10^-6) = 0,07%. Per un estensimetro da 350 Ω, la variazione di resistenza sarebbe di soli 0,245 Ω.

Come effettuare le misurazioni con gli estensimetri

Per misurare accuratamente le piccole variazioni di resistenza minimizzando l'impatto del rumore, l'estensimetro del trasduttore di pressione è incorporato in una "gamba" di un ponte di Wheatstone, una rete di quattro bracci resistivi con una tensione di eccitazione, E, applicata (Figura 2).

Figura 2: In questo schema di un ponte di Wheatstone, l'estensimetro è incorporato in un braccio; R_G è la resistenza dell'estensimetro e R_L1 e R_L2 sono le resistenze del conduttore dell'estensimetro; le resistenze R₂, R₃ e R₄ sono valori fissi noti e_o è la tensione di uscita ed E la tensione di eccitazione. (Immagine per gentile concessione di Micro Measurements)

Il ponte di Wheatstone è l'equivalente elettrico di due circuiti divisori di tensione paralleli con R_G (supponendo che la resistenza dei conduttori R_L1 e R_L2 sia trascurabile) e R₄ che comprende un circuito divisore di tensione e R₂ e R₃ che comprendono il secondo. L'uscita e_o viene misurata tra i nodi centrali dei due divisori di tensione e può essere calcolata da:

Equazione 1

Dall'equazione 1, si evince che quando R_G/R₄ = R₃/R₂, la tensione di uscita e_o è zero e il ponte si dice bilanciato. Qualsiasi variazione di resistenza dell'estensimetro sbilancia il ponte e produce una e_onon zero proporzionale alla deformazione. In un trasduttore di pressione, la tensione di uscita dall'estensimetro montato su un diaframma è detta "raziometrica" (linearmente proporzionale) alla tensione di alimentazione (eccitazione), E, per tutto l'intervallo di pressione.

Compensazione della temperatura

Un problema di progettazione quando si usano gli estensimetri è la loro suscettività agli effetti della temperatura. Le fluttuazioni di temperatura possono introdurre errori e aumentare l'isteresi.

L'estensimetro può riscaldarsi a causa della tensione di eccitazione, E, ma a ciò si può ovviare in larga misura mantenendo E bassa. Il risvolto negativo è che questo abbasserà la sensibilità del sistema, ma la tensione di uscita dal ponte di Wheatstone, e_o, può essere amplificata se necessario. Tuttavia, occorre prestare particolare attenzione per evitare di amplificare il rumore sovrapposto. Una soluzione consiste nell'utilizzare amplificatori a "frequenza portante" che convertono la variazione di tensione in una variazione di frequenza ed utilizzano un'uscita a banda stretta per mantenere basso il rumore e ridurre le interferenze elettromagnetiche (EMI) fuori banda.

Una seconda sorgente di calore proviene dal diaframma e dal corpo del trasduttore di pressione stesso. Le alte temperature causeranno l'espansione del diaframma e l'estensimetro registrerà una deformazione non direttamente dovuta alla pressione del liquido o del gas.

Per mitigare questi effetti, i moderni estensimetri incorporano misure di compensazione della temperatura. Gli estensimetri sono tipicamente prodotti in una lega al 55% di rame/45% di nichel. Il materiale ha un coefficiente di dilatazione termica (CTE) molto basso che limita le deformazioni indotte dalla temperatura. Inoltre, abbinando accuratamente il CTE dell'estensimetro a quello del materiale del diaframma su cui è montato, si può implementare un grado di "autocompensazione della temperatura", limitando la deformazione indotta dalla temperatura a pochi micrometri/metri/gradi centigradi (μm/m/°C).

Un'altra fonte di errore indotto dalla temperatura può provenire dai conduttori che trasportano i segnali di tensione degli estensimetri. Nella discussione delle caratteristiche del ponte nella Figura 2, si è ipotizzato che la resistenza di questi conduttori (R_L1 e R_L2) è trascurabile, ma se questi sono in rame, anche solo un aumento di temperatura di 10 °C potrebbe causare uno sfasamento del ponte equivalente a diverse centinaia di microstrain (µε). Una tecnica comune per superare questo problema consiste nell'utilizzare un ponte a 3 fili (Figura 3).

Figura 3: In questo schema di circuito di un ponte di Wheatstone, il nodo elettrico di uscita negativa del ponte viene spostato dall'alto di R₄ al basso dell'estensimetro, alla fine di R_L2. Con i conduttori R_L1 e R_L2 che formano la stessa resistenza, il ponte sarà bilanciato. Il conduttore R_L3 è solo un filo di rilevamento della tensione e non ha alcun effetto sul bilanciamento del ponte. (Immagine per gentile concessione di Micro Measurements)

Nella Figura 3 si può notare che il nodo elettrico di uscita negativa del ponte viene spostato dall'alto di R₄ al basso dell'estensimetro, alla fine di R_L2. Il conduttore R_L1 e l'estensimetro (R_G) sono composti di un braccio, con R_L2 e la resistenza R₄ che formano il braccio adiacente. Se i conduttori R_L1 e R_L2 hanno la stessa resistenza, i due bracci del ponte avranno uguale resistenza e il ponte sarà bilanciato. Il conduttore R_L3 è solo un filo di rilevamento della tensione, non è in serie con altri bracci del ponte e non ha alcun effetto sul bilanciamento del ponte.

A patto che sia R_L1 che R_L2 siano soggetti alle stesse fluttuazioni di temperatura, il ponte rimarrà bilanciato. Inoltre, poiché solo un conduttore è in serie con l'estensimetro, la sensibilizzazione alla temperatura indotta dal conduttore è dimezzata rispetto a una configurazione a due fili.

Esistono altre fonti di errore oltre all'effetto della temperatura sull'uscita del trasduttore di pressione. Queste fonti di errore sono spesso riferite alla "funzione di trasferimento ideale", che è una linea retta indipendente dalla temperatura che passa attraverso l'offset ideale con una pendenza pari all'intervallo di fondo scala (FSS) ideale nell'intervallo della pressione di esercizio. L'offset è il segnale di uscita ottenuto quando viene applicata una pressione di riferimento e FSS è la differenza tra il segnale di uscita misurato al limite superiore e a quello inferiore nell'intervallo della pressione di esercizio (Figura 4).

Figura 4: La funzione di trasferimento ideale di un trasduttore di pressione è una linea retta indipendente dalla temperatura che passa attraverso l'offset ideale con una pendenza pari all'FSS ideale nell'intervallo della pressione di esercizio. (Immagine per gentile concessione di Honeywell)

I trasduttori di pressione di qualità inferiore possono essere soggetti a offset ed errori FSS relativamente grandi dopo che lasciano la fabbrica. L'errore di offset è la massima deviazione di pressione rispetto all'offset ideale, mentre l'errore FSS è la massima deviazione in FSS misurata alla temperatura di riferimento rispetto all'FSS ideale (o target) determinato dalla funzione di trasferimento ideale.

Ulteriori errori derivano dalla precisione del trasduttore di pressione stesso, che può essere soggetto alla non linearità della pressione, all'isteresi della pressione e alla non ripetibilità. La combinazione di errori termici indotti, imprecisioni del trasduttore, errori di offset e di FSS determinano la banda di errore totale (TEB) del trasduttore di pressione. La TEB è la massima deviazione in uscita dalla funzione di trasferimento ideale su tutto l'intervallo di temperatura e pressione compensato (Figura 5).

Figura 5: Le fonti di errore per un trasduttore di pressione si sommano alla TEB. (Immagine per gentile concessione di Honeywell)

Trasduttori di pressione per uso intensivo

I trasduttori di pressione utilizzati nelle applicazioni industriali sono esposti a liquidi e gas corrosivi e ad ampie fluttuazioni di temperatura. Ad esempio, i trasduttori utilizzati in un'applicazione HVAC/R sono esposti a refrigeranti come butano, propano, ammoniaca, CO₂, miscela di acqua e glicole o una gamma di refrigeranti sintetici a base di idrofluorocarburi come R134A, R407C, R410A, R448A, R32, R1234ze o R1234yf. Inoltre, le temperature negli impianti HVAC/R industriali coprono l'intervallo industriale da -40 a +85 °C o vanno anche oltre.

Molti trasduttori di pressione da bassa a media pressione sono prodotti con leghe come l'ottone e utilizzano anelli toroidali e tenute adesive per sigillare l'elettronica del sensore dai fluidi e dai gas che entrano a contatto con il diaframma. Se utilizzate con sostanze corrosive, le tenute possono rivelarsi un punto debole e iniziare a perdere. Queste perdite possono passare inosservate inizialmente, portando a letture spurie e a uno cattivo controllo del sistema. Prima o poi queste le perdite causano guasti all'elettronica che viene esposta ai liquidi o ai gas corrosivi.

Per evitare queste potenziali modalità di guasto, i progettisti possono utilizzare i trasduttori di pressione serie MIP di Honeywell. Questi trasduttori di pressione per uso intensivo, isolati dai mezzi, eliminano l'anello toroidale interno e le tenute adesive. Questi trasduttori fabbricati in acciaio inossidabile sono caratterizzati da una struttura saldata ermeticamente al posto di una tenuta con anello toroidale. Questo design rende i sensori MIP compatibili con una vasta gamma di fluidi aggressivi, acqua e gas in un intervallo di temperatura da -40 a +125 °C e pressioni da 100 kPa a 6 MPa (Figura 6).

Figura 6: I trasduttori di pressione serie MIP di Honeywell sono realizzati in acciaio inossidabile e utilizzano una struttura saldata ermeticamente che elimina la necessità di tenute. Il design rende i sensori compatibili con una vasta gamma di fluidi aggressivi, acqua e gas. (Immagine per gentile concessione di Honeywell)

La serie MIP funziona da un'alimentazione a 5 V e fornisce un'uscita raziometrica in un intervallo da 0,5 a 4,5 V c.c. La TEB nell'intero intervallo di temperatura del trasduttore di pressione è ±1,0% per pressioni ≤1 MPa e 0,75% per pressioni >1 MPa. La precisione del trasduttore è di ±0,15% FSS (linea retta migliore (BFSL)) (Figura 7) e ha un tempo di risposta di 1 ms e un valore di burst nominale di oltre 20 MPa.

Figura 7: I trasduttori di pressione serie MIP funzionano da un'alimentazione a 5 V e forniscono un'uscita raziometrica in un intervallo da 0,5 a 4,5 V c.c. La TEB nell'intero intervallo di temperatura del trasduttore di pressione è ±1,0% per pressioni ≤1 MPa e 0,75% per pressioni >1 MPa. (Immagine per gentile concessione di Honeywell)

Inoltre, la serie è dotata di protezione dalle sovratensioni di ±40 V c.c. e di diagnostica dell'uscita del sensore in caso di guasto elettrico (Tabella 1).

Tabella 1: Caratteristiche di funzionamento dei trasduttori di pressione serie MIP. (Immagine per gentile concessione di Honeywell)

Trasduttori di pressione in applicazioni HVAC

I trasduttori di pressione svolgono un ruolo chiave in applicazioni come gli impianti HVAC, assicurando un controllo preciso per massimizzare l'efficienza e ridurre il consumo energetico. Ad esempio, si consideri il ciclo HVAC/R utilizzato da un'unità di refrigerazione industriale (Figura 8).

Figura 8: Schema di un ciclo HVAC/R. I trasduttori di pressione per uso intensivo alle uscite del compressore e dell'evaporatore possono essere utilizzati per monitorare la pressione del refrigerante e garantire cambiamenti di fase ottimali del refrigerante e, a sua volta, determinare l'efficienza del ciclo. (Immagine per gentile concessione di Honeywell)

Allo stadio compressore, il vapore a bassa pressione proveniente dall'evaporatore viene compresso (causando il riscaldamento) e pompato nel condensatore. Al condensatore, il vapore ad alta temperatura rilascia il calore latente nell'aria e si condensa in un liquido caldo. Un essiccatore rimuove quindi l'acqua dal refrigerante. Poi, al dispositivo di dosaggio, il liquido caldo del condensatore viene spinto attraverso una restrizione di flusso che ne riduce la pressione, costringendo il refrigerante a rilasciare il calore. Poi, all'interno dell'evaporatore, questo liquido freddo assorbe il calore dal flusso d'aria di ritorno del condensatore e lo trasforma in vapore. Questo vapore continua ad assorbire calore fino a raggiungere il compressore dove il ciclo si ripete. L'aria fredda dell'evaporatore viene utilizzata per abbassare la temperatura del contenitore refrigerato.

Il ciclo di refrigerazione funziona perché quando il refrigerante passa da liquido a vapore e viceversa, si verifica un forte rilascio o guadagno di energia latente. Per funzionare in maniera efficiente ed efficace, la pressione nelle varie parti dell'impianto deve essere monitorata e controllata attentamente. Ciò avviene soprattutto quando il refrigerante subisce i cambiamenti di fase da liquido a vapore/da vapore a liquido. Ad esempio, a bassa pressione, il refrigerante passa da liquido a gas e assorbe energia latente (calore) a una temperatura inferiore a quella che avrebbe altrimenti. Ad alta pressione, il gas refrigerante passa da gas a liquido a temperature più elevate di quanto non farebbe altrimenti, liberando energia latente (calore).

Monitorando la pressione all'uscita del compressore e dell'evaporatore, il compressore e il dispositivo di misurazione possono essere impostati per controllare con precisione il flusso (e quindi la pressione) nelle parti a bassa e alta pressione del ciclo e a sua volta la temperatura della fase del refrigerante cambia per massimizzare l'efficienza del sistema.

Conclusione

I trasduttori di pressione a estensimetri sono una buona soluzione per misurare la pressione nei processi industriali, ma i progettisti di sistemi con possibile esposizione ad ambienti estremi devono essere consapevoli dei limiti dei modelli che utilizzano anelli toroidali e tenute adesive.

Progettati per applicazioni che possono tollerare tali estremi, i trasduttori di pressione serie MIP di Honeywell utilizzano una struttura in acciaio inossidabile saldata ermeticamente. Questa costruzione rende i sensori MIP compatibili con una vasta gamma di liquidi e gas industriali e garantisce una lunga durata anche a temperature e pressioni elevate. I trasduttori di pressione di Honeywell offrono inoltre alta precisione, risposta rapida, buona stabilità nel lungo termine ed eccellente immunità alle interferenze elettromagnetiche.