Måling af tryk

Skrevet af Morten B. Jensen, Product Manager – Instrumenter hos KLINGER Danmark

I en tryktransmitter benyttes en sensor til at omsætte den fysiske deformation til et elektrisk signal. Sensoren baseres på ændringer i de elektriske egenskaber af enten modstande, kondensatorer eller spoler, komponenter der alle ændrer egenskaber ved deformation. Alle komponenterne er karakteriserede ved at de reagerer hurtigt på ændringer, ligesom deres udgangssignal forholdsvis enkelt kan viderebehandles ved hjælp af en egnet måleforstærker.

Til industrielle transmittere benyttes fortrinsvis 3 typer af sensorer hvis egenskaber vil have betydning for den komplette transmitters karakteristika:

1. Den Piezo-resistive trykføler er opbygget som en membran hvori der er indlejret i et siliciumkrystal, som ændrer sin specifikke modstand, hvis det forlænget eller komprimeres. Det piezo-resistive princip giver høj beskyttelse mod overlast, og er meget følsomt for udbøjning, hvorfor det normalt anvendes til måling i lave trykområder (op til 20 bar).

 

2. Strain gauge sensorer er baseret på en målebro (f.eks. Wheatstone broen), hvor selve strain gaugen monteres på et passende substrat (en membran). Deformationen vil kunne omdannes til en modstandsændring, der igen vil resultere i der løber en strøm gennem målebroen. Ændringen i modstanden af strain gaugen vil være proportional med trykket, der skal måles, og derfor kan signalet let omsættes til en trykvisning. En Strain Gauge baseret sensor har gode egenskaber ved høje tryk, og kan fremstilles med meget stor nøjagtighed.

 

3. Keramiske måleceller findes i flere udførelser, enten benyttes keramik som substrat i forbindelse med en Wheatstone bro (tykfilms teknologi) eller også benyttes keramikken til at lave en kapacitiv målecelle. Sidstnævnte består af tre elektrodeflader af guld, udført i tykfilmsteknik, som tilsammen danner en kondensator, hvis kapacitet måles. Ved påføring af et statisk tryk på membranen bliver afstanden mellem membranen og de to referenceelektroder på den statiske sensordel påvirket. Afstandsændringen medfører en ændring i kapacitansen, der kan bearbejdes til et elektrisk signal for trykket.

Den keramiske sensor udmærker sig ved at kunne tåle stor overlast, samt have en høj gentagelsesnøjagtighed.

 

Selve tryksensoren kommer normalt ikke i direkte berøring med mediet, og som regel ligger den godt “beskyttet” bag en metalmembran, som berøres af mediet. Mellem membran og målebro ligger så en transmissionvæske, som regel et oliebaseret fluidum, hvis kompressibilitet er negligibelt, samtidig med kogepunktet er højt.

Måleceller til måling af relativt tryk har på bagsiden en ventilationsåbning til atmosfæren, mens absolut trykceller er forseglet med vacuum på bagsiden af sensoren.

 

Kombinationen af målecelle og elektronik er med til at definere tryktransmitterens egenskaber, heriblandt den vigtige parameter – nøjagtigheden.

Udtrykket "nøjagtighed" er ikke et begreb der er defineret i en standard, men alligevel benyttes det i alle datablade for måleudstyr, men desværre er der ingen fælles regel for hvordan nøjagtigheden skal angives. Tager vi f.eks. en tryktransmitter, så er der ikke én nøjagtighed, men en lang række forskellige specifikationer, der alle tilsammen beskriver instrumentets "nøjagtighed". De relevante faktorer med hensyn til præcision er defineret entydigt på tværs af alle standarder, men alligevel kan data fra fabrikanterne næppe sammenlignes, da det er op til fabrikanterne selv at afgøre, hvilke data de vil fremhæve og hvordan de præsentes i databladene.

Linearitet

For mange brugere, er linearitet den oftest anvendte nøjagtigheds term. Begrebet beskriver hvor buet eller ikke-lineær sensorens karakteristik er. Værdien er den størst mulige afvigelse mellem karakteristik og ideel ret linje.

Temperatur Fejl

Temperaturen har stor indflydelse på en trykcelles egenskaber, og alle specifikationer for en tryktransmitter er angivet ved stuetemperatur – med mindre andet er oplyst. Temperaturfejlen er oftest angivet som en procentuel afvigelse i et interval på 10 K.

Temperatur afvigelser kan komme fra såvel medie som omgivelser, og det er ikke ualmindeligt at en transmitter vil have fordoblet målefejlen ved en temperaturafvigelse på 10K!

Stabilitet

Da en trykmåling er baseret på en mekanisk bevægelse, vil alle tryktransmittere blive påvirket mekanisk efter montage – en påvirkning der også spiller ind på enhedens nøjagtighed.

Ændringer relateret til afvigelse under drift kaldes langtidsstabilitet, og den er udtryk for hvor meget drift der kan forventes på en måling som arbejder under normale driftsbetingelser. I mange tilfælde har målingens stabilitet en større indflydelse på den samlede afvigelse end f.eks. den angivne linearitet, og værdier der er både to eller tre gange højere, er ikke usædvanligt.

Målefejl

Begrebet målefejl er sandsynligvis den mest entydige værdi, den bestemmes direkte fra karakteristikken og indeholder alle relevante fejl ved stuetemperatur, såsom liniaritet, hysterese, repeterbarhed og 0-punkts afvigelse. Det betyder at en bruger der betjener enheden ved stuetemperatur, vil se denne afvigelse fra det reelle tryk. Angivelse af målefejl giver den største afvigelse mellem den aktuelle karakteristik og den ideelle måling (lige linje).

Hysteresen bliver målt når udgangssignalet registres ved et stigende indgangssignal fra 0 til 100 % og derefter reduceres indgangssignalet igen til 0% samtidig med at udgangssignalet igen bliver registreret. Jo nærmere de to kurver ligger på hinanden, desto mindre er hysteresen, og desto bedre hysterese har komponenten.

Repeterbarheden eller gentagelsesnøjagtigheden - er transmitterens evne til at genskabe samme måleværdi hver gang. Værdien baseres som regel på tre målinger under identiske betingelser.

Det er dog de færreste datablade der angiver målefejlen, men værdien kan som regel beregnes ud fra de angivne værdier, idet alle de øvrige værdier som regel er angivet, sammen med en angivelse af forventet afvigelse ved begyndelsen og slutningen af måleområdet.

     

Korrekt montage

Udover de mange instrumentrelaterede fejlmuligheder er der dog en række fejlkilder, som hidrører brugen af transmitteren. Disse kan komme fra vibrationer, elektromagnetisk interferens, montageformen, den elektriske strømforsyning eller belastningen af de tilsluttede enheder.

 

 

Læs mere om tryktransmittere hér