Gauge Pressure Sensor vs. Absolute at Differential Pressure Sensor: Isang Teknikal na Gabay para sa Industrial Automation at Process Control

Ang gauge pressure sensor (tinatawag ding relative pressure sensor) ay isang device na sumusukat ng pressure na may kaugnayan sa ambient atmospheric pressure. Ang sensor ay may vented reference port na bukas sa nakapaligid na kapaligiran. Sinusukat ng elemento ng sensing ang pagkakaiba sa pagitan ng presyon ng proseso na inilapat sa isang bahagi ng diaphragm at ang presyon ng atmospera na inilapat sa kabilang panig. Kapag ang presyon ng proseso ay katumbas ng atmospheric pressure, ang output ng sensor ay zero (0 psi, 0 bar, o 0 kPa). Kapag ang presyon ng proseso ay mas mataas kaysa sa atmospheric (positibong presyon), ang output ay positibo. Kapag ang presyon ng proseso ay mas mababa kaysa sa atmospheric (vacuum o negatibong presyon), ang output ay negatibo. Ang sensing element ay karaniwang isang piezoresistive silicon micro-machined diaphragm (MEMS) o isang thin-film strain gauge sa isang metal na diaphragm. Habang binabago ng presyon ang dayapragm, nagbabago ang paglaban ng mga piezoresistor, na gumagawa ng isang de-koryenteng output na proporsyonal sa inilapat na presyon. Ang output signal ay karaniwang pinalakas sa mga karaniwang antas ng industriya: 4-20 mA loop current, 0-5 VDC, 0-10 VDC, o mga digital na output (I2C, SPI, CAN bus). Ang mga gauge pressure sensor ay ginagamit sa libu-libong application: hydraulic system pressure monitoring, compressed air system, water distribution network, pump control, tank level measurement (sa pamamagitan ng pagsukat ng hydrostatic pressure), at pneumatic control. Para sa mga detalyadong teknikal na pagtutukoy, maaaring sumangguni ang mga propesyonal sa paghahanap gauge pressure sensors mga pahina ng produkto para sa mga materyal na data sheet at mga ulat ng pagsubok.

Ang pangunahing pagkakaiba sa pagitan ng gauge, absolute, at differential pressure sensor ay nakasalalay sa reference pressure na ginagamit para sa pagsukat. Ginagamit ng mga gauge pressure sensor ang atmospheric pressure bilang reference. Ang sensor ay may vented housing o isang reference port na bukas sa hangin. Ang output ay zero sa atmospheric pressure. Ang mga gauge sensor ay angkop para sa karamihan ng mga prosesong pang-industriya dahil ang mga operator ay nagmamalasakit sa pressure na nauugnay sa kapaligiran (hal., 100 psi sa itaas ng atmosphere). Gumagamit ang mga absolute pressure sensor ng selyadong vacuum reference chamber (perpektong vacuum, 0 psi absolute) bilang reference. Ang sensor ay hindi nailalabas sa kapaligiran. Ang output ay zero lamang sa perpektong vacuum. Ang mga absolute sensor ay ginagamit para sa barometric pressure measurement, altitude sensing, at mga application kung saan makakaapekto ang mga variation ng atmospheric pressure sa pagsukat (hal., leak testing ng mga selyadong container, vacuum furnace pressure control). Sinusukat ng mga differential pressure sensor ang pagkakaiba sa pagitan ng dalawang pressure pressure (P1 - P2). Wala alinman sa port ay vented sa kapaligiran. Ginagamit ang mga differential sensor para sa pagsukat ng daloy (gamit ang mga orifice plate), pagsubaybay sa filter (pagbaba ng presyon sa isang filter), at pagsukat ng antas ng likido sa mga saradong tangke (pagkakaiba sa pagitan ng pang-ibaba na presyon at pang-itaas na presyon ng singaw). Ang pagpili ay depende sa aplikasyon. Para sa isang vented tank, ang gauge ay tama. Para sa isang selyadong tangke na may iba't ibang atmospheric pressure, maaaring kailanganin ang differential. Para sa pagsukat ng altitude, kinakailangan ang absolute. Ang talahanayan sa ibaba ay nagbubuod ng mga pangunahing pagkakaiba.

Ang mga modernong gauge pressure sensor ay gumagamit ng teknolohiyang MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems), na nagsasama ng mga mikroskopikong istrukturang mekanikal na may mga electronic circuit sa iisang silicon chip. Ang core ng MEMS pressure sensor ay isang micromachined silicon diaphragm, karaniwang 5 hanggang 50 micrometers ang kapal, gawa-gawa gamit ang photolithography at mga proseso ng etching. Ang mga piezoresistor (mga doped na rehiyon ng silicon na nagbabago ng resistensya kapag na-stress) ay ipinakalat sa diaphragm sa mga lugar na may mataas na stress (mga gilid at gitna). Kapag inilapat ang presyon, ang dayapragm ay lumilihis, na nagiging sanhi ng pagkapagod sa mga piezoresistor. Ang pagbabago ng paglaban ay proporsyonal sa inilapat na presyon. Ang apat na piezoresistor ay konektado sa isang Wheatstone bridge configuration, na nagko-convert ng mga pagbabago sa resistensya sa isang differential voltage signal. Ang boltahe signal ay pinalakas, linearized, temperatura-compensated, at na-convert sa nais na format ng output (4-20 mA, boltahe, o digital) sa pamamagitan ng isang ASIC (Application-Specific Integrated Circuit) o ​​signal conditioning circuit. Ang MEMS chip ay naka-mount sa isang substrate (ceramic, PCB, o metal), wire-bonded, at pinoprotektahan ng gel coating o stainless steel isolation diaphragm para sa media compatibility. Ang gauge reference ay nakakamit sa pamamagitan ng pag-vent sa likod na bahagi ng MEMS chip (o sa likod na bahagi ng isolation diaphragm) sa atmospera sa pamamagitan ng butas ng vent sa sensor housing. Ang teknolohiya ng MEMS ay nag-aalok ng ilang mga pakinabang: napakaliit na sukat (chip na kasing liit ng 1mm x 1mm), mataas na sensitivity (microvolt per pascal range), mababang paggamit ng kuryente (milliwatts), mahusay na repeatability, at mababang gastos sa mataas na volume. Para sa malupit na pang-industriya na kapaligiran (mga corrosive na likido, mataas na temperatura), ang MEMS chip ay maaaring ihiwalay mula sa media sa pamamagitan ng isang hindi kinakalawang na asero na diaphragm at punuin ng silicone oil (oil-filled gauge pressure sensor).

Available ang mga gauge pressure sensor sa isang malawak na hanay ng mga hanay ng presyon upang umangkop sa iba't ibang mga pang-industriyang aplikasyon. Ang mga low-pressure range (0-1 psi hanggang 0-15 psi, 0-0.07 bar hanggang 0-1 bar) ay ginagamit para sa HVAC air pressure monitoring, cleanroom differential pressure, at low-pressure pneumatic system. Ang mga hanay ng medium-pressure (0-50 psi hanggang 0-500 psi, 0-3.5 bar hanggang 0-35 bar) ay ginagamit para sa pangkalahatang pang-industriya na haydrolika, pamamahagi ng tubig, presyon ng paglabas ng bomba, at kontrol sa proseso. Ang mga high-pressure range (0-1000 psi hanggang 0-10,000 psi, 0-70 bar hanggang 0-700 bar) ay ginagamit para sa heavy equipment hydraulics, injection molding machine, hydraulic presses, at high-pressure water jet cutting. Ang mga hanay ng vacuum o compound (-14.7 psi hanggang 0 psi, -1 bar hanggang 0 bar) ay sumusukat sa negatibong presyon (vacuum) para sa pagsubaybay sa pagsipsip, vacuum packaging, at mga aplikasyon sa laboratoryo. Sinusukat ng mga hanay ng compound (-14.7 hanggang 30 psi, -1 hanggang 2 bar) ang vacuum at positibong presyon. Ang mga signal ng output ay na-standardize para sa pagkakatugma sa industriya. Mga analog na output: 4-20 mA loop current (pinakakaraniwan para sa pang-industriyang kontrol, mahabang cable run, noise immunity), 0-5 VDC, 0-10 VDC (karaniwan para sa mga PLC at pagkuha ng data), at 1-5 VDC. Mga digital na output: I2C at SPI (para sa mga naka-embed na system at IoT device), RS-485 Modbus (para sa mga pang-industriyang network), at CAN bus (para sa automotive at heavy equipment). Ang boltahe ng paggulo ay karaniwang 5 VDC o 9-30 VDC (para sa mga sensor na 4-20 mA na pinapagana ng loop).

Ang katumpakan ay ang pinaka-kritikal na detalye para sa isang gauge pressure sensor. Ito ay karaniwang ipinahayag bilang isang porsyento ng buong sukat (%FS). Ang mga pang-industriya na grade gauge pressure sensor ay nakakakuha ng katumpakan ng ±0.5% FS, ±0.25% FS, o ±0.1% FS. Ang mga high-precision na sensor para sa mga aplikasyon ng laboratoryo o pagkakalibrate ay nakakakuha ng ±0.05% FS o mas mataas. Kasama sa katumpakan ang ilang mapagkukunan ng error: linearity (paglihis ng output mula sa isang tuwid na linya sa hanay ng presyon), hysteresis (pagkakaiba sa output kapag tumataas ang presyon kumpara sa pagbaba ng presyon), repeatability (kakayahang gumawa ng parehong output para sa parehong presyon sa ilalim ng magkaparehong mga kondisyon), at mga epekto sa temperatura (zero shift at span shift na may temperatura). Para sa ±0.5% FS sensor, ang kabuuang error band (kabilang ang linearity, hysteresis, repeatability, at temperature effect sa compensated temperature range) ay nasa loob ng ±0.5% ng full scale reading. Halimbawa, ang isang 0-100 psi sensor na may ±0.5% FS accuracy ay may maximum na error na ±0.5 psi sa anumang punto. Ang kabayaran sa temperatura ay mahalaga para sa tumpak na pagsukat sa iba't ibang temperatura ng pagpapatakbo. Ang sensor ay naka-calibrate sa maraming temperatura (karaniwang -20°C, 25°C, at 85°C), at ang mga compensation coefficient ay naka-imbak sa ASIC o microcontroller ng sensor. Sa panahon ng operasyon, sinusukat ng sensor ang temperatura at inilalapat ang mga salik ng pagwawasto sa pagbabasa ng presyon. Ang nabayarang hanay ng temperatura ay karaniwang -20°C hanggang 85°C para sa mga pang-industriyang sensor, o -40°C hanggang 125°C para sa automotive at extended range sensor. Sa labas ng compensated range, bumababa ang katumpakan sa isang tinukoy na rate (hal., ±0.03% FS bawat °C).

Tinutukoy ng mga materyales na ginamit sa paggawa ng gauge pressure sensor ang chemical compatibility, temperature resistance, at pangmatagalang katatagan. Pressure port material: hindi kinakalawang na asero (304, 316, o 316L) ang pinakakaraniwan para sa mga pang-industriyang sensor, na nagbibigay ng mahusay na resistensya sa kaagnasan para sa tubig, langis, hangin, at banayad na mga kemikal. Para sa napakakaagnas na media (mga acid, caustics, tubig-alat), available ang Hastelloy C-276, Inconel, o titanium port. Para sa pagkain at mga pharmaceutical application, 316L stainless steel na may sanitary Tri-Clamp na koneksyon ay kinakailangan. Materyal na diaphragm: para sa mga sensor para sa pangkalahatang layunin, ang 316L stainless steel na diaphragm (kapal na 0.05-0.2 mm) ay nagbibigay ng magandang sensitivity at tibay. Para sa mga low-pressure sensor (sa ilalim ng 5 psi), ang ceramic o silicon diaphragm (direct media contact) ay nag-aalok ng mas mataas na sensitivity. Para sa mga ultra-high-purity application (semiconductor, pharmaceutical), ang diaphragm ay maaaring gawa sa alumina ceramic o silicon na walang metal na basang bahagi. Sensor housing material: Kinakailangan ang mga enclosure na may rating na IP65/IP67/IP68 para sa mga wash-down, outdoor, o submersible application. Kasama sa mga opsyon sa pabahay ang hindi kinakalawang na asero (para sa mga kinakaing unti-unting kapaligiran), aluminyo (para sa pangkalahatang industriyal), at polycarbonate (para sa loob ng light-duty). Mga materyales sa pagbubuklod: Ang mga O-ring (Viton, EPDM, NBR) o mga gasket ay ginagamit upang i-seal ang pressure port at housing. Ang materyal ng selyo ay dapat na katugma sa likido ng proseso. Ang Viton (FKM) ay angkop para sa karamihan ng mga langis, panggatong, at kemikal; Ang EPDM ay angkop para sa tubig, singaw, at mga likido ng preno; Ang NBR ay angkop para sa mga mineral na langis at panggatong. Para sa mga application na may mataas na temperatura (sa itaas 125°C / 260°F), maaaring kailanganin ang mga metal seal o glass-to-metal sealing.

Ang mga gauge pressure sensor ay ginagamit sa maraming industriya, na may mga pagtutukoy na nag-iiba ayon sa aplikasyon. Para sa mga hydraulic system (industrial presses, injection molding machine, construction equipment, forklifts), isang 0-5000 psi hanggang 0-10,000 psi gauge pressure sensor na may 4-20 mA output at IP67 rating ay pamantayan. Ang sensor ay dapat makatiis sa mga pressure spike (2-3x na na-rate na presyon) at may mataas na kakayahan sa overpressure. Para sa mga pneumatic system (compressed air monitoring, air tools, pneumatic actuators), isang 0-150 psi o 0-300 psi gauge sensor na may 0-10 VDC na output at mabilis na pagtugon sa oras (sa ilalim ng 1 ms). Para sa pagsukat ng antas ng likido sa mga bukas na tangke (mga water tower, sump, chemical tank, wastewater basin), sinusukat ng submersible gauge pressure sensor ang hydrostatic pressure sa ilalim ng tangke. Ang presyon ay proporsyonal sa taas ng likido: 1 psi ≈ 2.31 talampakan (0.7 metro) ng tubig. Para sa tumpak na pagsukat ng antas, ang sensor ay dapat na mai-vent sa pamamagitan ng cable (vented gauge design) upang makansela ang mga variation ng atmospheric pressure. Para sa vacuum monitoring (vacuum packaging, suction cups, medical suction, laboratory vacuum chambers), isang compound pressure sensor (-14.7 hanggang 0 psi, -1 hanggang 0 bar) ay kinakailangan upang masukat ang negatibong presyon kaugnay ng atmospera. Ang sensor ay dapat magkaroon ng mataas na resolution sa mababang presyon (0.1% FS o mas mahusay). Para sa pump control at well monitoring (water well, irrigation pump, booster pump), isang 0-200 psi gauge sensor na may 4-20 mA output at masungit na stainless steel housing ay ginagamit upang subaybayan ang presyon ng paglabas ng pump at protektahan laban sa mga dry-run na kondisyon. Ang talahanayan sa ibaba ay tumutugma sa mga application na may mga inirerekomendang detalye.

Para sa mga manufacturer na nag-e-export ng gauge pressure sensor, ang mga nakadokumentong kalidad at mga certification sa pagsunod ay mahalaga. Ang pinaka-hinihiling na mga pamantayan at sertipikasyon ay kinabibilangan ng: CE marking (European Conformity) sa ilalim ng EMC Directive (2014/30/EU) at RoHS Directive (2011/65/EU), ISO 9001 (quality management system), at para sa mga aplikasyon sa mapanganib na lugar, ATEX (European) o IECEx (international) na kaligtasan ng enclortification (international) (Hal d). Kasama sa mga partikular na pagsubok sa pagganap ang: pagsubok sa katumpakan (pagsukat sa 5-10 mga punto ng pagkakalibrate sa hanay ng presyon, pataas at pababa, para i-verify ang linearity, hysteresis, at repeatability), pagsubok sa kompensasyon sa temperatura (pagsukat sa -20°C, 25°C, at 85°C o tinukoy na hanay para ma-verify ang zero shift at span na pagsubok sa 500 oras), pangmatagalang pagsubok sa katatagan ng 500 oras (500 oras na pagsubok sa pag-drift ng 100 oras). 85°C para i-verify na ang output ay hindi nagbabago ng higit sa tinukoy na porsyento bawat taon), overpressure test (application ng 1.5x hanggang 3x rated pressure na walang pinsala), burst pressure test (destructive test para ma-verify ang safety margin), electrical safety test (insulation resistance, dielectric strength), at EMC test (radiated and conducted emissions per CISPR 11-6000, immunity per CISPR 11-602). Para sa mga pressure sensor na ginagamit sa mga medikal na device, kinakailangan ang sertipikasyon ng ISO 13485. Para sa mga aplikasyon ng automotive, kinakailangan ang sertipikasyon ng IATF 16949. Para sa mga aplikasyon ng maiinom na tubig, ang sertipikasyon ng NSF/ANSI 61 ay maaaring kailanganin para sa mga materyales na may kontak sa inuming tubig. Maraming malalaking pang-industriya na mamimili ang nangangailangan din ng mga pag-audit ng pabrika na sumasaklaw sa ISO 9001 at nakadokumentong pagkakalibrate na traceability sa mga internasyonal na pamantayan (NIST, PTB, o iba pang pambansang instituto ng metrology). Ang mga tagagawa na nagpapanatili ng mga kasalukuyang sertipikasyon at malinaw na mga rekord ng kalidad ay nakakakuha ng isang mapagkumpitensyang kalamangan sa internasyonal na sourcing.