Welke druksensor is geschikt voor uw applicatie?

Druksensoren maken al tientallen jaren deel uit van de productieprocessen in tal van sectoren, zoals de procesindustrie, de machinebouw, de farmaceutische en de voedingsmiddelen- en drankenindustrie. En de technologie staat niet stil. Intussen zijn het bereik en de nauwkeurigheid van de drukmeettechnologie sterk geëvolueerd. Welke druksensor is nu de beste oplossing voor uw toepassing? SICK zet de voordelen en beperkingen van alle technologische opties voor u op een rij. Daarbij is het goed om eerst scherp te hebben wat druk precies inhoudt.

1. Wat is druk?

Druk (p) is de kracht (F) die wordt uitgeoefend op een oppervlakte-eenheid (A), en wordt berekend met de formule: p = F / A

Hierin staat het symbool p voor de grootheid druk. Deze wordt binnen het internationale stelsel van eenheden aangeduid in Pascal [Pa]. Het symbool F is de standaardafkorting voor kracht aangeduid in Newton [N]. Het symbool A staat voor oppervlakte in vierkante meter [M²].

Hieruit volgt dat 1 Pa = 1 N/m². Naast Pascal wordt er in Europa ook veelal gewerkt met bar – in Amerikaanse landen is dat psi, in Azië kg/cm². Onderstaande tabel geeft een overzicht van de conversie tussen deze drukeenheden.

De verschillende typen druk op een rij

In de techniek komen we verschillende begrippen voor druk tegen om aan te duiden of er gemeten wordt ten opzichte van een absoluut vacuüm (absolute druk) of ten opzichte van de druk van de buitenlucht (relatieve druk).

Absoluut vacuüm – Een vacuüm is een ruimte zonder materie en daardoor zonder druk (0 bar).

Absolute druk – wordt gemeten vanaf 0 bar en is het drukverschil met het absoluut vacuüm.

Atmosferische druk – Dit is de druk die ‘buiten’ heerst. De gemiddelde atmosferische druk is 1013 mBar. Deze druk is niet constant en afhankelijk van de weersomstandigheden en hoogte.

Overdruk – De relatieve druk die wordt gemeten ten opzichte van de atmosferische druk.

Onderdruk – De druk die lager is dan de atmosferische druk.

Verschillende typen druksensoren

Het meten van overdruk is de meest voorkomende van de ‘standaard’ drukmetingen. Een druksensor die overdruk meet, wordt een gauge-druksensor genoemd (gauge = peilen). Pneumatische cilinders werken op lucht met overdruk. Staat er geen perslucht meer op de leiding, dan meet de gauge-druksensor de atmosferische druk en geeft deze 0 bar aan.

Wanneer er in een aanzuigleiding onderdruk ontstaat, wordt het meten hiervan veelal gedaan met een vacuüm gauge-druksensor of een compound gauge-druksensor. Een vacuüm gauge-druksensor meet de druk die lager is dan de atmosferische druk, oftewel de negatieve druk. Een compound gauge-druksensor is een type sensor die het meten van zowel over- als onderdruk combineert in één sensor (compound = samengesteld).

Het laatste type is de absolute druksensor. Deze meet de druk ten opzichte van vacuüm. Weersomstandigheden of hoogteverschillen beïnvloeden het meetresultaat niet.

2. Hoe werkt een druksensor?

De meeste druksensoren werken op dezelfde wijze: zij meten het doorbuigen van een membraan, veroorzaakt door de druk die hierop wordt uitgeoefend. De grootte van de doorbuiging wordt omgezet in een elektronisch signaal. Druksensoren onderscheiden zich in het gebruik van verschillende membraammaterialen en de wijze waarop het doorbuigen wordt gemeten. Industriële druksensoren zijn gebaseerd op een van de twee volgende werkingsprincipes: resistieve drukmeting of piëzo-elektrische drukmeting.

Resistieve drukmeting

De meest gebruikte techniek is de resistieve drukmeting. Deze techniek wordt ook in SICK-druksensoren toegepast. We maken daarbij een onderscheid in metalen dunnefilmelement, keramisch dikke filmelement en piëzoresistief element.

Metalen dunnefilmsensoren

Bij de metalen dunnefilmsensoren worden vier rekstrookjes gegroepeerd om een Wheatstone-brug te vormen. Het centrale deel en het membraan van een metalen dunnefilmsensor zijn meestal gemaakt van roestvaststaal. Sensoren in een metalen dunnefilmuitvoering zijn zeer compact en robuust, schok- en trillingbestendig en zeer goed bestand tegen piek- en barstdruk. Met een meetbereik van 0-1000 bar wordt deze sensor veel toegepast in pneumatische en hydraulische installaties.

Keramische dikkefilmsensoren

Bij de keramische dikkefilmsensoren is de structuur van de rekstrookjes geprint op keramisch materiaal (meestal aluminiumoxide) en daarna in een oven gebakken. Het keramische element is zeer slijtvast, waardoor de levensduur hoog is. Toepassing komt dan ook veelal voor in processen, waar agressieve vloeistoffen voorkomen.

Keramiek is relatief bros en de barstdruk ligt dan ook lager vergeleken met een metalen dunnefilmsensor. Hierdoor hebben dikkefilmsensoren een meetbereik van 0-100 bar. Keramische dikkefilmsensoren worden veel toegepast in de voedings-, farmaceutische en chemische industrie.

Werkingsprincipe van resistieve druksensoren

De kern van een resistieve druksensor bestaat uit een behuizing met daarop een membraam van weerstanden. Bij het metalen dunnefilmelement en het keramische dikkefilmelement zijn dit rekstrookjes. In het geval van een piëzo­ resistief element zijn dit piëzoresistieve weerstanden op een siliciumchip.

Een rekstrookje is een folie of film met daarop een elektrische geleider. Indien een trekkracht wordt uitgeoefend op een elektrische geleider, dan wordt de geleider langer en tegelijkertijd ook smaller – zodanig dat de elektrische weerstand groter wordt. Omgekeerd wordt de weerstand kleiner als
de geleider wordt samengedrukt.

Door de druk buigt het membraam van de druksensor door en worden de rekstrookjes met daarop de elektrische geleiders uitgerekt of samengedrukt. Hierdoor neemt de elektrische weerstand van de rekstrookjes toe of af, afhankelijk van de grootte van doorbuiging.

Om de verandering van elektrische weerstand eenvoudig en nauwkeurig om te zetten in een elektrisch signaal, zijn de elektrische geleiders aangebracht in de vorm van een Wheatstone-brug. Met dit principe kan eenvoudig en nauwkeurig een elektrische weerstandsverandering worden gemeten.

Als er geen weerstandsverandering plaatsvindt, dan is de verhouding tussen R1 en R2 gelijk aan de verhouding tussen R3 en R4. Als er wel een weerstandsverandering plaatsvindt, is de verhouding niet meer gelijk en wordt er een spanning aan de uitgang gemeten die wordt omgezet in een drukwaarde (bar).

Piëzoresistieve druksensoren

Een piëzoresistieve druksensor heeft een aanzienlijk complexere structuur dan de metalen dunnefilm- of keramische dikkefilmsensor. Deze druksensor is vervaardigd van een siliciumchip, die rekt of afbuigt onder druk en bestaat uit een membraan gestructureerd met piëzoresistieve weerstanden. De chip zelf heeft een oppervlak van enkele vierkante millimeters en is daardoor veel kleiner dan het membraan van metalen dunnefilm- of keramische dikkefilmsensoren.

Over de piëzochip

De piëzochip is gevoelig voor omgevingsinvloeden en in de meeste gevallen wordt de chip hermetisch omsloten door een roestvrijstalen behuizing die is afgedicht met een dun, plat rvs-membraan. De vrije ruimte tussen het piëzochipmembraan en het externe rvs-membraan van de sensor is gevuld met synthetische olie.

Het drukmedium komt alleen in contact met de buitenzijde van het externe rvs-membraan, waarbij de druk via de olie aan de interne membraamchip wordt doorgezonden. Om de invloed van thermische uitzetting van de vulvloeistof op de drukmeting te verminderen, moet bij het ontwerp van de druksensor de vrije ruimte tussen de piëzochip en het rvs-membraan zo klein mogelijk gehouden worden, zodat het gebruik van de vulvloeistof tot een minimum wordt beperkt.

Over de ventilatiebuis

Aan de achterzijde van het membraan is in de sensor een buisje geplaatst, dat leidt naar de achterzijde van het druksensormembraan. Als de ruimte achter het druksensorelement luchtledig wordt gemaakt en de ventilatiebuis wordt afgedicht, is het mogelijk om met een piëzoresistieve sensor absolute druk te meten, aangezien het vacuüm van de holle ruimte dient als een absolute referentiedruk.

Bij een druksensor die ontworpen is voor overdrukmeting (Gauge), is de ventilatiebuis open. Deze zorgt voor een continue ontluchting van het membraan, zodat de meting altijd ten opzichte van de plaatselijke atmosferische druk wordt uitgevoerd. De ventilatiebuis moet zorgvuldig worden beschermd tegen vervuiling en het binnendringen van vocht.

Langere levensduur

Een silicium halfgeleider heeft als voordeel dat het materiaal minder bros is dan keramiek, en hierdoor beter bestand is tegen schokken en trillingen waardoor de levensduur lang is.

Piëzo-elektrische drukmeting

Het werkingsprincipe van piëzo-elektrische drukmeting is gebaseerd op het piëzo-elektrisch effect. Hierbij wordt gebruikgemaakt van een kristal, bijvoorbeeld monokristalkwarts of zirconate-titanate. Wordt dit kristal blootgesteld aan druk- of trekkracht, dan produceert het een elektrische spanning. De hoeveelheid spanning is evenredig aan de grootte van de kracht. De polariteit van de spanning is afhankelijk van de richting van de kracht.

Het piëzo-elektrische effect is hoofdzakelijk geschikt voor het meten van dynamische druk. De achterliggende reden hiervan is dat, ondanks dat de elektrische isolatieweerstand vrij groot is, de spanning uiteindelijk lekt naar nul. De snelheid waarmee de lading lekt, is afhankelijk van de elektrische isolatieweerstand. Dit betekent dat wanneer er geen verandering in druk is, de uitgangswaarde van de sensor niet accuraat is. Dit maakt hem minder geschikt voor statische drukmetingen. Een piëzo-elektrische druksensor heeft als unieke eigenschap dat het zeer nauwkeurig kleine drukfluctuaties bij hoge statische druk kan meten. Dit type sensor wordt hierdoor veelal ingezet voor die toepassingen waarbij snelle drukveranderingen voorkomen, zoals in een verbrandingsmotor.

3. Hoe kiest u de juiste druksensor?

Het selecteren van de juiste druksensor hangt af van veel variabelen. We zetten een aantal vragen voor u op een rij die u een eind op weg kunnen helpen bij de druksensorkeuze.

Welke druksensortechnologie past bij de applicatie?

Er bestaat geen ideale druksensortechnologie. Iedere techniek heeft haar eigen voor- en nadelen. Het geschikte sensortype wordt primair bepaald door de eisen van de applicatie:

Wat moet het drukbereik zijn in de beoogde applicatie?

Het drukbereik dat wordt opgegeven in de datasheet van de druksensor, bepaalt de grenzen waarbinnen de druk kan worden gemeten of gecontroleerd. Essentieel voor de specificatie is de onder- en bovengrens van het meetbereik. Dit is het gebied waarbinnen de response van de druksensor het meest lineair is en de drukmeting dus het meest nauwkeurig.

De druk binnen het overdrukbereik zal geen blijvende schade veroorzaken aan de sensor, maar de meting kan minder nauwkeurig zijn. Drukwaarden boven de overdruklimiet, het zogenaamde destructieve meetbereik, leiden tot onherstelbare schade aan de druksensor. Het maakt niet uit of de barstdruk constant is of alleen aanwezig is voor een zeer korte tijd (drukpieken).

Drukpieken: Waterhamer

Speciale aandacht is vereist wanneer er sprake is van drukpieken bij stuwdrukelementen. Ze worden veroorzaakt door bijvoorbeeld het in- en uitschakelen van een pomp, het aansluiten of loskoppelen van een hydraulisch systeem en met name door het sluiten en openen van snelwerkende kleppen in snelle vloeistofstromen. De drukgolf verspreidt zich door het hele systeem en leidt tot extreem hoge belastingen. Drukpieken kunnen een veelvoud van de ‘normale’ druk bereiken en kunnen leiden tot overbelasting van de sensoren. Dit effect komt ook wel eens voor in gewone huishoudens, wanneer een kraan te snel wordt dichtgedraaid. Dit fenomeen is technisch bekend onder de noemer ‘waterslag’ of ‘waterhamer’.

Drukpieken: Cavitatie

Extreem hoge drukpieken kunnen ook worden veroorzaakt door cavitatie en microdieseleffect. Cavitatie gaat over het ontstaan van holten in snelstromende vloeistoffen, doordat de plaatselijke druk lager wordt dan de dampdruk van de vloeistof. Als de druk beneden deze dampdruk komt, vormen zich gasbellen in de vloeistof. Deze worden door de vloeistof verplaatst naar een positie met lagere snelheid en dus een hogere druk. De implosie van de gasbellen gaat gepaard met zeer grote krachten in een kort tijdsbestek.

Drukpieken: Microdieseleffect

Indien door cavitatie gasbellen met een brandbaar luchtmengsel ontstaan, dan kunnen deze exploderen door spontane zelfontbranding tijdens drukverhoging. Dit noemt men het microdieseleffect. Worden er geen maatregelen genomen, dan kunnen de drukgolven niet alleen schade toebrengen aan de sensor, maar ook aan het gehele hydraulische systeem.

Voorkomen drukpieken

Drukpieken in een installatie kunnen worden voorkomen met smoorkleppen of dempers. De drukpoort van de sensor kan door EDM-boring ook worden voorzien van een gereduceerde binnendiameter: van standaard 3,5 mm naar 0,6 of 0,3 mm. Zo wordt de drukpiek gedempt en overbelasting van de sensor voorkomen.

SICK en overdruk

SICK-druksensoren zijn geschikt voor toepassingen waarbij de overdruk twee keer de overdruklimiet mag zijn. Afhankelijk van het type sensor kan de overdrukveiligheid het veelvoud van de overdruklimiet bedragen.

Welke procesaansluiting is nodig in de applicatie?

De procesaansluiting, ook wel drukpoort genoemd, geleidt de druk van het medium naar de sensor. Veel procesaansluitingen hebben een standaarddraad en kunnen zonder problemen worden toegepast. Daarnaast kennen diverse landen nog eigen regionale en nationale normen en standaarden. Toonaangevende fabrikanten zoals SICK bieden vaak een veelvoud aan procesaansluitingen om aan de vele eisen van verschillende industrieën en applicaties te voldoen.

Intern of flushmembraam

Er is een onderscheid tussen drukaansluiting met een intern membraan en verbindingen met een flush(front)membraam. In de procesaansluiting met een intern membraan maakt het medium via de drukpoort direct contact met het membraan. Bij het flushmembraam is de drukpoort zelf gesloten en wordt er gebruikgemaakt van een extra rvs-membraam. Een transmissievloeistof, veelal siliconenolie, geeft de druk door naar het interne membraam.

Drukaansluitingen met interne membranen zijn makkelijk te hanteren, goedkoper te vervaardigen en worden gebruikt voor standaardmetingen van gassen en vloeistoffen. Kunnen de te gebruiken media verstoppingen of beschadigingen van de drukpoort veroorzaken – bijvoorbeeld door kristallen, kleverige, agressieve of schurende vloeistoffen? Dan wordt gebruik van een flushmembraan aanbevolen. Dat advies geldt ook als de toepassing een goede reiniging van de drukaansluiting vereist, zoals in de voedingsmiddelenindustrie en farmacie.

Schroefdraad- of klemverbinding

De procesaansluiting van de meeste druksensoren is voorzien van een inwendige of uitwendige schroefdraad. Elk werelddeel hanteert daarbij zijn eigen standaard in draadsoort. Binnen Europa zijn BPS en NPT de meest voorkomende drukaansluitingen.

BPS (British Standard Pipe Thread), ook wel Whitworth-gasdraad (G) genoemd, is een veelgebruikte drukaansluiting in Europa. Het is een rechte draad, waarbij de afdichting wordt gevormd door een afdichtingsring. De BPS procesaansluiting met G1/4” wordt gebruikt op drukmeters van kleine afmetingen, maar kan ook worden gebruikt bij andere afmetingen met een druk tot 600 bar. BPS aansluiting G1/2” wordt gebruikt voor een druk tot 1000 bar. Wordt er gebruikgemaakt van een rvs-aansluiting, dan kan de druk tot 1600 bar gaan.

NPT (National Pipe Thread) is de meest gebruikte procesaansluiting in de olie- en petrochemische industrie. De schroefdraad is conisch of taps. Door de conische vorm van de draad is de verbinding met teflontape zelfafdichtend.

Hygiënische klem- en flensverbinding

Vanwege de hoge hygiënische eisen worden in de drank-, voedings- en farmaceutische industrie veelal druksensoren met flushmembraam gebruikt. Voor de bevestiging wordt doorgaans een hygiënische klem- en flensverbinding gekozen, zoals Neumo Bioconnect, Varivent en Triclamp.

Afdichtingsringen

Een belangrijk punt bij de aansluiting is de mate van afdichting. Sommige draadsoorten zijn zelfdichtend, zoals conische draad in combinatie met teflontape.

Rechtedraad- en hygiënische klemverbindingen hebben altijd een afdichtingsring nodig. De plaats van de afdichtingsring is achter de schroefdraad of – in combinatie met een metalen centreerpin – voor de schroefdraad.

De meest gebruikte afdichtingsringen zijn rubberen O-ringen die in verschillende soorten verkrijgbaar zijn. De keuze van de ring is afhankelijk van de druk, het gebruikte medium en de temperatuur. De juiste materiaalkeuze is daarbij van groot belang.

• NBR, nitril butadieen of nitrilrubber, is zeer goed bestand tegen oliën en vetten, is redelijk slijtvast en heeft goede antistatische eigenschappen.
• EPDM, oftewel ethyleen-propyleen, is goed bestand tegen vele basen en zuren, en heeft een groot temperatuurbereik van -35 ˚C tot +100 ˚C. EPDM is niet bestand tegen oliën en vetten.
• FPM of FKM fluorrubber, ook bekend als Viton van Dupont, is uitstekend bestand tegen olie, de meeste oplosmiddelen en hydraulische vloeistoffen.

Wat voor elektrische aansluiting is er nodig?

Het uitgangsignaal van de druksensoren kan digitaal PNP, NPN of analoog +4 … 20mA zijn of een combinatie hiervan. De nieuwste druksensoren worden steeds vaker ook uitgevoerd met IO-link, waardoor sensoren automatisch kunnen worden geparametreerd, installatiecondities kunnen worden uitgelezen en drukwaarden nauwkeurig worden overgedragen. De keus van de connectoraansluiting en het type uitgangssignaal is afhankelijk van hoe het signaal moet worden verwerkt. Druksensoren worden veelal uitgevoerd met standaard M12-connector of -kabeluitvoering.

Welke nauwkeurigheid is er gewenst?

Bij de analoge druksensor, ook wel druktransmitter genoemd, speelt de nauwkeurigheid een belangrijke rol. Hierbij gaat het om de mate waarin een gemeten waarde overeenkomt met de werkelijke waarde. Hoe dichter bij de werkelijke waarde, hoe groter de nauwkeurigheid.

Nauwkeurigheid is een term die niet gedefinieerd is in een standaard. Er bestaat niet zoiets als ‘één nauwkeurigheid’. Het gaat om het geheel van specificaties waarmee de nauwkeurigheid van een druksensor wordt omschreven. Veel fabrikanten hanteren eigen definities en waarden in hun datasheet.

De prestatie van de druksensor wordt aangeduid in: non-lineariteit, nauwkeurigheid, hysterese en nuloffset, uitgedrukt in een percentage van de span. Span is het verschil tussen de eind- en beginwaarde van het uitgangssignaal. Voor het standaard 4 … 20mA-signaal is de span 16mA. Voor veel gebruikers is non-lineariteit het belangrijkste gegeven voor nauwkeurigheid.

Voorbeeld: Non-lineariteit +/- 0,5% of span BFSL

‘Lineair’ staat voor rechtlijnig ofwel recht evenredig. Als tussen het uitgangsignaal en het drukbereik een relatie bestaat die recht evenredig is, betekent dit dat wanneer het uitgangsignaal x maal zo groot wordt, dat ook de druk x maal zo groot wordt. De ideale lijn in een meetgrafiek is dus recht. In de praktijk is dit geen rechte lijn maar een curve. De afwijking wordt veroorzaakt door zero-offset, lineariteitsfouten en hysterese. Nauwkeurigheid is hier dus het maximale verschil tussen de ideale en actuele lijn.

Non-lineariteit wordt gedefinieerd als de maximale afwijking van de werkelijke curve in vergelijking met de rechte referentielijn.

Meer weten over druksensoren?

Wilt u meer informatie over de toepassing van druksensoren in uw applicatie? Praat er eens over met SICK. Stuur een e-mail of bel met hun Technisch Advies Groep: 030 – 204 40 97.