เซ็นเซอร์ความดันเกจเทียบกับเซ็นเซอร์ความดันสัมบูรณ์และเซ็นเซอร์ความแตกต่าง: คู่มือทางเทคนิคสำหรับระบบอัตโนมัติทางอุตสาหกรรมและการควบคุมกระบวนการ

เซ็นเซอร์ความดันเกจ (หรือที่เรียกว่าเซ็นเซอร์ความดันสัมพัทธ์) เป็นอุปกรณ์ที่ใช้วัดความดันสัมพันธ์กับความดันบรรยากาศโดยรอบ เซ็นเซอร์มีช่องอ้างอิงที่มีการระบายอากาศซึ่งเปิดออกสู่บรรยากาศโดยรอบ องค์ประกอบการตรวจจับจะวัดความแตกต่างระหว่างความดันในกระบวนการที่จ่ายให้กับไดอะแฟรมด้านหนึ่งและความดันบรรยากาศที่จ่ายไปยังอีกด้านหนึ่ง เมื่อความดันในกระบวนการเท่ากับความดันบรรยากาศ เอาต์พุตของเซ็นเซอร์จะเป็นศูนย์ (0 psi, 0 บาร์ หรือ 0 kPa) เมื่อความดันกระบวนการสูงกว่าบรรยากาศ (ความดันบวก) ผลลัพธ์จะเป็นค่าบวก เมื่อความดันกระบวนการต่ำกว่าบรรยากาศ (แรงดันสุญญากาศหรือลบ) ผลลัพธ์จะเป็นลบ โดยทั่วไป องค์ประกอบการตรวจจับจะเป็นไดอะแฟรมไมโครแมชชีนไมโครแมชชีนแบบพายโซรีซิสทีฟ (MEMS) หรือสเตรนเกจแบบฟิล์มบางบนไดอะแฟรมโลหะ เมื่อความดันทำให้ไดอะแฟรมเปลี่ยนรูป ความต้านทานของไพโซรีซิสเตอร์จะเปลี่ยนไป ส่งผลให้เอาต์พุตทางไฟฟ้าเป็นสัดส่วนกับแรงดันที่ใช้ โดยทั่วไปสัญญาณเอาท์พุตจะถูกขยายให้อยู่ในระดับอุตสาหกรรมมาตรฐาน: กระแสลูป 4-20 mA, 0-5 VDC, 0-10 VDC หรือเอาต์พุตดิจิทัล (I2C, SPI, CAN บัส) เซ็นเซอร์ความดันเกจถูกนำมาใช้ในการใช้งานหลายพันรายการ: การตรวจสอบแรงดันของระบบไฮดรอลิก ระบบอัดอากาศ เครือข่ายการจ่ายน้ำ การควบคุมปั๊ม การวัดระดับถัง (โดยการวัดความดันไฮโดรสแตติก) และการควบคุมด้วยระบบนิวแมติก สำหรับข้อกำหนดทางเทคนิคโดยละเอียด ผู้เชี่ยวชาญด้านการจัดหาสามารถอ้างอิงถึงได้ เซ็นเซอร์วัดความดัน หน้าผลิตภัณฑ์สำหรับเอกสารข้อมูลวัสดุและรายงานการทดสอบ

ความแตกต่างพื้นฐานระหว่างเซ็นเซอร์เกจ สัมบูรณ์ และดิฟเฟอเรนเชียลเพรสเชอร์อยู่ที่แรงดันอ้างอิงที่ใช้สำหรับการวัด เซ็นเซอร์ความดันเกจใช้ความดันบรรยากาศเป็นข้อมูลอ้างอิง เซ็นเซอร์มีตัวเรือนที่มีการระบายอากาศหรือพอร์ตอ้างอิงที่เปิดออกสู่อากาศ เอาท์พุตเป็นศูนย์ที่ความดันบรรยากาศ เซ็นเซอร์เกจเหมาะสำหรับกระบวนการทางอุตสาหกรรมส่วนใหญ่ เนื่องจากผู้ปฏิบัติงานใส่ใจกับแรงดันที่สัมพันธ์กับสิ่งแวดล้อม (เช่น 100 psi เหนือบรรยากาศ) เซ็นเซอร์ความดันสัมบูรณ์ใช้ห้องอ้างอิงสุญญากาศแบบปิดผนึก (สุญญากาศที่สมบูรณ์แบบ 0 psi สัมบูรณ์) เป็นข้อมูลอ้างอิง เซ็นเซอร์ไม่ได้ระบายออกสู่บรรยากาศ เอาท์พุตจะเป็นศูนย์เฉพาะในสุญญากาศที่สมบูรณ์แบบเท่านั้น เซ็นเซอร์สัมบูรณ์ใช้สำหรับการวัดความดันบรรยากาศ การตรวจจับระดับความสูง และการใช้งานที่การเปลี่ยนแปลงของความดันบรรยากาศจะส่งผลต่อการวัด (เช่น การทดสอบการรั่วไหลของภาชนะที่ปิดสนิท การควบคุมแรงดันเตาสุญญากาศ) เซ็นเซอร์ความดันแตกต่างจะวัดความแตกต่างระหว่างแรงดันในกระบวนการสองค่า (P1 - P2) ไม่มีพอร์ตใดระบายออกสู่ชั้นบรรยากาศ เซ็นเซอร์ดิฟเฟอเรนเชียลใช้สำหรับการวัดการไหล (โดยใช้แผ่นปาก) การตรวจสอบตัวกรอง (แรงดันตกคร่อมตัวกรอง) และการวัดระดับของเหลวในถังปิด (ความแตกต่างระหว่างความดันด้านล่างและความดันไอด้านบน) ทางเลือกขึ้นอยู่กับแอปพลิเคชัน สำหรับถังแบบมีรูระบายอากาศ เกจวัดถูกต้อง สำหรับถังปิดผนึกที่มีความดันบรรยากาศต่างกัน อาจจำเป็นต้องมีค่าส่วนต่าง สำหรับการวัดระดับความสูง ต้องใช้ค่าสัมบูรณ์ ตารางด้านล่างสรุปความแตกต่างที่สำคัญ

เซ็นเซอร์ความดันเกจสมัยใหม่ใช้เทคโนโลยี MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems) ซึ่งรวมโครงสร้างทางกลระดับจุลภาคเข้ากับวงจรอิเล็กทรอนิกส์บนชิปซิลิคอนตัวเดียว แกนกลางของเซ็นเซอร์ความดัน MEMS คือไดอะแฟรมซิลิคอนที่กลึงด้วยไมโครแมชชีน โดยทั่วไปจะมีความหนา 5 ถึง 50 ไมโครเมตร ซึ่งประดิษฐ์ขึ้นโดยใช้กระบวนการพิมพ์หินด้วยแสงและการกัด ไพโซรีซิสเตอร์ (บริเวณที่มีซิลิคอนเจือซึ่งเปลี่ยนความต้านทานเมื่อมีความเครียด) จะถูกกระจายเข้าไปในไดอะแฟรมที่ตำแหน่งที่มีความเครียดสูง (ขอบและตรงกลาง) เมื่อใช้แรงดัน ไดอะแฟรมจะเบนออก ทำให้เกิดความเครียดในพายโซรีซิสเตอร์ การเปลี่ยนแปลงความต้านทานเป็นสัดส่วนกับแรงกดที่ใช้ ไพโซรีซิสเตอร์ทั้งสี่เชื่อมต่อกันในรูปแบบสะพานวีตสโตน ซึ่งจะแปลงการเปลี่ยนแปลงความต้านทานเป็นสัญญาณแรงดันไฟฟ้าส่วนต่าง สัญญาณแรงดันไฟฟ้าจะถูกขยาย ทำให้เป็นเส้นตรง ชดเชยอุณหภูมิ และแปลงเป็นรูปแบบเอาต์พุตที่ต้องการ (4-20 mA แรงดันไฟฟ้า หรือดิจิทัล) โดย ASIC (วงจรรวมเฉพาะแอปพลิเคชัน) หรือวงจรปรับสภาพสัญญาณ ชิป MEMS ติดตั้งอยู่บนพื้นผิว (เซรามิก PCB หรือโลหะ) เชื่อมด้วยลวด และป้องกันด้วยการเคลือบเจลหรือไดอะแฟรมแยกสแตนเลสเพื่อให้เข้ากันได้กับสื่อ การอ้างอิงเกจทำได้โดยการระบายด้านหลังของชิป MEMS (หรือด้านหลังของไดอะแฟรมแยก) สู่บรรยากาศผ่านรูระบายอากาศในตัวเรือนเซ็นเซอร์ เทคโนโลยี MEMS มีข้อดีหลายประการ: ขนาดที่เล็กมาก (ชิปขนาดเล็กเพียง 1 มม. x 1 มม.) ความไวสูง (ไมโครโวลต์ต่อช่วงปาสคาล) การใช้พลังงานต่ำ (มิลลิวัตต์) ความสามารถในการทำซ้ำได้ดีเยี่ยม และต้นทุนต่ำในปริมาณมาก สำหรับสภาพแวดล้อมทางอุตสาหกรรมที่รุนแรง (ของเหลวที่มีฤทธิ์กัดกร่อน อุณหภูมิสูง) ชิป MEMS อาจแยกออกจากตัวกลางได้ด้วยไดอะแฟรมสแตนเลส และเติมด้วยน้ำมันซิลิโคน (เซ็นเซอร์ความดันเกจเติมน้ำมัน)

เซ็นเซอร์แรงดันเกจมีจำหน่ายในช่วงแรงดันที่หลากหลายเพื่อให้เหมาะกับการใช้งานในอุตสาหกรรมต่างๆ ช่วงแรงดันต่ำ (0-1 psi ถึง 0-15 psi, 0-0.07 บาร์ถึง 0-1 บาร์) ใช้สำหรับการตรวจสอบแรงดันอากาศ HVAC, แรงดันต่างของห้องคลีนรูม และระบบนิวแมติกแรงดันต่ำ ช่วงแรงดันปานกลาง (0-50 psi ถึง 0-500 psi, 0-3.5 bar ถึง 0-35 bar) ใช้สำหรับระบบไฮดรอลิกอุตสาหกรรมทั่วไป การจ่ายน้ำ แรงดันปล่อยปั๊ม และการควบคุมกระบวนการ ช่วงแรงดันสูง (0-1000 psi ถึง 0-10,000 psi, 0-70 bar ถึง 0-700 bar) ใช้สำหรับอุปกรณ์ไฮดรอลิกหนัก เครื่องฉีดขึ้นรูป เครื่องอัดไฮดรอลิก และการตัดด้วยพลังน้ำแรงดันสูง ช่วงสุญญากาศหรือสารประกอบ (-14.7 psi ถึง 0 psi, -1 bar ถึง 0 bar) วัดแรงดันลบ (สุญญากาศ) สำหรับการตรวจสอบการดูด การบรรจุสูญญากาศ และการใช้งานในห้องปฏิบัติการ ช่วงสารประกอบ (-14.7 ถึง 30 psi, -1 ถึง 2 บาร์) วัดทั้งแรงดันสุญญากาศและแรงดันบวก สัญญาณเอาท์พุตได้รับมาตรฐานสำหรับความเข้ากันได้ทางอุตสาหกรรม เอาต์พุตอนาล็อก: กระแสลูป 4-20 mA (ใช้ทั่วไปสำหรับการควบคุมทางอุตสาหกรรม, การเดินสายยาว, การป้องกันเสียงรบกวน), 0-5 VDC, 0-10 VDC (ใช้ทั่วไปสำหรับ PLC และการเก็บข้อมูล) และ 1-5 VDC เอาต์พุตดิจิตอล: I2C และ SPI (สำหรับระบบฝังตัวและอุปกรณ์ IoT), RS-485 Modbus (สำหรับเครือข่ายอุตสาหกรรม) และ CAN บัส (สำหรับยานยนต์และอุปกรณ์หนัก) โดยทั่วไปแรงดันไฟฟ้ากระตุ้นจะอยู่ที่ 5 VDC หรือ 9-30 VDC (สำหรับเซ็นเซอร์ที่จ่ายไฟแบบลูป 4-20 mA)

ความแม่นยำเป็นข้อกำหนดที่สำคัญที่สุดสำหรับเซ็นเซอร์ความดันเกจ โดยทั่วไปจะแสดงเป็นเปอร์เซ็นต์ของขนาดเต็ม (%FS) เซ็นเซอร์ความดันเกจระดับอุตสาหกรรมมีความแม่นยำ ±0.5% FS, ±0.25% FS หรือ ±0.1% FS เซ็นเซอร์ความแม่นยำสูงสำหรับการใช้งานในห้องปฏิบัติการหรือการสอบเทียบมีค่า ±0.05% FS หรือดีกว่า ความแม่นยำประกอบด้วยแหล่งที่มาของข้อผิดพลาดหลายประการ: ความเป็นเชิงเส้น (ความเบี่ยงเบนของเอาท์พุตจากเส้นตรงตลอดช่วงความดัน), ฮิสเทรีซิส (ความแตกต่างในเอาท์พุตเมื่อเพิ่มความดันเทียบกับความดันที่ลดลง), ความสามารถในการทำซ้ำ (ความสามารถในการสร้างเอาท์พุตเดียวกันสำหรับแรงดันเดียวกันภายใต้สภาวะที่เหมือนกัน) และผลกระทบของอุณหภูมิ (การเลื่อนเป็นศูนย์และการเปลี่ยนช่วงตามอุณหภูมิ) สำหรับเซ็นเซอร์ FS ±0.5% แถบข้อผิดพลาดทั้งหมด (รวมถึงความเป็นเชิงเส้น ฮิสเทรีซิส ความสามารถในการทำซ้ำ และผลกระทบของอุณหภูมิเหนือช่วงอุณหภูมิที่ได้รับการชดเชย) อยู่ภายใน ±0.5% ของการอ่านค่าเต็มสเกล ตัวอย่างเช่น เซ็นเซอร์ 0-100 psi ที่มีความแม่นยำ ±0.5% FS มีข้อผิดพลาดสูงสุดที่ ±0.5 psi ณ จุดใดๆ การชดเชยอุณหภูมิถือเป็นสิ่งสำคัญสำหรับการวัดที่แม่นยำในอุณหภูมิการทำงานที่แตกต่างกัน เซ็นเซอร์ได้รับการสอบเทียบที่อุณหภูมิหลายระดับ (โดยทั่วไปคือ -20°C, 25°C และ 85°C) และค่าสัมประสิทธิ์การชดเชยจะถูกจัดเก็บไว้ใน ASIC หรือไมโครคอนโทรลเลอร์ของเซ็นเซอร์ ในระหว่างการทำงาน เซ็นเซอร์จะวัดอุณหภูมิและใช้ปัจจัยแก้ไขในการอ่านค่าความดัน ช่วงอุณหภูมิที่ได้รับการชดเชยโดยทั่วไปคือ -20°C ถึง 85°C สำหรับเซ็นเซอร์อุตสาหกรรม หรือ -40°C ถึง 125°C สำหรับยานยนต์และเซ็นเซอร์ช่วงขยาย นอกช่วงที่ได้รับการชดเชย ความแม่นยำจะลดลงตามอัตราที่ระบุ (เช่น ±0.03% FS ต่อ °C)

วัสดุที่ใช้ในโครงสร้างเซ็นเซอร์ความดันเกจจะกำหนดความเข้ากันได้ทางเคมี ทนต่ออุณหภูมิ และความเสถียรในระยะยาว วัสดุช่องรับแรงดัน: สแตนเลส (304, 316 หรือ 316L) เป็นวัสดุที่ใช้กันทั่วไปสำหรับเซ็นเซอร์อุตสาหกรรม ซึ่งให้ความต้านทานการกัดกร่อนที่ดีเยี่ยมสำหรับน้ำ น้ำมัน อากาศ และสารเคมีอ่อน สำหรับตัวกลางที่มีฤทธิ์กัดกร่อนสูง (กรด โซดาไฟ น้ำเค็ม) มีจำหน่ายพอร์ต Hastelloy C-276, Inconel หรือไทเทเนียม สำหรับการใช้งานด้านอาหารและยา ต้องใช้สแตนเลส 316L ที่มีข้อต่อ Tri-Clamp ที่ถูกสุขลักษณะ วัสดุไดอะแฟรม: สำหรับเซนเซอร์เอนกประสงค์ ไดอะแฟรมสแตนเลส 316L (ความหนา 0.05-0.2 มม.) ให้ความไวและความทนทานที่ดี สำหรับเซ็นเซอร์แรงดันต่ำ (ต่ำกว่า 5 psi) ไดอะแฟรมเซรามิกหรือซิลิคอน (หน้าสัมผัสสื่อโดยตรง) ให้ความไวที่สูงกว่า สำหรับการใช้งานที่มีความบริสุทธิ์สูงเป็นพิเศษ (เซมิคอนดักเตอร์ ยา) ไดอะแฟรมอาจทำจากอลูมินาเซรามิกหรือซิลิคอนโดยไม่มีชิ้นส่วนโลหะเปียก วัสดุตัวเรือนเซนเซอร์: จำเป็นต้องมีกรอบหุ้มระดับ IP65/IP67/IP68 สำหรับการใช้งานแบบชะล้าง กลางแจ้ง หรือแบบจุ่มใต้น้ำ ตัวเลือกตัวเรือนประกอบด้วยสแตนเลส (สำหรับสภาพแวดล้อมที่มีฤทธิ์กัดกร่อน) อลูมิเนียม (สำหรับอุตสาหกรรมทั่วไป) และโพลีคาร์บอเนต (สำหรับงานเบาในอาคาร) วัสดุซีล: โอริง (Viton, EPDM, NBR) หรือปะเก็นใช้เพื่อปิดผนึกพอร์ตแรงดันและตัวเรือน วัสดุซีลต้องเข้ากันได้กับของไหลในกระบวนการ Viton (FKM) เหมาะสำหรับน้ำมัน เชื้อเพลิง และสารเคมีส่วนใหญ่ EPDM เหมาะสำหรับน้ำ ไอน้ำ และน้ำมันเบรก NBR เหมาะสำหรับน้ำมันแร่และเชื้อเพลิง สำหรับการใช้งานที่อุณหภูมิสูง (สูงกว่า 125°C / 260°F) อาจจำเป็นต้องใช้ซีลโลหะหรือการซีลระหว่างแก้วกับโลหะ

เซ็นเซอร์วัดแรงดันเกจถูกนำมาใช้ในอุตสาหกรรมต่างๆ มากมาย โดยข้อกำหนดจะแตกต่างกันไปตามการใช้งาน สำหรับระบบไฮดรอลิก (เครื่องอัดฉีดอุตสาหกรรม เครื่องฉีดพลาสติก อุปกรณ์ก่อสร้าง รถยก) เซ็นเซอร์ความดันเกจ 0-5000 psi ถึง 0-10,000 psi พร้อมเอาต์พุต 4-20 mA และระดับ IP67 เป็นมาตรฐาน เซ็นเซอร์ต้องทนทานต่อแรงดันที่เพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว (แรงดันพิกัด 2-3 เท่า) และมีความสามารถในการรับแรงดันเกินได้สูง สำหรับระบบนิวแมติก (การตรวจสอบอากาศอัด เครื่องมือลม แอคชูเอเตอร์แบบนิวแมติก) จะใช้เซ็นเซอร์เกจ 0-150 psi หรือ 0-300 psi พร้อมเอาต์พุต 0-10 VDC และเวลาตอบสนองด่วน (ต่ำกว่า 1 ms) สำหรับการวัดระดับของเหลวในถังแบบเปิด (หอเก็บน้ำ บ่อน้ำ ถังเก็บสารเคมี อ่างน้ำเสีย) เซ็นเซอร์แรงดันเกจใต้น้ำจะวัดแรงดันไฮโดรสแตติกที่ด้านล่างของถัง ความดันเป็นสัดส่วนกับความสูงของของเหลว: 1 psi ความเข้มข้น 2.31 ฟุต (0.7 เมตร) ของน้ำ เพื่อการวัดระดับที่แม่นยำ เซ็นเซอร์จะต้องระบายผ่านสายเคเบิล (การออกแบบเกจวัดแบบระบายอากาศ) ดังนั้นการเปลี่ยนแปลงของความดันบรรยากาศจึงถูกยกเลิก สำหรับการตรวจสอบสุญญากาศ (บรรจุภัณฑ์สุญญากาศ ถ้วยดูด การดูดทางการแพทย์ ห้องสุญญากาศในห้องปฏิบัติการ) ต้องใช้เซ็นเซอร์ความดันแบบผสม (-14.7 ถึง 0 psi, -1 ถึง 0 บาร์) เพื่อวัดแรงดันลบที่สัมพันธ์กับบรรยากาศ เซ็นเซอร์ควรมีความละเอียดสูงที่ความดันต่ำ (0.1% FS หรือดีกว่า) สำหรับการควบคุมปั๊มและการตรวจติดตามบ่อน้ำ (บ่อน้ำ ปั๊มชลประทาน ปั๊มเพิ่มแรงดัน) เซ็นเซอร์เกจ 0-200 psi พร้อมเอาต์พุต 4-20 mA และตัวเรือนสแตนเลสที่ทนทานใช้ในการตรวจสอบแรงดันปล่อยปั๊มและป้องกันสภาวะการทำงานแห้ง ตารางด้านล่างตรงกับการใช้งานที่มีข้อมูลจำเพาะที่แนะนำ

สำหรับผู้ผลิตที่ส่งออกเซ็นเซอร์ความดันเกจ การรับรองด้านคุณภาพและการปฏิบัติตามข้อกำหนดที่จัดทำเป็นเอกสารถือเป็นสิ่งสำคัญ มาตรฐานและการรับรองที่ได้รับการร้องขอมากที่สุด ได้แก่: เครื่องหมาย CE (ความสอดคล้องของยุโรป) ภายใต้ข้อกำหนด EMC (2014/30/EU) และข้อกำหนด RoHS (2011/65/EU), ISO 9001 (ระบบการจัดการคุณภาพ) และสำหรับการใช้งานในพื้นที่อันตราย, การรับรอง ATEX (ยุโรป) หรือ IECEx (ระหว่างประเทศ) สำหรับความปลอดภัยจากภายใน (Ex ia) หรือกล่องหุ้มกันไฟ (Ex d) การทดสอบประสิทธิภาพเฉพาะได้แก่: การทดสอบความแม่นยำ (การวัดที่ 5-10 จุดสอบเทียบตลอดช่วงความดัน ขึ้นและลง เพื่อตรวจสอบความเป็นเส้นตรง ฮิสเทรีซิส และความสามารถในการทำซ้ำ) การทดสอบการชดเชยอุณหภูมิ (การวัดที่ -20°C, 25°C และ 85°C หรือช่วงที่ระบุเพื่อตรวจสอบการเปลี่ยนแปลงเป็นศูนย์และสแปนชิฟต์) การทดสอบความเสถียรในระยะยาว (การทดสอบการดริฟท์ 500-1,000 ชั่วโมงที่แรงดันพิกัดที่ 85°C เพื่อตรวจสอบว่าเอาต์พุตไม่เปลี่ยนแปลง มากกว่าเปอร์เซ็นต์ที่ระบุต่อปี), การทดสอบแรงดันเกิน (การใช้แรงดันที่กำหนด 1.5x ถึง 3x โดยไม่มีความเสียหาย), การทดสอบแรงดันระเบิด (การทดสอบแบบทำลายเพื่อตรวจสอบระยะปลอดภัย), การทดสอบความปลอดภัยทางไฟฟ้า (ความต้านทานของฉนวน, ความเป็นฉนวน) และการทดสอบ EMC (การแผ่รังสีและการปล่อยก๊าซเรือนกระจกตาม CISPR 11, ภูมิคุ้มกันตาม IEC 61000-4-2 ถึง -6) สำหรับเซ็นเซอร์ความดันที่ใช้ในอุปกรณ์ทางการแพทย์ จำเป็นต้องมีใบรับรอง ISO 13485 สำหรับการใช้งานด้านยานยนต์ จำเป็นต้องมีการรับรอง IATF 16949 สำหรับการใช้งานน้ำดื่ม อาจจำเป็นต้องมีใบรับรอง NSF/ANSI 61 สำหรับวัสดุที่สัมผัสกับน้ำดื่ม ผู้ซื้อในอุตสาหกรรมรายใหญ่หลายรายยังต้องการการตรวจสอบโรงงานที่ครอบคลุม ISO 9001 และเอกสารการตรวจสอบย้อนกลับของการสอบเทียบตามมาตรฐานสากล (NIST, PTB หรือสถาบันมาตรวิทยาแห่งชาติอื่นๆ) ผู้ผลิตที่รักษาใบรับรองปัจจุบันและบันทึกคุณภาพที่โปร่งใสจะมีความได้เปรียบทางการแข่งขันในการจัดหาจากต่างประเทศ