Sensori di pressione a flusso frontale per mezzi viscosi e contenenti solidi

I comuni trasmettitori di pressione hanno un foro per il canale di pressione situato tra la connessione al processo e il diaframma del sensore di pressione vero e proprio. Se si devono misurare liquidi ad alta viscosità o con solidi al loro interno, questo foro può intasarsi, e la misurazione della pressione è compromessa. Il sensore può anche essere danneggiato. Pertanto, in questi casi si utilizzano sensori di pressione a filo. Questo articolo spiega i tipi più importanti di sensori a filo, i loro vantaggi e svantaggi e le loro aree di applicazione.

Tutti i trasmettitori di pressione con sensori incassati permettono una tenuta senza spazio morto e una facile pulizia di tutte le superfici a contatto con il fluido. Questo è particolarmente importante nelle applicazioni in cui il fluido misurato viene cambiato e si deve evitare la contaminazione incrociata. I trasmettitori di pressione con membrane affacciate sono spesso utilizzati per la misurazione del livello. La pressione idrostatica creata dal liquido nel serbatoio non è elevata nella maggior parte delle applicazioni; 1 bar corrisponde a un livello di circa 10 metri per l'acqua. Quando si usa per misurare la pressione nei sistemi di pompaggio, è necessario un campo di pressione un po' più alto, di solito tra 10 e 100 bar.

Il tipo più comune di trasmettitore di pressione a filo è quello con sensori piezoresistivi. L'elemento del sensore vero e proprio è un elemento di misura in silicone incorporato nell'olio. Questo olio, di solito un olio di silicone, agisce come mezzo di trasmissione della pressione ed è protetto dal mezzo misurato da una membrana di separazione con una caratteristica struttura ad onda. Solo la membrana di separazione incontra il mezzo, ma deve essere molto sottile per non influenzare il valore misurato.

Il vantaggio dei sensori piezoresistivi è la loro alta sensibilità, grazie alla quale sono possibili campi di misura ridotti e precisioni più elevate. Sono adatti per misurare la pressione assoluta e la pressione relativa con campi di misura inferiori a 100 mbar fino a diversi 100 bar. La membrana di separazione può essere realizzata in diversi materiali e, se lo si desidera, anche rivestita. La versione standard è solitamente realizzata in acciaio 1.4435 (AISI316L). In alternativa, ci sono varianti in materiali resistenti alla corrosione come leghe di nichel o titanio. I sensori piezoresistivi sono adatti per mezzi omogenei, piuttosto pastosi e per liquidi che non contengono o solo piccoli solidi morbidi. Le particelle dure possono danneggiare la sottilissima membrana di separazione, che ha uno spessore di soli 20-70 micrometri circa, e quindi portare ad un offset irreversibile del segnale. Se la membrana non è solo deformata, ma addirittura forata, l'olio del sensore di pressione fuoriesce e può contaminare l'intero sistema, a seconda dell'applicazione. Un altro svantaggio dei sensori piezoresistivi è la minore stabilità a lungo termine del silicio a temperature elevate. Questo può portare alla deriva del segnale.

I sensori di pressione in ceramica sono ideali quando il liquido da misurare contiene parti abrasive o solidi duri. Questo perché la membrana di misura in ceramica è molto dura e resistente alla corrosione della maggior parte dei mezzi nelle applicazioni tecniche. Nei sensori di pressione in ceramica, un ponte di resistenza si trova sul retro di una sottile piastra in ceramica, che è attaccata al corpo base del sensore altrettanto in ceramica tramite un collegamento straordinariamente robusto simile al vetro. L'intero sensore di ceramica è fissato nella custodia metallica del trasmettitore e sigillato per mezzo di una guarnizione in elastomero, di solito un O-ring. La custodia metallica può essere fatta di un'ampia varietà di materiali. Oltre a varie leghe di acciaio inossidabile, Trafag offre anche versioni in titanio per la massima resistenza alla corrosione. I sensori di pressione in ceramica sono adatti per la misurazione della pressione assoluta e relativa e per campi di misura da circa 100 mbar fino a circa 400 bar. Mentre a basse luci di misura (meno di 2 bar) il diaframma in ceramica è anche sottile e sensibile, per luci di misura più grandi si può usare un diaframma molto più spesso. Questo offre anche una certa resistenza a manipolazioni errate come la pulizia con oggetti duri, per esempio spazzole d'acciaio o cacciaviti. Il diaframma di separazione del sensore piezoresistivo, invece, è sempre approssimativamente dello stesso spessore e corrispondentemente sensibile. Lo svantaggio principale dei sensori in ceramica è la loro minore precisione e il fatto che non è saldato direttamente all'alloggiamento, ma è collegato ad esso solo tramite guarnizioni in elastomero. Per progettazione, la guarnizione in elastomero richiede sempre un piccolo gradino o una rientranza, il che rende impossibile ottenere una superficie assolutamente liscia come per i sensori piezoresistivi o a film sottile su acciaio.

I sensori a film sottile su acciaio montati a filo offrono la massima stabilità a lungo termine grazie ai ponti di resistenza sputati. La membrana è saldata direttamente alla custodia del trasmettitore. È significativamente più spessa e più resistente dei sensori piezoresistivi, ma non così insensibile all'alta pressione come i sensori in ceramica. I sensori in acciaio a filo frontale sono quindi adatti a misurare la pressione di mezzi viscosi, pastosi e adesivi, nonché di mezzi contenenti solidi. Sono anche utilizzati per liquidi con particelle leggermente abrasive e offrono una buona resistenza ai solidi più duri. Nel caso di liquidi cristallizzanti come l'acqua gelata, offrono il vantaggio di essere significativamente più robusti contro l'espansione di volume rispetto ai sensori piezoresistivi e ceramici grazie al materiale duttile, cioè molto elastico, della membrana. Ciò significa che sono in grado di prevenire meglio le perdite in caso di danni dovuti alla sovrapressione del mezzo o all'espansione dei liquidi congelanti. I sensori a film sottile su acciaio montati a filo non sono, tuttavia, molto diffusi finora, perché la loro produzione è molto impegnativa e viene padroneggiata solo da pochissimi fornitori. Inoltre, la lega di acciaio 1.4542 (17-4PH) usata di solito per i sensori a film sottile su acciaio ha solo una limitata resistenza alla corrosione.

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