Сензори за налягане и вакуум

• Сензори за налягане и вакуум се използват широко в промишления сектор, включително в ХВП, фармацевтичната индустрия, електрониката, автомобилостроенето, авиокосмическия отрасъл и др.
  
  
• В практиката се срещат множество типове сензори за налягане и вакуум, базирани на различни работни принципи и с разнообразни специфики и възможности
  
  
• През последните години световният пазар на сензори за вакуум стремглаво нараства, като от 556 млн. щатски долара през 2023 г. се очаква да надхвърли 1 млрд. долара до 2031 г.

Сензори за налягане и вакуум се използват широко в промишления сектор, включително в ХВП, фармацевтичната и химическата индустрия, полупроводниковото производство, автомобилостроенето, авиокосмическия отрасъл, производството на медицинско оборудване и осветление, управлението на ОВК оборудване и др. Основен фактор за все по-масовото им възприемане е стремежът към повишаване на степента на автоматизация и интегриране на прецизни измервателни решения в редица ключови приложения в тези сектори.

В практиката се срещат богата гама от типове сензори за налягане и вакуум, базирани на различни работни принципи и с разнообразни специфики и възможности. Те се отличават помежду си основно по вида на измерването, което извършват, сензорната технология, изходния сигнал, флуида/веществото и средата, в която се извършва отчитането. Датчици за вакуум и налягане – превключватели, предаватели на налягане или измервателни преобразуватели, се използват масово в процесните индустрии, както и в чисти стаи и хигиенни помещения. Типични приложения са контролирани среди в хранително-вкусовата промишленост, фармацевтиката, медицинската техника и космическия сектор, където се изисква протичане на процеси или съхранение на продукти и материали при специални условия на налягане или вакуум. В опаковъчната индустрия например вакуумните сензори се използват при контрол на процеса по обезвъздушаване на опаковката на продукта, преди тя да бъде напълнена със защитен газ, като чрез такива устройства може да се следи и за пробиви във вакуумирани пакети, контейнери и други затворени среди с отрицателно налягане. Популярни сценарии са още pick-and-place операциите и манипулирането с обекти посредством вакуумни хващачи, вакуумната дестилация и т. н.

Технологично и пазарно развитие

Чрез осигуряване на данни в реално време за стойностите на ключов параметър, като налягането, съвременните сензори в сегмента, усъвършенствани чрез разширени възможности за свързаност и интелигентни функции, позволяват значително повишаване на оперативната ефективност, подобряване на качеството и намаляване на нежеланите престои. Те са ключов елемент от различни системи за мониторинг на разнообразни процеси и оборудване, следене и контрол на параметрите на работната/околната среда, контрол на качеството, прогнозна поддръжка и др.

С дигиталната трансформация в редица сектори на индустрията и с еволюцията на технологиите при сензорните системи значително нараства търсенето на датчици за вакуум и налягане, като превес вземат цифровите устройства със смарт функционалност (например опции за самодиагностика, мониторинг на състоянието и др.), широки комуникационни и интерфейсни възможности (чрез серийна връзка, безжично, посредством IO-Link и др.). Колкото по-дигитализирани и автоматизирани стават процесите в промишлените фабрики, толкова по-прецизни измервания на налягане и вакуум са необходими. Сред отчетливите тенденции по отношение на дизайна са миниатюризацията, повишаването на надеждността и издръжливостта на агресивни условия, както и специалните санитарни и “wash-down” конструкции с висока степен на уплътнение, подходящи за интензивно почистване с пара и под налягане и дори за потапяне под вода.

През последните години световният пазар на сензори за вакуум стремглаво нараства, като от 556 млн. щатски долара през 2023 г. се очаква да надхвърли 1 млрд. долара до 2031 г. Водещи клиентски сектори са автомобилостроенето, авиокосмическите технологии, медицината и индустриалното производство. В съвременните автомобили датчици за вакуум и налягане намират широко приложение в системите за мониторинг на работата на двигателя и емисиите, горивните системи и др. Друг отрасъл със забележим ръст в използването на сензори за вакуум е електронното и в частност полупроводниковото производство, където се търсят все по-масово миниатюрни сензори за вакуум за интегриране в MEMS устройства за различни приложения. Прецизният контрол на вакуума е от решаващо значение за осигуряване на високо качество и надеждна работа на тези устройства.

Растеж бележи и търсенето на сензори с IoT функционалност, подходящи за внедряване във все по-многобройните индустриални Internet of Things приложения. Предпочитани от потребителите в редица сектори са сензорите с дисплеи, които позволяват бързо и ясно визуализиране на отчетените стойности, проследяване на графики на измененията в хронологичен план, прилагане на диагностични функции, прогнозен мониторинг и др.

Особености при измерването на вакуум

Според теорията на физиката вакуумът представлява отсъствие на вещество с определен обем от пространството. Тъй като в практиката абсолютен вакуум няма как да бъде постигнат, се използва понятието “степен на вакуум” или “относителен вакуум”, най-често когато налягането в конкретното пространство е по-ниско от атмосферното. Вакуумът е ценен инструмент за индустрията от десетилетия насам, създаван изкуствено посредством различни техники и оборудване, например въздухосмукателни помпи. Той се измерва с мерните единици за налягане – в паскали (в системата SI, нютон на квадратен метър), в милиметри живачен стълб, както и в барометрични единици. В чуждестранната техническа литература за вакуум се използва единицата за абсолютно налягане паунд на квадратен инч или PSIA.
Според експертите термините “вакуум” и “налягане” често се интерпретират в погрешен смисъл, що се отнася до тяхното измерване и избора на датчици или преобразуватели, като не бива да се смесват с понятията за “натиск”, както и за “механично напрежение”. В зависимост от приложението налягане се измерва по различни начини, като се диференцира дали е вакуумно, манометрично, абсолютно или диференциално. Като синоним на вакуум често се използва и терминът “отрицателно налягане”.

При сензорите за абсолютно налягане референтната точка е с нулева стойност, обозначаваща състояние на вакуум. Едната страна на датчика обикновено се поставя във флуида или средата, чиито характеристики предстои да бъдат измервани, а другата страна е запечатана, за да се създаде вакуум. Сензорите за манометрично налягане пък измерват налягането на дадена среда или флуид спрямо атмосферното. Тук едната част на измервателния прибор се свързва със системата (например смукателна помпа), а другата е ориентирана към средата с атмосферно налягане, като е важно да няма препятствия за потока пред отвора на сензора.
Диференциалните датчици за налягане измерват стойностите на две различни среди (или флуиди) чрез два отворени изхода към всяка от тях. Подходящи са за мониторинг на газове или течности в тръбопроводи, детекция на запушвания или блокирали клапани. При превключвателите за налягане и вакуум съответните контакти се отварят или затварят при достигане на конкретна, предварително дефинирана стойност. Те са популярно решение при управление например на електромагнитни вентили. Предавателите на налягане или измервателните преобразуватели, от друга страна, преобразуват количествената стойност на степента на налягане в стандартизиран индустриален сигнал (например във V, mA и т. н.).

Измервателни принципи и специфики при индустри-ални вакуумни системи

Сензори за налягане се използват широко за измерване на налягането на газове или течности във вакуумни системи. Индустриалните решения от този тип изискват прецизен контрол на налягането, за да се поддържа оптимална надеждност и ефективност, а сензорите за налягане осигуряват точна обратна връзка в реално време със стойностите на налягането/степента на вакуум в системата. Тази информация позволява на операторите да регулират настройките според моментните потребности, за да гарантират, че системата работи при оптимални условия.

Освен за прецизно измерване с цел процесен контрол, сензорите за налягане имат критична роля и по отношение на безопасността на индустриалните вакуумни технологии. Ако налягането в системата стане твърде високо или ниско, това може да причини повреда или да създаде риск за здравето на персонала. Сензорите за налягане могат да инициират ранно предупреждение, което да извести оператора за нежелани промени в стойностите и да му осигури време да предприеме необходимите действия преди да е възникнала извънредна или опасна ситуация.

Важно предимство на електронните сензори за налягане и вакуум в индустрията е способността им да измерват прецизно и с висока надеждност, като откриват дори много малки разлики в налягането, както и да осъществяват непрекъснат мониторинг на критични процеси и приложения в реално време.
Електронните сензори за налягане се предлагат в множество разнообразни версии и варианти, като обща тенденция е намаляването на размерите. Различните модели се отличават помежду си по диапазон на измерване, тип присъединяване, електрическа връзка, материал, уплътнение и форма на корпуса (цилиндрична, кубовидна, паралелепипедна и др.), брой и вид на изходите (аналогови, цифрови) и т. н. Благодарение на интелигентните и широкообхватни опции за конфигуриране сензорите за вакуум и налягане от индустриален клас могат лесно да бъдат адаптирани към различни приложения и индивидуални клиентски изисквания.

Измервателен принцип

Ключов фактор при избора на сензори за вакуум и налягане в промишлени системи е измервателният принцип. Той може да повлияе на точността, надеждността, обхвата на измерване и съвместимостта с целевата среда. Механичното изместване, което най-често се извършва вътре в сензора, се превръща в електрически изходен сигнал посредством резистивен, капацитивен, пиезоелектричен, оптичен механизъм или чрез MEMS технология.

Резистивните сензори за налягане използват промяната в електрическото съпротивление на тензометричен датчик, свързан към диафрагма, която е в контакт със средата под налягане. Датчиците за деформация обикновено се състоят от метален резистивен елемент върху гъвкава подложка, прикрепена към диафрагмата, или нанесен директно чрез тънкослоен процес. Този дизайн дава възможност за измерване на свръхналягане и налягане на спукване/пръскане на еластичния компонент.

Тензодатчици могат да бъдат разположени и върху керамична диафрагма чрез процес на отлагане на дебел филм. Толерантността към свръхналягане и налягане на разрушаване тук е много по-ниска в сравнение с гореописания дизайн.

Пиезорезистивните сензори отчитат промяната в съпротивлението на полупроводникови материали, подложени на напрежение/натиск/опън вследствие на деформация на диафрагмата. Тези устройства могат да регистрират значително по-малки промени или разлики в налягането в сравнение с металните или керамичните датчици.

Капацитивните сензори, които показват промяна на капацитета при огъване на плоча вследствие на приложено налягане, се отличават с висока чувствителност, като могат измерват налягане под 10 mbar и да издържат на големи претоварвания. Ограниченията във връзка с материалите и изискванията за свързване и уплътняване при този дизайн обаче могат да лимитират до известна степен функционалността и ефективността на датчика.

Пиезоелектричните сензори използват свойството на материали като кварца да генерират заряд на повърхността, когато върху тях се приложи налягане. Големината на заряда е пропорционална на приложената сила, а полярността изразява нейната посока. Зарядът се натрупва и разсейва бързо при промени в налягането, което позволява мониторинг на високодинамични промишлени процеси.

Оптичните сензори, които използват интерферометрия за измерване на предизвиканите от налягането промени в оптични влакна (включително в повече точки), не са уязвими на електромагнитни смущения, което позволява използването им в среди с високи нива на шум или в близост до специфични източници, като радиографско оборудване. Те могат да бъдат изработени в миниатюрни корпуси или в MEMS варианти, както и в безопасни за имплантиране версии.

Микроелектромеханичните сензори са миниатюрни устройства за повърхностен монтаж с размери до 1 mm, базирани на пиезо- или капацитивен механизъм за отчитане на налягане и вакуум. Основата обикновено е силициева подложка с разделителна способност от порядъка на микрометри. Двата популярни дизайна включват планарна (плоскостна) структура или такава тип “сандвич”. Електрическият изходен сигнал с ниска стойност на измерваната величина се преобразува в аналогов или цифров, според системните изисквания.