Sensore di pressione relativa e sensori di pressione assoluta e differenziale: una guida tecnica per l'automazione industriale e il controllo di processo

Un sensore di pressione relativa (chiamato anche sensore di pressione relativa) è un dispositivo che misura la pressione relativa alla pressione atmosferica ambientale. Il sensore è dotato di una porta di riferimento ventilata aperta all'atmosfera circostante. L'elemento sensibile misura la differenza tra la pressione di processo applicata su un lato della membrana e la pressione atmosferica applicata sull'altro lato. Quando la pressione di processo è uguale alla pressione atmosferica, l'uscita del sensore è zero (0 psi, 0 bar o 0 kPa). Quando la pressione di processo è superiore a quella atmosferica (pressione positiva), l'uscita è positiva. Quando la pressione di processo è inferiore a quella atmosferica (vuoto o pressione negativa), l'uscita è negativa. L'elemento di rilevamento è tipicamente un diaframma microlavorato in silicio piezoresistivo (MEMS) o un estensimetro a film sottile su un diaframma metallico. Quando la pressione deforma il diaframma, la resistenza dei piezoresistori cambia, producendo un'uscita elettrica proporzionale alla pressione applicata. Il segnale di uscita viene generalmente amplificato a livelli industriali standard: corrente di circuito 4-20 mA, 0-5 V CC, 0-10 V CC o uscite digitali (I2C, SPI, bus CAN). I sensori di pressione relativa sono utilizzati in migliaia di applicazioni: monitoraggio della pressione del sistema idraulico, sistemi di aria compressa, reti di distribuzione dell'acqua, controllo della pompa, misurazione del livello del serbatoio (misurando la pressione idrostatica) e controlli pneumatici. Per specifiche tecniche dettagliate, i professionisti dell'approvvigionamento possono fare riferimento a sensori di pressione relativa pagine di prodotto per schede tecniche dei materiali e rapporti di prova.

La differenza fondamentale tra i sensori di pressione relativa, assoluta e differenziale risiede nella pressione di riferimento utilizzata per la misurazione. I sensori di pressione relativa utilizzano la pressione atmosferica come riferimento. Il sensore ha un alloggiamento ventilato o una porta di riferimento aperta all'aria. L'uscita è zero a pressione atmosferica. I sensori relativi al manometro sono adatti alla maggior parte dei processi industriali perché gli operatori si preoccupano della pressione relativa all'ambiente (ad esempio, 100 psi sopra l'atmosfera). I sensori di pressione assoluta utilizzano una camera di riferimento del vuoto sigillata (vuoto perfetto, 0 psi assoluto) come riferimento. Il sensore non è scaricato nell'atmosfera. La produzione è zero solo nel vuoto perfetto. I sensori assoluti vengono utilizzati per la misurazione della pressione barometrica, il rilevamento dell'altitudine e le applicazioni in cui le variazioni della pressione atmosferica potrebbero influenzare la misurazione (ad esempio, test di tenuta di contenitori sigillati, controllo della pressione di forni a vuoto). I sensori di pressione differenziale misurano la differenza tra due pressioni di processo (P1 - P2). Nessuno dei due porti è scaricato nell'atmosfera. I sensori differenziali vengono utilizzati per la misurazione del flusso (utilizzando piastre con orifizio), il monitoraggio del filtro (caduta di pressione attraverso un filtro) e la misurazione del livello del liquido in serbatoi chiusi (differenza tra la pressione inferiore e la pressione del vapore superiore). La scelta dipende dall'applicazione. Per un serbatoio ventilato, il manometro è corretto. Per un serbatoio sigillato con pressione atmosferica variabile, potrebbe essere necessario un differenziale. Per la misurazione dell'altitudine è necessario il valore assoluto. La tabella seguente riassume le principali differenze.

I moderni sensori di pressione relativa utilizzano la tecnologia MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems), che integra strutture meccaniche microscopiche con circuiti elettronici su un singolo chip di silicio. Il nucleo del sensore di pressione MEMS è un diaframma in silicio microlavorato, tipicamente spesso da 5 a 50 micrometri, fabbricato utilizzando processi di fotolitografia e incisione. I piezoresistori (regioni di silicio drogato che cambiano resistenza quando sollecitate) sono diffusi nel diaframma nei punti ad alto stress (bordi e centro). Quando viene applicata la pressione, il diaframma si flette, causando tensione nei piezoresistori. La variazione della resistenza è proporzionale alla pressione applicata. I quattro piezoresistori sono collegati in una configurazione a ponte di Wheatstone, che converte le variazioni di resistenza in un segnale di tensione differenziale. Il segnale di tensione viene amplificato, linearizzato, compensato in temperatura e convertito nel formato di uscita desiderato (4-20 mA, tensione o digitale) da un ASIC (circuito integrato specifico per l'applicazione) o da un circuito di condizionamento del segnale. Il chip MEMS è montato su un substrato (ceramica, PCB o metallo), legato a filo e protetto con rivestimento in gel o diaframma di isolamento in acciaio inossidabile per la compatibilità con i media. Il riferimento del manometro si ottiene scaricando il lato posteriore del chip MEMS (o il lato posteriore del diaframma di isolamento) nell'atmosfera attraverso un foro di sfiato nell'alloggiamento del sensore. La tecnologia MEMS offre numerosi vantaggi: dimensioni molto ridotte (chip fino a 1 mm x 1 mm), elevata sensibilità (microvolt per intervallo pascal), basso consumo energetico (milliwatt), eccellente ripetibilità e basso costo in volumi elevati. Per ambienti industriali difficili (fluidi corrosivi, alta temperatura), il chip MEMS può essere isolato dal fluido tramite un diaframma in acciaio inossidabile e riempito con olio siliconico (sensore di pressione relativa riempito d'olio).

I sensori di pressione relativa sono disponibili in un'ampia gamma di intervalli di pressione per adattarsi a diverse applicazioni industriali. Gli intervalli di bassa pressione (da 0-1 psi a 0-15 psi, da 0-0,07 bar a 0-1 bar) vengono utilizzati per il monitoraggio della pressione dell'aria HVAC, la pressione differenziale delle camere bianche e i sistemi pneumatici a bassa pressione. Gli intervalli di media pressione (da 0-50 psi a 0-500 psi, da 0-3,5 bar a 0-35 bar) vengono utilizzati per l'idraulica industriale generale, la distribuzione dell'acqua, la pressione di scarico della pompa e il controllo di processo. Gli intervalli di alta pressione (da 0-1000 psi a 0-10.000 psi, da 0-70 bar a 0-700 bar) vengono utilizzati per l'idraulica di attrezzature pesanti, macchine per lo stampaggio a iniezione, presse idrauliche e taglio a getto d'acqua ad alta pressione. Gli intervalli di vuoto o composti (da -14,7 psi a 0 psi, da -1 bar a 0 bar) misurano la pressione negativa (vuoto) per il monitoraggio dell'aspirazione, il confezionamento sotto vuoto e le applicazioni di laboratorio. I campi composti (da -14,7 a 30 psi, da -1 a 2 bar) misurano sia il vuoto che la pressione positiva. I segnali di uscita sono standardizzati per la compatibilità industriale. Uscite analogiche: corrente di circuito 4-20 mA (più comune per controllo industriale, cavi lunghi, immunità ai disturbi), 0-5 V CC, 0-10 V CC (comune per PLC e acquisizione dati) e 1-5 V CC. Uscite digitali: I2C e SPI (per sistemi embedded e dispositivi IoT), RS-485 Modbus (per reti industriali) e CAN bus (per automobili e apparecchiature pesanti). La tensione di eccitazione è generalmente di 5 V CC o 9-30 V CC (per sensori da 4-20 mA alimentati tramite loop).

La precisione è la specifica più critica per un sensore di pressione relativa. Solitamente viene espresso come percentuale del fondo scala (%FS). I sensori di pressione relativa di livello industriale raggiungono una precisione di ±0,5% FS, ±0,25% FS o ±0,1% FS. I sensori ad alta precisione per applicazioni di laboratorio o di calibrazione raggiungono ±0,05% FS o migliore. L'accuratezza include diverse fonti di errore: linearità (deviazione dell'uscita da una linea retta attraverso l'intervallo di pressione), isteresi (differenza nell'uscita quando si aumenta la pressione rispetto alla diminuzione della pressione), ripetibilità (capacità di produrre la stessa uscita per la stessa pressione in condizioni identiche) ed effetti della temperatura (spostamento dello zero e spostamento dell'intervallo con la temperatura). Per un sensore ±0,5% FS, la banda di errore totale (comprese linearità, isteresi, ripetibilità ed effetti della temperatura nell'intervallo di temperatura compensato) è entro ±0,5% della lettura del fondo scala. Ad esempio, un sensore da 0-100 psi con precisione di ±0,5% FS presenta un errore massimo di ±0,5 psi in qualsiasi punto. La compensazione della temperatura è essenziale per una misurazione accurata al variare della temperatura operativa. Il sensore è calibrato a più temperature (tipicamente -20°C, 25°C e 85°C) e i coefficienti di compensazione sono memorizzati nell'ASIC o nel microcontroller del sensore. Durante il funzionamento, il sensore misura la temperatura e applica i fattori di correzione alla lettura della pressione. L'intervallo di temperatura compensato è tipicamente compreso tra -20°C e 85°C per i sensori industriali o tra -40°C e 125°C per i sensori automobilistici e a range esteso. Al di fuori dell'intervallo compensato, la precisione diminuisce a una velocità specificata (ad esempio, ±0,03% FS per °C).

I materiali utilizzati nella costruzione del sensore di pressione relativa determinano la compatibilità chimica, la resistenza alla temperatura e la stabilità a lungo termine. Materiale della porta di pressione: l'acciaio inossidabile (304, 316 o 316L) è il più comune per i sensori industriali e fornisce un'eccellente resistenza alla corrosione per acqua, olio, aria e sostanze chimiche leggere. Per fluidi altamente corrosivi (acidi, sostanze caustiche, acqua salata), sono disponibili porte Hastelloy C-276, Inconel o titanio. Per le applicazioni alimentari e farmaceutiche è richiesto l'acciaio inossidabile 316L con connessioni sanitarie Tri-Clamp. Materiale del diaframma: per sensori per uso generale, il diaframma in acciaio inossidabile 316L (spessore 0,05-0,2 mm) offre una buona sensibilità e durata. Per i sensori a bassa pressione (sotto i 5 psi), il diaframma in ceramica o silicio (contatto diretto con il mezzo) offre una sensibilità maggiore. Per applicazioni ad altissima purezza (semiconduttori, prodotti farmaceutici), il diaframma può essere realizzato in ceramica di allumina o silicio senza parti metalliche a contatto con il fluido. Materiale dell'alloggiamento del sensore: le custodie con grado di protezione IP65/IP67/IP68 sono necessarie per applicazioni di lavaggio, esterne o sommergibili. Le opzioni dell'alloggiamento includono acciaio inossidabile (per ambienti corrosivi), alluminio (per uso industriale generale) e policarbonato (per ambienti interni leggeri). Materiali di tenuta: per sigillare la porta di pressione e l'alloggiamento vengono utilizzati O-ring (Viton, EPDM, NBR) o guarnizioni. Il materiale della guarnizione deve essere compatibile con il fluido di processo. Viton (FKM) è adatto per la maggior parte degli oli, carburanti e prodotti chimici; L'EPDM è adatto per acqua, vapore e liquidi per freni; L'NBR è adatto per oli minerali e carburanti. Per applicazioni ad alta temperatura (oltre 125°C/260°F), potrebbero essere necessarie guarnizioni metalliche o sigillature vetro-metallo.

I sensori di pressione relativa vengono utilizzati in diversi settori, con specifiche che variano a seconda dell'applicazione. Per i sistemi idraulici (presse industriali, macchine per lo stampaggio a iniezione, macchine edili, carrelli elevatori), è standard un sensore di pressione relativa da 0-5.000 psi a 0-10.000 psi con uscita da 4-20 mA e grado di protezione IP67. Il sensore deve resistere ai picchi di pressione (2-3 volte la pressione nominale) e avere un'elevata capacità di sovrapressione. Per i sistemi pneumatici (monitoraggio dell'aria compressa, utensili pneumatici, attuatori pneumatici), viene utilizzato un sensore manometro da 0-150 psi o 0-300 psi con uscita da 0-10 V CC e tempo di risposta rapido (meno di 1 ms). Per la misurazione del livello dei liquidi in serbatoi aperti (torri idriche, pozzetti, serbatoi chimici, bacini delle acque reflue), un sensore di pressione manometro immergibile misura la pressione idrostatica sul fondo del serbatoio. La pressione è proporzionale all'altezza del liquido: 1 psi ≈ 2,31 piedi (0,7 metri) di acqua. Per una misurazione di livello accurata, il sensore deve essere ventilato attraverso il cavo (design del manometro ventilato) in modo che le variazioni della pressione atmosferica vengano annullate. Per il monitoraggio del vuoto (confezionamenti sottovuoto, ventose, aspirazione medicale, camere a vuoto da laboratorio), è necessario un sensore di pressione composto (da -14,7 a 0 psi, da -1 a 0 bar) per misurare la pressione negativa rispetto all'atmosfera. Il sensore deve avere un'alta risoluzione a basse pressioni (0,1% FS o migliore). Per il controllo delle pompe e il monitoraggio dei pozzi (pozzi d'acqua, pompe di irrigazione, pompe booster), viene utilizzato un sensore manometro da 0-200 psi con uscita da 4-20 mA e robusto alloggiamento in acciaio inossidabile per monitorare la pressione di scarico della pompa e proteggerla dalle condizioni di funzionamento a secco. La tabella seguente corrisponde alle applicazioni con le specifiche consigliate.

Per i produttori che esportano sensori di pressione relativa, sono essenziali certificazioni documentate di qualità e conformità. Gli standard e le certificazioni più richieste includono: marcatura CE (conformità europea) ai sensi della direttiva EMC (2014/30/UE) e direttiva RoHS (2011/65/UE), ISO 9001 (sistema di gestione della qualità) e, per applicazioni in aree pericolose, certificazione ATEX (europea) o IECEx (internazionale) per la sicurezza intrinseca (Ex ia) o custodia antideflagrante (Ex d). Test prestazionali specifici includono: test di precisione (misurazione a 5-10 punti di calibrazione nell'intervallo di pressione, su e giù, per verificare linearità, isteresi e ripetibilità), test di compensazione della temperatura (misurazione a -20°C, 25°C e 85°C o intervallo specificato per verificare lo spostamento dello zero e dello span), test di stabilità a lungo termine (test di deriva di 500-1000 ore alla pressione nominale a 85°C per verificare che l'uscita non cambi più di percentuale specificata all'anno), test di sovrapressione (applicazione da 1,5x a 3x della pressione nominale senza danni), test di pressione di scoppio (test distruttivo per verificare il margine di sicurezza), test di sicurezza elettrica (resistenza di isolamento, rigidità dielettrica) e test EMC (emissioni irradiate e condotte secondo CISPR 11, immunità secondo IEC 61000-4-2 a -6). Per i sensori di pressione utilizzati nei dispositivi medici è richiesta la certificazione ISO 13485. Per le applicazioni automobilistiche è richiesta la certificazione IATF 16949. Per le applicazioni con acqua potabile, potrebbe essere richiesta la certificazione NSF/ANSI 61 per i materiali a contatto con l'acqua potabile. Molti grandi acquirenti industriali richiedono anche audit di fabbrica che coprano la norma ISO 9001 e la tracciabilità documentata della calibrazione rispetto agli standard internazionali (NIST, PTB o altri istituti metrologici nazionali). I produttori che mantengono certificazioni attuali e record di qualità trasparenti ottengono un vantaggio competitivo nell’approvvigionamento internazionale.