Per ogni applicazione la giusta soluzione di tenuta

Per ogni applicazione la giusta soluzione di tenuta

Per mantenere costante l’efficienza dei sensori di pressione piezoresistivi e proteggerli in modo ottimale dalle difficili condizioni di impiego, bisogna prendere in considerazione diverse opzioni per quanto riguarda le guarnizioni. La STS offre varie soluzioni utilizzabili a seconda dei requisiti e degli ambienti applicativi.

Nella maggior parte delle applicazioni standard viene utilizzato un anello di tenuta, il cosiddetto o-ring. Questo metodo di tenuta comune è molto variabile e versatile. La STS propone l’anello di tenuta in numerose varianti di prodotto, i cui materiali sono scelti in base al fluido da misurare. 

Se la guarnizione è circondata da una sostanza aggressiva o le condizioni di temperatura sono estreme, la tenuta con un semplice o-ring risulta insufficiente. Gli elastomeri solitamente utilizzati per la produzione degli o-ring diventano porosi sotto l’influenza, ad esempio, delle sostanze contenenti idrocarburi. Possono verificarsi problemi anche con la decompressione. Nel caso di temperatura elevata in pressione/decompressione infatti, l’anello di tenuta può rompersi. 

Un’alternativa comune al semplice anello di tenuta è costituita dalla guarnizione saldata, in cui la cella di misura e l’attacco al processo sono saldati direttamente tra loro. In questo modo la forma della guarnizione è leggermente più stabile, ma, proprio come l’o-ring, anche la guarnizione saldata resiste solo a una pressione massima di 250 bar/3600 psi. Fino a questo valore gli o-ring e le guarnizioni saldate sono utilizzati in modo complementare in base all’ambiente applicativo e alla sostanza predominante. Con un fluido aggressivo come la benzina si utilizza, ad esempio, solo la guarnizione saldata, mentre in caso di acqua salata occorre utilizzare necessariamente un o-ring per evitare che la guarnizione si corroda.

Panoramica delle diverse soluzioni di tenuta

Appena superato il valore limite di 250 bar, bisogna prendere in considerazione solo una guarnizione di metallo. La STS offre questa guarnizione metallica priva di elastomeri per gli ambienti applicativi in cui si verifica una pressione molto elevata. Grazie alle sue caratteristiche questa soluzione di tenuta è in grado di resistere anche a condizioni particolari e a esposizione estrema di sostanze chimiche corrosive, vuoto o esposizione intensa alle radiazioni.  

Utilizzo pratico delle soluzioni di tenuta 

Una grande azienda che produce sistemi di macinazione e compressione per varie industrie si affida principalmente ai sensori di pressione offerti dalla STS per i quali esiste un’ampia scelta di anelli di tenuta. Qui si conoscono già in anticipo le condizioni termiche così come la natura e la compatibilità delle sostanze, pertanto questi possono essere facilmente convalidati prima dell’uso e gli anelli di tenuta possono essere prodotti di conseguenza.  

Nel caso di un altro cliente, che produce banchi di prova per l’industria automobilistica, il materiale utilizzato e le condizioni di temperatura vengono determinati solo alla fine dai suoi clienti finali. Le proprietà richieste della soluzione di tenuta dipendono, quindi, dai compiti che verranno svolti. Le guarnizioni qui utilizzate devono pertanto garantire a priori un alto livello di flessibilità, il che fa ricadere la scelta sulle robuste guarnizioni saldate.

Entrambi i clienti utilizzano inoltre le guarnizioni metalliche stabili e estremamente resistenti prive di elastomeri ogni qualvolta si superi il valore massimo di 250 bar. 

Insomma, per tutti i requisiti e per qualsiasi ambiente applicativo la STS offre una soluzione di tenuta adatta che copre perfettamente anche le esigenze dei sistemi più difficili.

Compatibilità dei trasmettitori di pressione piezoresistivi con le sostanze

Compatibilità dei trasmettitori di pressione piezoresistivi con le sostanze

Quando si sceglie il giusto trasmettitore di pressione per le singole applicazioni, oltre al campo di pressione da misurare o alle condizioni di temperatura, ci sono vari criteri che devono essere osservati. Tra questi rientra anche il tema della compatibilità con le più svariate sostanze: il corpo del trasmettitore e il collegamento di processo devono resistere alle condizioni ambientali in modo che il sensore possa svolgere il proprio compito a lungo.

La scelta dei materiali segue due importanti considerazioni: da un lato la tollerabilità chimica con le sostanze di contatto; dall’altro anche le considerazioni preventive svolgono un ruolo importante. Quindi, non bisogna solo chiarire se il trasmettitore di pressione resterà funzionale per un lungo periodo. Bisogna chiarire anche se, a causa dei materiali utilizzati nel trasmettitore di pressione stesso, si possono verificare dei pericoli nel momento in cui questi materiali entrano in contatto con determinate sostanze – qui l’industria farmaceutica rappresenta un esempio lampante. Di seguito mostriamo quali incompatibilità si verificano con quali sostanze e quali sono le relative soluzioni.

Compatibilità chimico-fisica delle sostanze con i materiali di tenuta e i cavi

Quando si parla di compatibilità con le sostanze non deve essere preso in considerazione solo il materiale del corpo stesso del trasmettitore. Anche altri componenti del trasmettitore di pressione entrano in contatto con le sostanze circostanti o di processo. Questi materiali vanno considerati separatamente.

La maggior parte dei trasmettitori di pressione sono dotati di una guarnizione in elastomero. Il problema è che l’elastomero può sciogliersi quando entra in contatto con sostanze aggressive quali ad esempio il biodisel. In questo caso bisognerebbe utilizzare un sensore a membrana affacciata saldata privo di elastomero.

Un altro punto da considerare sono i cavi che servono per la trasmissione dei dati misurati. Prendiamo come esempio l’impiego di una sonda ad immersione in una piscina. Per motivi igienici le piscine utilizzano acqua clorata. Nelle sonde ad immersione si utilizzano di norma cavi in PE o PUR. Sebbene l’acqua clorata di per sé non sia un problema per questi cavi, lo sono i vapori clorati che si sprigionano dall’acqua, poiché sono molto più aggressivi rispetto all’acqua stessa. Con il tempo i cavi sulla superficie dell’acqua diventano, dunque, porosi (riconoscibile da una colorazione biancastra) e l’acqua penetra. Di conseguenza anche il sensore si romperà. In questi casi si utilizzano,pertanto, cavi in teflon.

Compatibilità chimico-fisica delle sostanze con il corpo del trasmettitore

Sostanze viscose

In caso di sostanze viscose, ad esempio vernici, si possono verificare dei depositi nel canale di tenuta. Per questo tipo di applicazioni per evitare contaminazioni serve una membrana lisca, priva di cavità e senza il canale di pressione aperto, in modo che il sensore può essere pulito senza lasciare residui.

Sostanze abrasive 

Quando i trasmettitori di pressione entrano in contatto con sostanze abrasive come il calcestruzzo, una semplice membrana in acciaio inossidabile non fornisce una protezione adeguata. In questo caso serve una membrana rivestita in Vulkollan®.

Liquidi galvanici e acidi 

Un trasmettitore di pressione cromato potrebbe essere considerato migliore dal punto di vista estetico, ma non dal punto di vista pratico. Quando un misuratore di pressione con corpo in metallo viene utilizzato in un serbatoio con rivestimento galvanico, con il tempo si avrà soltanto un grumo di cromo non più funzionante. Anche i liquidi acidi come l’acido solforico reagiscono con il metallo. Per questo con liquidi galvanici e acidi si utilizzano corpi in plastica. In questi casi la soluzione più comune è il PVDF.

Acqua di mare

Nei corpi in acciaio inossidabile l’acqua salata (a seconda della sua salinità), a lungo andare,causa corrosione. Per questo motivo la maggior parte delle sonde ad immersione e di livello sono disponibili anche in titanio.

Acque aperte / protezione contro i fulmini 

Un fulmine non potrebbe essere descritto come una sostanza, ma vogliamo comunque brevemente parlarne. Se un fulmine dovesse colpire direttamente un sensore, nessuna protezione contro i fulmini potrebbe essere d’aiuto. Un dispositivo di protezione contro la sovratensione può, però, essere raccomandabile nelle sonde ad immersione impiegate in acque aperte. In questo modo si può prevenire una sovratensione e, quindi, un danno allo strumento di misurazione a causa di un fulmine caduto nelle vicinanze. Ciò è particolarmente consigliabile nelle misurazioni a lungo termine che vengono eseguite in luoghi remoti. Sostituire un’apparecchiatura difettosa, infatti, è di gran lunga più costoso di un dispositivo di protezione contro la sovratensione.

Compatibilità preventiva con le sostanze

Il chip in silicio di un trasmettitore di pressione piezoresistivo è circondato da un fluido di trasmissione. Di solito si tratta dell’olio di silicone. Anche se il fluido normalmente non entra in contatto con le sostanze circostanti, è necessario fare alcune considerazioni preventive. Infine non bisogna mai escludere completamente un difetto del corpo del sensore. A seconda dell’applicazione possono esserci gravi conseguenze.

Gas e liquidi fortemente ossidanti

Quando i gas o i liquidi fortemente ossidanti entrano in contatto con oli o grassi, si verifica un pericolo di esplosione. In questi casi tutte le parti a diretto contatto con le sostanze devono essere prive di oli e grassi, per prevenzione anche il fluido di trasmissione nel sensore.

Industria alimentare e farmaceutica

Nell’industria alimentare e farmaceutica l’olio di silicone deve essere sostituito con un olio per uso alimentare per escludere contaminazioni dannose per la salute o con altri effetti. Ad esempio, la birra entrata in contatto con l’olio di silicone non farebbe più schiuma e nessuno vorrebbe una birra del genere.

Vernici 

Una sola goccia d’olio può rendere inutilizzabile un intero carico. Anche in questo caso bisogna trovare un’alternativa.

Compatibilità dei trasmettitori di pressione con le sostanze: conclusioni

Il trasmettitore di pressione ottimale per una specifica applicazione dipende da molti fattori. Per questo, di volta in volta, serve una profonda conoscenza parte del fornitore dell’applicazione che il cliente intende svolgere. La STS offre ai suoi clienti una continua assistenza ad ampio spettro orientata sui bisogni del cliente per fornire soluzioni affidabili nel più breve tempo possibile – anche in caso di piccole quantità.

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Errore totale o accuratezza?

Errore totale o accuratezza?

Quando si acquista un sensore di pressione, spesso gli utenti si concentrano principalmente sull’accuratezza. A questo aspetto sono collegati numerosi concetti rilevanti  che abbiamo già spiegato in un’altra occasione. L’accuratezza, però, è solo uno degli aspetti di un altro concetto presente nelle schede tecniche dei trasmettitori di pressione: l’errore totale. Di seguito chiariamo come va inteso questo dato delle schede tecniche e quale ruolo dovrebbe svolgere nella scelta del giusto sensore di pressione.

Innanzitutto, l’accuratezza non fornisce informazioni circa l’errore totale. Quest’ultimo dipende da diversi fattori, ad esempio in quali condizioni si utilizza il sensore di pressione. Nell’immagine 1 si possono vedere i tre aspetti di cui si compone l’errore totale: l’errore regolabile, l’accuratezza e gli effetti termici.

Immagine 1: composizione dell’errore totale

Errore regolabile 

Come si vede dall’immagine, l’aspetto parziale dell’errore regolabile è composto dall’errore del punto zero e dall’errore dell’intervallo. La denominazione “errore regolabile” è dovuta al fatto che questi due errori – l’errore del punto zero e l’errore dell’intervallo – sono facili da riconoscere e regolare. Si tratta dunque di errori con cui gli utenti non devono imparare a convivere. Nei sensori di pressione della STS questi due errori vengono corretti già in fabbrica. 

La stabilità a lungo termine, detta anche deriva o errore a lungo termine, è la causa dell’errore del punto zero e dell’errore dell’intervallo durante l’impiego. Vale a dire che con un lungo utilizzo entrambi questi errori regolabili possono verificarsi nuovamente e intensificarsi. Attraverso una calibrazione e, a seguito, una messa a punto, la deriva a lungo termine può essere di nuovo corretta. Qui è possibile trovare maggiori informazioni sulla calibrazione e sulla messa a punto.

Accuratezza 

L’aspetto parziale dell’accuratezza compare nelle schede tecniche anche sotto la denominazione di deviazione della curva caratteristica. L’imprecisione nella terminologia è dovuta anche al fatto che “l’accuratezza” non è definita da nessuno standard stabilito dalla legge. 

Questo concetto comprende gli errori di non-linearità, l’isteresi (pressione) e non la non-ripetibilità (vedi immagine 2). La non-ripetibilità descrive le variazioni osservate applicando più volte una medesima pressione. L’isteresi si riferisce al fatto che i segnali di uscita di una stessa identica pressione possono essere diversi, se la pressione viene applicata “dall’alto” o “dal basso”. Nei trasmettitori di pressione piezoresistivi questi due fattori sono molto ridotti. 

Dunque è la non-linearità ad influenzare maggiormente l’accuratezza e, di conseguenza, l’errore totale. Con questo termine si intende la massima deviazione positiva e negativa della curva caratteristica da una linea retta di riferimento a pressione crescente e decrescente. Qui è possibile trovare maggiori informazioni su questi concetti.

Immagine 2: Si definisce non-linearità la differenza maggiore all’interno della curva caratteristica applicando più volte la pressione da misurare.

Effetti termici 

Le variazioni di temperatura influenzano i valori misurati da un sensore di pressione. Esiste anche un’isteresi di temperatura. L’isteresi, in generale, descrive la variazione di un sistema, quando si raggiunge lo stesso punto da direzioni diverse. Nel caso dell’isteresi di temperatura, l’isteresi descrive la differenza (errore) del segnale di uscita ad una determinata temperatura, quando questa temperatura definita viene misurata partendo da una temperatura più bassa o da una temperatura più elevata. La STS considera come tipica una temperatura di 25 °C. 

Immagine 3: Comportamento tipico degli effetti termici nei trasmettitori di pressione.

Errore totale o accuratezza? 

Naturalmente, la domanda principale che nasce da tutti questi aspetti è a cosa devono prestare maggiormente attenzione gli utenti nella scelta del sensore. La risposta è diversa da caso a caso. L’errore regolabile, poiché viene già corretto in fabbrica,svolge solo un ruolo secondario. Per questo aspetto basta solo tener presente che di norma dopo un anno di utilizzo il sensore deve essere ricalibrato e regolato. 

Quando si acquista un nuovo sensore, sia l’accuratezza che gli effetti termici sono due aspetti determinanti. A tal proposito la domanda principale da farsi è: “eseguo delle misurazioni della pressione in condizioni controllate?” Se ciò avviene, questo significa che quando l’utente durante la calibrazione esegue le sue misurazioni in prossimità della temperatura di riferimento (tip. 25 °C), gli effetti termici sono trascurabili. Il valore dell’errore totale è importante quando la misurazione della pressione viene eseguita su un ampio intervallo di temperatura.

In conclusione esaminiamo la scheda tecnica del trasmettitore di pressione piezoresistivo ATM.1st della STS (immagine 4):  

Immagine 4: Parte di una scheda tecnica (ATM.1st)

Nelle specifiche tecniche dell’ATM.1st sono indicati sia l’accuratezza che l’errore totale. I dati di accuratezza sono suddivisi per i rispettivi campi di pressione. I valori quantificati derivano dalla non-linearità, dall’isteresi e dalla non-ripetibilità a temperatura ambiente. Gli utenti che desiderano eseguire misurazioni in condizioni di temperatura controllate (temperatura ambiente) possono, quindi, orientarsi sulla base dei valori di accuratezza forniti. 

L’errore totale indicato nella scheda tecnica, invece, comprende gli effetti termici. In aggiunta, l’errore totale viene completato dalle indicazioni “tip.” e “max.”. La prima indicazione descrive l’errore totale tipico. Non tutti i sensori di pressione sono del tutto identici e la loro accuratezza può variare leggermente. La precisione dei sensori corrisponde alla distribuzione normale di Gauss. Ovvero:il 90% dei valori misurati nell’intero campo di pressione e temperatura di un sensore corrisponde al valore espresso dall’errore totale tipico. I restanti valori misurati si posizionano nell’errore totale massimo. 

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Come scegliere il giusto sensore di pressione?

Come scegliere il giusto sensore di pressione?

Quando si sviluppano nuove tecnologie è necessario svolgere estesi test. Per ottenere risultati affidabili occorrono strumenti di misurazione che rispondano esattamente alle esigenze richieste. Ti mostriamo quali sono i fattori che svolgono un ruolo importante in questa decisione.

Intervallo di pressione

Un primo punto da considerare quando si cerca la giusta tecnologia di misurazione della pressione è l’intervallo di pressione da misurare e se è prevista la misurazione della pressione relativa o assoluta.

A seconda dell’utilizzo bisogna considerare alcune caratteristiche. Soprattutto nelle applicazioni di prova sono necessari specifici campi di misurazione che non possono essere forniti dai sensori standard con campo di pressione che rispettano la normativa ISO. In questi casi sono richiesti dei sensori che rappresentino il giusto campo di pressione così da raggiungere la precisione desiderata. 

Accuratezza

Nello sviluppo dei motori per auto da corsa sono i minimi valori di misurazione a determinare la vittoria o la sconfitta in pista. In questi casi è richiesta la massima precisione e i produttori, in base allo specifico utilizzo, dovranno optare per un sensore con ±0.05% FS.  

Quando si parla di precisione i fattori di necessità e costi devono essere soppesati insieme. Di solito un buon aiuto decisionale è fornito dall’intervallo di pressione da misurare. Se questo è molto ampio, spesso non occorre una precisione fuori dall’ordinario. Se, tuttavia, si sceglie il sensore più preciso disponibile, bisogna tener presente che la precisione ha il suo prezzo.  

Temperatura 

In alcuni casi il fattore temperatura è difficile da determinare. A volte non è ancora ben chiaro agli Ingegneri di sviluppo in quale intervallo di temperatura il sensore di pressione impiegato deve operare. Ad esempio, molti trasmettitori di pressione della STS sono ottimizzati per delle temperature di funzionamento da -25 °C a 100 °C. In questo modo sono coperti i campi di applicazione comuni. Tuttavia, in linea di principio, ogni sensore può essere ottimizzato e ordinato per un particolare intervallo di temperatura, in modo da ottenere risultati accurati anche a temperature da -40 °C a 150 °C. 

Collegamento di processo 

Per gli Ingegneri di sviluppo la questione del collegamento di processo può diventare rapidamente un criterio di esclusione, dal momento che molte aziende utilizzano connettori standard. Anche la posizione in cui il sensore deve essere montato può essere un fattore importante. Ci sono una varietà di possibili connettori elettrici (M12, DIN, MIL e altri), che il produttore dovrebbe offrire anche  con diverse lunghezze di cavo e materiali. La STS offre una vasta gamma di connettori. Grazie al principio di costruzione modulare degli strumenti di misurazione è possibile una varietà di opzioni di collegamenti. 

Segnale di uscita 

Altrettanto determinante è se la pressione misurata viene trasmessa come segnale analogico o attraverso un’interfaccia digitale come ad esempio il Modbus. Nella trasmissione analogica del segnale la pressione deve essere convertita in un segnale analogico, che deve quindi essere prima misurato. Con la trasmissione digitale del segnale il valore della pressione misurata viene direttamente comunicato attraverso l’interfaccia. 

Fabbisogno di spazio 

In diverse applicazioni c’è poco spazio per montare i sensori di pressione. Pertanto, le dimensioni del sensore, in relazione ai collegamenti di processo disponibili, possono essere un criterio di selezione importante. Qui entra in gioco il tipo di tecnologia di misurazione. I sensori di pressione piezoresistivi si prestano particolarmente alla miniaturizzazione. La STS può dunque offrire sensori con un diametro di soli pochi millimetri. 

Materiali 

Dove viene impiegato il sensore? A quali condizioni ambientali è esposto? Entra in contatto con vapore acqueo, benzina o determinati gas? Il materiale del corpo del sensore si sceglie in base al mezzo al quale il sensore è esposto. Per impieghi al banco di prova si utilizzano per lo più corpi in acciaio inossidabile. Nel caso di contatto con acqua salata la scelta del materiale ricade sul titanio.Anche il materiale di tenuta ha una forte influenza sul giusto sensore. Il materiale della guarnizione dipende, infatti, dal liquido utilizzato nel sistema di pressione. Inoltre, le temperature che si prevedono devono essere necessariamente prese in considerazione. 

Certificazioni 

Nel caso di applicazioni particolarmente pericolose, ad esempio quando c’è il pericolo di esplosione, sono necessarie specifiche certificazioni circa il corretto funzionamento dei dispositivi. Tra l’offerta della STS ci sono sensori quali l’ATM.ECO/IS il cui utilizzo in aree a rischio esplosione è autorizzato dalle certificazioni FM, Fmc, IECEx e ATEX. 

Tempi di consegna 

Lunghi tempi di consegna possono ritardare i test sui prototipi e, di conseguenza, compromettere il lancio del prodotto. Bisogna pertanto precisare in anticipo se i sensori richiesti sono disponibili e quali sono i tempi di consegna previsti per i prodotti personalizzati che bisogna fare su misura. 

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Il giusto sensore di pressione – Conclusioni 

I sensori non rispondono necessariamente a tutte le caratteristiche richieste. In alcuni casi il sensore richiesto presso un produttore non è utilizzabile con le opzioni di collegamento standard adoperate in azienda. Ciò può comportare notevoli costi aggiuntivi e i tempi di consegna possono essere ritardati.

Per rendere ai clienti la scelta del giusto sensore il più semplice possibile, i nostri strumenti di misurazione della pressione si basano sul principio modulare. Questo significa che ognuno dei nostri sensori di pressione può essere calibrato per l’intervallo di temperatura desiderato. I nostri sensori sono particolarmente flessibili anche per quanto riguarda i collegamenti di processo, i materiali di tenuta e il campo di misurazione della pressione. Così, grazie alla costruzione modulare della nostra tecnologia di misurazione, siamo in grado di fornire in tempi molto brevi sensori di pressione corrispondenti esattamente alle caratteristiche richieste.

Sensori di pressione con circuito di corrente: cosa bisogna considerare in caso di autoriscaldamento?

Sensori di pressione con circuito di corrente: cosa bisogna considerare in caso di autoriscaldamento?

Quando si utilizzano sensori di pressione dotati di un circuito di corrente, a causa della loro struttura può verificarsi un autoriscaldamento. Il calore si genera quando la corrente elettrica scorre attraverso un conduttore elettrico o un semiconduttore. L’effetto della formazione del calore si basa sulla legge di Joule. La tensione è quindi dovuta alla resistenza elettrica del conduttore. L’intero conduttore elettrico è influenzato dall’aumento della temperatura. Il calore che si genera è chiamato anche “effetto Joule”.

Una ricerca della STS su questo tema ha dimostrato che l’autoriscaldamento può portare a variazioni di accuratezza nelle misurazioni. L’entità della variazione dipende dalle caratteristiche del sensore in questione, così come dagli specifici ambienti e condizioni dell’applicazione. 

Nelle aree di applicazione in cui la pressione viene esercitata rapidamente sull’intero intervallo di pressione del sensore, può verificarsi un errore massimo dello < 0,1% del fondo scala. In genere questo errore di misurazione scompare dopo 2 minuti, a seconda del design del sensore. Con un’immissione di energia e un aumento della temperatura costanti e uniformi si raggiunge uno stato di equilibrio. Il calore emesso, infatti, eguaglia la potenza elettrica assorbita.

Tuttavia, per evitare imprecisioni di misure temporanee, la STS raccomanda quanto segue: 

  • Ridurre la tensione di alimentazione da 24 V a 12 V, in quanto una tensione più bassa comporta anche un ingresso di potenza minore.
  • Aumentare la resistenza del carico (il carico).
  • Passare a sensori con un’uscita di tensione. 

I vantaggi nel seguire questi consigli sono evidenti. Riducendo l’ingresso della potenza si ottengono subito risultati più accurati, cosicché sia l’efficienza che l’affidabilità dell’intero processo di misura possono essere migliorati. Eliminando le imprecisioni di misura temporanee si può utilizzare anche la misurazione dinamica precisa e affidabile. Per qualsiasi domanda o problema saremo lieti di aiutarti.

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