Temperaturens indflydelse på trykmåling. Hvorfor sker det, og hvordan kan man kompensere for det

Tryksensorer anvendes i medier med meget forskellige temperaturområder fra kølemidler til motorolie eller vand opvarmet til sterilisering. Designere og brugere af trykmålingsinstrumenter skal være opmærksomme på, at temperaturen på et medium har en dramatisk indflydelse på måleresultaterne. Denne artikel har til formål at forklare årsagerne til denne indvirkning, og udpege mulighederne for at forhindre temperaturrelateret påvirkning af måledata.

Princip for måling og temperaturkoefficient

Måleprincippet anvendt til omregning af ikke-elektriske størrelser såsom tryk, men også force and strain, til et elektrisk signal kaldes for det resistive princip. Det grundlæggende set-up består af to par serieforbundne modstande monteret på en deformerbar membran. Membranen kan være fremstillet af forskellige materialer såsom keramik, silicium eller stål. Et voltmeter danner en "bro" som forbinder de to par, dermed formes en komplet ”Wheatstone” målebro. Selv en lille deformation af membranen bevirker at modstandene ændrer deres værdier, og det forårsager igen en spændingsopbygning i målebroen.

Modstandene i en sensor beregnet til måling af tryk ændrer ligeledes værdi, når temperaturer skifter. Det betyder, at en ændring i mediets temperatur har direkte indvirkning på det målte signal.

Indenfor sensorteknologien, betegnes denne påvirkning temperaturkoefficienten. Denne temperaturkoefficient beskriver en lineær drift fra et vist temperaturniveau, der tjener som referencepunkt.

Derfor er temperaturdriften nul ved referencetemperaturen, og den stiger i takt med den aktuelle temperaturs vandring væk fra referenceniveauet.

I teorien forøges denne temperaturdrift i en lineær bane, der er beskrevet ved den angivne koefficient. Jo højere kvalitet trykcelle, jo lavere temperaturkoefficient.

Individuelle temperaturkoefficienter er angivet for sensorens fulde område (full scale) og for nulpunktet (Zero point). Generelt skal både temperaturkoefficienten af nulpunktet og det fulde målområde tages i betragtning separat. Nulpunktets temperaturdrift beskriver temperaturens indflydelse på nul-signal. Fuldskala temperaturdriften angiver indflydelsen fra temperaturen på slutværdien af målingen. Den individuelle temperaturkoefficient for både nulpunkt og fuldskala angives sædvanligvis som moduli, dvs. den kan være både positiv eller negativ. Så hvis nulpunktet og fuld skala drift på et givet måleinstrument har samme foranstillede tegn, skal disse i værste fald lægges sammen.

Alle producent af højkvalitets trykceller søger at minimere indflydelsen fra de to temperaturkoefficienter.
I en Baumer PBMN-tryktransmitter, er middeltemperaturkoefficienten, dvs. den gennemsnitlige værdi af nulpunktet og fuld skala drift, typisk bedre end < 0,02% pr. 10 Kelvin. For at holde indflydelsen fra temperaturkoefficienten så lav som muligt, anvender de fleste producenter en temperaturkompensering af transmitteren. Der findes to metoder, som anvendes afhængigt af den pågældende applikation: passiv eller aktiv temperaturkompensering.

Passiv temperaturkompensering
Passiv temperaturkompensering er den mest almindelige metode til minimering af temperaturdrift på en tryktransmitter. Under fremstillingen måles dele af den karakteristiske kurve for tryktransmitteren ved forskellige temperaturer. Den målte temperaturdrift anvendes derefter til at korrigere transmitteren ved hjælp af passive elementer (modstande) i elektronikken eller ved hjælp af korrektioner (fx ved hjælp af laser-trimning) af den resistive struktur placeret direkte på selve trykcellen. Det skal dog nævnes, at de termiske egenskaber i modstandselementerne anvendt til denne opgave er næsten lineær, og at disse elementer derfor kun muliggøre kompensering af mindre temperaturdrift.

En klar fordel ved denne fremgangsmåde er, at den er forholdsvis omkostningseffektiv, hvilket giver en meget god ”cost/performance ratio” i applikationer med en vis tolerance og kun mindre ændringer i temperatur, såsom industrielle applikationer eller i enhver proces, der kører ved et konstant temperaturniveau. Baumer tilbyder en række tryktransmittere af denne type, f.eks. PDxx-serien. Passiv temperatur-kompensering er ligeledes velegnet i applikationer, hvor ændringer i temperatur er naturligt begrænset, såsom niveaumåling i eks. vandboringer med nedsænkbare tryktransmittere, så som Baumers PSMN eller PSSN.

Aktiv temperaturkompensering

Ved aktive temperaturkompensering, måles den karakteristiske kurve for tryktransmitteren ligeledes ved forskellige temperaturer under fremstillingen. Herudover indeholder transmitteren en integreret temperatursensor, som konstant overvåger temperaturen og sender information om denne til transmitterens processor.To metoder til aktiv temperaturkompensering er blevet almindelig praksis. Den første metode kompenserer ved hjælp af såkaldte ”støttepunkter", dvs. et sæt af individuelle korrektionsværdier mellem hvilke en interpolation finder sted. Den anden metode involverer anvendelse af en matematisk ligning, som ved regression, beregner kompenseringen ud fra værdierne målt under fremstillingen. Værdierne fra denne ligning lagres i transmitteren. Værdierne anvendes til, kontinuerligt, at kompensere for den forventede temperaturdrift. Ved hjælp af disse data, kan transmitterens processor "aktivt", dvs. automatisk, kompenserer den termiske drift inden for et bestemt temperaturområde.

Aktiv kompensation bruges kun i tryktransmittere af meget høj kvalitet og ydeevne, som f.eks er PBxx transmitterfamilien fra Baumer - en aktivt kompenseret sensor. Denne serie transmittere er designet og fremstillet af Baumer, og kan prale af en meget lav temperaturdrift i det specificerede temperaturområde. Det skal end også nævnes, at temperaturdriften i enklere tryktransmittere med passive temperaturkompensering er lavere (med en faktor på omkring 2) end sammenlignelige produkter på markedet.