WIKA ha sviluppato una tecnologia alternativa alla placcatura in oro, per evitare la deriva del segnale nei sensori di pressione elettronici. Impiega un nuovo tipo di sensore a film sottile, in grado di ridurre i costi e offrire maggiore robustezza.
di Ginevra Leonardi
L’idrogeno svolge un ruolo sempre più importante come fonte energetica versatile in molteplici settori, dalla produzione di energia alla mobilità fino all’industria chimica. Lo sviluppo di tecnologie di misura e sensori per applicazioni H2 deve far fronte a sfide specifiche. Ad esempio, nei sensori di pressione elettronici gli atomi di idrogeno penetrano all’interno della membrana metallica, influendo sulla stabilità a lungo termine del segnale di misura, specialmente alle alte temperature. Per evitare la deriva del segnale, in passato i produttori tendevano a placcare i sensori con oro. Ora esiste una tecnologia alternativa che garantisce risparmio economico e robustezza.
Le celle di misura della pressione a film sottile si basano sul principio delle resistenze elettriche disposte su una membrana, e collegate fra loro a formare un ponte di Wheatstone. Quando la membrana viene deformata dalla pressione, le resistenze si comprimono o si allungano, modificando la loro resistenza in modo proporzionale alla pressione. Il sensore rileva questa variazione, e la converte in un segnale elettrico.
La diffusione dell’idrogeno e la deriva del segnale
L’idrogeno può causare un offset, ovvero uno spostamento, del segnale. Questo succede perché, quando le molecole di H2 si dissociano in atomi di idrogeno, gli atomi penetrano attraverso la membrana metallica. Si diffondono negli elementi resistivi del ponte di Wheatstone sull’altro lato della membrana, causando una variazione dei singoli valori di resistenza. Dato che questo effetto non è distribuito uniformemente su tutti i resistori, la resistenza del ponte di Wheatstone cambia, causando una deriva del segnale. Questo problema è particolarmente comune soprattutto ad alte temperature.
Svantaggi della placcatura in oro
La placcatura in oro è una soluzione efficace, e trova largo utilizzo per prevenire la deriva del segnale causata dalla permeazione dell’idrogeno. Nei sistemi di misura con montaggio affacciato a riempimento d’olio, le parti a contatto con il fluido sono placcate con questo prezioso metallo. L’oro ha un coefficiente di diffusione molto più basso rispetto all’acciaio. Nonostante l’idrogeno possa penetrare in qualsiasi metallo, nell’oro lo fa molto più lentamente, riducendo al minimo la deriva del segnale per tutta la durata dello strumento. Questa tecnica però presenta anche una serie di svantaggi. In primis, la placcatura in oro aumenta i costi, sia per il materiale stesso che il processo di rivestimento del sensore durante la produzione. Inoltre, essendo la placcatura in oro molto sottile e sensibile, è necessario essere molto attenti durante l’installazione del sensore. In genere, gli strumenti con montaggio affacciato sono sigillati mediante un O-ring in elastomero, ma anche questa guarnizione può essere soggetta alla permeazione dell’idrogeno, rappresentando così un potenziale punto critico. Infatti, rispetto alle guarnizioni metalliche, quelle in elastomero mostrano una maggiore permeabilità all’idrogeno atomico.
Uno strato aggiuntivo di TiN per il corpo del sensore di pressione
WIKA ha sviluppato un’alternativa alla placcatura in oro, in attesa di brevetto, che riduce l’effetto dell’H2 in misura simile, eliminando gli svantaggi visti fino a ora. Questa tecnologia impiega un nuovo tipo di sensore di pressione a film sottile, prodotto in azienda dalla divisione specializzata.
Per il corpo del sensore WIKA utilizza Elgiloy®, una lega collaudata di cobalto-cromo-nichel. Grazie alla sua elasticità e resistenza, è ideale per i sensori di pressione. Inoltre, se vengono rispettate determinate specifiche di progettazione, non è soggetto a infragilimento da idrogeno. Applicando un ulteriore strato di nitruro di titanio (TiN) a Elgiloy®, l’influenza dell’H2 sulle strutture sensibili è trascurabile. Viene applicato fra lo strato isolante del sensore e lo strato resistivo e, come questi, ha uno spessore di pochi nanometri.
Lo strato aggiuntivo di TiN offre numerosi vantaggi. Visto lo strato è interno e non a contatto diretto con il fluido, non si rischiano graffi durante l’installazione. Inoltre, il rivestimento è meno costoso, e si possono utilizzare impianti e processi esistenti. I trasmettitori di pressione con questo sensore possono essere integrati facilmente in applicazioni già operative. Infine, mentre i dispositivi placcati in oro richiedono attacchi al processo affacciati e controparti di dimensioni adeguate, gli attacchi di pressione standard sono adeguati al nuovo sensore a film sottile.
Test condotti nei laboratori
La nuova tecnologia è stata sviluppata nei laboratori WIKA della città tedesca di Klingenberg. Dopo un’attenta valutazione di diversi materiali, il nitruro di titanio è risultato la soluzione ottimale. Il processo di produzione è stato definito, validato e ottimizzato. L’efficacia dello strato aggiuntivo è stata verificata in laboratorio, attraverso il confronto con diversi gruppi di riferimento. I test sono stati condotti sia a pressione atmosferica sia fino a 100 bar, a temperatura ambiente e fino a 125°C. Ogni ciclo di prova ha avuto una durata di mille ore, con monitoraggio continuo del segnale. I sensori rivestiti in TiN non hanno mostrato deriva del segnale, a differenza dei sensori di riferimento senza rivestimento.
