O prezentare a senzorilor de presiune

Un senzor de presiune este o componentă electronică care monitorizează sau detectează presiunea (forța) unui gaz sau a unui lichid și transformă aceste informații într-un semnal electric care poate fi utilizat pentru a monitoriza sau regla forța respectivă. Cu toate acestea, pentru a putea porni o discuție despre senzorii de presiune, este util să începem cu câteva definiții fundamentale. Presiunea este mărimea forței exercitate de un gaz sau de un lichid pe o unitate de suprafață. Relația dintre presiune (P), forță (F) și suprafață (A) este dată de ecuația P=F/A. Unitatea tradițională de presiune este Pascalul, definit ca fiind un Newton (N) pe metru pătrat. De asemenea, presiunea poate fi descrisă ca fiind forța necesară pentru a împiedica expansiunea unui fluid.

Senzorii de presiune vin într-o varietate de tehnologii, care sunt discutate mai târziu în acest articol, iar fiecare tehnologie va determina în cele din urmă modul în care funcționează un anumit senzor de presiune. Deși mulți senzori de presiune disponibili în prezent pot fi utilizați cu o gamă largă de fluide și gaze, unele fluide mai vâscoase sau mai groase (pulpă de hârtie, asfalt, țiței etc.) pot necesita senzori de presiune personalizați. Cu toate acestea, există un tip de senzor de presiune potrivit pentru aproape orice scenariu.

Abordarea confuziei în ceea ce privește denumirea

La nivel fundamental, senzorii de presiune, traductoarele de presiune și emițătoarele de presiune sunt comparabile din punct de vedere funcțional și, prin urmare, termenii sunt adesea utilizați în mod interschimbabil. Cu toate acestea, principalele deosebiri între ele constau în semnalele de ieșire.

Un senzor de presiune detectează forța de presiune și generează un semnal de ieșire care corespunde magnitudinea forței exercitate. Un traductor de presiune transformă forța detectată într-o ieșire de tensiune continuă (V), în timp ce un transmițător de presiune transformă forța detectată într-o ieșire de curent (mA).

În uzul comun, senzorii de presiune pot fi denumiți folosind o varietate de termeni, cum ar fi traductoare de presiune, transmițătoare de presiune, emițătoare de presiune, indicatori de presiune, piezometre și manometre. Indiferent de nomenclatura dată, aceste dispozitive sunt implementate pentru monitorizarea și reglarea presiunii în numeroase aplicații și pot fi utilizate și pentru măsurarea altor variabile, cum ar fi debitul de fluid/gaz, altitudinea și nivelul apei.

Tipurile de măsurare a presiunii

În domeniul măsurării presiunii și al senzorilor de presiune, există o varietate de termeni care trebuie înțeleși pentru a asigura performanța optimă a sistemului și precizia măsurătorilor. Tipul specific de senzor de presiune utilizat în aplicația dvs. poate avea un impact semnificativ asupra acestor factori, deoarece presiunea este măsurată de obicei în raport cu o referință, cum ar fi presiunea atmosferică la nivelul mării.

Un termen esențial este presiunea manometrică, care este o măsurătoare a presiunii în raport cu presiunea ambientală sau atmosferică locală. Presiunea indicată este fie mai mare, fie mai mică decât presiunea atmosferică locală.

Un alt termen important este presiunea absolută, care reprezintă măsurarea presiunii în raport cu o referință de presiune zero sau de vid. Măsura obținută cu ajutorul unui senzor de presiune absolută rămâne aceeași, indiferent de locul în care este măsurată.

Presiunea diferențială se referă la diferența de presiune dintre două puncte distincte dintr-un sistem, care este frecvent utilizată pentru a calcula debitul de lichide sau gaze în conducte.

Presiunea de vid măsoară un interval de presiune negativă în comparație cu presiunea atmosferică ambiantă sau locală.

În cele din urmă, presiunea compusă implică măsurarea atât a presiunii pozitive, cât și a celei negative sau a vidului, combinând în esență presiunea manometrică și presiunea de vid.

Figura 1: Vizualizarea relației dintre diversele măsurători de presiune. (Sursă imagine: Same Sky)

Tehnologii comune de măsurare a presiunii

Originile detectării, înțelegerii și măsurării presiunii pot fi urmărite până la munca de pionierat a lui Galileo de la sfârșitul anilor 1500 și a lui Torricelli la mijlocul anilor 1600. Tubul Bourdon, primul manometru, a fost inventat în 1849 și abia în 1930 au fost introduse primele traductoare de presiune cu ieșire electrică. Odată cu dezvoltarea tehnologiei semiconductoarelor, numărul tehnologiilor diferite utilizate pentru a detecta această forță fundamentală a crescut vertiginos. Iată o scurtă prezentare generală a principalelor tehnologii de măsurare a presiunii și a aplicațiilor acestora:

• Capacitivă: detectează modificări ale capacității electrice cauzate de presiunea care îndoaie o diafragmă între plăcile unui condensator.
• Inductivă: detectează deflecțiile minuscule ale unei diafragme legate de un miez magnetic care provoacă o mișcare liniară în miez. Această mișcare modifică curentul indus și este transformată într-un semnal electric.
• Optică: utilizează o sursă de lumină care este blocată treptat de o creștere a presiunii și un senzor care produce un semnal proporțional cu schimbarea luminii. De asemenea, senzorii cu fibră optică pot fi utilizați și pentru a măsura modificările în calea și faza luminii cauzate de presiune.
• Piezoelectrică: un material de cuarț sau de ceramică generează o sarcină electrică variabilă, proporțională cu gradul de compresie aplicat de o presiune externă. Tehnologia piezorezistivă măsoară presiunea prin utilizarea modificării rezistenței electrice a unui material atunci când acesta este întins.
• Potențiometrică: utilizează un dispozitiv de rezistență (potențiometru ) și un braț glisant conectat la un tub Bourdon. Pe măsură ce presiunea se modifică, brațul se mișcă, iar potențiometrul produce un semnal relativ în funcție de nivelul forței.
• Rezonantă: forța aplicată pe o diafragmă cu un fir care vibrează modifică frecvența de rezonanță a firului, care este transformată într-un semnal electric.
• Marcă tensometrică: transformă o forță aplicată (presiune) într-o modificare a rezistenței electrice care fluctuează în funcție de forța aplicată. Această rezistență poate fi apoi măsurată.

Tipuri de senzori de presiune

Pentru a înțelege senzorii de presiune, este de asemenea important să analizăm diferitele tipuri disponibile pentru utilizare într-un proiect. Mai jos sunt enumerate tipurile de bază, prezentate în ordine alfabetică:

• Senzori cu diafragmă: încorporează plăci metalice subțiri, flexibile, circulare, care se deformează sub presiune.
• Senzori sigilați: utilizează presiunea atmosferică la nivelul mării ca presiune de referință.
• Senzori în stare solidă: fără părți mobile, acești senzori utilizează un element de comutare semiconductor, cum ar fi un tranzistor cu efect de câmp, pentru a detecta presiunea.
• Senzori de măsurare a tensiunii: se măsoară rezistența cauzată de o modificare a lungimii datorată unei forțe externe și se transformă într-un semnal electric.
• Senzori cu peliculă subțire: după cum sugerează și numele, acești senzori utilizează o peliculă subțire care conține elemente rezistive care modifică rezistența datorită modificărilor de lungime și grosime induse de presiune.
• Senzori de vid: concepuți pentru a măsura presiuni care se află sub nivelul atmosferic. În mod obișnuit, acestea utilizează tehnologia piezoelectrică sau măsoară volumul de gaz dintr-un anumit spațiu.
• Senzori cu ventilație: măsoară presiunea în raport cu presiunea barometrică ambientală.

Figura 2: Exemplu de senzor de presiune care utilizează o diafragmă piezoelectrică. (Sursă imagine: Same Sky)

Considerații finale de proiectare

Având în vedere tehnologiile, măsurătorile și tipurile de senzori de presiune anterioare, iată câteva criterii finale de selecție de care trebuie să țineți cont atunci când specificați un senzor de presiune pentru un anumit proiect. Primul parametru cheie este intervalul de presiune de funcționare, care identifică intervalul de presiune sigură în care dispozitivul va funcționa conform specificațiilor producătorului. Gama de temperaturi de funcționare, presiunea maximă pe care senzorul o poate tolera înainte de defectare și tipul de ieșire (analogică/digitală) sunt, de asemenea, considerente importante. De asemenea, trebuie să se ia în considerare nivelul de ieșire, precizia și abaterea, rezoluția, tensiunea de alimentare și factorii de mediu, cum ar fi temperatura, umiditatea, presiunea, expunerea la fluide, radiațiile și distanța fizică dintre senzor și orice dispozitiv receptor. Prin luarea în considerare a tuturor acestor parametri, se poate selecta un senzor de presiune adecvat pentru o aplicație specifică, care să îndeplinească condițiile de funcționare și cerințele de performanță necesare.

Concluzie

În calitate de inginer electrician, este important să înțelegeți că măsurarea presiunii și utilizarea acestor date pentru controlul și monitorizarea proceselor este crucială în multe industrii, cum ar fi producția și asistența medicală. Detectarea precisă și fiabilă a presiunii este necesară pentru a asigura calitatea și siguranța produselor și serviciilor. Odată cu progresele tehnologice, senzorii de presiune sunt acum disponibili în diferite tipuri, tehnologii, dimensiuni, ieșiri și precizii. Alegerea senzorului de presiune potrivit pentru o aplicație specifică necesită o analiză atentă a parametrilor de funcționare, cum ar fi tipul de senzor, domeniul de presiune, domeniul de temperatură, presiunea maximă, tipul de ieșire, precizia, rezoluția, tensiunea de alimentare și factorii de mediu.

Din fericire, Same Sky oferă o gamă de senzori de presiune piezoelectrici care pot îndeplini aceste cerințe. Senzorii lor sunt disponibili în mai multe tipuri de presiune și intervale de funcționare, permițând măsurători flexibile și precise.