En introduksjon til trykksensorer

En trykksensor er en elektronisk komponent som overvåker eller detekterer gass- eller væsketrykk (kraft) og omdanner denne informasjonen til et elektrisk signal som kan brukes til å overvåke eller regulere denne kraften. For å se nærmere på trykksensorer, er det imidlertid lurt å starte med noen grunnleggende definisjoner. Trykk er størrelsen på kraften som utøves av en gass eller væske på en arealenhet for en overflate. Forholdet mellom trykk (P), kraft (F) og areal (A) er gitt ved ligningen P=F/A. Den tradisjonelle enheten for trykk er Pascal, definert som én Newton (N) per kvadratmeter. Trykk kan også beskrives som kraften som trengs for å hindre ekspansjonen av en væske.

Trykksensorer kommer i en rekke teknologier, som vi vil ta for oss senere i denne artikkelen, og hver teknologi vil til slutt fastsette hvordan en bestemt trykksensor fungerer. Selv om mange trykksensorer som er tilgjengelige i dag kan brukes med et bredt spekter av væsker og gasser, kan noen væsker som er mer viskøse eller tykke (papirmasse, asfalt, råolje, etc.) kreve spesialtilpassede trykksensorer. Likevel er det en trykksensortype som passer for nesten alle scenarier.

Vi tar for oss navneforvirring

På et grunnleggende nivå er trykksensorer, trykktransdusere og trykksendere sammenlignbare i funksjonalitet, og derfor brukes begrepene ofte om hverandre. Hovedforskjellene mellom disse ligger i utgangssignalene deres.

En trykksensor detekterer kraften til trykket og genererer et utgangssignal som korresponderer med størrelsen til kraften som utøves. En trykktransduser omformer den detekterte kraften til en kontinuerlig spenningsutgang (V), mens en trykksender omformer den detekterte kraften til en strømutgang (mA).

Ved vanlig bruk kan det refereres til trykksensorer som benytter en rekke forskjellige begreper, slik som trykktransdusere, trykksendere, trykkindikatorer, piezometre og manometre (trykkmålere). Uavhengig av den gitte nomenklaturen, implementeres disse enhetene for overvåking og regulering av trykk i en rekke konstruksjoner, og kan også brukes til å måle andre variabler, for eksempel væske/gass-strømning, høyde og vannstand.

Trykkmålingstyper

Når det gjelder trykkmåling og trykksensorer, er det en rekke begreper som må forstås for å sikre optimal systemytelse og målingsnøyaktighet. Den spesifikke trykksensortypen som brukes i en aktuell konstruksjon kan påvirke disse faktorene betydelig, ettersom trykket vanligvis måles i forhold til en referanse, for eksempel atmosfærisk trykk ved havnivå.

Et viktig begrep er manometertrykk (gauge pressure), som er en måling av trykk i forhold til det lokale omgivende eller atmosfæriske trykket. Det angitte trykket er enten høyere eller lavere enn det lokale atmosfæriske trykket.

Et annet viktig begrep er absolutt-trykk, som er trykkmåling i forhold til en referanse på null trykk eller et vakuum. Målingen som oppnås ved å bruke en absolutt-trykksensor forblir lik uansett hvor den befinner seg under måling.

Differansetrykk refererer til trykkforskjellen mellom to forskjellige punkter i et system, som ofte brukes til å beregne strømningen av væsker eller gasser i rør.

Vakuumtrykk måler et negativt trykkområde sammenlignet med omgivende eller lokalt atmosfærisk trykk.

Til slutt involverer sammensatt trykk (compound pressure) måling av både positivt og negativt trykk eller vakuum, hovedsakelig kombinert manometertrykk og vakuumtrykk.

Figur 1: Visualisering av forholdet mellom de forskjellige trykkmålingene. (Bildekilde: Same Sky)

Vanlige trykkmålingsteknologier

Opprinnelsen til trykkdeteksjon, begripelighet og måling kan spores tilbake til det banebrytende arbeidet til Galileo på slutten av 1500-tallet og Torricelli på midten av 1600-tallet. Bourdonrøret, den første trykkmåleren, ble oppfunnet i 1849, og det var ikke før 1930 at de første elektriske utgangstrykktransduserne ble introdusert. Med fremveksten av halvlederteknologi, har antallet forskjellige teknologier som brukes til å detektere denne grunnleggende kraften, økt. Her er en kort oversikt over hovedteknologiene for trykkmåling og deres bruksområder:

• Kapasitiv: Detekterer endringer i elektrisk kapasitans forårsaket av trykkbøyning av en membran mellom platene i en kondensator.
• Induktiv: Detekterer små avbøyninger av en membran koblet til en magnetisk kjerne som forårsaker lineær bevegelse i kjernen. Denne bevegelsen varierer den induserte strømmen, og bevegelsen omdannes til et elektrisk signal.
• Optisk: Bruker en lyskilde som gradvis blokkeres av en økning i trykk og en sensor som produserer et signal som er proporsjonalt med endringen i lyset. Fiberoptiske sensorer kan også brukes til å måle endringer i lysets bane og fase forårsaket av trykk.
• Piezoelektrisk: Et kvarts- eller keramikkmateriale genererer en variabel elektrisk ladning som er proporsjonal med mengden kompresjon som påføres det ved et eksternt trykk. Piezoresistiv teknologi måler trykk ved å bruke endringen i elektrisk motstand for et materiale når det er strukket.
• Potensiometrisk: Bruker en motstandsenhet (potensiometer) og en glidearm koblet til et bourdonrør. Etter hvert som trykket endres, beveger armen seg, og et relativt signal produseres av potensiometeret basert på kraftnivået.
• Resonans: Kraft som påføres en membran med en vibrerende ledning endrer resonansfrekvensen til ledningen, som omdannes til et elektrisk signal.
• Belastningsmåler: Forvandler en påført kraft (trykk) til en endring i elektrisk motstand som fluktuerer med den påførte kraften. Denne motstanden kan deretter måles.

Trykksensortyper

For å forstå trykksensorer er det også viktig å gjennomgå de forskjellige typene som er tilgjengelige for bruk i en konstruksjon. De grunnleggende typene presenteres i alfabetisk rekkefølge nedenfor:

• Membransensorer: Innlemmer tynne, fleksible, sirkulære metallplater som deformeres under trykk.
• Forseglede sensorer: Bruker atmosfærisk trykk ved havnivå som referansetrykk.
• Faststoffsensorer: Disse sensorene har ingen bevegelige deler og bruker et halvlederkoblingselement, for eksempel en felteffekttransistor, for å detektere trykk.
• Belastningsmålersensorer: Motstanden forårsaket av endring i lengde på grunn av en ekstern kraft måles og omformes til et elektrisk signal.
• Tynnfilmsensorer: Som navnet antyder, bruker disse sensorene en tynnfilm som inneholder resistive elementer som endrer motstand på grunn av lengde- og tykkelsesendringer indusert av trykk.
• Vakuumsensorer: Konstruert for å måle trykk som ligger under atmosfæriske nivåer. Vanligvis bruker de piezoelektrisk teknologi eller måler gassvolumet i et bestemt rom.
• Ventilerte sensorer: Måler trykk i forhold til omgivende barometertrykk.

Figur 2: Eksempel på en trykksensor som benytter en piezoelektrisk membran. (Bildekilde: Same Sky)

Endelige konstruksjonsfaktorer som må tas hensyn til

Med de tidligere trykksensorteknologiene, -målingene og -typene i tankene, her er noen endelige valgkriterier å huske på når en trykksensor skal spesifiseres for en bestemt konstruksjon. Den første viktige parameteren er driftstrykkområdet, som identifiserer det sikre trykkområdet der enheten vil fungere som spesifisert av produsenten. Driftstemperaturområdet, det maksimale trykket som sensoren kan tåle før svikt og utgangstype (analog/digital), er også viktige faktorer. Utgangsnivå, nøyaktighet og drift, oppløsning, strømforsyningsspenning og miljøfaktorer som temperatur, fuktighet, trykk, eksponering for væsker, stråling og fysisk avstand mellom sensoren og mottakerenheten, bør også tas i betraktning. Ved å vurdere alle disse parametrene, kan en egnet trykksensor velges for et bestemt bruksområde som oppfyller de nødvendige driftsforholdene og ytelseskravene.

Konklusjon

Som elektrotekniker er det viktig å forstå at måling av trykk og nyttiggjørelse av disse dataene for prosessstyring og -overvåking er avgjørende i mange industrier, for eksempel produksjon og helsetjenester. Nøyaktig og pålitelig trykkdeteksjon er nødvendig for å sikre produkt- og servicekvalitet og sikkerhet. Med fremskritt i teknologien, er trykksensorer nå tilgjengelige i ulike typer, teknologier, størrelser, utganger og nøyaktigheter. Det å velge riktig trykksensor for en bestemt konstruksjon krever nøye vurdering av driftsparametere, for eksempel sensortype, trykkområde, temperaturområde, maksimalt trykk, utgangstype, nøyaktighet, oppløsning, strømforsyningsspenning og miljøfaktorer.

Heldigvis tilbyr Same Sky en linje piezo-baserte trykksensorer som kan oppfylle disse kravene. Disse sensorene er tilgjengelige med flere trykktyper og driftsområder, noe som muliggjør fleksible og nøyaktige målinger.