Wprowadzenie do czujników ciśnienia

Czujnik ciśnienia to komponent elektroniczny, który monitoruje lub wykrywa ciśnienie (siłę) gazu lub cieczy przekształca tę informację w sygnał elektryczny, który może być wykorzystany do monitorowania lub regulowania tej siły. Jednak przed przystąpieniem do dalszego omawiania tematu czujników ciśnienia warto zacząć od kilku podstawowych definicji. Ciśnienie to wielkość siły wywieranej przez gaz lub ciecz na jednostkę powierzchni. Zależność między ciśnieniem (P), siłą (F) i powierzchnią (A) jest wyrażana równaniem P=F/A. Tradycyjną jednostką ciśnienia jest paskal, definiowany jako jeden niuton (N) na metr kwadratowy. Ciśnienie można również opisać jako siłę potrzebną do utrudnienia rozszerzania się płynu.

Czujniki ciśnienia są wykonywane w różnych technologiach, które zostały omówione w dalszej części artykułu. Od technologii danego czujnika ciśnienia zależy sposób jego działania. Chociaż wiele dostępnych obecnie czujników ciśnienia nadaje się do pracy z wieloma różnymi płynami i gazami, niektóre płyny o większej lepkości lub gęstości (pulpa papierowa, asfalt, ropa naftowa itp.) mogą wymagać niestandardowych czujników ciśnienia. Niemniej dla niemal każdego scenariusza można znaleźć odpowiedni typ czujnika ciśnienia.

Wyjaśnienie problemów z nazewnictwem

Na podstawowym poziomie czujniki ciśnienia, przetworniki ciśnienia i przekaźniki ciśnienia są porównywalne pod względem funkcji i dlatego terminy te są często używane zamiennie. Jednak główne różnice między nimi dotyczą sygnałów wyjściowych.

Czujnik ciśnienia mierzy siłę nacisku i generuje sygnał wyjściowy odpowiadający wielkości wywieranej siły. Przetwornik ciśnienia przekształca wykrytą siłę w sygnał wyjściowy napięcia ciągłego (V), natomiast przekaźnik ciśnienia przekształca wykrytą siłę w prądowy sygnał wyjściowy (mA).

Powszechnie stosowane czujniki ciśnienia mogą być określane różnymi terminami np. przetworniki ciśnienia, przekaźniki ciśnienia, dajniki ciśnienia, wskaźniki ciśnienia, piezometry i manometry. Niezależnie od nazewnictwa, urządzenia te są wykorzystywane do monitorowania i regulacji ciśnienia w wielu zastosowaniach, a także mogą być używane do pomiaru innych zmiennych, takich jak przepływ płynu/gazu, wysokość n.p.m. i poziom wody.

Typy pomiaru ciśnienia

Jeśli chodzi o pomiar ciśnienia i czujniki ciśnienia, istnieje wiele terminów, które należy zrozumieć, chcąc zapewnić optymalne parametry działania układu i dokładność pomiarów. Użycie konkretnego typu czujnika w danym zastosowaniu może znacząco wpłynąć na te czynniki, ponieważ ciśnienie zwykle mierzy się w odniesieniu do wartości referencyjnej, takiej jak ciśnienie atmosferyczne na poziomie morza.

Jednym z kluczowych terminów jest ciśnienie manometryczne, które jest miarą ciśnienia w stosunku do lokalnego ciśnienia otoczenia lub ciśnienia atmosferycznego. Wskazywane ciśnienie może być wyższe lub niższe od lokalnego ciśnienia atmosferycznego.

Innym ważnym terminem jest ciśnienie bezwzględne, które jest miarą ciśnienia w stosunku do ciśnienia zerowego lub próżni. Pomiar uzyskany za pomocą czujnika ciśnienia bezwzględnego pozostaje taki sam niezależnie od miejsca pomiaru.

Ciśnienie różnicowe to różnica ciśnień pomiędzy dwoma różnymi punktami w układzie, którą często używa się do obliczania przepływu cieczy lub gazów w rurach.

Podciśnienie to miara ujemnego zakresu ciśnienia w porównaniu do ciśnienia otoczenia lub lokalnego ciśnienia atmosferycznego.

Wreszcie, ciśnienie złożone obejmuje pomiar zarówno dodatniego jak i ujemnego ciśnienia lub podciśnienia, zasadniczo łącząc ciśnienie manometryczne i podciśnienie.

Ilustracja 1: wizualizacja zależności pomiędzy różnymi typami pomiarów ciśnienia. (Źródło ilustracji: Same Sky)

Popularne technologie pomiaru ciśnienia

Początki wykrywania, zrozumienia i pomiaru ciśnienia sięgają pionierskich prac Galileusza z końca XVI w. i Torricellego z połowy XVII w. Rurkę Bourdona, czyli pierwszy manometr, wynaleziono w 1849 roku, a pierwsze przetworniki ciśnienia z wyjściem elektrycznym pojawiły się dopiero w roku 1930. Wraz z rozwojem technologii półprzewodnikowej wzrosła liczba różnych technologii wykorzystywanych do wykrywania tej podstawowej siły. Oto krótki przegląd podstawowych technologii pomiaru ciśnienia i ich zastosowań:

• Pojemnościowa: wykrywa zmiany pojemności elektrycznej spowodowane ciśnieniem zginającym membranę pomiędzy płytkami kondensatora.
• Indukcyjna: wykrywa niewielkie odchylenia membrany połączonej z rdzeniem magnetycznym, które powodują ruch liniowy w rdzeniu. Ten ruch zmienia prąd indukowany i jest przekształcany w sygnał elektryczny.
• Optyczna: wykorzystuje źródło światła, które jest stopniowo blokowane przez wzrost ciśnienia, oraz czujnik, który wytwarza sygnał proporcjonalny do zmiany światła. Czujniki światłowodowe mogą być również wykorzystywane do pomiaru zmian w ścieżce i fazie światła spowodowanych przez ciśnienie.
• Piezoelektryczna: materiał kwarcowy lub ceramiczny wytwarza zmienny ładunek elektryczny proporcjonalny do wielkości zewnętrznego nacisku. W technologii piezorezystywnej ciśnienie mierzy się wykorzystując zmianę rezystancji elektrycznej materiału podczas jego rozciągania.
• Potencjometryczna: wykorzystuje urządzenie oporowe (potencjometr) i ramię przesuwne połączone z rurką Bourdona. Ramię porusza się wraz ze zmianą ciśnienia, a potencjometr wytwarza sygnał względny zależny od poziomu siły.
• Rezonansowa: siła przyłożona do membrany z drgającym przewodem zmienia częstotliwość rezonansową przewodu, która jest przetwarzana na sygnał elektryczny.
• Tensometryczna: przekształca przyłożoną siłę (ciśnienie) w zmianę rezystancji elektrycznej, która zmienia się wraz z przyłożoną siłą. Rezystancję tę można następnie zmierzyć.

Typy czujników ciśnienia

Aby zrozumieć czujniki ciśnienia, ważne jest również zapoznanie się z różnymi ich typami dostępnymi do wykorzystania w projektach. Podstawowe typy przedstawiono poniżej:

• Czujniki membranowe: zawierają cienkie, elastyczne, okrągłe płytki metalowe, które odkształcają się pod wpływem ciśnienia.
• Czujniki uszczelnione: wykorzystują ciśnienie atmosferyczne na poziomie morza jako ciśnienie referencyjne.
• Czujniki półprzewodnikowe: nie posiadają elementów ruchomych, a do wykrywania ciśnienia wykorzystują półprzewodnikowy element przełączający, taki jak tranzystor polowy.
• Czujniki tensometryczne: mierzą rezystancję spowodowaną zmianą długości pod wpływem siły zewnętrznej i przetwarzają ją na sygnał elektryczny.
• Czujniki cienkowarstwowe: jak sama nazwa wskazuje, czujniki te wykorzystują cienką warstwę zawierającą elementy rezystywne, których rezystancja ulega zmianie wraz ze zmianą długości i grubości wywołaną przez ciśnienie.
• Czujniki podciśnieniowe: przeznaczone do pomiaru ciśnienia poniżej poziomu atmosferycznego. Zazwyczaj wykorzystują one technologię piezoelektryczną lub mierzą objętość gazu w danej przestrzeni.
• Czujniki z dopływem powietrza: mierzą ciśnienie w odniesieniu do ciśnienia atmosferycznego otoczenia.

Ilustracja 2: przykład czujnika ciśnienia wykorzystującego membranę piezoelektryczną. (Źródło ilustracji: Same Sky)

Końcowe rozważania dotyczące projektowania

Mając na uwadze wcześniejsze technologie, sposoby pomiaru i typy czujników ciśnienia, oto kilka ostatecznych kryteriów doboru, o których należy pamiętać przy określaniu czujnika ciśnienia dla konkretnego projektu. Pierwszym kluczowym parametrem jest zakres ciśnienia roboczego, który określa bezpieczny zakres ciśnienia, w którym urządzenie będzie działać zgodnie ze specyfikacją producenta. Innymi ważnymi czynnikami są: zakres temperatur roboczych, maksymalne ciśnienie wytrzymywane przez czujnik bez awarii oraz typ wyjścia (analogowe lub cyfrowe). Należy również uwzględnić poziom wyjściowy, dokładność i dryft, rozdzielczość, napięcie zasilania oraz czynniki środowiskowe, takie jak temperatura, wilgotność, ciśnienie, narażenie na działanie płynów, promieniowanie oraz fizyczną odległość między czujnikiem a urządzeniem odbiorczym. Wzięcie pod uwagę wszystkich wymienionych parametrów pozwoli wybrać odpowiedni czujnik ciśnienia do konkretnego zastosowania, który sprawdzi się w danych warunkach pracy i spełni wymagania dotyczące parametrów działania.

Podsumowanie

Z punktu widzenia inżynierów elektryków, ważne jest, aby zrozumieć, że pomiar ciśnienia i wykorzystanie tych danych do sterowania procesami oraz ich monitorowania ma znaczenie kluczowe w wielu gałęziach przemysłu, takich jak produkcja i opieka zdrowotna. Dokładne i niezawodne wykrywanie ciśnienia jest niezbędne dla zapewnienia odpowiedniej jakości i bezpieczeństwa produktów i usług. Dzięki postępowi technologicznemu czujniki ciśnienia są obecnie dostępne w różnych typach, technologiach, rozmiarach, z różnymi wyjściami i dokładnościami. Dobór właściwego czujnika ciśnienia do konkretnego zastosowania wymaga dokładnej analizy parametrów pracy, takich jak typ czujnika, zakres ciśnień, zakres temperatur, ciśnienie maksymalne, typ wyjścia, dokładność, rozdzielczość, napięcie zasilania i czynniki środowiskowe.

Na szczęście firma Same Sky oferuje linię piezoelektrycznych czujników ciśnienia, które pozwalają spełnić te wymagania. Czujniki te są dostępne w wielu typach z przeznaczeniem do różnych zakresów pracy, umożliwiając elastyczne i dokładne pomiary.