Find out more about the function, structure, types and areas of application of pressure sensors
How does a pressure sensor work?
Czujniki ciśnienia umożliwiają indywidualne rozwiązania dla prawie każdego zadania w dziedzinie pomiaru ciśnienia absolutnie precyzyjne i niezawodne. Aby dobrać właściwy produkt, należy wziąć pod uwagę warunki montażu (równo z powierzchnią, nierówno z powierzchnią), wymagania dotyczące zastosowania (higieniczne, przemysłowe) oraz właściwości medium.
Monitorowanie lub sterowanie procesami fizycznymi w zależności od ciśnienia bezwzględnego, np. ciśnienia pary
Ciśnienie względne:
Pomiar ciśnienia w stosunku do ciśnienia atmosferycznego (ciśnienia otoczenia)
Czujnik z kompensacją względną
Czujnik otwarty, tzn. z interfejsem do otoczenia
Monitorowanie lub kontrolowanie procesów fizycznych w odniesieniu do warunków środowiskowych
Przykładem podciśnienie: siła trzymania generowana przez podciśnienie przy przenoszeniu detali
Przykładem nadciśnienie: hydrostatyczny pomiar poziomu napełnienia w zbiornikach wentylowanych
Kombinowany zakres pomiarowy:
Pomiar ciśnienia względnego lub różnicy ciśnień w zakresie ujemnym (ciśnienie ujemne) i dodatnim (ciśnienie dodatnie)
Różnica ciśnień:
Pomiar różnicy między dwoma potencjałami ciśnieniowymi
Structure and types of pressure sensors
Baumer pressure sensors basically work with two different pressure measurement methods. The method to be used depends on the intended use of the sensor.
Resistive pressure measurement: In resistive pressure measurement, the deformation of a thin metal body or a ceramic membrane leads to a change in electrical resistance. When the metal strip is stretched by pressure, it becomes longer and its electrical resistance increases. When the metal strip is compressed, its cross-sectional area increases and its electrical resistance decreases. The change in resistance is then recorded as an electrical signal and converted into pressure.
Piezoresistive pressure measurement: This principle is also based on the change in electrical resistance when a material is deformed. However, this measurement principle uses a piezoresistive material. This material has the property that the mechanical stress that occurs during deformation (stretching or compression) also causes a change in electrical conductivity. The change in resistance is greater than with resistive pressure measurement.
In addition to the types of pressure measurement and pressure sensors listed here, piezoelectric, capacitive and inductive pressure sensors are also mentioned, as well as vacuum pressure sensors, frequency analogue pressure sensors and pressure sensors with Hall element.
Zmiana rezystywności, a tym samym sygnału, wynika ze zmiennej ruchliwości elektronów w strukturze krystalicznej materiałów półprzewodnikowych. Na ruchliwość ma wpływ obciążenie mechaniczne. Membrana ze stali nierdzewnej (enkapsulacja) oddziela wrażliwy chip krzemowy od medium procesowego. Do przenoszenia ciśnienia wewnątrz, w zależności od zastosowania, jako płyn przekładniowy stosuje się olej parafinowy lub silikonowy.
Zmiana rezystywności, a tym samym sygnału, wynika ze zmiennej ruchliwości elektronów w strukturze krystalicznej materiałów półprzewodnikowych. Na ruchliwość ma wpływ obciążenie mechaniczne. Membrana ze stali nierdzewnej (enkapsulacja) oddziela wrażliwy chip krzemowy od medium procesowego. Do przenoszenia ciśnienia wewnątrz, w zależności od zastosowania, jako płyn przekładniowy stosuje się olej parafinowy lub silikonowy.
Przetworniki z piezorezystywną technologią krzemową charakteryzują się wysoką dokładnością pomiaru i długotrwałą stabilnością. Dzięki całkowicie spawanej obudowie są one trwałe i mogą być stosowane również w strefach Ex (ATEX).
Czujniki ciśnienia nadają się nawet do małych zakresów pomiarowych, szczególnie do hydrostatycznych pomiarów poziomu napełnienia od wysokości 0,5 m.
Podstawowy korpus składa się z ceramicznego monolitu z rezystorami nadrukowanymi na tylnej stronie membrany. Ciśnienie powietrza otoczenia działa po tej stronie jako ciśnienie odniesienia. Ze względu na zasadę działania, możliwy jest tylko pomiar ciśnienia względnego. Ceramiczne ogniwa pomiarowe charakteryzują się dobrą stabilnością długoterminową i odpornością na korozję. Ponieważ ceramika nie może być przyspawana do przyłącza procesowego, konieczne jest zastosowanie uszczelnienia w celu oddzielenia mediów. W ceramicznej technologii grubowarstwowej, cztery rezystory są połączone w mostek Wheatstonea. W środkowej części membrany rezystory ulegają największemu odkształceniu pod wpływem ciśnienia, a w obszarach brzegowych największemu ściśnięciu. W ogniwach ceramicznych membrana pomiarowa jest jednocześnie membraną oddzielającą medium. Nie jest potrzebny wewnętrzny płyn przekładniowy.
Warstwa pomiarowa znajduje się pomiędzy cienką ceramiczną płytą membranową a ceramicznym korpusem podstawowym. Luz niezbędny do ugięcia membrany jest tworzony przez celowo pozostawiony odstęp. Tak utworzona przestrzeń może być wentylowana lub ewakuowana ciśnieniem otoczenia, co umożliwia pomiar ciśnienia względnego lub bezwzględnego. Ceramiczne ogniwa pomiarowe charakteryzują się dobrą stabilnością długoterminową i odpornością na korozję. Ponieważ ceramika nie może być przyspawana do przyłącza procesowego, konieczne jest zastosowanie uszczelnienia w celu oddzielenia mediów. W ceramicznej technologii grubowarstwowej cztery rezystory są połączone w mostek Wheatstonea. W środkowej części membrany rezystory ulegają największemu odkształceniu pod wpływem ciśnienia, a w obszarach brzegowych największemu ściśnięciu. W ogniwach cienkowarstwowych membrana pomiarowa jest jednocześnie membraną oddzielającą od medium. Nie jest potrzebny wewnętrzny płyn przekładniowy.
Korpus podstawowy wykonany jest ze stali nierdzewnej. Struktura rezystywna jest tworzona metodą fotolitografii. Cienkowarstwowe ogniwa pomiarowe charakteryzują się doskonałą odpornością na skoki ciśnienia i ciśnienia rozrywające. Nawet bardzo wysokie ciśnienia mogą być mierzone w sposób niezawodny także przy dużych wstrząsach i wibracjach. W technologii cienkowarstwowej cztery rezystory są łączone w mostek Wheatstonea. W środkowej części membrany rezystory ulegają największemu odkształceniu pod wpływem ciśnienia, a w obszarach brzegowych największemu ściśnięciu. W ogniwach cienkowarstwowych membrana pomiarowa jest jednocześnie membraną oddzielającą od medium. Nie jest potrzebny wewnętrzny płyn przekładniowy. Z reguły technologia cienkowarstwowa oferowana jest tylko do pomiaru ciśnienia względnego, ponieważ wytworzenie próżni na tylnej stronie membrany jest bardzo trudnym do zrealizowania zabiegiem z przyczyn konstrukcyjnych.
Nadaje się do zastosowań gazowych
Ciśnienie podczas procesów sterylizacji
Gorąca para jest używana do sterylizacji urządzeń i sprzętu. Małe elementy, takie jak czujnik (autoklawowalny PBMH), mogą być sterylizowane w odpowiedniej komorze (autoklawie). W większych instalacjach gorąca para jest przepuszczana przez instalację, co nazywane jest sterylizacją na miejscu (SIP). Czujnik musi być zaprojektowany tak, aby był odpowiednio wytrzymały, chociaż jego sygnał nie jest zwykle przedmiotem oceny w procesie sterylizacji. Musi wytrzymać panującą temperaturę, np. 134°C, oraz ciśnienie, powyżej 3 barów, przez odpowiedni okres, np. 30 minut. Ciśnienie i temperatura są fizycznie bezpośrednio ze sobą sprzężone, co widać na krzywej pary nasyconej.
Ciśnienie pary nasyconej w zależności od temperatury
Czujniki ciśnienia Baumer PBMx i PFMx idealnie nadają się do kontroli procesu sterylizacji. Dostarczają dokładne wartości nawet przy gwałtownych zmianach temperatury, niezawodnie regulując w ten sposób proces w oparciu o ciśnienie. Efektem jest odpowiednia wymagana temperatura.
Definicja zakresów ciśnienia
Objaśnienie terminów i kontekstów
Precyzja: Opisuje możliwe odchylenie pojedynczego pomiaru od średniej z wielu pomiarów i może być rozumiana jako krąg rozproszenia. Wysoka precyzja: mały krąg rozproszenia, niska precyzja: duży krąg rozproszenia.
Dokładność: Opisuje odległość (przesunięcie) wartości średniej z wielu pomiarów od wartości rzeczywistej. Wysoka dokładność: małe przesunięcie, niska dokładność: duże przesunięcie.
Standardowy błąd pomiaru: Ta specyfikacja jest dokonywana poprzez ustawienie najmniejszej wartości (Best Fit Straight Line, BFSL) i opisuje precyzję (koło rozproszenia).
Maksymalna odchyłka pomiarowa: Obejmuje standardowy błąd pomiaru i przesunięcie czujnika.
Zależność od temperatury
Aplikacja może odbiegać od temperatury odniesienia (np. 20 °C), dlatego standardowy błąd pomiaru lub maksymalne odchylenie pomiaru muszą być rozpatrywane w różny sposób.
Współczynnik temperaturowy zera (TKN) opisuje zależność punktu zerowego od temperatury, a tym samym wpływ na dokładność pomiaru.
Współczynnik temperaturowy przedział (TKS) opisuje zależność zakresu pomiarowego od temperatury, a tym samym wpływ na precyzję, czyli standardowy błąd pomiaru.
TKN i TKS opisują razem zależność maksymalnej odchyłki pomiarowej od temperatury.
Zależność maksymalnej odchyłki pomiarowej od temperatury
Stabilny temperaturowo czujnik ciśnienia o niższej dokładności początkowej jest w wielu przypadkach korzystniejszy od bardziej niestabilnego czujnika o wyższej dokładności początkowej, gdy temperatura robocza odbiega od temperatury odniesienia (np. 20 °C).
Specyfikacja błędu
Baumer podaje specyfikację maksymalnego błędu, co oznacza, że statystycznie 99,7% czujników spełnia wymagania specyfikacji. Konkurenci podają niekiedy specyfikację typowego błędu, wobec której 32% produktów nie spełnia specyfikacji.
