En introduktion til tryksensorer

En tryksensor er en elektronisk komponent, der overvåger eller registrerer gas- eller væsketryk (kraft) og omdanner denne information til et elektrisk signal, der kan bruges til at overvåge eller regulere denne kraft. For at indlede en diskussion om tryksensorer er det imidlertid værd at starte med nogle grundlæggende definitioner. Tryk er størrelsen af den kraft, som en gas eller en væske udøver på en arealenhed af en overflade. Forholdet mellem tryk (P), kraft (F) og areal (A) er givet ved ligningen P=F/A. Den traditionelle enhed for tryk er Pascal, der defineres som en Newton (N) pr. kvadratmeter. Tryk kan også beskrives som den kraft, der er nødvendig for at hindre en væskes ekspansion.

Tryksensorer findes i en række forskellige teknologier, som behandles senere i denne artikel, og hver teknologi vil i sidste ende bestemme, hvordan en bestemt tryksensor fungerer. Selv om mange tryksensorer, der er tilgængelige i dag, kan bruges med en lang række væsker og gasser, kan nogle væsker, der er mere tyktflydende eller tykke (papirmasse, asfalt, råolie osv.), kræve tilpassede tryksensorer. Ikke desto mindre findes der en tryksensortype, der passer til næsten alle situationer.

Løsning af navneforvirring

På et grundlæggende niveau er tryksensorer, tryktransducere og tryktransmittere sammenlignelige med hensyn til funktion, og derfor anvendes udtrykkene ofte i flæng. De vigtigste forskelle mellem dem ligger dog i deres udgangssignaler.

En tryksensor registrerer trykstyrken og genererer et udgangssignal, der svarer til størrelsen af den udøvede kraft. En tryktransducer omdanner den registrerede kraft til en kontinuerlig spændingsudgang (V), mens en tryktransmitter omdanner den registrerede kraft til en strømudgang (mA).

I almindelig sprogbrug kan tryksensorer betegnes med en række forskellige udtryk, f.eks. tryktransducere, tryktransmittere, tryksendere, trykindikatorer, piezometre og manometre. Uanset den givne nomenklatur anvendes disse anordninger til overvågning og regulering af tryk i mange forskellige applikationer og kan også anvendes til måling af andre variabler, f.eks. væske-/gasflow, højde og vandstand.

Typer til trykmåling

Inden for trykmåling og tryksensorer er der en række termer, som skal forstås for at sikre optimal systemydelse og målepræcision. Den specifikke type tryksensor, der anvendes i din applikation, kan have stor indflydelse på disse faktorer, da tryk typisk måles i forhold til en reference, f.eks. atmosfærisk tryk på havniveau.

Et vigtigt begreb er manometertryk, som er en måling af trykket i forhold til det lokale omgivende eller atmosfæriske tryk. Det angivne tryk er enten højere eller lavere end det lokale atmosfæriske tryk.

Et andet vigtigt begreb er absolut tryk, som er trykmåling i forhold til en reference på nultryk eller vakuum. Den måling, der opnås ved hjælp af en absolut tryksensor, forbliver den samme, uanset hvor den måles.

Differenstryk er forskellen i tryk mellem to forskellige punkter i et system, som ofte bruges til at beregne flowet af væsker eller gasser i rør.

Vakuumtryk måler et negativt trykområde i forhold til det omgivende eller lokale atmosfæriske tryk.

Endelig omfatter sammensat tryk måling af både positivt og negativt tryk eller vakuum, hvilket i det væsentlige er en kombination af manometertryk og vakuumtryk.

Figur 1: Visualisering af forholdet mellem de forskellige trykmålinger. (Billedkilde: Same Sky)

Fælles teknologier til trykmåling

Oprindelsen af trykdetektion, -forståelse og -måling kan spores tilbage til Galileos pionerarbejde i slutningen af 1500-tallet og Torricellis pionerarbejde i midten af 1600-tallet. Bourdonrøret, den første trykmåler, blev opfundet i 1849, og det var først i 1930, at de første elektriske tryktransducere blev introduceret. Med fremkomsten af halvlederteknologi er antallet af forskellige teknologier, der anvendes til at detektere denne grundlæggende kraft, steget kraftigt. Her er en kort oversigt over de primære trykmålingsteknologier og deres anvendelsesområder:

• Kapacitiv: registrerer ændringer i den elektriske kapacitans, der skyldes tryk, som bøjer en membran mellem pladerne i en kondensator.
• Induktivt: registrerer små afbøjninger af en membran, der er forbundet med en magnetisk kerne, som forårsager en lineær bevægelse i kernen. Denne bevægelse varierer den inducerede strøm og omdannes til et elektrisk signal.
• Optisk: anvender en lyskilde, der gradvist blokeres ved en stigning i trykket, og en sensor, der producerer et signal, der er proportionalt med ændringen i lyset. Fiberoptiske sensorer kan også bruges til at måle ændringer i lysets vej og fase forårsaget af tryk.
• Piezoelektrisk: Et kvarts- eller keramisk materiale genererer en variabel elektrisk ladning, der er proportional med den mængde kompression, som det påføres ved et eksternt tryk. Piezoresistiv teknologi måler tryk ved at bruge ændringen i et materiales elektriske modstand, når det strækkes.
• Potentiometrisk: anvender en modstandsanordning (potentiometer) og en glidearm, der er forbundet til et Bourdon-rør. Når trykket ændres, bevæger armen sig, og potentiometeret giver et relativt signal baseret på kraftniveauet.
• Resonant: En kraft, der påføres en membran med en vibrerende ledning, ændrer ledningens resonansfrekvens, som omdannes til et elektrisk signal.
• Strækningsmåler: omdanner en påført kraft (tryk) til en ændring i den elektriske modstand, der svinger med den påførte kraft. Denne modstand kan derefter måles.

Typer af tryksensorer

For at forstå tryksensorer er det også vigtigt at gennemgå de forskellige typer, der er tilgængelige til brug i et design. Nedenfor er de grundlæggende typer angivet i alfabetisk rækkefølge:

• Membransensorer: omfatter tynde, fleksible, cirkulære metalplader, der deformeres under tryk.
• Forseglede sensorer: atmosfærisk tryk på havniveau anvendes som referencetryk.
• Faststofsensorer: Disse sensorer, der ikke har nogen bevægelige dele, anvender et halvlederomkoblingselement, f.eks. en felteffekttransistor, til at registrere tryk.
• Spændingsmålesensorer: modstanden forårsaget af en længdeændring som følge af en ydre kraft måles og omdannes til et elektrisk signal.
• Tyndfilmssensorer: Som navnet antyder, anvender disse sensorer en tynd film, der indeholder resistive elementer, som ændrer modstanden på grund af længde- og tykkelsesændringer, der fremkaldes af tryk.
• Vakuumsensorer: er beregnet til at måle tryk under atmosfærisk niveau. Typisk anvender de piezoelektrisk teknologi eller måler gasmængden i et bestemt rum.
• Ventilerede sensorer: måler trykket i forhold til det omgivende barometertryk.

Figur 2: Eksempel på en tryksensor, der anvender en piezoelektrisk membran. (Billedkilde: Same Sky)

Overvejelser om det endelige design

Med de tidligere tryksensorteknologier, -målinger og -typer i baghovedet er her nogle endelige udvælgelseskriterier, som du skal huske på, når du specificerer en tryksensor til et bestemt design. Den første nøgleparameter er driftstrykområdet, som angiver det sikre trykområde, inden for hvilket enheden vil fungere som angivet af producenten. Driftstemperaturområde, det maksimale tryk, som sensoren kan tåle, før den svigter, og udgangstype (analog/digital) er også vigtige overvejelser. Der bør også tages hensyn til udgangsniveau, nøjagtighed og drift, opløsning, forsyningsspænding og miljøfaktorer som temperatur, fugtighed, tryk, eksponering for væsker, stråling og fysisk afstand mellem sensoren og en eventuel modtagerenhed. Ved at tage hensyn til alle disse parametre kan der vælges en passende tryksensor til en specifik applikation, som opfylder de nødvendige driftsbetingelser og krav til ydeevne.

Konklusion

Som elektroingeniør er det vigtigt at forstå, at måling af tryk og udnyttelse af disse data til processtyring og overvågning er afgørende i mange industrier, f.eks. i fremstillingsindustrien og sundhedssektoren. Nøjagtig og pålidelig trykmåling er nødvendig for at sikre produkt- og servicekvalitet og sikkerhed. Med den teknologiske udvikling findes der nu tryksensorer i forskellige typer, teknologier, størrelser, udgange og nøjagtigheder. Valg af den rigtige tryksensor til en specifik applikation kræver nøje overvejelse af driftsparametre, f.eks. sensortype, trykområde, temperaturområde, maksimalt tryk, udgangstype, nøjagtighed, opløsning, forsyningsspænding og miljøfaktorer.

Heldigvis tilbyder Same Sky en serie af piezo-baserede tryksensorer, der kan opfylde disse krav. Deres sensorer fås i flere forskellige tryktyper og driftsområder, hvilket giver mulighed for fleksible og nøjagtige målinger.