Un sensore di pressione converte le variazioni di pressione meccanica di gas o liquidi in segnali elettrici. Le tipologie più comuni di sensori di pressione si basano sul principio piezoresistivo, capacitivo o piezoelettrico.
Come funziona un sensore di pressione?
Un sensore di pressione misura la pressione deformando una membrana di misura sotto l'effetto della pressione. Questa deformazione viene convertita in un segnale elettrico da varie tecnologie di sensori, elaborato e trasmesso a dispositivi esterni per il monitoraggio e il controllo dei processi dipendenti dalla pressione. La misurazione della pressione è una delle tecnologie più importanti e più utilizzate per il monitoraggio e il controllo di macchine e sistemi nella tecnologia di processo. Baumer offre un ampio portafoglio di sensori di pressione per una vasta gamma di applicazioni.
Un sensore di pressione è costituito da diversi componenti principali. La struttura di un sensore di pressione comprende una membrana di misura che si deforma al variare della pressione, un'area di assorbimento della pressione con un'apertura di ingresso, vari elementi del sensore (ad esempio piezoelettrici, capacitivi o piezoresistivi), un'unità di elaborazione del segnale per l'amplificazione e l'elaborazione dei segnali, un involucro protettivo e connessioni elettriche e meccaniche per il collegamento a dispositivi esterni. Questi componenti lavorano insieme per fornire misurazione di pressione accurate per varie applicazioni.
Fondamentalmente, esistono diversi tipi di sensori di pressione basati su principi diversi:
I sensori di pressione resistivi misurano la pressione modificando la resistenza elettrica quando un materiale è sottoposto a una sollecitazione meccanica.
I sensori di pressione piezoelettrici generano tensione elettrica attraverso lo spostamento di cariche in un materiale piezoelettrico quando viene applicata una pressione.
I sensori di pressione capacitivi rilevano la variazione di capacità di un condensatore causata dalla deformazione di una membrana.
I sensori di pressione induttivi misurano la pressione modificando l'induttanza di una bobina quando un nucleo magnetico o un diaframma si muove.
I sensori di pressione con elemento a effetto Hall utilizzano l'effetto Hall per misurare le variazioni di pressione.
I sensori di pressione MEMS utilizzano strutture micromeccaniche su un chip di silicio per misurare la pressione.
Baumer si è specializzata nei diffusissimi sensori di pressione resistivi e sensori di pressione piezoresistivi. Qui troverete i sensori di pressione di Baumer.
Tecnologie di misurazione della pressione
Pressione assoluta
La pressione assoluta è la pressione relativa al vuoto completo ed è quindi sempre positiva. Si misura in unità come Pascal (Pa), Bar o Psi (abs). La misurazione viene effettuata con sensori che utilizzano il vuoto come riferimento. I sensori più utilizzati sono i sensori MEMS, i sensori capacitivi e i sensori piezoresistivi, che utilizzano la deformazione di una membrana o la variazione delle proprietà elettriche per misurare la pressione.
Campi di applicazione tipici:
Monitoraggio o controllo di processi fisici in funzione della pressione assoluta, come la pressione del vapore in sterilizzatori o autoclavi
La pressione relativa viene misurata in relazione alla pressione atmosferica corrente e può assumere valori positivi o negativi. È specificato in unità come Pascal (Pa), Bar o Psi (gauge). I sensori di pressione relativa devono essere calibrati regolarmente e utilizzano varie tecnologie, come i sensori piezoelettrici e capacitivi, per convertire le differenze di pressione in segnali elettrici. Molti di questi sensori sono dotati di un foro di sfiato per il riferimento.
Forza di tenuta con messa sottovuoto nella movimentazione dei pezzi
Misurazione della pressione in sistemi idraulici o pneumatici
Pressione differenziale
La pressione differenziale è la differenza di pressione entro due punti del sistema e può assumere valori positivi o negativi. Si misura in Pascal (Pa), Bar o Psi e utilizza diverse tecnologie di sensori, come i sensori di pressione capacitivi e piezoelettrici. I sensori di pressione differenziale dipendono meno dalle condizioni ambientali esterne e richiedono una calibrazione regolare. La pressione differenziale può essere misurata anche con due sensori separati, elaborando i due segnali nell'unità di controllo per formare una pressione differenziale.
La modifica della resistenza specifica e quindi del segnale, si verifica nei materiali dei semiconduttori risultando dalla mobilità variabile degli elettroni nella struttura cristallina. La mobilità viene influenzata dalla sollecitazione meccanica. Una membra in acciaio inox (incapsulamento) consente la separazione tra la chip sensibile al silicio e il liquido di processo. Per la trasmissione interna della pressione serve un apposito liquido quale olio paraffinico o siliconico in base allapplicazione specifica.
La modifica della resistenza specifica e quindi del segnale, si verifica nei materiali dei semiconduttori risultando dalla mobilità variabile degli elettroni nella struttura cristallina. La mobilità viene influenzata dalla sollecitazione meccanica. Una membra in acciaio inox (incapsulamento) consente la separazione tra la chip sensibile al silicio e il liquido di processo. Per la trasmissione interna della pressione serve un apposito liquido quale olio paraffinico o siliconico in base allapplicazione specifica.
I trasmettitori con tecnologia al silicio piezoresistiva si contraddistinguono per la loro elevata precisione di misura e stabilità a lungo termine. La custodia completamente saldata li rende durevoli ed utilizzabili anche in ambiti Ex (ATEX).
I sensori di pressione risultano idonei anche per piccoli range di misura, in particolare per misurazioni del livello idrostatico a partire da unaltezza di 0,5 m.
Il corpo base è costituito da un monolito in ceramica, le resistenze vengono applicate sul retro delle sue membrane. Su questo lato la pressione dellaria ambiente agisce come pressione di riferimento. In base al principio, è possibile solo la misura della pressione relativa. Le celle di misurazione in ceramica si contraddistinguono per la loro ottima stabilità a lungo termine e resistenza alla corrosione. Poiché la ceramica non può essere saldata con il raccordo di processo, risulta necessaria una guarnizione per separare i fluidi. Nella tecnologia in ceramica a strato spesso, quattro resistenze vengono collegate a un ponte di Wheatstone. Al momento della pressurizzazione le resistenze subiscono la massima dilatazione al centro delle membrane e la massima compressione nei margini. Nelle celle in ceramica, la membrana di misura rappresenta anche la membrana di separazione dal liquido. Non è necessario un liquido di trasmissione interno.
Lo strato di misura si trova tra una membrana a disco sottile in ceramica e un corpo base in ceramica. Lo spazio necessario per linflessione delle membrane si ottiene dalla distanza appositamente creata. Il volume formatosi può essere ventilato o messo sottovuoto con la pressione ambiente, consentendo così la misurazione della pressione relativa o assoluta. Le celle di misurazione in ceramica si contraddistinguono per la loro ottima stabilità a lungo termine e resistenza alla corrosione. Poiché la ceramica non può essere saldata con il raccordo di processo, risulta necessaria una guarnizione per separare i fluidi. Nella tecnologia in ceramica a strato spesso, quattro resistenze vengono collegate a un ponte di Wheatstone. Al momento della pressurizzazione le resistenze subiscono la massima dilatazione al centro delle membrane e la massima compressione nei margini. Nelle celle a pellicola sottile, la membrana di misurazione rappresenta anche la membrana di separazione dal liquido. Non è necessario un liquido di trasmissione interno.
Il corpo base è realizzato in acciaio inox. La struttura della resistenza viene realizzata tramite fotolitografia. Le celle di misura a pellicola sottile si contraddistinguono per la loro eccezionale resistenza contro picchi di pressione e pressioni di scoppio. Anche pressioni estremamente elevate possono essere misurate in modo affidabile: anche con urti e vibrazioni. Nella tecnologia in metallo a pellicola sottile, quattro resistenze vengono collegate a un ponte di Wheatstone. Al momento della pressurizzazione le resistenze subiscono la massima dilatazione al centro delle membrane e la massima compressione nei margini. Nelle celle a pellicola sottile, la membrana di misurazione rappresenta anche la membrana di separazione dal liquido. Non è necessario un liquido di trasmissione interno. Generalmente, la tecnologia a pellicola sottile viene offerta solamente per la misura della pressione relativa poiché la creazione di un vuoto sul retro delle membrane richiede un costo elevato a livello costruttivo.
Influsso dalla temperatura e tolleranza alla temperatura
La precisione di un sensore di pressione è fortemente influenzata dalla temperatura ambiente e del fluido. La tolleranza di temperatura di ciascun sensore ne determina l'accuratezza a temperature diverse.
L'errore standard di misurazione e/o la deviazione massima di misurazione sono specificati in relazione a una temperatura di riferimento, che di solito è di 20 °C. Tuttavia, di solito un sensore non viene fatto funzionare a 20° C o a temperatura costante. Ciò ha un effetto corrispondente sull'errore standard di misurazione e sulla deviazione massima, che possono di conseguenza peggiorare.
Per le condizioni operative che si discostano dalla temperatura di riferimento (ad es. 20 °C), è necessario tenere conto dell'errore standard o massima del sensore. Un sensore di pressione stabile in temperatura con una precisione iniziale inferiore è in molti casi preferibile a un sensore di pressione instabile con una precisione superiore se la temperatura di esercizio si discosta dalla temperatura di riferimento (ad esempio, 20°C).
Subordinazione alla temperatura dello scostamento di misurazione max
Subordinazione alla temperatura e diversa precisione iniziale; blu: sensore di pressione Baumer altamente stabile, grigio: esempi di concorrenti di mercato, blu tratteggiato: sensore di pressione Baumer altamente stabile con precisione iniziale leggermente inferiore
Specifiche dellerrore
Baumer specifica "lerrore massimo ovvero statisticamente il 99,7% dei sensori soddisfa le specifiche. I concorrenti forniscono, alloccorrenza, lerrore tipico in cui il 32% dei prodotti non soddisfa le specifiche.
Qui potete trovare la nostra guida sul tema: "Interpretare correttamente le specifiche dei sensori di pressione"
Per la sterilizzazione di apparecchi ed impianti viene utilizzato il vapore caldo. Piccoli elementi, quale ad esempio un sensore (PBMH autoclavable), possono essere sterilizzati in una camera corrispondente (autoclave). In uninstallazione di dimensioni più grandi, il vapore caldo viene convogliato dallimpianto, tale processo prende il nome di Sterilization in place (SIP). Un sensore deve essere concepito in modo altrettanto robusto, anche se il suo segnale non viene analizzato durante il processo di sterilizzazione. Deve resistere alla temperatura presente, ad es. 134 °C e alla pressione, oltre 3 bar, per lintervallo di tempo corrispondente, ad es. 30 min. Pressione e temperatura sono direttamente collegate a livello fisico come viene riprodotto nella curva del vapore saturo.
Pressione del vapore saturo subordinata alla temperatura
Per il controllo del processo di sterilizzazione risultano ideali i sensori di pressione PBMx e PFMx di Baumer. Anche con rapidi sbalzi di temperatura, offrono valori accurati regolando così il processo tramite pressione, con lottenimento della temperatura richiesta.
Definizione degli intervalli di pressione
Definizione e contesti
Precisione: descrive il possibile scostamento di una singola misura dalla media di diverse misurazioni e può essere intesa come circuito di dispersione. Precisione elevata: circuito di dispersione piccolo, precisione bassa: circuito di dispersione grande.
Esattezza: descrive la distanza (offset) del valore medio di diverse misurazioni dal valore reale. Esattezza elevata: offset piccolo, esattezza bassa: offset grande.
Errore di misura standard: tale dato si ottiene dallimpostazione minima di fabbrica (Best Fit Straight Line, BFSL) e descrive la precisione (circuito di dispersione).
Scostamento di misura massimo: contiene lerrore di misura standard e loffset di un sensore.
Tabella di conversione
Le unità di misura della pressione più comuni sono i pascal (Pa), i millibar (mbar), i millimetri di colonna d'acqua (mmH₂O), le libbre per pollice quadrato (psi) e i torr, le cui conversioni sono riportate nella tabella seguente.
