Tecnologia e funzionamento dei sensori di pressione
Tecnologia e funzionamento dei sensori di pressione
Find out more about the function, structure, types and areas of application of pressure sensors
How does a pressure sensor work?
I sensori di pressione consentono soluzioni personalizzate per pressoché qualsiasi operazione nell’ambito della misurazione della pressione, in modo assolutamente accurato ed affidabile. Per la specifica del giusto prodotto occorre considerare le condizioni di installazione (frontale, non frontale), i requisiti specifici dell’applicazione (igienici, industriali) e le caratteristiche della sostanza.
Misurazione della pressione in riferimento al vuoto assoluto
Sensore ermetico senza compensazione relativa
Monitoraggio o controllo di processi fisici in base alla pressione assoluta, quale la pressione del vapore
Pressione relativa:
Misurazione della pressione in riferimento alla pressione atmosferica (pressione ambiente)
Sensore con compensazione relativa
Sensore “aperto“, con interfaccia per ambiente
Monitoraggio o controllo di processi fisici in base alle condizioni ambientali
Es. depressione: forza di tenuta con messa sottovuoto nella movimentazione di pezzi
Es. sovrapressione: misurazione del livello idrostatico in serbatoi ventilati
Range di misura combinato:
Misurazione della pressione differenziale o relativa nell’intervallo negativo (depressione) e positivo (sovrapressione)
Pressione differenziale:
Misurazione della differenza tra due potenziali di pressione
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.
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 all’applicazione 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 all’applicazione specifica.
I trasmettitori con tecnologia al silicio piezoresistiva si contraddistinguono per la loro elevata precisione di misura e stabilità a lungo termine. Il loro alloggiamento completamente saldato 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 un’altezza 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 dell’aria ambiente agisce come pressione di riferimento. In base al principio, è possibile solo la misurazione 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 la separazione del liquido. 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 misurazione rappresenta anche la membrana di separazione dal liquido. Non è necessario un liquido di trasmissione interno.
Lo strato di misurazione si trova tra una membrana a disco sottile in ceramica e un corpo base in ceramica. Lo spazio necessario per l’inflessione 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 la separazione del liquido. 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 misurazione 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 forti 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 misurazione della pressione relativa poiché la creazione di un vuoto sul retro delle membrane richiede un costo elevato a livello costruttivo.
Idoneità per applicazioni a gas
Pressione nei processi di sterilizzazione
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 un’installazione di dimensioni più grandi, il vapore caldo viene convogliato dall’impianto, 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 perlopiù analizzato durante il processo di sterilizzazione. Deve resistente alla temperatura presente, ad es. 134 °C e alla pressione, oltre 3 bar, per l’intervallo 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 in modo affidabile con l’ottenimento della temperatura richiesta.
Definizione degli intervalli di pressione
Definizione e contesti
Precisione: descrive il possibile scostamento di una singola misurazione 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 misurazione standard: tale dato si ottiene dall’impostazione minima di fabbrica (Best Fit Straight Line, BFSL) e descrive la precisione (circuito di dispersione).
Scostamento di misurazione massimo: contiene l’errore di misurazione standard e l’offset di un sensore.
Subordinazione alla temperatura
L’applicazione può discostarsi dalla temperatura di riferimento (es. 20 °C) al punto tale da dover considerare l’errore di misurazione standard o lo scostamento di misurazione massimo in modo differenziato.
Il “coefficiente di temperatura punto zero” (TKN) descrive la subordinazione alla temperatura del punto zero e quindi l’influenza sull’esattezza.
Il “coefficiente di temperatura intervallo” (TKS) descrive la subordinazione alla temperatura del range di misura e quindi l’influenza sulla precisione, anche l’errore di misurazione standard.
TKN e TKS insieme descrivono la subordinazione alla temperatura allo scostamento di misurazione massimo.
Subordinazione alla temperatura dello scostamento di misurazione max
Un sensore di pressione a temperatura stabile con un’esattezza iniziale più bassa è da preferirsi, in molti casi, a uno più instabile ma con un’esattezza iniziale più elevata se la temperatura di esercizio si discosta da quella di riferimento (es. 20 °C).
Indicazione dell’errore
Baumer specifica l’“indicazione dell’errore massimo” ovvero statisticamente il 99,7% dei sensori soddisfa le specifiche. I concorrenti forniscono, all’occorrenza, l’“indicazione dell’errore tipico” in cui il 32% dei prodotti non soddisfa le specifiche.
