Úvod do tlakových senzorů

Tlakový senzor je elektronická součástka, která monitoruje nebo detekuje tlak (sílu) plynu nebo kapaliny a převádí tyto informace na elektrický signál použitelný k monitorování nebo regulaci této síly. Než se však začneme o tlakových senzorech bavit podrobněji, je vhodné začít s pár základními definicemi. Tlak je velikost síly, kterou plyn nebo kapalina působí na jednotku plochy povrchu. Vztah mezi tlakem (P), silou (F) a plochou (A) je dán rovnicí P=F/A. Tradiční jednotkou tlaku je Pascal, který je definovaný jako jeden Newton (N) na metr čtvereční. Tlak lze také popsat jako sílu potřebnou k zabránění rozpínání tekutiny.

Tlakové senzory se objevují v různých technologiích, které jsou popsány dále v tomto článku, a každá technologie nakonec určí, jak konkrétní tlakový senzor funguje. Ačkoli mnoho dnes dostupných tlakových senzorů lze použít pro celou řadu různých kapalin a plynů, některé kapaliny, které jsou viskóznější nebo hustší (papírová buničina, asfalt, ropa atd.), mohou vyžadovat přizpůsobené tlakové senzory. Přesto však existuje jeden typ tlakového senzoru vhodný pro téměř jakýkoli scénář.

Řešení nejasností v pojmenování

Na základní úrovni jsou tlakové senzory, tlakové převodníky a tlakové vysílače po stránce funkcí srovnatelné, a proto se tyto termíny často používají zaměnitelně. Hlavní rozdíly mezi nimi jsou však v jejich výstupních signálech.

Tlakový senzor snímá sílu tlaku a generuje výstupní signál, který odpovídá velikosti vyvíjené síly. Tlakový převodník převádí zjištěnou sílu na trvalý napěťový výstup (V), zatímco tlakový vysílač převádí zjištěnou sílu na proudový výstup (mA).

Při běžném použití mohou být tlakové senzory označovány pomocí různých termínů, jako jsou tlakové převodníky, tlakové vysílače, tlakové snímače, tlakové indikátory, piezometry a manometry. Bez ohledu na danou nomenklaturu jsou tato zařízení implementována pro sledování a regulaci tlaku v mnoha situacích a lze je použít i pro měření dalších veličin, jako je průtok kapalin/plynu, nadmořská výška a hladina vody.

Typy měření tlaku

V oblasti měření tlaku a tlakových senzorů existuje řada pojmů, kterým je třeba porozumět, aby byly zajištěny optimální výkon systému a maximální přesnost měření. Konkrétní typ tlakového senzoru používaného ve vaší aplikaci může tyto faktory významně ovlivnit, protože tlak se obvykle měří ve vztahu k referenční hodnotě, jako je atmosférický tlak na hladině moře.

Jedním z klíčových termínů je přetlak, což je měření tlaku ve vztahu k místnímu okolnímu nebo atmosférickému tlaku. Uvedený tlak je buď vyšší, nebo nižší než místní atmosférický tlak.

Dalším významným pojmem je absolutní tlak, což je měření tlaku vzhledem k referenční hodnotě nulového tlaku nebo vakua. Měření získané pomocí snímače absolutního tlaku zůstává stejné bez ohledu na místo, kde se měří.

Diferenční tlak se týká rozdílu tlaku mezi dvěma odlišnými body v systému a často se používá k výpočtu průtoku kapalin nebo plynů v potrubí.

Podtlak měří rozsah podtlaku ve srovnání s okolním nebo místním atmosférickým tlakem.

A kombinovaný tlak zahrnuje měření jak pozitivního, tak negativního tlaku nebo vakua – v podstatě kombinuje přetlak a podtlak.

Obrázek 1: Vyobrazení vztahu mezi rozmanitostí měření tlaku. (Zdroj obrázku: společnost Same Sky)

Běžné technologie měření tlaku

Počátky detekce tlaku, porozumění a měření lze vysledovat až k průkopnické práci Galilea na konci 16. století a Torricelliho v polovině 16. století. Bourdonova trubice, první tlakoměr, byl vynalezen v roce 1849 a teprve v roce 1930 byly představeny první elektrické převodníky výstupního tlaku. Se vzestupem polovodičové technologie se zvýšil počet různých technologií používaných k detekci této základní síly. Zde je stručný přehled primárních technologií měření tlaku a jejich aplikací:

• Kapacitní: detekuje změny elektrické kapacity způsobené tlakovým ohýbáním membrány mezi deskami kondenzátoru.
• Induktivní: detekuje nepatrné výchylky membrány spojené s magnetickým jádrem, které způsobuje lineární pohyb v jádru. Tento pohyb mění indukovaný proud a transformuje se na elektrický signál.
• Optický: využívá světelný zdroj, který je postupně blokován nárůstem tlaku, a senzor, který vytváří signál úměrný změně světla. K měření změn dráhy a fáze světla způsobených tlakem lze také použít senzory z optických vláken.
• Piezoelektrický: křemenný nebo keramický materiál generuje proměnný elektrický náboj úměrný velikosti stlačení, kterým na něj působí vnější tlak. Piezorezistivní technologie měří tlak pomocí změny elektrického odporu materiálu při jeho natahování.
• Potenciometrický: využívá odporové zařízení (potenciometr) a posuvné rameno připojené k Bourdonově trubici. Při změně tlaku se rameno pohybuje a potenciometr vytváří relativní signál na základě úrovně síly.
• Rezonanční: síla aplikovaná na membránu s vibrujícím drátem mění rezonanční frekvenci drátu, která se převádí na elektrický signál.
• Tenzometr: transformuje aplikovanou sílu (tlak) na změnu elektrického odporu, který kolísá s aplikovanou silou. Tento odpor pak lze změřit.

Typy snímačů tlaku

Pokud chceme porozumět tlakovým senzorům, je rovněž důležité prozkoumat různé typy dostupné pro použití v návrhu. Níže jsou v abecedním pořadí uvedeny základní typy:

• Membránové senzory: obsahují tenké, flexibilní, kruhové kovové desky, které se deformují pod tlakem.
• Utěsněné senzory: jako referenční tlak využívají atmosférický tlak na úrovni moře.
• Polovodičové senzory: tyto snímače, které nemají žádné pohyblivé části, používají ke snímání tlaku polovodičový spínací prvek, jako je unipolární tranzistor.
• Tenzometrické senzory: měří odpor způsobený změnou délky vlivem vnější síly a převádí ho na elektrický signál.
• Tenkovrstvé senzory: jak název napovídá, tyto senzory využívají tenkou vrstvu obsahující odporové prvky, které mění odpor v důsledku změn délky a tloušťky vyvolaných tlakem.
• Vakuové senzory: navržené pro měření tlaků, jež jsou pod atmosférickou úrovní. Obvykle využívají piezoelektrickou technologii nebo měří objem plynu v určitém prostoru.
• Odvětrávané senzory: měřit tlak vzhledem k okolnímu barometrickému tlaku.

Obrázek 2: Příklad tlakového senzoru využívajícího piezoelektrickou membránu. (Zdroj obrázku: společnost Same Sky)

Závěrečné úvahy k návrhům

S ohledem na předchozí technologie, měření a typy tlakových senzorů jsou zde uvedena některá konečná kritéria výběru, která je třeba mít na paměti při specifikaci snímače tlaku pro konkrétní konstrukci. Prvním klíčovým parametrem je rozsah provozního tlaku, který identifikuje bezpečný tlakový rozsah, ve kterém bude zařízení fungovat podle specifikace výrobce. Důležitými faktory jsou také rozsah pracovních teplot, maximální tlak, který snímač může tolerovat před poruchou, a typ výstupu (analogový/digitální). Zohlednit by se měly rovněž výstupní úroveň, přesnost a drift, rozlišení, napájecí napětí a faktory prostředí, jako je teplota, vlhkost, tlak, vystavení tekutinám, záření a fyzická vzdálenost mezi senzorem a jakýmkoli přijímacím zařízením. Zvážením všech těchto parametrů lze vybrat vhodný snímač tlaku pro konkrétní aplikaci, který splňuje nezbytné provozní podmínky a požadavky na výkon.

Závěr

Pro elektrotechnika je důležité pochopit, že měření tlaku a využití těchto dat pro řízení a monitorování procesů je zásadní v mnoha průmyslových odvětvích, jako jsou výroba a zdravotnictví. Přesné a spolehlivé snímání tlaku je nezbytné pro zajištění kvality a bezpečnosti produktů a služeb. S pokrokem v technologii jsou nyní tlakové senzory dostupné v různých typech, technologiích, velikostech, výkonech a přesnostech. Výběr správného tlakového senzoru pro konkrétní aplikaci vyžaduje pečlivé zvážení provozních parametrů, jako je typ senzoru, tlakový rozsah, teplotní rozsah, maximální tlak, typ výstupu, přesnost, rozlišení, napájecí napětí a faktory prostředí.

Společnost Same Sky naštěstí nabízí řadu tlakových senzorů na piezoelektrické bázi, které mohou tyto požadavky splnit. Její senzory jsou dostupné v různých typech tlaku a provozních rozsazích, což umožňuje flexibilní a přesná měření.