Bevezetés a nyomásérzékelők világába

A nyomásérzékelők olyan elektronikus alkatrészek, amelyek a gáz- vagy folyadéknyomást (erőt) figyelik vagy érzékelik, és ezt az adatot villamos jellé alakítják át, amely aztán az adott erő ellenőrzésére vagy szabályozására használható. A nyomásérzékelők ismertetésének további bevezetéseként érdemes azonban néhány alapvető meghatározással kezdeni. A nyomás a gáz vagy folyadék által egy felület egységnyi területére kifejtett erő nagysága. A nyomás (p), az erő (F) és a terület (A) közötti kapcsolatot a p = F/A egyenlet adja meg. A nyomás SI-mértékegysége a pascal (Pa), és 1 pascal 1 newton per négyzetméternek (N/m2) felel meg. A nyomás úgy is leírható, mint a folyadék tágulásának megakadályozásához szükséges erő.

A nyomásérzékelők különböző elveken működnek, amelyeket a cikk későbbi részében tárgyalunk, és az egyes működési elvek végső soron meghatározzák az adott nyomásérzékelő működésmódját. Bár sok ma kapható nyomásérzékelő a folyadékok és gázok széles skálájához használható, egyes viszkózusabb vagy sűrűbb folyadékok (papírpép, aszfalt, nyersolaj stb.) egyedi nyomásérzékelőket igényelhetnek. Mindazonáltal szinte minden anyaghoz létezik megfelelő nyomásérzékelő-típus.

A szóhasználatbeli zavarok tisztázása

Alapjában véve a nyomásérzékelők, a nyomásátalakítók és a nyomásadók funkciójukat tekintve hasonlóak, ezért ezeket a megnevezéseket gyakran csereszabatosként használják. A fő különbséget az eszközök kimenőjele jelenti.

A nyomásérzékelő érzékeli a nyomás nagyságát, és a nyomás által kifejtett erő nagyságának megfelelő kimenőjelet állít elő. Az érzékelt erőt a nyomásátalakító folyamatos kimenőfeszültséggé (V), míg a nyomásadó kimenőárammá (mA) alakítja át.

A köznyelvben a nyomásérzékelőkre számos megnevezést használnak, ilyen például a nyomásátalakító, a nyomásadó, a nyomásjeladó, a nyomásjelző, a piezoadó, a piezoelektromos adó, a feszmérő és a manométer. A használt megnevezéstől függetlenül ezeket a készülékeket számos készülékben használják a nyomás figyelésére és szabályozására, és más változóknak, például folyadék vagy gáz áramlásának, a magasságnak és a vízszintnek a mérésére is használhatók.

Nyomásmérésfajták

A nyomásmérés és a nyomásérzékelők területén sok olyan fogalom létezik, amelyet az optimális rendszerteljesítmény és a mérési pontosság biztosítása érdekében meg kell érteni. Az Ön készülékében használt nyomásérzékelő konkrét fajtája jelentősen befolyásolhatja ezeket a tényezőket, mivel a nyomást általában egy referenciaértékhez, például a tengerszint feletti légköri nyomáshoz viszonyítva mérik.

Az egyik legfontosabb fogalom a műszer szerinti nyomás, más néven manometrikus nyomás vagy túlnyomás, amely a helyi környezeti vagy légköri nyomáshoz viszonyított nyomásérték. A műszer szerinti nyomás lehet magasabb vagy alacsonyabb, mint a helyi légköri nyomás.

Egy másik fontos fogalom az abszolút nyomás, amely a nulla nyomáshoz vagy teljes vákuumhoz viszonyított nyomásérték. Az abszolútnyomás-érzékelővel mért érték a mérés helyétől függetlenül ugyanaz marad.

A nyomáskülönbség a rendszer két különböző pontja közötti nyomás különbségét jelenti. Ezt gyakran használják folyadékok vagy gázok csővezetéken belüli áramlási sebességének (mennyiségének) kiszámítására.

A vákuumnyomás a környezeti vagy helyi légköri nyomáshoz képest negatív nyomástartományt jelent.

Végezetül az összetett nyomás tartalmazza a pozitív és negatív nyomás vagy vákuum értékét – lényegében a műszer szerinti nyomás és a vákuumnyomás kombinációja.

1. ábra: A különböző nyomásértékek közötti kapcsolat szemléltetése (kép: Same Sky)

Gyakori nyomásmérési módszerek

A nyomás fogalmának megalkotása, érzékelése és mérése Galileinek az 1500-as évek végén és Torricellinek az 1600-as évek közepén végzett úttörő munkájára vezethető vissza . A Bourdon-csövet, az első nyomásmérő eszközt (más néven feszmérőt vagy manométert) 1849-ben találták fel, az első villamos kimenőjelet adó nyomásátalakítók pedig csak 1930-ban jelentek meg. A félvezetőtechnika fejlődésével aztán megugrott az ennek az alapvető erőnek a kimutatására használható különböző mérési módszerek száma. Az alábbiakban röviden áttekintjük az elsődleges nyomásmérési módszereket és használatukat:

• Kapacitív: a villamos kapacitásban bekövetkező változásokat érzékeli, amelyeket a kondenzátor lemezei között lévő membránt meghajlító nyomás okoz.
• Induktív: egy vasmaghoz kapcsolt membrán apró elmozdulásait érzékeli. A membrán a vasmag egyenes vonalú elmozdulását okozza. Ez az elmozdulás megváltoztatja az indukált áramot, így az érzékelő az elmozdulást villamos jellé alakítja át.
• Optikai: egy fényforrást használ, amelynek fénye útját a nyomás növekedése fokozatosan elzárja, és egy érzékelőt, amely a fény változásával arányos jelet állít elő. A száloptikai érzékelők a fény útja és fázisa nyomás okozta változásainak mérésére is használhatók.
• Piezoelektromos: egy kvarckristály vagy kerámiaanyag változó villamos töltést állít elő, amely arányos a rá gyakorolt külső nyomással. A piezorezisztív technika a nyomást az anyag villamos ellenállásának a nyújtás hatására bekövetkezett változását figyelve méri.
• Potenciométeres: egy változtatható ellenállást (potenciométert) használ, amelynek csúszkája egy Bourdon-csőhöz van kapcsolva. Ahogy a nyomás változik, a csúszkát mozgató kar mozog, és a potenciométer az erő mértéke alapján egy azzal arányos jelet állít elő.
• Rezonáns: egy rezgő huzallal ellátott membránra kifejtett erő megváltoztatja a huzal rezonanciafrekvenciáját, amelyet az eszköz villamos jellé alakít át.
• Nyúlásmérő: az érzékelő a rá ható erőt (nyomást) a villamos ellenállás változásává alakítja át, az ellenállás az érzékelőre ható erőnek megfelelően változik. Ezt az ellenállást ezután meg lehet mérni.

Nyomásérzékelő-fajták

A nyomásérzékelők megértéséhez az is fontos, hogy a különböző nyomásérzékelő-fajtákat áttekintsük. Az alábbiakban az alapvető nyomásérzékelő-fajtákat ismertetjük röviden:

• Membrános érzékelők: vékony, rugalmas, kör alakú fémlemezeket tartalmaznak, amelyek nyomás hatására deformálódnak.
• Zárt érzékelők: a tengerszint feletti légköri nyomást használják referencianyomásként.
• Félvezetős érzékelők: ezek az érzékelők nem tartalmaznak mozgó alkatrészeket, és félvezető kapcsolóelemet, például valamilyen térvezérelt tranzisztort (FET) használnak a nyomás érzékelésére.
• Nyúlásmérős érzékelők: a külső erő hatására bekövetkező hosszváltozás okozta ellenállás-változást mérik, és villamos jellé alakítják azt.
• Vékonyréteges érzékelők: ahogy a név is jelzi, ezek az érzékelők olyan ellenálláselemeket tartalmazó vékonyréteget használnak, amely a nyomás hatására bekövetkező hossz- és vastagságváltozásoknak megfelelően változtatja az ellenállását.
• Vákuumérzékelők: a légköri nyomásnál kisebb nyomás mérésére szolgálnak. Általában piezoelektromos technikát használnak, vagy egy adott térben lévő gáz mennyiségét mérik.
• Nyitott házú érzékelők: a környezeti légköri nyomáshoz viszonyított nyomást mérik.

2. ábra: Egy piezoelektromos membránt használó nyomásérzékelő rajza (kép: Same Sky)

Végső tervezési szempontok

Az előzőekben ismertetett nyomásérzékelési módszerek, mérési módok és fajták ismeretében a következő néhány végső kiválasztási szempontot kell átgondolni, amikor egy adott készülékhez választunk nyomásérzékelőt. Az első kulcsfontosságú paraméter az üzemi nyomástartomány, azaz az a biztonságos nyomástartomány, amelyben a készülék a gyártó által meghatározott módon működik. Az üzemi hőmérséklet-tartomány, az érzékelő által meghibásodás nélkül elviselt legnagyobb nyomás és a kimenőjel típusa (analóg/digitális) szintén fontos szempontok. Figyelembe kell venni a kimenő jelszintet, a pontosságot és az elsodródást, a felbontást, a tápfeszültséget és a környezeti tényezőket, amilyen például a hőmérséklet, a páratartalom, a nyomás, a folyadékoknak való kitettség, a sugárzás, valamint az érzékelő és a jelet fogadó eszköz közötti fizikai távolság. Mindezen paraméterek figyelembevételével ki lehet választani az adott felhasználásra alkalmas nyomásérzékelőt, amely megfelel a szükséges üzemi körülményeknek és teljesítménykövetelményeknek.

Összegzés

Villamosmérnökként fontos megérteni, hogy a nyomásmérés és az annak révén kapott adatok felhasználása a folyamatfigyeléshez és -szabályozáshoz számos területen létfontosságú, többek közt a gyáriparban és az egészségügyben. A pontos és megbízható nyomásérzékelés elengedhetetlen a termékek és szolgáltatások minőségének és biztonságának szavatolásához. A technika fejlődésével ma már különböző fajtájú, műszaki megoldású, méretű, kimenőjelű és pontosságú nyomásérzékelők állnak rendelkezésre. Hogy a megfelelő nyomásérzékelőt válasszuk egy adott készülékhez, gondosan mérlegelni kell az üzemi paramétereket, például az érzékelő fajtáját, nyomástartományát, hőmérséklet-tartományát, a legnagyobb nyomást, a kimenőjel típusát, a szükséges pontosságot, a felbontást, a tápfeszültséget és a környezeti tényezőket.

Szerencsére a Same Sky kínálatában találhatók olyan piezoalapú nyomásérzékelők, amelyek megfelelnek ezeknek a követelményeknek. Ezek az érzékelők többféle nyomásfajtához és működési tartománnyal kaphatóak, lehetővé téve a rugalmas és pontos méréseket.