Introduzione ai sensori di pressione

Un sensore di pressione è un componente elettronico che monitora o rileva la pressione (forza) di gas o liquidi e trasforma tali informazioni in un segnale elettrico che può essere utilizzato per monitorare o regolare tale forza. Per parlare dei sensori di pressione, tuttavia, è opportuno partire da alcune definizioni fondamentali. La pressione è la grandezza della forza esercitata da un gas o da un liquido su un'unità di superficie. La relazione tra la pressione (P), la forza (F) e l'area (A) è data dall'equazione P=F/A. L'unità di misura tradizionale della pressione è il Pascal, definito come un Newton (N) per metro quadrato. La pressione può anche essere descritta come la forza necessaria per impedire l'espansione di un fluido.

I sensori di pressione sono offerti in diverse tecnologie, che verranno discusse più avanti in questo articolo, ciascuna delle quali determinerà in ultima analisi il funzionamento di un determinato sensore di pressione. Sebbene molti dei sensori di pressione oggi disponibili possano essere utilizzati con un'ampia gamma di fluidi e gas, alcuni fluidi più viscosi o densi (pasta di carta, asfalto, petrolio greggio, ecc.) possono richiedere sensori di pressione personalizzati. Tuttavia, esiste un tipo di sensore di pressione adatto a quasi tutti gli scenari.

La confusione dei nomi

Al livello di base, i sensori di pressione, i trasduttori di pressione e i trasmettitori di pressione hanno funzioni analoghe e quindi i termini sono spesso utilizzati in modo intercambiabile. Tuttavia, le principali distinzioni riguardano i segnali di uscita.

Un sensore di pressione rileva la forza della pressione e genera un segnale di uscita che corrisponde all'entità della forza esercitata. Un trasduttore di pressione trasforma la forza rilevata in un'uscita di tensione continua (V), mentre un trasmettitore di pressione converte la forza rilevata in un'uscita di corrente (mA).

Nell'uso comune, i sensori di pressione possono essere indicati con diversi termini, come trasduttori di pressione, trasmettitori di pressione, indicatori di pressione, piezometri e manometri. Indipendentemente dalla nomenclatura, questi dispositivi sono utilizzati per il monitoraggio e la regolazione della pressione in numerose applicazioni e possono essere impiegati anche per misurare altre variabili, come il flusso di fluidi/gas, l'altitudine e il livello dell'acqua.

Tipi di misurazione della pressione

Nel campo della misurazione della pressione e dei sensori di pressione, esistono diversi termini da capire per garantire prestazioni ottimali del sistema e l'accuratezza della misurazione. Il tipo specifico di sensore di pressione utilizzato nell'applicazione può influire in modo significativo su questi fattori, poiché la pressione è tipicamente misurata in relazione a un riferimento, come la pressione atmosferica al livello del mare.

Un termine cruciale è la pressione manometrica, che è una misura della pressione rispetto alla pressione ambiente o atmosferica locale. La pressione indicata è superiore o inferiore alla pressione atmosferica locale.

Un altro termine significativo è quello di pressione assoluta, ovvero la misurazione della pressione rispetto a un riferimento di pressione zero o il vuoto. La misurazione ottenuta con un sensore di pressione assoluta rimane invariata indipendentemente dal punto in cui viene misurata.

La pressione differenziale si riferisce alla differenza di pressione tra due punti distinti di un sistema e viene spesso utilizzata per calcolare il flusso di liquidi o gas all'interno di tubi.

La pressione del vuoto misura un intervallo di pressione negativo rispetto alla pressione atmosferica locale o ambiente.

Infine, la pressione composta comporta la misurazione della pressione positiva e negativa o del vuoto, combinando essenzialmente la pressione relativa e la pressione di vuoto.

Figura 1: Visualizzazione della relazione tra le diverse misurazioni di pressione. (Immagine per gentile concessione di Same Sky)

Tecnologie comuni di misurazione della pressione

Le origini del rilevamento, della comprensione e della misurazione della pressione risalgono al lavoro pionieristico di Galileo alla fine del 1500 e di Torricelli a metà del 1600. Il tubo di Bourdon, il primo manometro, fu inventato nel 1849 e solo nel 1930 furono introdotti i primi trasduttori di pressione con uscita elettrica. Con l'avvento della tecnologia dei semiconduttori, il numero di tecnologie utilizzate per rilevare questa forza fondamentale è aumentato. Ecco una breve panoramica delle principali tecnologie di misurazione della pressione e delle loro applicazioni:

• Capacitiva: rileva le alterazioni della capacità elettrica causate dalla pressione che flette un diaframma tra le piastre di un condensatore.
• Induttiva: rileva minime deflessioni di un diaframma collegato a un nucleo magnetico che provoca un movimento lineare nel nucleo. Questo movimento fa variare la corrente indotta e viene trasformato in un segnale elettrico.
• Ottica: utilizza una sorgente luminosa che viene gradualmente bloccata da un aumento di pressione e un sensore che produce un segnale proporzionale alla variazione della luce. I sensori a fibre ottiche possono essere utilizzati anche per misurare le variazioni del percorso e della fase della luce causate dalla pressione.
• Piezoelettrica: un materiale di quarzo o ceramica genera una carica elettrica variabile proporzionale alla quantità di compressione applicata da una pressione esterna. La tecnologia piezoresistiva misura la pressione utilizzando la variazione della resistenza elettrica di un materiale quando viene stirato.
• Potenziometrica: utilizza un dispositivo di resistenza (potenziometro) e un braccio scorrevole collegato a un tubo di Bourdon. Al variare della pressione, il braccio si muove e il potenziometro produce un segnale relativo in base al livello di forza.
• Risonante: la forza applicata a un diaframma con un filo vibrante altera la frequenza di risonanza del filo, che viene convertita in un segnale elettrico.
• Estensimetrica: trasforma una forza applicata (pressione) in una variazione della resistenza elettrica che fluttua con la forza applicata. Questa resistenza può quindi essere misurata con un estensimetro.

Tipi di sensori di pressione

Per comprendere i sensori di pressione, è importante anche esaminare i diversi tipi disponibili per l'uso in un progetto. Di seguito sono riportati i tipi di base:

• Sensori a diaframma: incorporano sottili piastre metalliche circolari e flessibili che si deformano sotto pressione.
• Sensori sigillati: utilizzano la pressione atmosferica al livello del mare come pressione di riferimento.
• Sensori a stato solido: privi di parti mobili, questi sensori utilizzano un elemento di commutazione a semiconduttore, come un transistor a effetto di campo, per rilevare la pressione.
• Sensori a estensimetro: la resistenza causata da una variazione di lunghezza dovuta a una forza esterna viene misurata e convertita in un segnale elettrico.
• Sensori a film sottile: utilizzano un film sottile contenente elementi resistivi che modificano la resistenza a causa delle variazioni di lunghezza e spessore indotte dalla pressione.
• Sensori di vuoto: progettati per misurare pressioni inferiori ai livelli atmosferici. In genere, utilizzano la tecnologia piezoelettrica o misurano il volume di gas in un determinato spazio.
• Sensori aerati: misurano la pressione rispetto alla pressione barometrica ambientale.

Figura 2: Esempio di sensore di pressione che utilizza un diaframma piezoelettrico. (Immagine per gentile concessione di Same Sky)

Considerazioni progettuali finali

Tenendo conto delle tecnologie, delle misurazioni e dei tipi di sensori di pressione precedenti, ecco alcuni criteri di selezione da tenere a mente quando si specifica un sensore di pressione per un progetto particolare. Il primo parametro chiave è l'intervallo della pressione di esercizio, che identifica l'intervallo di pressione sicuro in cui il dispositivo funzionerà come specificato dal produttore. Anche l'intervallo della temperatura di funzionamento, la pressione massima che il sensore può tollerare prima di guastarsi e il tipo di uscita (analogica/digitale) sono considerazioni importanti. Occorre inoltre tenere conto del livello di uscita, dell'accuratezza e della deriva, della risoluzione, della tensione di alimentazione e di fattori ambientali quali la temperatura, l'umidità, la pressione, l'esposizione a fluidi, le radiazioni e la distanza fisica tra il sensore ed eventuali dispositivi riceventi. Prendendo in considerazione tutti questi parametri, è possibile selezionare un sensore di pressione appropriato per un'applicazione specifica che soddisfi le condizioni operative e i requisiti prestazionali necessari.

Conclusione

In qualità di ingegnere elettrico, è importante capire che la misurazione della pressione e l'utilizzo di tali dati per il controllo e il monitoraggio dei processi è fondamentale in molti settori, come quello manifatturiero e sanitario. Il rilevamento preciso e affidabile della pressione è necessario per garantire la qualità e la sicurezza dei prodotti e dei servizi. Con i progressi della tecnologia, i sensori di pressione sono oggi disponibili in vari tipi, tecnologie, dimensioni, uscite e precisioni. La scelta del giusto sensore di pressione per un'applicazione specifica richiede un'attenta considerazione dei parametri operativi, come il tipo di sensore, l'intervallo di pressione, l'intervallo di temperatura, la pressione massima, il tipo di uscita, la precisione, la risoluzione, la tensione di alimentazione e i fattori ambientali.

Fortunatamente, Same Sky offre una linea di sensori di pressione piezoelettrici in grado di soddisfare questi requisiti. I sensori sono disponibili in diversi tipi di pressione e intervalli di funzionamento, per consentire misurazioni flessibili e accurate.