En introduktion till tryckgivare

En tryckgivare är en elektronisk komponent som övervakar eller upptäcker gas- eller vätsketryck (kraft) och omvandlar informationen till en elektrisk signal som kan användas för att övervaka eller reglera kraften. För att kunna ha en diskussion om tryckgivare är det dock viktigt att börja med några grundläggande definitioner. Tryck är den mängd kraft som en gas eller vätska utövar på en areaenhet. Förhållandet mellan tryck (P), kraft (F) och area (A) definieras av ekvationen P=F/A. Den traditionella enheten för tryck är Pascal, som definieras som en Newton (N) per kvadratmeter. Tryck kan även beskrivas som den kraft som krävs för att hindra expansion av vätska.

Tryckgivare finns i en mängd olika teknologier, vilka diskuteras senare i artikeln, och varje teknologi avgör slutligen hur en specifik tryckgivare fungerar. De flesta tryckgivare som är tillgängliga idag kan användas med en stor mängd vätskor och gaser, men för mer tjockflytande eller tröga vätskor (pappersmassa, asfalt, råolja etc.) kan anpassningar av tryckgivarna behövas. Det finns dock en tryckgivare som lämpar sig för nästan alla scenarier.

Hantera namnförvirringen

På en grundläggande nivå är tryckgivare, tryckgivare med spänningsutgång och tryckgivare med strömutgång jämförbara i sin funktion, och därför används termerna ofta synonymt. De huvudsakliga skillnaderna mellan dem ligger dock i deras utsignal.

En tryckgivare känner av tryckkraften och genererar en utsignal som motsvarar storleken på den utövade kraften. En tryckomvandlare omvandlar den konstaterade kraften till en kontinuerlig spänningsutgång (V), medan en tryckgivare med strömutgång omvandlar den upptäckta kraften till ström (mA).

I vardaglig användning kan tryckgivare benämnas med en mängd olika termer, t.ex. tryckomvandlare, tryckgivare, tryckindikator, piezometer och manometer. Oavsett terminologin används dessa anordningar för övervakning och reglering av tryck i många olika tillämpningar och de kan även användas för att mäta andra variabler, t.ex. flödet av vätska/gas, höjd och vattennivå.

Exempel på tryckmätning

När det gäller tryckmätning och tryckgivare finns det en mängd olika villkor som man måste känna till för att garantera optimal systemprestanda och mätnoggrannhet. Den specifika typen av tryckgivare som används i din tillämpning kan påverka dessa faktorer avsevärt, eftersom tryck vanligtvis mäts i förhållande till en referens, som t.ex. atmosfärtryck vid havsnivå.

Ett viktigt begrepp är mättryck som är ett mått på trycket i förhållande till det lokala, omgivande trycket eller atmosfärtrycket. Det angivna trycket är antingen högre eller lägre än det lokala atmosfärtrycket.

Ett annat viktigt begrepp är absolut tryck som är en tryckmätning i förhållande till en referens av nolltryck eller vakuum. Mätningen som erhålls med hjälp av en givare för absolut tryck förblir densamma oavsett var den mäts.

Differentialtryck avser skillnaden i tryck mellan två olika punkter i ett system, vilket ofta används för att beräkna flödet av vätskor eller gaser i rör.

Vakuumtryck mäter ett negativt tryckområde i förhållande till det omgivande eller lokala atmosfärtrycket.

Slutligen är sammansatt tryck måttet på både positivt- och negativt tryck eller vakuum, vilket i huvudsak innebär en kombination av mättryck och vakuumtryck.

Figur 1: Visualisering av förhållandet mellan olika tryckmätningar. (Bildkälla: Same Sky)

Vanliga teknologier för tryckmätning

Ursprunget till detektering, förståelse och mätning av tryck kan spåras tillbaka till Galileos pionjärarbete i slutet av 1500-talet och Torricellis i mitten av 1600-talet. Bourdonröret, den första tryckmätaren, uppfanns 1849, och det dröjde ända till 1930 innan de första tryckgivarna med elektrisk utgång introducerades. I och med utvecklingen av halvledartekniken har antalet olika tekniker som används för att upptäcka denna grundläggande kraft ökat kraftigt. Här följer en kort översikt över de grundläggande teknologierna för mätning av tryck och deras tillämpningar:

• Kapacitiv: detekterar förändringar i den elektriska kapacitansen som orsakas av att trycket böjer ett membran mellan plattorna i en kondensator.
• Induktiv: detekterar små avböjningar av ett membran som är kopplat till en magnetisk kärna som i sin tur orsakar en linjär rörelse i kärnan. Denna rörelse varierar den inducerade strömmen och omvandlas till en elektrisk signal.
• Optisk: använder en ljuskälla som gradvis blockeras av ett ökat tryck och en givare som producerar en signal som är proportionell mot ljusförändringen. Fiberoptiska givare kan också användas för att mäta förändringar i ljusets riktning och fas som orsakas av tryck.
• Piezoelektrisk: ett material av kvarts eller keramik som genererar en varierande elektrisk laddning som är proportionell mot den kompression som det utsätts för genom ett yttre tryck. Piezoresistiv teknik mäter trycket genom att använda förändringen av den elektriska resistansen hos ett material när det sträcks ut.
• Potentiometrisk: använder en potentiometer och en glidarm som är ansluten till ett Bourdonrör. När trycket förändras rör sig armen och en relativ signal produceras av potentiometern baserat på kraftnivån.
• Resonans: en kraft som appliceras på ett membran med en vibrerande tråd ändrar trådens resonansfrekvens, som i sin tur omvandlas till en elektrisk signal.
• Töjningsmätare: omvandlar en tillförd kraft (tryck) till en förändring av den elektriska resistansen som varierar med den tillförda kraften. Resistansen kan sedan mätas.

Olika modeller av tryckgivare

För att förstå tryckgivare är det också viktigt att granska de olika varianter som kan användas i en konstruktion. Nedan följer de grundläggande varianterna.

• Membrangivare: innehåller tunna, flexibla, cirkulära metallplattor som deformeras under tryck.
• Förseglade givare: använder atmosfärtryck vid havsnivå som referenstryck.
• Solid-state givare: givarna har inga rörliga delar och använder ett omkopplingselement med halvledare, som t.ex. en fälteffekttransistor, för att känna av trycket.
• Givare med töjningsmätare: resistansen som orsakas av en förändring av längden tack vare en yttre kraft. mäts och omvandlas till en elektrisk signal.
• Tunnfilmsgivare: som namnet antyder använder dessa sensorer en tunn film som innehåller resistiva element som ändrar resistansen tack vare förändringar i längd och tjocklek orsakade av tryck.
• Vakuumgivare: de är utformade för att mäta tryck som ligger under atmosfäriska nivåer. Normalt använder de en piezoelektrisk teknik eller mäter gasvolymen i ett visst utrymme.
• Ventilerade givare: mäter trycket i förhållande till det omgivande barometriska trycket.

Figur 2: Exempel på en tryckgivare som använder ett piezoelektriskt membran. (Bildkälla: Same Sky)

Slutgiltiga överväganden vid konstruktion

Med de tidigare nämnda tryckgivarteknikerna, mätningarna och modellerna i åtanke finns här några avslutande urvalskriterier som du bör tänka på när du specificerar en tryckgivare för en viss konstruktion. Den första viktiga parametern är driftstryckområdet som anger det säkra tryckområde inom vilket anordningen fungerar i enlighet med tillverkarens specifikationer. Drifttemperaturområde, det högsta tryck som givaren kan utstå innan den går sönder samt typ av utgång (analog/digital) är också en viktig faktor att ta i beaktande. Man bör även ta hänsyn till utgångsnivå, noggrannhet och avdrift, upplösning, matningsspänning och miljöfaktorer som t.ex. temperatur, fuktighet, tryck, exponering för vätskor, strålning och fysiskt avstånd mellan sensorn och en mottagande enhet. Genom att ta hänsyn till alla dessa parametrar kan en lämplig tryckgivare väljas som uppfyller nödvändiga driftsförhållanden och prestandakrav för en viss tillämpning.

Sammanfattning

Som elektronikingenjör är det viktigt att förstå att mätning av tryck och användniningen av denna information inom processtyrning och övervakning är avgörande i många branscher, som t.ex. inom tillverkningsindustri och hälso- och sjukvård. Noggrann och tillförlitlig tryckmätning är nödvändig för att säkerställa produkt- och servicekvalitet samt säkerhet. I och med den tekniska utvecklingen finns det nu tryckgivare av olika typer, teknologier, storlekar, utgångar och noggrannheter. För att välja rätt tryckgivare för en viss tillämpning krävs noggranna överväganden av driftsparametrar, t.ex. givartyp, tryckområde, temperaturområde, maximalt tryck, typ av utgång, noggrannhet, upplösning, matningsspänning och miljöfaktorer.

Lyckligtvis har Same Sky en serie piezo-baserade tryckgivare som kan uppfylla dessa krav. Deras givare finns i flera olika modeller och driftsområden, vilket möjliggör flexibla och exakta mätningar.