Een inleiding tot druksensors

Een druksensor is een elektronische component die gas- of vloeistofdruk (kracht) controleert of detecteert en die informatie omzet in een elektrisch signaal dat kan worden gebruikt om die kracht te controleren of te regelen. Om een discussie over druksensors op gang te brengen is het echter de moeite waard te beginnen met enkele fundamentele definities. Druk is de grootte van de kracht die door een gas of een vloeistof wordt uitgeoefend op een oppervlakte-eenheid. Het verband tussen druk (P), kracht (F) en oppervlakte (A) wordt gegeven door de vergelijking P = F/A. De traditionele eenheid van druk is de Pascal, gedefinieerd als één Newton (N) per vierkante meter. Druk kan ook worden omschreven als de kracht die nodig is om de uitzetting van een vloeistof te belemmeren.

Druksensors zijn er in verschillende technologieën, die verderop in dit artikel worden besproken, en elke technologie bepaalt uiteindelijk hoe een bepaalde druksensor werkt. Hoewel veel van de tegenwoordig beschikbare druksensoren kunnen worden gebruikt voor een breed scala van vloeistoffen en gassen, kunnen sommige vloeistoffen die viskeuzer of dikker zijn (papierpulp, asfalt, ruwe olie, enz.) aangepaste druksensors vereisen. Toch is er voor bijna elk scenario een geschikt type druksensor.

Aanpak van naamsverwarring

Op een fundamenteel niveau zijn druksensors, drukomvormers en druktransmitters qua functie vergelijkbaar, en daarom worden de termen vaak door elkaar gebruikt. Zij onderscheiden zich echter vooral in hun uitgangssignalen.

Een druksensor neemt de drukkracht waar en genereert een uitgangssignaal dat overeenkomt met de grootte van de uitgeoefende kracht. Een drukomvormer zet de gedetecteerde kracht om in een continue spanningsuitgang (V), terwijl een druktransmitter de gedetecteerde kracht omzet in een stroomuitgang (mA).

In het algemeen kunnen druksensors worden aangeduid met verschillende termen, zoals drukomzetters, druktransmitters, drukzenders, drukindicators, piëzometers en manometers. Ongeacht de gegeven nomenclatuur worden deze apparaten gebruikt voor het bewaken en regelen van de druk in talrijke toepassingen, en kunnen zij ook worden gebruikt voor het meten van andere variabelen, zoals vloeistof-/gasstroom, hoogte en waterniveau.

Typen drukmetingen

Op het gebied van drukmeting en druksensors zijn er verschillende termen die moeten worden begrepen om optimale systeemprestaties en meetnauwkeurigheid te garanderen. Het specifieke type druksensor dat in uw toepassing wordt gebruikt, kan deze factoren aanzienlijk beïnvloeden, aangezien de druk gewoonlijk wordt gemeten ten opzichte van een referentie, zoals de atmosferische druk op zeeniveau.

Een cruciale term is overdruk, een drukmeting ten opzichte van de plaatselijke omgevings- of atmosferische druk. De aangegeven druk is hoger of lager dan de plaatselijke atmosferische druk.

Een andere belangrijke term is absolute druk, dat is drukmeting ten opzichte van een referentie van nuldruk of vacuüm. De meting met een absolute druksensor blijft dezelfde, ongeacht de plaats waar wordt gemeten.

Drukverschil is het verschil in druk tussen twee verschillende punten in een systeem, dat vaak wordt gebruikt om het debiet van vloeistoffen of gassen in leidingen te berekenen.

Vacuümdruk meet een negatief drukbereik ten opzichte van de omgevingsdruk of de plaatselijke atmosferische druk.

Samengestelde druk tenslotte is de meting van zowel positieve als negatieve druk of vacuüm, in wezen een combinatie van overdruk en vacuümdruk.

Afbeelding 1: Visualisering van het verband tussen de verschillende drukmetingen. (Bron afbeelding: Same Sky)

Gemeenschappelijke technologieën voor drukmeting

De oorsprong van drukdetectie, -begrip en -meting gaat terug tot het pionierswerk van Galileo eind 1500 en Torricelli midden 1600. De Bourdonbuis, de eerste drukmeter, werd uitgevonden in 1849, en pas in 1930 werden de eerste elektrische drukopnemers geïntroduceerd. Met de opkomst van de halfgeleidertechnologie is het aantal verschillende technologieën dat wordt gebruikt om deze fundamentele kracht te detecteren sterk toegenomen. Hier volgt een kort overzicht van de voornaamste drukmetingstechnologieën en hun toepassingen:

• Capacitief: detecteert veranderingen in elektrische capaciteit veroorzaakt door druk die een membraan tussen de platen van een condensator buigt.
• Inductief: detecteert minieme vervormingen van een membraan dat verbonden is met een magnetische kern die een lineaire beweging in de kern veroorzaakt. Deze beweging varieert de geïnduceerde stroom en wordt omgezet in een elektrisch signaal.
• Optisch: maakt gebruik van een lichtbron die geleidelijk wordt geblokkeerd door een drukverhoging en een sensor die een signaal produceert dat evenredig is met de verandering in het licht. Vezeloptische sensors kunnen ook worden gebruikt om veranderingen in het pad en de fase van het licht, veroorzaakt door druk, te meten.
• Piëzo-elektrisch: een kwarts of keramisch materiaal genereert een variabele elektrische lading die evenredig is met de hoeveelheid druk die erop wordt uitgeoefend door een externe druk. Piëzoresistieve technologie meet druk door gebruik te maken van de verandering in elektrische weerstand van een materiaal wanneer het wordt uitgerekt.
• Potentiometrisch: maakt gebruik van een weerstandsapparaat (potentiometer) en een schuifarm verbonden met een Bourdonbuis. Als de druk verandert, beweegt de arm, en de potentiometer produceert een relatief signaal op basis van het krachtniveau.
• Resonant: Kracht uitgeoefend op een membraan met een trillende draad verandert de resonantiefrequentie van de draad, die wordt omgezet in een elektrisch signaal.
• Spanningsmeter: zet een toegepaste kracht (druk) om in een verandering van de elektrische weerstand die fluctueert met de toegepaste kracht. Deze weerstand kan dan worden gemeten.

Typen druksensors

Om druksensors te begrijpen, is het ook belangrijk om de verschillende types te bekijken die beschikbaar zijn voor gebruik in een ontwerp. Hieronder staan de basistypes, in alfabetische volgorde:

• Membraansensors: bevatten dunne, flexibele, ronde metalen platen die onder druk vervormen.
• Verzegelde sensors: gebruiken de atmosferische druk op zeeniveau als referentiedruk.
• Solid-state-sensors: zonder bewegende delen maken deze sensoren gebruik van een halfgeleiderschakelelement, zoals een veldeffecttransistor, om de druk te meten.
• Spanningsmetersensors: de weerstand veroorzaakt door een verandering in lengte als gevolg van een externe kracht wordt gemeten en omgezet in een elektrisch signaal.
• Dunne-filmsensors: zoals de naam al aangeeft, maken deze sensoren gebruik van een dunne film met weerstandselementen die van weerstand veranderen door veranderingen in lengte en dikte als gevolg van druk.
• Vacuümsensors: ontworpen voor het meten van drukken onder atmosferisch niveau. Gewoonlijk maken zij gebruik van piëzo-elektrische technologie of meten zij het gasvolume in een bepaalde ruimte.
• Geventileerde sensors: meten de druk ten opzichte van de barometrische omgevingsdruk.

Afbeelding 2: Voorbeeld van een druksensor met een piëzo-elektrisch membraan. (Bron afbeelding: Same Sky)

Definitieve ontwerpoverwegingen

Met de voorgaande druksensortechnologieën, -metingen en -typen in gedachten, volgen hier enkele definitieve selectiecriteria waarmee rekening moet worden gehouden bij het specificeren van een druksensor voor een bepaald ontwerp. De eerste belangrijke parameter is het werkdrukbereik, dat het veilige drukbereik aangeeft waarbinnen het apparaat volgens de specificaties van de fabrikant zal functioneren. Het bedrijfstemperatuurbereik, de maximale druk die de sensor kan verdragen voordat hij defect raakt, en het type uitgang (analoog/digitaal) zijn ook belangrijke overwegingen. Uitgangsniveau, nauwkeurigheid en verloop, resolutie, voedingsspanning, en omgevingsfactoren zoals temperatuur, vochtigheid, druk, blootstelling aan vloeistoffen, straling, en fysieke afstand tussen de sensor en een ontvangend apparaat moeten ook in aanmerking worden genomen. Door met al deze parameters rekening te houden, kan voor een specifieke toepassing een geschikte druksensor worden gekozen die voldoet aan de noodzakelijke bedrijfsomstandigheden en prestatie-eisen.

Conclusie

Als elektrotechnisch ingenieur is het belangrijk te begrijpen dat het meten van druk en het gebruik van die gegevens voor procescontrole en -bewaking cruciaal is in veel industrieën, zoals de verwerkende industrie en de gezondheidszorg. Nauwkeurige en betrouwbare drukmeting is noodzakelijk om de kwaliteit en veiligheid van producten en diensten te waarborgen. Door de technologische vooruitgang zijn druksensoren nu verkrijgbaar in verschillende types, technologieën, maten, uitgangen en nauwkeurigheden. Het kiezen van de juiste druksensor voor een specifieke toepassing vereist een zorgvuldige afweging van bedrijfsparameters, zoals sensortype, drukbereik, temperatuurbereik, maximale druk, type uitgang, nauwkeurigheid, resolutie, voedingsspanning en omgevingsfactoren.

Gelukkig biedt Same Sky een reeks op piëzo-gebaseerde druksensors die aan deze eisen kunnen voldoen. Hun sensors zijn verkrijgbaar in meerdere druktypes en werkbereiken, waardoor flexibele en nauwkeurige metingen mogelijk zijn.