Hur mäter man tryck?

Tryckmätning är grundläggande inom många industrier och vetenskaplig forskning. Den är avgörande för övervakning och styrning av processer inom aerospace, fordonsindustri, sjukvård, miljöövervakning och tillverkning. Att förstå principerna, sensorerna och teknologierna bakom tryckmätning är nödvändigt för att välja rätt metod för specifika applikationer. I denna artikel kommer du att:

• Förstå vad tryck är och varför det är viktigt att mäta

• Se hur man mäter tryck

• Ta reda på vilka typer av trycksensorer och teknologier som används idag

• Lära dig skillnaderna mellan manometrar, sensorer, transduktorer och sändare

Vad är tryck?

Tryck definieras som kraft per ytenhet som en vätska (vätska eller gas) utövar vinkelrätt mot en yta.

Det definieras av formeln P = F/A

Where:

P = Tryck (Pressure)
F = Den resulterande kraften (The resulting Force)
A = Ytan som kraften verkar på (The surface Area subjected to the force)

Typer av tryckmätningar

Det finns tre huvudsakliga typer av tryckmätningar:

1. Absolut tryck: Trycket mäts relativt ett perfekt vakuum (nolltryck)

2. Manometertryck (Gauge): Trycket mäts relativt den omgivande atmosfärstrycket

3. Differenstryck: Mätt som skillnaden mellan två tryck

Tryck kan vara positivt eller negativt. Negativt tryck innebär att trycket i ett utrymme är lägre än trycket i omgivningen. Eftersom nästan alla trycksensorer fungerar enligt principen att mäta tryckskillnader, kan de mäta både positivt och negativt tryck.

Enheter för tryckmätning

Tryck mäts i olika enheter beroende på sammanhang och instrument. De vanligaste är:

1. Pascal (Pa): SI-enheten för tryck. 1 Pa = 1 newton per kvadratmeter (N/m²). 1 kilopascal (kPa) = 1 000 Pa.

2. Newton per kvadratmeter (N/m²): 1 N/m² = 1 Pa.

3. Bar (bar): Metrisk tryckenhet, där 1 bar = 100 000 Pa.

4. Atmosfär (atm): Baseras på medeltrycket vid havsnivå, 1 atm = 101 325 Pa.

5. Torr (torr): 1 torr = 133.322 Pa.

6. Pounds per square inch (psi): Vanligt i USA. 1 psi = trycket från en kraft på 1 pound-force på en yta av 1 kvadrattum.

7. Millimeter kvicksilver (mmHg): Vanligt inom medicin och meteorologi. 1 mmHg = 133,322 Pa.

8. Inches kvicksilver (inHg): Vanligt inom flyg och meteorologi i USA. 1 inHg = 3 386 Pa.

Valet av enhet beror på tillämpning och vilket mätsystem som används inom respektive område.

Transducers vs. transmitters

Begreppet trycksensor kan avse både transducers och transmitters. Transducers är sensorer som vanligtvis ger en spänningsutgång, medan transmitters ger utgång via en standardiserad 4–20 mA strömloop. Både 2-tråds och 4-tråds strömloopar används ofta inom industriella och processrelaterade styrsystem över många olika branscher.

Trycksensor- och manometertyper

Tryckmätteknik är mycket omfattande på grund av den stora variationen av tillgängliga sensortyper. Följaktligen varierar tryckmättekniker beroende på vilken typ av sensor som används. Sensorer och transduktorer har elektriska utgångar som kan kopplas till mätsystem, medan manometrar vanligtvis är mekaniska enheter med en fysisk visare eller annan visuell indikator som utgång. Nedan följer en översikt över de viktigaste trycksensor- och manometertyperna, med jämförelse av deras styrkor, svagheter och mest lämpliga användningsområden:

• Piezoresistiva (strain gauge) trycksensorer

• Kapacitiva trycksensorer

• Piezoelektriska (laddningsbaserade) trycksensorer

• MEMS-trycksensorer

• Resonanta trådsensore

• Optiska trycksensorer

• Termisk konduktivitets-sensorer

• Bourdonrörsmanometrar

• Manometrar

• Diaphragm-manometrar

• Jonisationsmanometrar

Piezoresistiva töjningsgivare för tryck

Töjningsgivare för tryck mäter deformationen av ett membran eller en struktur där töjningsgivare är fästa. Tryckinducerad deformation förändrar mätarens elektriska resistans, vilken sedan mäts och relateras till trycket med hjälp av en Wheatstone-brygga.

Dessa sensorer används ofta inom industriella tillämpningar, fordonsystem och lastceller på grund av deras goda noggrannhet, linearitet och breda tryckintervall. De kräver dock temperaturkompensation och kan uppleva drift över tid om inte motsvarande signalbehandlare har kompensationskretsar, som Dewesoft STG-seriens signalbehandlare.

Tillämpningar för trycksensorer med töjningsgivare:

Töjningsgivare används i praktiskt taget alla industrier, inklusive fordonsindustrin, flyg- och rymdindustrin, sjukvården, strukturell övervakning, modalanalyser och mer. De används också i lastceller.

Fördelar med trycksensorer med töjningsgivare:

• God noggrannhet och linearitet

• Brett tryckområde

Nackdelar med trycksensorer med töjningsgivare:

• Kräver temperaturkompensation

• Risk för drift över tid

Kapacitiva trycksensorer

Dessa sensorer mäter tryck genom att detektera förändringar i kapacitans mellan två plattor, där den ena är fast och den andra är ett membran som rör sig under tryck. En elektrisk krets mäter och omvandlar denna förändring i kapacitans till tryckvärden.

Dessa sensorer är mycket känsliga och precisa, vilket gör dem lämpliga för tillämpningar som medicinsk utrustning och laboratorieutrustning. De kan dock vara känsliga för temperatur och elektromagnetiska störningar och kräver noggrann kalibrering för att säkerställa exakta mätningar.

Tillämpningar för kapacitiva trycksensorer:

Kapacitiva trycksensorer används i tillämpningar som kräver hög känslighet och precision, inklusive medicinsk utrustning och laboratorieutrustning. De används i styr- och övervakningsapplikationer som höjd, flöde, lufthastighet och nivå.

Fördelar med kapacitiva trycksensorer:

• Hög känslighet och noggrannhet

• Kan mäta mycket låga tryck

Nackdelar med kapacitiva trycksensorer:

• Känsliga för temperatur och elektromagnetiska störningar

• Kräver kalibrering för exakta mätningar

Piezoelektriska (laddningsbaserade) trycksensorer

Dessa sensorer utnyttjar den piezoelektriska effekten, där material som kvarts, keramer, blyzirkonattitanat (PZT) och andra kristallina material genererar en elektrisk laddning som svar på mekanisk belastning, inklusive tryck. De producerar en elektrisk laddning som kan mätas och omvandlas till en proportionell elektrisk signal via elektroder. En signalkonditionering omvandlar laddningen till ett användbart tryckvärde.

Piezoelektriska sensorer är idealiska för dynamiska, snabbt varierande tryckmätningar, såsom analys av förbränningsmotorer, krocktester, fordonsdynamik och andra studier. På grund av deras egenskaper är de dock olämpliga för de flesta statiska tryckmätningar.

Tillämpningar för piezoelektriska trycksensorer:

Dessa sensorer är idealiska för dynamiska (hög bandbredd) tryckmätningar, till exempel vid analys av motorförbränning och studier av chockvågor.

Fördelar med piezoelektriska trycksensorer:

• Hög bandbredd (frekvensrespons)

• Robust drift och självgenererande

• Lämpliga för dynamiska och transienta tryckmätningar

Nackdelar med piezoelektriska trycksensorer:

• Inte lämpliga för statiska tryckmätningar

• Kräver noggrann hantering för att undvika materialutmattning

• Temperaturkänslighet

MEMS-trycksensorer

MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems) trycksensorer integrerar mekaniska element, sensorer och elektronik på ett kiselchip för att mäta tryck. Dessa sensorer har vanligtvis ett mikromaskinbearbetat membran som deformeras under tryck, där piezoresistiva element eller kapacitiva plattor mäter membranets deformation. Den integrerade elektroniken bearbetar sedan signalen.

MEMS-sensorer används i stor utsträckning inom konsumentelektronik, fordonsystem och medicinsk utrustning tack vare sin lilla storlek, låga energiförbrukning, höga noggrannhet och tillförlitlighet.

Tillämpningar för MEMS-trycksensorer:

Används i stor utsträckning inom konsumentelektronik, fordonsystem och medicinsk utrustning.

Fördelar med MEMS-trycksensorer:

• Liten storlek och låg energiförbrukning

• Idealiska när hög noggrannhet är viktig

• Låg kostnad

• MEMS kapacitiva sensorer är bra för statiska tryckmätningar

• MEMS piezoresistiva sensorer är lämpliga för dynamiska tryckmätningar

Nackdelar med MEMS-trycksensorer:

• Begränsade till lägre tryckområden

• Känsliga för temperaturförändringar

Resonanstrådsbaserade trycksensorer

Dessa sensorer mäter tryckinducerade förändringar i resonansfrekvensen hos en tråd (eller ett membran). Trycket förändrar spänningen i tråden, vilket i sin tur ändrar dess resonansfrekvens.

Bestående av en resonanstråd eller ett membran samt en elektromagnetisk drivare och sensor är resonanstrådssensorer kända för sin höga precision och stabilitet, vilket gör dem idealiska för tillämpningar som höjdmätning och meteorologi.

Tillämpningar för resonanstrådsbaserade trycksensorer:

Används i tillämpningar som kräver hög precision och stabilitet, såsom höjdmätning och meteorologi.

Fördelar med resonanstrådsbaserade trycksensorer:

• Hög noggrannhet och stabilitet

• Låg hysteres

Nackdelar med resonanstrådsbaserade trycksensorer:

• Komplexa och dyra

• Känsliga för temperaturförändringar

Optiska trycksensorer

Optiska trycksensorer mäter tryckinducerade förändringar i ett materials optiska egenskaper eller membranets deformation med hjälp av optiska fibrer och interferometri. Den optiska fibern överför ljus och en interferometer eller fotodetektor registrerar förändringar i ljusets egenskaper.

Dessa sensorer används i krävande miljöer, såsom olje- och gasutvinning samt biomedicinska tillämpningar. De är immuna mot elektromagnetiska störningar och kan användas i explosiva miljöer, men deras höga kostnad och behovet av specialiserad utrustning för signalbehandling är tydliga nackdelar.

Tillämpningar för optiska trycksensorer:

Lämpliga för krävande miljöer, såsom olje- och gasutvinning samt biomedicinska tillämpningar.

Fördelar med optiska trycksensorer:

• Immuna mot elektromagnetiska störningar

• Lämpliga för krävande och explosiva miljöer

Nackdelar med optiska trycksensorer:

• Relativt hög kostnad

• Kräver specialiserad utrustning för signalbehandling

Trycksensorer baserade på termisk konduktivitet

Även kända som Pirani-mätare, trycksensorer baserade på termisk konduktivitet fungerar enligt principen att en gas värmeledningsförmåga varierar med dess tryck. Ett resistivt värmeelement (ofta en filament) värmer gasen i sensorn, och temperatursensorer placeras nära värmeelementet för att mäta gasens temperatur.

Vid lägre tryck finns färre gasmolekyler, vilket innebär att mindre värme avleds och temperaturen nära värmeelementet blir högre. Vid högre tryck finns fler gasmolekyler som kan leda bort värmen, vilket resulterar i lägre temperaturer nära värmeelementet. Temperaturdifferensen som mäts av sensorerna används för att beräkna gasens värmeledningsförmåga. Eftersom värmeledningsförmåga är en känd funktion av trycket för en viss gas kan sensorn därefter bestämma trycket utifrån detta samband.

Tillämpningar för trycksensorer baserade på termisk konduktivitet:Används i vakuumsystem och lågtrycksmiljöer, såsom halvledartillverkning.

Fördelar med trycksensorer baserade på termisk konduktivitet:

• Enkla och robusta

• Lämpliga för lågtrycksmätningar

Nackdelar med trycksensorer baserade på termisk konduktivitet:

• Begränsade till vissa tryckområden

• Påverkas av typen av gas som mäts

Bourdonrörstryckmätare

Bourdonrörstryckmätaren är en av de tidigaste och mest använda metoderna för att mäta tryck. Det är en mekanisk sensor som fungerar enligt principen om deformation. Ett böjt rör tenderar att räta ut sig när det utsätts för tryck, och denna deformation är proportionell mot det applicerade trycket. Det primära mätande elementet är ett C-format rör, vanligtvis tillverkat av metall, som är kopplat till en länkarmekanism som omvandlar rörets deformation till en avläsbar visarrörelse.

Tillämpningar för Bourdonrör:

Bourdonrör används i stor utsträckning inom industriella tillämpningar för att mäta medelhöga till höga tryck i hydrauliska och pneumatiska system.

Fördelar med Bourdonrör:

• Enkel och robust konstruktion

• Helt mekanisk, ingen strömförsörjning krävs

• Kostnadseffektiv

Nackdelar med Bourdonrör:

• Begränsad noggrannhet jämfört med elektroniska sensorer

• Känslig för mekaniskt slitage över tid

Manometertryckmätare

Medan Bourdonmätare mäter tryck genom mekanisk deformation använder manometrar vätskeförskjutning. De balanserar en vätskekolonn mot det tryck som ska mätas, där vätskekolonnens höjd är proportionell mot trycket. De finns i flera mekaniska utföranden, inklusive U-rörsmanometrar, lutande manometrar och digitala manometrar.

Tillämpningar för manometrar:

Manometrar används i specialiserade tillämpningar som laboratorieexperiment eller lågtrycksmätningar.

Fördelar med manometrar:

• Kan mäta mycket låga tryck med hög noggrannhet

• Enkel konstruktion och kan användas för differentialtrycksmätningar

• Ingen strömförsörjning krävs

• Relativt låg kostnad

Nackdelar med manometrar:

• Kan inte mäta lika höga tryck som Bourdonrör

• Känsliga för mekaniskt slitage över tid

Membrantryckmätare

Membranbaserade trycksensorer är en bra lösning för låg- till medeltrycksmätningar, särskilt när korrosiva vätskor, gaser eller högviskösa vätskor förekommer. Deras portar är mekaniskt isolerade från varandra, vilket gör att de kan användas för både gaser och vätskor. De använder ett flexibelt membran som deformeras som svar på tryckförändringar. Deformationen omvandlas till en visning via en mekanisk länk, till en elektrisk signal via en givare, eller ibland båda. För tillämpningar med högre bandbredd använder vissa membrantrycksensorer en piezoelektrisk sensor för att utföra mätningen.

Tillämpningar för membrantryckmätare:

Membrantryckmätare är lämpliga för låg- till medeltrycksmätningar, särskilt i miljöer där viskösa vätskor eller korrosiva gaser eller vätskor förekommer, vilket gör Bourdonrör och andra trycksensorer opraktiska.

Fördelar med membrantryckmätare:

• Hög känslighet och noggrannhet

• Kan mäta låga tryck

Nackdelar med membrantryckmätare:

• Begränsade till vissa tryckområden

• Risk för materialutmattning över tid

Jonisationsbaserade tryckmätare

Dessa sensorer mäter tryck baserat på jonisering av gasmolekyler. Ett elektriskt fält joniserar gasen, och de resulterande jonerna samlas upp via elektroder för att generera en ström proportionell mot trycket. Jonströmmen omvandlas sedan till ett tryckvärde. På grund av sin extrema känslighet används dessa mätare främst i ultrahöga vakuumtillämpningar, såsom vetenskaplig forskning och rymdsimuleringskammare.

Tillämpningar för jonisationsmätare:

Dessa sensorer används främst i ultrahöga vakuumtillämpningar inom vetenskaplig forskning och rymdsimuleringskammare.

Fördelar med jonisationsmätare:

• Extremt känsliga

• Lämpliga för ultrahöga vakuummätningar

Nackdelar med jonisationsmätare:

• Komplexa och dyra

• Kräver högt vakuum för att fungera korrekt

Viktiga tillämpningar för trycksensorer

Tryckgivare och sensorer är avgörande i många industrier och tillämpningar tack vare deras förmåga att mäta och övervaka tryck noggrant. Här är några viktiga användningsområden:

Fordonsindustrin

Trycksensorer används i en rad tillämpningar, inklusive:

• Insugstryck, bränsletryck, oljetryck

• Däcktrycksövervakningssystem (TPMS)

• Bromssystem, hydrauliska trycknivåer

• Transmission och växelsystem, hydrauliskt tryck

Sjukvård och medicinteknik

Medicinska trycksensorer används i flera tillämpningar, inklusive:

• Blodtrycksmätning

• Ventilator- och CPAP-lufttryck

• Infusionspumptryck

Industriell automation

Tryckmätning används brett i följande och andra tillämpningar:

• Hydrauliska och pneumatiska system

• Gas- och vätsketryck i rörledningar, reaktorer och lagringstankar

• Läckagedetektering i rörledningar

Flyg- och försvarsindustri

• Höjd, barometriskt tryck, atmosfäriskt tryck

• Kabentryck

• Övervakning av bränsletryck

Konsumentelektronik

• Smartphones och bärbara enheter för höjd- och barometertryck, fitness och positionering

• Vattentrycksmätning i hushållsapparater som tvättmaskiner och diskmaskiner

Miljöövervakning

• Väderstationer: barometriska trycksensorer mäter atmosfärstryck och används i väderprognoser och klimatstudier

• Övervakning av vattenkvalitet: trycksensorer övervakar trycket i vattensystem för att säkerställa rent och säkert vatten

Olje- och gasindustrin

• Tryckmätningar för säkerhet i borrsystem

• Tryckmätningar i rörledningar för att upptäcka läckor och blockeringar

Livsmedels- och dryckesindustrin

• Tryckmätningar vid förpackning för att säkerställa korrekt försegling och förhindra kontaminering

• Tryckreglering i olika livsmedelsprocesser

Marin industri

• Övervakning av ballasttankers tryck för optimal flytkraft

• Övervakning av olja- och bränsletryck i förbränningsmotorer

HVAC-system

• Övervakning av köldmedietryck

• Kontroll av lufttryck för luftkvalitet och komfort

Slutsats

Tryckmätning är avgörande för många industriella och vetenskapliga tillämpningar och kräver en rad olika sensorer och teknologier för att möta varierande behov. Den spelar en central roll i övervakning och styrning av processer inom områden som flyg, fordonsindustri, sjukvård, miljöövervakning och tillverkning.

Varje metod, från det robusta Bourdonröret till mycket känsliga MEMS-baserade digitala trycksensorer, erbjuder unika fördelar och begränsningar. Valet av rätt tryckmätningsmetod beror på faktorer som tryckområde, miljö, noggrannhetskrav och specifika tillämpningskrav. Framsteg inom sensorteknik fortsätter att förbättra möjligheterna och användningsområdena för tryckmätning, vilket banar väg för mer exakta, tillförlitliga och mångsidiga lösningar i framtiden.