Introducción: Los barómetros se utilizan cada vez más en teléfonos inteligentes, tabletas y tecnología portátil, lo que abre la puerta a nuevas aplicaciones industriales, como el monitoreo preciso de la posición de altura y el mantenimiento predictivo. Entonces, ¿cómo se elige el barómetro adecuado en función de sus requisitos de diseño? ¿A qué parámetros específicos debería prestar atención? ¿Qué detalles técnicos debes considerar al seleccionar un producto? ¿Cuáles son las últimas combinaciones de barómetros? ¿Qué nuevas direcciones de aplicación existen para los barómetros? A través de este artículo, espero que pueda obtener la información necesaria para encontrar el barómetro ideal para su próximo diseño.
Conozca 3 métodos de medición de presión y 4 técnicas de fabricación, y elija el que se adapte a su diseño
Los barómetros se utilizan para detectar la presión del aire de gases o líquidos. Como transductor, los barómetros convierten la presión del aire aplicada en señales de salida analógicas o digitales y generalmente se clasifican según el tipo de medición de la presión del aire y la tecnología sensible a la presión.
Hay tres formas de medir la presión del aire:
Presión absoluta: La presión absoluta es la presión medida en relación con un vacío perfecto. Si coloca un barómetro absoluto en el aire, el sensor leerá la presión del aire real en ese lugar. Por tanto, los barómetros absolutos se ven afectados por los cambios de altitud y clima, etc.
Presión diferencial: La diferencia de presión del aire medida entre dos fuentes de presión.
Presión manométrica: Cuando una de las fuentes de presión es la presión del aire ambiente, la diferencia de presión medida se denomina presión manométrica.
Después de aclarar el método de medición de presión, también es necesario comprender que los diferentes principios utilizados en la producción de barómetros afectarán directamente la precisión, el rango, el tamaño del sensor y el entorno aplicable de detección.
Las siguientes son las tecnologías sensibles a la presión más utilizadas:
■ Barómetro piezoresistivo: utiliza el efecto piezoresistivo para detectar el cambio en la resistencia de una o más resistencias montadas en el diafragma cuando se aplica presión de aire. Adecuado para pruebas de presión generales requeridas por Internet de las cosas, la industria y la medicina.
■ Barómetro piezoeléctrico: Utiliza las características de los materiales piezoeléctricos para detectar la carga proporcional a la presión del aire aplicada a la superficie. Adecuado para entornos de alta temperatura, como la medición de presión altamente dinámica en motores a reacción.
■ Barómetro capacitivo: Mide la presión del aire detectando el cambio en la capacitancia causado por el movimiento de un diafragma hecho de vidrio, cerámica o silicio. También apto para pruebas de presión generales requeridas por Internet de las cosas, la industria y la medicina.
■ Barómetro de fibra óptica: Utiliza el efecto óptico de la fibra óptica. Adecuado para entornos hostiles como los de petróleo y gas, aeroespaciales, de defensa y médicos.
Comprender los 8 parámetros clave de un barómetro
Además de los principios básicos del barómetro, también es necesario comprender el significado de los parámetros relacionados, que también es la referencia principal para elegir el barómetro:
Rango o rango de presión: El rango de presiones que un sensor puede medir. También se debe considerar la tolerancia a la sobrepresión del sensor, que es la presión máxima que el dispositivo puede soportar y seguir funcionando cuando el barómetro vuelve al rango de funcionamiento.
Exactitud: La precisión absoluta indica qué tan cerca está la salida del barómetro de la presión real. Se expresa como la diferencia entre dos valores. La precisión relativa es el error entre dos mediciones.
Embalaje: Determinado por el entorno de la aplicación final y las restricciones de tamaño. A menudo se prefieren los paquetes pequeños e impermeables.
Ruido: En pocas palabras, es la variación aleatoria de la salida del sensor relacionada con cambios en la entrada del sensor.
Compensación del coeficiente de temperatura: También conocido como coeficiente de temperatura de presión cero. Representa el cambio en la compensación a presión cero debido a la temperatura, por lo que cuanto más pequeño, mejor.
Velocidad de datos de salida: La velocidad a la que se muestrean los datos.
Ancho de banda: La señal de frecuencia más alta que se puede muestrear sin alias.
Consumo de energía: El consumo de energía es extremadamente importante para aplicaciones que funcionan con baterías pequeñas y aquellas que necesitan preservar la vida útil de la batería tanto como sea posible. El consumo de energía está estrechamente relacionado con la elección del ODR y la resolución. El ruido RMS del barómetro también está relacionado con el ancho de banda y la resolución, por lo que el consumo de energía y la resolución deben sopesarse para adaptarse a los requisitos de aplicación del sensor. Por supuesto, existen otros parámetros, como el voltaje de la fuente de alimentación, la temperatura de funcionamiento, el rango, la interfaz de comunicación, etc.
Relación entre presión atmosférica y altitud.
Aquí están las unidades de medida de la presión atmosférica:
Psi – libras por pulgada cuadrada
Cm/Hg – centímetros de mercurio
Cm/Hg – pulgadas de mercurio
Pa – Pascal, unidad SI de presión, 1Pa = 1 N/m2
Bar – bar, unidad de presión del aire, 1 bar = 105Pa
Mbar – milibar, 1 mbar = 10-3 bar
Vivimos en las zonas más bajas de la atmósfera terrestre, donde la presión atmosférica disminuye a medida que aumenta la altitud. Definimos la presión atmosférica estándar como 29,92 in/Hg al nivel del mar a 59°F, un valor promedio que no se ve afectado por el tiempo sino por la ubicación geográfica del punto de medición, la temperatura y las corrientes de aire.
Por tanto, la relación de conversión entre las unidades de presión anteriores es:
1 atmósfera estándar = 14,7 psi = 76 cm/Hg = 29,92 in/Hg = 1,01325 bar = 1013,25 mbar
La relación entre la presión atmosférica y la altitud se puede expresar de la siguiente manera[1]:
Dónde:
P0 es la presión atmosférica estándar, igual a 1013,25 mbar;
Altitud es la altitud en metros.
P es la presión del aire en mbar a una determinada altitud.
La Figura 1 describe la relación entre el cambio de presión atmosférica y la altitud según la fórmula anterior.
Como se muestra en la figura, cuando la altitud aumenta desde el nivel del mar hasta 11.000 metros sobre el nivel del mar, la presión atmosférica cae de 1013,25 mbar a 230 mbar. No es difícil ver en la figura que cuando la altitud es inferior a 1.500 metros, la presión atmosférica disminuye casi linealmente, con una disminución de aproximadamente 11,2 mbar por 100 metros, es decir, aproximadamente 1,1 mbar por 10 metros. Para obtener datos de medición de altitud más precisos, se puede crear una tabla de consulta de altitud de presión atmosférica en la aplicación de destino para determinar la altitud correspondiente en función de los resultados de la medición del sensor de presión.
Si se utiliza un sensor de presión MEMS absoluto con un rango completo de 300 mbar a 1100 mbar, la altitud de medición puede alcanzar desde 9165 metros sobre el nivel del mar hasta 698 metros bajo el nivel del mar.
Ejemplo de aplicación: determinación del nivel del suelo mediante sensores MEMS
La resolución de medición de 0,1 mbar (10 Pa) /rms permite Sensores de presión MEMS para detectar cambios de altura dentro de 1 metro. Por lo tanto, en edificios de gran altura, se pueden utilizar sensores de presión para detectar cambios en los pisos.
En segundo lugar, las estaciones de monitoreo de altitud se implementan en múltiples ubicaciones en toda la región para medir la presión del aire ambiente local, corregir el clima y otros factores influyentes, crear una lectura de altitud de alta precisión y luego determinar la altura exacta del piso del dispositivo, aportando nuevas capacidades a la geolocalización.
La Figura 2 muestra los datos del sensor de presión recopilados en STMicroelectronics.’ Edificio de oficinas Castelletto en Italia. La frecuencia de muestreo es de 7 Hz y el tiempo de recopilación de datos es de aproximadamente 23 minutos en total. En la figura podemos ver claramente los cambios en la presión atmosférica en diferentes pisos. La presión atmosférica es más alta en el sótano. A medida que los pisos suben, la presión atmosférica disminuye gradualmente.
Para entornos urbanos complejos con edificios de varios pisos, la tecnología GPS actual no puede proporcionar datos de posición tridimensionales confiables. Pero la aplicación de barómetros se ha convertido en una nueva solución, que está diseñada en base al cambio de presión del aire. – Cuando una persona se mueve a cierta altura, la presión del aire bajará.
Como se muestra en la siguiente figura, en esta solución, en primer lugar, el dispositivo portátil o teléfono móvil debe tener un sensor barómetro de alta calidad, como por ejemplo: WF5803F, 5803C/WF280A, etc., o sensores de presión de aire industriales. WF5805F y 5837, con una frecuencia de muestreo de 3 kHz y un tiempo total de recopilación de datos de aproximadamente 3 ms.
WFsensors suministra una variedad de sensores barómetros piezorresistivos con una amplia gama de modelos de productos, incluidos los tipos de presión absoluta no impermeables y de presión absoluta impermeables, adecuados para muchos productos terminales inteligentes, como teléfonos móviles, drones, dispositivos portátiles, relojes/pulseras, relojes deportivos, etc. Se utiliza como medidor de altitud, así como indicador para el pronóstico del tiempo y el monitoreo de la humedad y temperatura ambiental.
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