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Raggiungere una risoluzione dell'altezza entro 10 cm con i barometri: quali possono farlo?
Affidarsi esclusivamente a un normale barometro (sia esso piezoresistivo, capacitivo o di tipo risonante al silicio MEMS) rende quasi impossibile realizzare in modo stabile e affidabile una risoluzione di altezza di 10 centimetri in ambienti arbitrari.
Perché è così difficile
1. Limite fisico: la relazione pressione-altezza
La pressione atmosferica standard al livello del mare è di circa 101.325 Pa. In condizioni standard al livello del mare, un aumento di 10 centimetri in altezza riduce la pressione atmosferica di circa 0,012 Pa. Si tratta di un cambiamento incredibilmente piccolo. In confronto, il disturbo dell'aria causato da un adulto che cammina casualmente in una stanza può facilmente produrre variazioni di pressione di diversi pascal. L'apertura o la chiusura di porte e finestre, l'accensione o lo spegnimento di un'unità di climatizzazione o anche una leggera brezza causeranno fluttuazioni di pressione molto maggiori di 0,012 Pa.
2. Limitazioni dei sensori stessi
Rumore e risoluzione: sebbene molti barometri MEMS ad alte prestazioni (ad esempio WF280A, WF5837C) offrano una risoluzione digitale molto fine (ad esempio 0,01 Pa), ciò non significa che la loro precisione o stabilità soddisfi effettivamente quel livello. Il rumore interno del sensore, la deriva della temperatura e la stabilità a lungo termine introducono tutti errori – e tali errori sono in genere molto più grandi della differenza di pressione corrispondente a un cambiamento di altezza di 10 centimetri.
Precisione assoluta vs precisione relativa: i barometri sono generalmente valutati con precisione assoluta (ad esempio ±50 Pa), che corrisponde a circa ±0,5 metri di altezza. Più importante per questo caso d'uso è l'accuratezza relativa, o stabilità a breve termine, ovvero la precisione con cui è possibile misurare i cambiamenti di altezza su brevi intervalli. Anche i migliori barometri MEMS consumer, in condizioni statiche ideali, faranno fatica a raggiungere costantemente una risoluzione dell’altezza relativa migliore di circa 20-30 centimetri.
Nei progetti black-box per ascensori, per calcolare l'ascensore è stato utilizzato il WF5837C02BA di WF
Per assistere il posizionamento GPS del telefono o le app sanitarie (come la registrazione dei piani saliti), vengono comunemente utilizzati prodotti a basso consumo come WF280A.
Quali “barometri” o approcci tecnici possono avvicinarsi – o raggiungere – questo obiettivo?
Sebbene un singolo barometro ordinario non sia sufficiente, con progetti speciali, fusione di sensori o tecniche non tradizionali è possibile avvicinarsi o addirittura ottenere una risoluzione di altezza del livello di 10 centimetri:
1. Sistemi di misurazione dell'altezza a pressione differenziale (due sensori). Questo è il metodo più probabile per ottenere una precisione ultraelevata in determinati scenari.
● Principio: utilizzare due sensori di pressione ad alta precisione: uno come stazione di riferimento (fissato ad un'altezza nota) e l'altro come stazione mobile (montato sul dispositivo di cui si desidera misurare l'altezza). Il sistema legge entrambi i sensori in tempo reale e calcola la differenza.
● Perché funziona: prendendo la differenza si cancella gran parte del rumore di modo comune, ovvero le fluttuazioni della pressione ambientale che influiscono su entrambi i sensori (come cambiamenti meteorologici, correnti d'aria, ecc.). Ciò che rimane è la differenza di pressione statica tra i due sensori, che dipende solo dalla loro altezza relativa.
● Precisione ottenibile: in ambienti con poche interferenze e quando i sensori sono abbastanza vicini (ad esempio all'interno, in una miniera o all'interno dello stesso edificio), un tale sistema può in teoria raggiungere una risoluzione dell'altezza relativa a livello centimetrico o addirittura millimetrico. Questo approccio viene utilizzato nella ricerca, nell'ispezione industriale e in alcune applicazioni UAV specializzate.
2. Fusione profonda con una IMU (unità di misura inerziale)
● Principio: un barometro solitario è vulnerabile ai disturbi del flusso d'aria, ma un IMU (accelerometri e giroscopi) può misurare i movimenti a breve termine e i cambiamenti di assetto, inclusa l'accelerazione verticale, in modo molto preciso. Utilizzando algoritmi come un filtro di Kalman per fondere le misurazioni dell'IMU a breve termine con il riferimento di altezza assoluta a lungo termine del barometro, è possibile combinare i punti di forza di entrambi i sensori.
● Effetto: la fusione aiuta a eliminare picchi e anomalie nei dati di pressione e fornisce una stima dell'altezza più stabile e uniforme in situazioni dinamiche (come un UAV in volo o un telefono in movimento). In alcuni momenti o su brevi intervalli ciò può consentire un’inferenza fino alla scala di 10 centimetri, ma le prestazioni dipendono ancora fortemente dalla qualità dell’IMU e dall’algoritmo di fusione.
Conclusione
Pertanto, se avete bisogno di una risoluzione dell'altezza stabile e affidabile entro 10 centimetri, prendete in considerazione soluzioni ingegneristiche basate sul principio di misurazione della pressione differenziale (o fusione di sensori di alta qualità) anziché fare affidamento su un singolo barometro convenzionale.
L'introduzione di cui sopra scalfisce solo la superficie delle applicazioni della tecnologia dei sensori di pressione. Continueremo a esplorare i diversi tipi di elementi sensore utilizzati nei vari prodotti, come funzionano e i loro vantaggi e svantaggi. Se desideri maggiori dettagli su ciò che viene discusso qui, puoi consultare il contenuto correlato più avanti in questa guida. Se hai poco tempo, puoi anche fare clic qui per scaricare i dettagli di queste guide Dati PDF del sensore del sensore di pressione dell'aria.
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