Introduzione: i barometri vengono sempre più utilizzati negli smartphone, nei tablet e nella tecnologia indossabile, aprendo la porta a nuove applicazioni industriali come il monitoraggio accurato della posizione in altezza e la manutenzione predittiva. Quindi come scegliere il barometro giusto in base alle proprie esigenze di progettazione? A quali parametri specifici dovresti prestare attenzione? Quali dettagli tecnici dovresti considerare quando selezioni un prodotto? Quali sono le ultime combinazioni del barometro? Quali nuove direzioni applicative ci sono per i barometri? Attraverso questo articolo, spero che tu possa ottenere le informazioni necessarie per abbinare il barometro più ideale per il tuo prossimo progetto.
Scopri 3 metodi di misurazione della pressione e 4 tecniche di produzione e scegli quello più adatto al tuo progetto
I barometri vengono utilizzati per rilevare la pressione dell'aria di gas o liquidi. Come trasduttori, i barometri convertono la pressione atmosferica applicata in segnali di uscita analogici o digitali e sono generalmente classificati in base al tipo di misurazione della pressione atmosferica e alla tecnologia sensibile alla pressione.
Esistono tre modi per misurare la pressione atmosferica:
Pressione assoluta: La pressione assoluta è la pressione misurata rispetto al vuoto perfetto. Se si posiziona un barometro assoluto nell'aria, il sensore leggerà la pressione atmosferica effettiva in quella posizione. Pertanto, i barometri assoluti sono influenzati dai cambiamenti di altitudine e tempo, ecc.
Pressione differenziale: La differenza nella pressione dell'aria misurata tra due fonti di pressione.
Pressione relativa: Quando una delle fonti di pressione è la pressione dell'aria ambiente, la differenza di pressione misurata viene chiamata pressione relativa.
Dopo aver chiarito il metodo di misurazione della pressione, è anche necessario rendersi conto che i diversi principi utilizzati nella produzione dei barometri influenzeranno direttamente la precisione, la portata, le dimensioni del sensore e l'ambiente applicabile al rilevamento.
Le seguenti sono le tecnologie sensibili alla pressione più comunemente utilizzate:
■ Barometro piezoresistivo: utilizza l'effetto piezoresistivo per rilevare la variazione di resistenza di uno o più resistori montati sul diaframma quando viene applicata la pressione dell'aria. Adatto per prove di pressione generali richieste dall'Internet delle cose, dall'industria e dalla medicina.
■ Barometro piezoelettrico: utilizza le caratteristiche dei materiali piezoelettrici per rilevare la carica proporzionale alla pressione dell'aria applicata alla superficie. Adatto per ambienti ad alta temperatura, come la misurazione della pressione altamente dinamica sui motori a reazione.
■ Barometro capacitivo: misura la pressione atmosferica rilevando la variazione di capacità causata dal movimento di un diaframma in vetro, ceramica o silicio. Adatto anche per prove di pressione generali richieste dall'Internet delle cose, dall'industria e dalla medicina
■ Barometro a fibra ottica: utilizza l'effetto ottico della fibra ottica. Adatto per ambienti difficili come petrolio e gas, aerospaziale, difesa e medico.
Comprendere gli 8 parametri chiave di un barometro
Oltre ai principi base del barometro, è necessario comprendere anche il significato dei parametri correlati, che costituiscono anche il riferimento principale per la scelta del barometro:
Intervallo o intervallo di pressione: L'intervallo di pressioni che un sensore può misurare. Dovrebbe essere presa in considerazione anche la tolleranza alla sovrapressione del sensore, ovvero la pressione massima che il dispositivo può sopportare e continuare a funzionare quando il barometro ritorna nell’intervallo operativo.
Precisione: La precisione assoluta indica quanto l'uscita del barometro è vicina alla pressione effettiva. È espresso come la differenza tra due valori. La precisione relativa è l'errore tra due misurazioni.
Confezione: Determinato dall'ambiente dell'applicazione finale e dai vincoli dimensionali. Spesso si preferiscono confezioni piccole e impermeabili.
Rumore: In poche parole, è la variazione casuale dell'uscita del sensore correlata ai cambiamenti nell'ingresso del sensore.
Compensazione del coefficiente di temperatura: Noto anche come coefficiente di temperatura di pressione zero. Rappresenta la variazione dell'offset a pressione zero dovuta alla temperatura, quindi più piccolo è, meglio è.
Velocità dati in uscita: La velocità con cui i dati vengono campionati.
Larghezza di banda: Il segnale con la frequenza più alta che può essere campionato senza aliasing.
Consumo energetico: Il consumo energetico è estremamente importante per le applicazioni che funzionano con batterie di piccole dimensioni e per quelle che necessitano di preservare il più possibile la durata della batteria. Il consumo energetico è strettamente correlato alla scelta dell'ODR e della risoluzione. Il rumore RMS del barometro è correlato anche alla larghezza di banda e alla risoluzione, pertanto il consumo energetico e la risoluzione devono essere valutati per adattarsi ai requisiti applicativi del sensore. Naturalmente ci sono altri parametri, come la tensione di alimentazione, la temperatura operativa, la portata, l'interfaccia di comunicazione, ecc.
Relazione tra pressione atmosferica e altitudine
Ecco le unità di misura della pressione atmosferica:
Psi - libbre per pollice quadrato
Cm/hg - centimetri di mercurio
Cm/hg - pollici di mercurio
Pa – Pascal, unità di pressione SI, 1Pa = 1 N/m2
Bar – bar, unità di pressione dell'aria, 1 bar = 105Pa
Mbar – millibar, 1mbar = 10-3 bar
Viviamo nelle zone più basse dell’atmosfera terrestre, dove la pressione atmosferica diminuisce all’aumentare dell’altitudine. Definiamo la pressione atmosferica standard come 29,92 in/Hg al livello del mare a 59°F, un valore medio che non è influenzato dal tempo ma dalla posizione geografica del punto di misurazione, dalla temperatura e dalle correnti d'aria.
Pertanto, la relazione di conversione tra le unità di pressione sopra indicate è:
1 atmosfera standard = 14,7 psi = 76 cm/Hg = 29,92 pollici/Hg = 1,01325 bar = 1013,25 mbar
La relazione tra pressione atmosferica e altitudine può essere espressa come segue[1]:
Dove:
P0 è la pressione atmosferica standard, pari a 1013,25 mbar;
L'altitudine è l'altitudine in metri.
P è la pressione dell'aria in Mbar ad una certa altitudine
La Figura 1 descrive la relazione tra la variazione della pressione atmosferica e l'altitudine in base alla formula sopra.
Come mostrato in figura, quando l'altitudine sale dal livello del mare a 11.000 metri sul livello del mare, la pressione atmosferica scende da 1013,25 mbar a 230 mbar. Non è difficile vedere dalla figura che quando la quota è inferiore ai 1.500 metri la pressione atmosferica diminuisce in modo quasi lineare, con una diminuzione di circa 11,2 mbar ogni 100 metri, cioè circa 1,1 mbar ogni 10 metri. Per ottenere dati di misurazione dell'altitudine più accurati, è possibile creare una tabella di query sull'altitudine della pressione atmosferica nell'applicazione di destinazione per determinare l'altitudine corrispondente in base ai risultati della misurazione del sensore di pressione.
Se si utilizza un sensore di pressione assoluta MEMS con un range completo da 300 mbar a 1100 mbar, l'altitudine di misurazione può raggiungere 9.165 metri sopra il livello del mare fino a 698 metri sotto il livello del mare.
Esempio applicativo: Determinazione del livello del pavimento mediante sensori MEMS
La risoluzione di misurazione di 0,1 mbar (10Pa) /rms consente Sensori di pressione MEMS per rilevare variazioni di altezza entro 1 metro. Pertanto, negli edifici a molti piani, i sensori di pressione possono essere utilizzati per rilevare i cambiamenti nei piani.
In secondo luogo, le stazioni di monitoraggio dell’altitudine vengono distribuite in più località in tutta la regione per misurare la pressione dell’aria ambiente locale, correggere il tempo e altri fattori influenti, creare una lettura dell’altitudine ad alta precisione e quindi determinare l’esatta altezza del pavimento del dispositivo, apportando nuove funzionalità alla geolocalizzazione.
La Figura 2 mostra i dati del sensore di pressione raccolti in STMicroelectronics’ Edificio per uffici Castelletto in Italia. La frequenza di campionamento è di 7 Hz e il tempo di raccolta dei dati è di circa 23 minuti in totale. Dalla figura possiamo vedere chiaramente le variazioni della pressione atmosferica sui diversi piani. La pressione atmosferica è più alta nel seminterrato. Man mano che i piani si alzano, la pressione atmosferica diminuisce gradualmente.
Per ambienti urbani complessi con edifici a più piani, l’attuale tecnologia GPS non è in grado di fornire dati di posizione tridimensionali affidabili. Ma l'applicazione dei barometri è diventata una nuova soluzione, progettata in base al cambiamento della pressione atmosferica – quando una persona si sposta ad una certa altezza, la pressione dell'aria diminuirà.
Come mostrato nella figura seguente, in questa soluzione, innanzitutto, il dispositivo indossabile o il telefono cellulare deve disporre di un sensore barometro di alta qualità, come ad esempio: WF5803F, 5803C/WF280A, ecc., o sensori di pressione dell'aria industriali WF5805F E 5837, con una frequenza di campionamento di 3kHz e un tempo totale di raccolta dati di circa 3ms.
WFsensors fornisce una varietà di sensori barometrici piezoresistivi con un'ampia gamma di modelli di prodotto, compresi i tipi non impermeabili a pressione assoluta e impermeabili a pressione assoluta, adatti a molti prodotti terminali intelligenti come telefoni cellulari, droni, dispositivi indossabili, orologi/bracciali, orologi sportivi, ecc. Viene utilizzato come misuratore di altitudine, nonché come indicatore per le previsioni meteorologiche e il monitoraggio dell'umidità e della temperatura ambientale.
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