What is a barometric altitude sensor? How to choose one?

はじめに: 気圧計はスマートフォン、タブレット、ウェアラブル技術でますます使用されており、正確な高さ位置の監視や予知保全などの新しい産業用途への扉が開かれています。では、設計要件に基づいて適切なバロメーターを選択するにはどうすればよいでしょうか?どのような特定のパラメータに注意を払う必要がありますか?製品を選択する際に、どのような技術的な詳細を考慮する必要がありますか?最新の気圧計の組み合わせは何ですか?気圧計にはどのような新しい応用方向があるのでしょうか?この記事を通じて、あなたの次のデザインに最適なバロメーターを見つけるために必要な情報を得ることができれば幸いです。

3 つの圧力測定方法と 4 つの製造技術を学び、設計に適したものを選択してください

気圧計は、気体または液体の気圧を検出するために使用されます。気圧計はトランスデューサとして、加えられた気圧をアナログまたはデジタルの出力信号に変換し、通常は気圧測定の種類と感圧技術に応じて分類されます。

空気圧を測定するには 3 つの方法があります。

絶対圧力: 絶対圧力は、完全な真空を基準にして測定された圧力です。絶対気圧計を空気中に置くと、センサーはその場所の実際の気圧を読み取ります。したがって、絶対気圧は高度や天候の変化などの影響を受けます。

差圧: 2 つの圧力源間で測定された気圧の差。

ゲージ圧: 圧力源の 1 つが周囲気圧である場合、測定される圧力差はゲージ圧と呼ばれます。

圧力測定方法を明確にした後は、気圧計の製造に使用されるさまざまな原理が、検出の精度、範囲、センサーのサイズ、および適用可能な環境に直接影響することを認識することも必要です。

最も一般的に使用される感圧テクノロジーは次のとおりです。

■ ピエゾ抵抗気圧計: ピエゾ抵抗効果を利用して、空気圧が加わったときのダイヤフラムに取り付けられた 1 つまたは複数の抵抗器の抵抗変化を検出します。モノのインターネット、産業、医療で必要とされる一般的な圧力試験に適しています。

■ 圧電気圧計：圧電材料の特性を利用し、表面にかかる空気圧に比例した電荷を検出します。ジェットエンジンの高動圧測定などの高温環境に適しています。

■ 静電容量気圧計: ガラス、セラミック、シリコンなどでできたダイヤフラムの動きによって生じる静電容量の変化を検出することで気圧を測定します。モノのインターネット、産業、医療で必要とされる一般的な圧力試験にも適しています

■光ファイバー気圧計：光ファイバーの光学効果を利用。石油やガス、航空宇宙、防衛、医療などの過酷な環境に適しています。

気圧計の 8 つの主要パラメータを理解する

気圧計の基本原理に加えて、関連するパラメータの意味も理解する必要があります。これは、気圧計を選択する際の主な参考資料でもあります。

圧力範囲またはスパン: センサーが測定できる圧力の範囲。センサーの過圧耐性、つまりデバイスが耐えることができ、気圧計が動作範囲に戻ったときに機能し続ける最大圧力も考慮する必要があります。

正確さ： 絶対精度は、気圧計の出力が実際の圧力にどの程度近いかを示します。 2 つの値の差として表されます。相対精度は、2 つの測定値間の誤差です。

包装： エンドアプリケーションの環境とサイズの制約によって決まります。多くの場合、小型の防水パッケージが好まれます。

ノイズ： 簡単に言うと、センサー入力の変化に関連するセンサー出力のランダムな変動です。

温度係数オフセット: ゼロ圧力の温度係数とも呼ばれます。温度によるゼロ圧力時のオフセットの変化を表すため、小さいほど優れています。

出力データレート: データがサンプリングされるレート。

帯域幅: エイリアシングなしでサンプリングできる最高周波数信号。

消費電力: 消費電力は、小型バッテリで動作するアプリケーションや、バッテリ寿命を可能な限り維持する必要があるアプリケーションにとって非常に重要です。消費電力は、ODR と解像度の選択に密接に関係しています。気圧計の RMS ノイズは帯域幅と解像度にも関連するため、センサーのアプリケーション要件に合わせて消費電力と解像度を比較検討する必要があります。もちろん、電源電圧、動作温度、範囲、通信インターフェースなどのパラメータは他にもあります。

気圧と高度の関係

大気圧の測定単位は次のとおりです。

Psi – ポンド/平方インチ

Cm/Hg – 水銀柱センチメートル

Cm/Hg – 水銀柱インチ

Pa – パスカル、圧力の SI 単位、1Pa = 1 N/m2

Bar – bar、空気圧の単位、1 bar = 105Pa

Mbar – ミリバール、1mbar = 10-3 bar

私たちは地球の大気の下流域に住んでいますが、そこでは高度が上がるにつれて気圧が低下します。当社では、標準大気圧を海抜 59°F での 29.92 インチ/Hg と定義しています。これは時間には影響されず、測定点の地理的位置、温度、気流の影響を受ける平均値です。
したがって、上記の圧力単位間の変換関係は次のようになります。
1 標準気圧 = 14.7 psi = 76 cm/Hg = 29.92 インチ/Hg = 1.01325 bar = 1013.25 mbar
気圧と高度の関係は次のように表すことができます[1]。

どこ：
P0 は標準大気圧で、1013.25 mbar に相当します。

高度はメートル単位の高度です。

P は、特定の高度における気圧 (ミリバール) です。

上式に基づいて気圧変化と高度の関係を図1に示します。
図に示すように、高度が海抜 11,000 メートルまで上昇すると、大気圧は 1013.25 mbar から 230 mbar まで低下します。この図から、高度 1,500 メートル以下では気圧がほぼ直線的に減少し、100 メートルあたり約 11.2 mbar、つまり 10 メートルあたり約 1.1 mbar ずつ減少することがわかります。より正確な高度測定データを取得するために、ターゲットアプリケーションに大気圧高度クエリテーブルを構築し、圧力センサーの測定結果に基づいて対応する高度を決定できます。
300 mbar ～ 1100 mbar の全範囲を備えた絶対 MEMS 圧力センサーを使用すると、測定高度は海抜 9,165 メートルから海抜下 698 メートルに達します。

応用例：MEMSセンサーを使用した床レベルの測定

0.1 mbar (10Pa) /rms の測定分解能により、 MEMS圧力センサー 1メートル以内の高さの変化を検出します。したがって、高層ビルでは、圧力センサーを使用して床の変化を検出できます。

次に、高度監視ステーションが地域内の複数の場所に配備され、地域の周囲気圧を測定し、天候やその他の影響要因を補正し、高精度の高度測定値を作成して、デバイスの正確な床の高さを決定して、地理位置情報に新しい機能をもたらします。

図 2 は、STMicroelectronics で収集された圧力センサーデータを示しています’ イタリアのカステレットのオフィスビル。サンプリングレートは7Hz、データ収集時間は合計約23分です。この図から、フロアごとの気圧の変化がはっきりとわかります。地下室では気圧が最も高くなります。階が上がるにつれて、気圧は徐々に低下します。

高層ビルがある複雑な都市環境では、現在の GPS テクノロジーでは信頼できる 3 次元位置データを提供できません。しかし、気圧計の応用は、気圧の変化に基づいて設計された新しいソリューションとなっています。 – 人が一定の高さまで移動すると、気圧が下がります。

以下の図に示すように、このソリューションでは、まずウェアラブルデバイスまたは携帯電話に次のような高品質の気圧センサーが搭載されている必要があります。 WF5803F、5803C/WF280A、など、または工業用空気圧センサー WF5805F そして 5837、サンプリングレートは 3kHz、合計データ収集時間は約 3ms です。

WFsensors は、携帯電話、ドローン、ウェアラブル、時計/ブレスレット、スポーツウォッチなどの多くの端末スマート製品に適した絶対圧非防水タイプや絶対圧防水タイプを含む幅広い製品モデルのピエゾ抵抗気圧センサーを提供しています。高度計としてだけでなく、天気予報や環境湿度と温度の監視用のインジケーターとしても使用されます。