Вступ. Барометри все частіше використовуються в смартфонах, планшетах і носимих технологіях, відкриваючи двері для нових промислових застосувань, таких як точний моніторинг висоти та прогнозне технічне обслуговування. Тож як вибрати правильний барометр відповідно до вимог до дизайну? На які конкретно параметри варто звернути увагу? Які технічні деталі слід враховувати при виборі продукту? Які останні комбінації барометрів? Які нові напрямки застосування є у барометрів? Завдяки цій статті я сподіваюся, що ви зможете отримати необхідну інформацію, щоб підібрати найбільш ідеальний барометр для вашого наступного дизайну.
Дізнайтеся про 3 методи вимірювання тиску та 4 технології виробництва та виберіть той, який відповідає вашому дизайну
Барометри використовуються для визначення тиску повітря газів або рідин. Як перетворювач, барометри перетворюють прикладений тиск повітря в аналогові або цифрові вихідні сигнали та зазвичай класифікуються відповідно до типу вимірювання тиску повітря та технології, чутливої до тиску.
Існує три способи вимірювання атмосферного тиску:
Абсолютний тиск: Абсолютний тиск - це тиск, виміряний відносно ідеального вакууму. Якщо ви помістите абсолютний барометр у повітря, датчик покаже фактичний тиск повітря в цьому місці. Тому на абсолютні барометри впливають зміни висоти та погоди тощо.
Перепад тиску: Різниця тиску повітря, виміряна між двома джерелами тиску.
Вимірювальний тиск: Якщо одним із джерел тиску є тиск навколишнього повітря, виміряна різниця тиску називається манометричним тиском.
Після уточнення методу вимірювання тиску також необхідно усвідомити, що різні принципи, які використовуються у виробництві барометрів, безпосередньо впливатимуть на точність, діапазон, розмір датчика та застосовне середовище виявлення.
Нижче наведено найбільш часто використовувані технології, чутливі до тиску:
■ П'єзорезистивний барометр: використовує п'єзорезистивний ефект для виявлення зміни опору одного або кількох резисторів, встановлених на діафрагмі, під час застосування тиску повітря. Підходить для загального випробування тиском, необхідного для Інтернету речей, промисловості та медицини.
■ П'єзоелектричний барометр: використовує характеристики п'єзоелектричних матеріалів для визначення заряду, пропорційного тиску повітря, що прикладається до поверхні. Підходить для високотемпературних середовищ, таких як вимірювання високодинамічного тиску на реактивних двигунах.
■ Ємнісний барометр: Вимірюйте тиск повітря, виявляючи зміну ємності, спричинену рухом діафрагми зі скла, кераміки або кремнію. Також підходить для загального випробування тиском, необхідного для Інтернету речей, промисловості та медицини
■ Оптоволоконний барометр: використовує оптичний ефект оптичного волокна. Підходить для важких умов, таких як нафтогаз, аерокосмічна промисловість, оборона та медицина.
Розуміння 8 ключових параметрів барометра
Окрім основних принципів барометра, вам також потрібно розуміти значення пов’язаних параметрів, які також є основною орієнтиром для вашого вибору барометра:
Діапазон тиску: Діапазон тиску, який може вимірювати датчик. Також слід враховувати допуск датчика до надлишкового тиску, який є максимальним тиском, який пристрій може витримати та продовжувати працювати, коли барометр повертається до робочого діапазону.
Точність: Абсолютна точність показує, наскільки вихідні дані барометра близькі до фактичного тиску. Він виражається як різниця між двома значеннями. Відносна точність - це похибка між двома вимірюваннями.
Упаковка: Визначається середовищем кінцевої програми та обмеженнями розміру. Часто віддають перевагу невеликим водонепроникним упаковкам.
Шум: Простіше кажучи, це випадкова зміна виходу датчика, пов’язана зі змінами вхідного сигналу датчика.
Температурний коефіцієнт зміщення: Також відомий як температурний коефіцієнт нульового тиску. Він являє собою зміну зсуву при нульовому тиску через температуру, тому чим менше, тим краще.
Швидкість вихідних даних: Швидкість вибірки даних.
Пропускна здатність: Сигнал найвищої частоти, який можна дискретизувати без накладання спектрів.
Споживана потужність: Енергоспоживання надзвичайно важливе для додатків, які працюють від малих акумуляторів і тих, яким потрібно максимально зберегти час роботи від акумулятора. Споживання електроенергії тісно пов’язане з вибором ODR і роздільної здатності. Середньоквадратичний шум барометра також пов’язаний із смугою пропускання та роздільною здатністю, тому споживану потужність і роздільну здатність слід зважити відповідно до вимог застосування датчика. Звичайно, є й інші параметри, такі як напруга живлення, робоча температура, радіус дії, інтерфейс зв’язку тощо.
Зв'язок між атмосферним тиском та висотою
Ось одиниці вимірювання атмосферного тиску:
PSI - кілограми на квадратний дюйм
CM/HG - сантиметри ртуті
CM/Hg - дюйми ртуті
Па – Паскаль, одиниця тиску в СІ, 1 Па = 1 Н/м2
Бар – бар, одиниця тиску повітря, 1 бар = 105Па
Мбар – мілібар, 1 мбар = 10-3 бар
Ми живемо в нижній частині атмосфери Землі, де атмосферний тиск знижується зі збільшенням висоти. Ми визначаємо стандартний атмосферний тиск як 29,92 дюймів ртутного стовпа на рівні моря при 59°F, це середнє значення, яке залежить не від часу, а від географічного розташування точки вимірювання, температури та повітряних течій.
Таким чином, співвідношення перетворення між наведеними вище одиницями тиску є:
1 стандартна атмосфера = 14,7 psi = 76 см/Hg = 29,92 дюймів/Hg = 1,01325 бар = 1013,25 мбар
Зв'язок між атмосферним тиском і висотою можна виразити таким чином [1]:
Де:
P0 - стандартний атмосферний тиск, рівний 1013,25 мбар;
Висота — це висота в метрах.
P - тиск повітря в Мбар на певній висоті
Малюнок 1 описує залежність між зміною атмосферного тиску та висотою на основі наведеної вище формули.
Як показано на малюнку, коли висота піднімається від рівня моря до 11 000 метрів над рівнем моря, атмосферний тиск падає з 1013,25 мбар до 230 мбар. З малюнка неважко побачити, що коли висота нижче 1500 метрів, атмосферний тиск знижується майже лінійно, зі зменшенням приблизно на 11,2 мбар на 100 метрів, тобто приблизно на 1,1 мбар на 10 метрів. Щоб отримати більш точні дані вимірювання висоти, у цільовій програмі можна створити таблицю запиту висоти атмосферного тиску для визначення відповідної висоти на основі результатів вимірювання датчика тиску.
Якщо використовується датчик абсолютного тиску MEMS із повним діапазоном від 300 мбар до 1100 мбар, висота вимірювання може досягати 9165 метрів над рівнем моря до 698 метрів нижче рівня моря.
Приклад застосування: визначення рівня підлоги за допомогою датчиків MEMS
Роздільна здатність вимірювання 0,1 мбар (10 Па) / середньоквадратичне значення дозволяє Датчики тиску MEMS для виявлення змін висоти в межах 1 метра. Тому в багатоповерхових будинках датчики тиску можуть використовуватися для виявлення зміни перекриттів.
По-друге, станції моніторингу висоти розгорнуті в багатьох місцях по всьому регіону для вимірювання місцевого тиску навколишнього повітря, коригування погодних умов та інших факторів, що впливають, створення високоточних показників висоти, а потім визначення точної висоти підлоги пристрою, надаючи нові можливості геолокації.
На малюнку 2 показано дані датчика тиску, зібрані в STMicroelectronics’ Офісна будівля Castelletto в Італії. Частота дискретизації становить 7 Гц, а загальний час збору даних становить близько 23 хвилин. З малюнка добре видно зміни атмосферного тиску на різних поверхах. Атмосферний тиск найвищий у підвалі. З підйомом поверхів атмосферний тиск поступово знижується.
Для складних міських середовищ із багатоповерховими будинками сучасна технологія GPS не може забезпечити надійні тривимірні дані про місцезнаходження. Але новим рішенням стало застосування барометрів, які розроблені на основі зміни тиску повітря – коли людина переміщається на певну висоту, тиск повітря падає.
Як показано на малюнку нижче, у цьому рішенні, перш за все, пристрій, який можна носити, або мобільний телефон повинен мати високоякісний датчик барометра, наприклад: WF5803F, 5803C/WF280Aтощо, або промислові датчики тиску повітря WF5805F і 5837, з частотою дискретизації 3 кГц і загальним часом збору даних близько 3 мс.
WFsensors постачає різноманітні п’єзорезистивні барометричні датчики з широким діапазоном моделей продукції, включаючи неводонепроникні типи абсолютного тиску та водонепроникні абсолютного тиску, які підходять для багатьох інтелектуальних продуктів терміналів, таких як мобільні телефони, дрони, носії, годинники/браслети, спортивні годинники тощо. Він використовується як вимірювач висоти, а також індикатор для прогнозування погоди та моніторингу вологості та температури навколишнього середовища.
