Paine on yksi yleisimmin mitatuista suureista teollisuudessa ja teknisissä laitteissa. Teollisuuden prosesseissa painetta valvotaan ja säädetään, jotta koneet ja laitteistot toimivat oikein, turvallisesti ja luotettavasti.
Paineen mittausta hyödynnetään mm. prosessien ohjauksessa, nesteiden pinnankorkeuden mittauksessa, pohjaveden tason seurannassa sekä ilmanpaineen mittaamisessa.
Elektronisessa paineen mittauksessa käytetään paineanturia, joka muuntaa paineen sähköiseksi signaaliksi, mikä mahdollistaa painetiedon hyödyntämisen erilaisissa järjestelmissä.
Miten paineanturi toimii?
Nykyaikaisen paineanturin toiminta perustuu siihen, että paineen aiheuttama mekaaninen muutos muutetaan sähköiseksi signaaliksi, jotta se painetieto voidaan lukea.
Käytännössä tämä tarkoittaa:
- paine vaikuttaa anturin rakenteeseen
- rakenne deformoituu eli muuttaa muotoaan
- muodonmuutos aiheuttaa muutoksen sähkövastuksessa
- muutos mitataan jännitesignaalina
Miten resistiivinen ja pietsoresistiivinen paineen mittaus eroavat toisistaan?
Resistiivinen ja pietsoresistiivinen paineen mittaus perustuvat sähkövastuksen muutokseen, mutta niiden toimintaperiaatteet ovat erilaisia.
Resistiivisessä mittauksessa sähkövastus muuttuu ainoastaan materiaalin venymisen tai supistumisen seurauksena. Pietsoresistiivisessä mittauksessa tähän lisätään vielä materiaalin sisäinen sähkönjohtavuuden muutos, joka syntyy mekaanisen jännityksen vaikutuksesta.
Resistiivinen paineen mittaus
Resistiivinen paineen mittaus perustuu paineen aiheuttamaan mekaaniseen muodonmuutoksen, joka vaikuttaa sähkövastukseen.
Resistiivinen mittaus toteutetaan käytännössä tavallisesti venymäliuskan avulla. Venymäliuska on ohut metallinen liuska, joka reagoi venymiseen ja supistumiseen. Kun liuska venyy, siitä tulee pidempi ja ohuempi, jolloin sen sähkövastus kasvaa. Vastaavasti supistumistilanteessa liuska lyhenee ja paksuuntuu, jolloin sähkövastus pienenee.
Jotta paine voidaan muuttaa hallituksi muodonmuutokseksi, venymäliuska kiinnitetään elastiseen kalvoon. Kun paine vaikuttaa kalvon toiselle puolelle, kalvo taipuu. Tämä taipuminen aiheuttaa venymäliuskaan joko venymistä tai supistumista riippuen sen sijainnista kalvolla.
Mittaustilanne etenee käytännössä näin:
- paine kohdistuu kalvoon
- kalvossa tapahtuu muodonmuutos
- venymäliuska venyy tai supistuu
- sähkövastus muuttuu
Mitä suurempi paine on, sitä suurempi on kalvon muodonmuutos ja sitä suurempi on myös vastuksen muutos. Tämä muutos voidaan mitata sähköisesti ja muuntaa jännitesignaaliksi.
Tarkemman mittaustuloksen saavuttamiseksi useita venymäliuskoja yhdistetään paineanturissa Wheatstone-siltakytkennäksi, jolloin vastuksen muutos voidaan mitata jännitesignaalina.
Resistiivinen mittaus perustuu siis täysin materiaalin venymiseen ja supistumiseen. Mittaussillassa tapahtuva sähköinen muutos on suora seuraus tästä mekaanisesta ilmiöstä.
Miten pietsoresistiivinen paineen mittaus toimii käytännössä?
Pietsoresistiivinen paineen mittaus perustuu osittain samaan periaatteeseen kuin resistiivinen mittaus, mutta siihen liittyy lisäksi toinen merkittävä ilmiö.
Myös pietsoresistiivisessä mittauksessa paine aiheuttaa materiaalin venymistä tai supistumista. Tämän lisäksi materiaalin sähkönjohtavuus muuttuu suoraan mekaanisen jännityksen vaikutuksesta.
Ilmiö tapahtuu atomitasolla. Kun materiaalia venytetään tai supistetaan, sen atomien sijainti muuttuu, mikä vaikuttaa siihen, miten sähkövaraukset liikkuvat materiaalissa. Tämän seurauksena sähkövastus muuttuu enemmän kuin pelkän muodonmuutoksen perusteella voisi odottaa.
Pietsoresistiivisessä mittauksessa sähkövastuksen muutos on selvästi suurempi, joka mahdollistaa paremman mittausherkkyyden, sekä korkeamman tarkkuuden. Pietsoresistiiviset paineanturit ovat myös erittäin vakaita, sillä niissä ei tapahdu materiaalin väsymistä ja siitä aiheutuvaa mittausvirhettä.
Näiden ominaisuuksien ansiosta pietsoresistiivinen teknologiaa käytetään yleisesti erittäin vaativissa mittaussovelluksissa.
Mitä ovat pietsoresistiiviset anturit?
Pietsoresistiiviset anturit valmistetaan puolijohteista, kuten piistä. Pii on sama materiaali, jota käytetään elektroniikkapiireissä, ja siksi näitä antureita kutsutaan usein siruiksi.
Pietsoresistiivisen anturin rakenne perustuu ohueen piisiruun, jonka sähkönjohtavuutta muokataan lisäämällä sen pinnalle pieniä määriä muita aineita. Tämän jälkeen rakenteeseen muodostetaan ohut kalvo, joka reagoi paineeseen.
Kun paine vaikuttaa tähän kalvoon:
-> kalvossa tapahtuu muodonmuutos
-> materiaaliin syntyy mekaanista jännitystä
-> sähkönjohtavuus muuttuu
-> sähkövastus muuttuu merkittävästi
Pietsoresistiivisen paineanturin edut ja rajoitukset
Pietsoresistiivinen paineanturi on erittäin monipuolinen ja kestävä mittaustapa, joka tarjoaa useita selkeitä etuja. Keskeisimpiä etuja muihin teknologioihin nähden ovat korkea mittaustarkkuus, herkkyys ja mittauksen pitkäaikainen vakaus. Paineanturit ovat myös erittäin kompakteja, mikä helpottaa niiden asentamista koneisiin ja laitteisiin.
Pietsoresistiivisen teknologian soveltuvuus riippuu pitkälti tarvittavasta mittausalueesta ja lämpötilaolosuhteista. Pietsoresistiivinen mittaustapa ei ole välttämättä paras tapa erittäin pienien paineiden mittaukseen. Myös erittäin korkeat lämpötilat voivat joissain tapauksissa rajoittaa pietsoresistiivisten antureiden käyttämistä.
Pietsoresistiivinen paineanturi on yksi tärkeimmistä nykyaikaisista paineen mittausratkaisuista. Mittaustarkkuuden ja vakauden ansiosta sitä käytetään laajasti teollisuudessa, tutkimuksessa ja muissa vaativissa mittaussovelluksissa.
Oletko kiinnostunut paineantureista?
Profimeas on toimittanut mittauslaitteita mm. teollisuusyrityksille, laitevalmistajille ja ympäristöalan toimijoille jo vuodesta 2004 alkaen. Voit siis luottaa meihin paineantureiden asiantuntijana.
Tuotteisiimme kuuluu mm. paineanturit, painelähettimet, pinnankorkeuslähettimet, painemittarit ja niihin liittyvät tarvikkeet.
Edustamme Sveitsiläistä Keller Pressurea, jonka päätuotteita ovat pietsoresistiiviset paineanturit.
Tutustu paineantureihin sivustollamme tai ota yhteyttä asiantuntijaan!