Come funziona un trasmettitore di pressione?

Per capire come funziona un trasmettitore di pressione, è sufficiente concentrarsi sui suoi due elementi chiave: Uno è il sensore di pressione, che rileva la pressione del fluido e la converte in un segnale elettrico. L'altro è un microchip integrato specifico per l'applicazione. È necessario per convertire il segnale elettrico generato in un segnale di uscita normalizzato.

Sensore di pressione

Il sensore di pressione è costituito da una cella a film sottile su acciaio (figura 1), dove i ponti di resistenza sono applicati come un film sottile sulla superficie di un elemento sensibile in acciaio. Questo film sottile ha uno spessore di pochi strati atomici. Quando si applica una pressione al sensore di pressione, la sua membrana si deforma in punti predefiniti. I resistori sono posizionati esattamente in questi punti e cambiano il loro valore quando vengono dilatati o compressi. Ci sono quattro resistenze di deformazione sull'elemento di rilevamento. Due resistenze formano ciascuna un percorso.

Al centro si può formare un ponte dove si può misurare la tensione. Questo ponte si chiama ponte di Wheatstone. Quando non c'è pressione, tutte le resistenze hanno lo stesso valore, quindi non c'è tensione tra i percorsi destro e sinistro. Quando la pressione deforma la membrana, due resistenze vengono compresse e due resistenze vengono dilatate (figura 2 e 3). Questo aumenta la resistenza elettrica nelle aree allungate. D'altra parte, la pressione diminuisce nelle aree compresse. Questo cambia lo stato del ponte di resistenza e viene generato un segnale. Tuttavia, il segnale misurato non è lineare e varia a seconda della temperatura ambiente. Questo perché la temperatura ha una forte influenza sulla resistenza del ponte. (figura 4).

Figura 1: Sensore di pressione; un elemento sensibile a film sottile su acciaio con ponti di resistenza.

Figura 2: Schema del ponte di Wheatstone con le sue quattro resistenze.

Figura 3: Quando si applica una pressione, due resistenze si dilatano (in alto) e due si comprimono (in basso).

Diagramma "Output/Signal": Il segnale misurato varia con la temperatura. Per correggere questo fenomeno, è necessaria un'elettronica intelligente. — Figura 4: Il segnale misurato varia con la temperatura. Per correggere questo fenomeno, è necessaria un'elettronica intelligente.

Figura 5: Il Circuito Integrato Specifico dell'Applicazione (ASIC) è collegato al PCB tramite punti di saldatura (cubo nero contrassegnato da "trafag" e "TX"). Corregge e amplifica i segnali misurati.

Microchip specifico per l'applicazione

Per ottenere un segnale di misurazione lineare, preciso e indipendente dalla temperatura, è necessaria un'elettronica intelligente. L'elettronica corregge e amplifica il segnale di misurazione, ad esempio un segnale di 10 millivolt viene trasformato in un segnale di 10 volt. I valori di correzione ottenuti sono memorizzati nel microchip specifico dell'applicazione (chiamato anche Circuito Integrato Specifico per l'Applicazione, ASIC, figura 5). Questi valori vengono determinati e memorizzati individualmente per ogni trasmettitore di pressione. Per determinare i valori di correzione, si applica una pressione definita con precisione al trasmettitore di pressione pronto per il montaggio e si misura il segnale. Per la pressione applicata, si possono calcolare i valori di correzione. Il processo viene poi ripetuto a diverse temperature. In questo modo è possibile determinare i valori di correzione per la compensazione della temperatura. I valori di correzione così determinati vengono poi memorizzati nel chip. In questo modo, è possibile generare un segnale di misurazione lineare e standardizzato dal segnale grezzo dell'elemento sensibile. E questo per l'intero intervallo di pressione e temperatura (Figura 6). Questo segnale di misurazione standardizzato può essere trasmesso ai sistemi di controllo di livello superiore.

Il microchip specifico per l'applicazione (ASIC) ospita milioni di circuiti su un'area di circa 2,5 x 2,5 millimetri, dove i punti di saldatura stabiliscono il contatto tra il chip e l'elettronica del trasmettitore di pressione (figura 7).

Figura 7: L'ASIC contiene milioni di circuiti su un'area di circa 2,5 x 2,5 millimetri. I punti di saldatura (cerchi grigio-blu nell'immagine) forniscono il contatto tra il chip e l'elettronica del trasmettitore di pressione.

Diagrama: Figura 1: Il segnale grezzo (a sinistra) e i valori di correzione (al centro) vengono sommati per ottenere il segnale di uscita standardizzato (a destra). — Figura 6: Il segnale grezzo (a sinistra) e i valori di correzione (al centro) vengono sommati per ottenere il segnale di uscita standardizzato (a destra).

Conclusione

I migliori risultati di misurazione si ottengono quando la cella di misura e il microchip sono abbinati con precisione. Per questo motivo, Trafag produce le proprie celle di misura e ha sviluppato il proprio ASIC. Sviluppando questi due componenti chiave sotto lo stesso tetto, il trasmettitore di pressione funziona in modo ottimale e si possono garantire qualità e affidabilità.

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