Introduzione ai sensori di pressione dinamica

I sensori di pressione piezoelettrici misurano la pressione dinamica. In genere non sono adatti alla misurazione della pressione statica. Le misure di pressione dinamica, tra cui turbolenza, esplosione, balistica e combustione dei motori, richiedono sensori con capacità speciali. Queste capacità comprendono la rapidità di risposta, la robustezza, l'elevata rigidità, i campi di misura estesi e la capacità di misurare pressioni quasi statiche. Queste sono caratteristiche standard associate ai sensori di pressione al quarzo PCB®.

PCB® produce due tipi di sensori di pressione. I sensori di pressione a carica generano un'uscita di carica ad alta impedenza. I sensori di tensione ICP® (Integrated Circuit Piezoelectric) sono dotati di amplificatori microelettronici integrati che convertono il segnale di carica ad alta impedenza in un'uscita di tensione a bassa impedenza.

I sensori di pressione piezoelettrici sono disponibili in varie forme e configurazioni di filettatura per consentire il montaggio adatto a vari tipi di misurazioni della pressione. Nella maggior parte dei sensori vengono utilizzati cristalli di quarzo per garantire un funzionamento stabile e ripetibile. I cristalli di quarzo sono solitamente precaricati nelle custodie per garantire una buona linearità. La tormalina, un altro cristallo piezoelettrico naturale stabile, può essere utilizzata nei sensori PCB in cui è richiesta una sensibilità volumetrica. La Figura 1 mostra un sensore di pressione generico con elettronica incorporata.

Quando si applica una pressione positiva a un sensore di pressione ICP, il sensore produce una tensione positiva. La polarità dei sensori di pressione PCB a carica è opposta: quando viene applicata una pressione positiva, il sensore produce un'uscita negativa. I sensori di uscita a carica sono solitamente utilizzati con amplificatori di carica esterni che invertono il segnale. La polarità di uscita del sistema di un sensore di uscita di carica utilizzato con un amplificatore di carica produce un'uscita uguale a quella di un sensore ICP. Sono disponibili anche sensori a polarità inversa.

La maggior parte dei sensori di pressione piezoelettrici PCB sono costruiti con cristalli di quarzo a compressione precaricati in un alloggiamento rigido o con cristalli di tormalina non vincolati. Questi design garantiscono ai sensori tempi di risposta di microsecondi e frequenze di risonanza nell'ordine delle centinaia di kilohertz, con un overshoot o ringing minimo.

La struttura meccanica del sensore di pressione impone un limite alle alte frequenze. La sensibilità inizia ad aumentare rapidamente man mano che ci si avvicina alla frequenza naturale del sensore. L'aumento della sensibilità è illustrato nella Figura 2.

In genere è accettabile utilizzare i sensori in un intervallo in cui la sensibilità si discosta di meno di ± 5%. Il limite superiore di frequenza si verifica a circa il 20% della frequenza di risonanza del sensore.

La risposta alle alte frequenze può essere limitata dalla corrente di pilotaggio, dalla lunghezza e dalla capacità del cavo. Per informazioni più dettagliate sul pilotaggio di cavi lunghi, consultare la pagina web PCB Driving Long Cables.

La risposta a bassa frequenza di un sensore di pressione a carica è determinata dall'amplificatore di carica. La costante di tempo di scarica (DTC) dell'amplificatore che determina la risposta a bassa frequenza può essere molto lunga o molto corta, a seconda del modello di amplificatore di carica utilizzato. Una DTC più lunga consente di effettuare misure a bassa frequenza. Una DTC più corta limita la risposta alle basse frequenze.

I valori della resistenza e della capacità interne stabiliscono la costante di tempo di scarica e la risposta a bassa frequenza dei sensori di pressione ICP® . La costante di tempo di scarica determina la risposta a bassa frequenza in modo analogo all'azione di un filtro passa-alto R-C del primo ordine. Anche il DTC del condizionatore di segnale deve essere preso in considerazione. Esso influenza la risposta a bassa frequenza del sistema complessivo. Per informazioni più dettagliate, consultare la sezione Risposta a bassa frequenza dei sensori ICP® nella guida al condizionamento del segnale generale del PCB.

I cristalli di quarzo di un sensore di pressione piezoelettrico generano una carica quando viene applicata la pressione. Anche se la resistenza di isolamento elettrico è piuttosto elevata, la carica alla fine perde a zero. La velocità con cui la carica torna a zero dipende dalla resistenza di isolamento elettrico.

In un sensore di pressione in modalità di carica con amplificatore di tensione, la velocità di perdita è fissata dai valori di capacità e resistenza del sensore, del cavo a basso rumore e dell'amplificatore di tensione esterno a inseguimento di sorgente. Quando un sensore di pressione in modalità di carica viene utilizzato con un amplificatore di carica, il tasso di perdita è fissato dalla resistenza di retroazione elettrica e dal condensatore dell'amplificatore di carica.

La resistenza e la capacità del cristallo e dell'elettronica incorporata determinano normalmente il tasso di perdita in un sensore di pressione ICP®.

La caratteristica di uscita dei sistemi di sensori di pressione piezoelettrici è quella di un sistema accoppiato in CA. I segnali ripetitivi decadono fino a quando non vi è un'area uguale sopra e sotto la linea di base originale. Quando i livelli di grandezza dell'evento monitorato fluttuano, l'uscita si stabilizza intorno alla linea di base, con le aree positive e negative della curva che rimangono uguali. La Figura 3 rappresenta un segnale CA che segue questa curva.

In questo esempio, un segnale di uscita da 0 a 2 volt viene generato da un'applicazione di pressione accoppiata in CA con una frequenza di impulsi a regime di un secondo e un secondo tra gli impulsi. La frequenza rimane costante, ma il segnale decade rapidamente in modo negativo fino a centrare la linea di base originale (dove l'area A = area B). L'uscita da picco a picco rimane invariata.

Il montaggio di precisione dei sensori di pressione è essenziale per ottenere buone misure. Controllare sempre i disegni di installazione forniti nel manuale con il sensore, oppure contattare la PCB per richiedere istruzioni di montaggio dettagliate. Utilizzare buone pratiche di lavorazione per la foratura e la filettatura delle porte di montaggio e serrare i sensori ai valori indicati. La ferramenta di montaggio viene fornita con i sensori PCB. Per semplificare l'installazione di alcuni sensori, sono disponibili vari adattatori di filettatura standard.

Per le applicazioni di esplosione in campo libero, utilizzare supporti aerodinamicamente puliti per ridurre al minimo le riflessioni indesiderate da staffe di montaggio o treppiedi.

I cristalli di rilevamento di molti sensori di pressione sono situati all'estremità del diaframma del sensore. Il carico laterale di questa parte del sensore durante una misura di pressione crea distorsioni nel segnale in uscita.

È importante evitare sollecitazioni e tensioni insolite da carico laterale sulla parte superiore del sensore. Un'installazione corretta riduce al minimo le distorsioni del segnale in uscita. Le cause delle sollecitazioni laterali sulla parte superiore del sensore sono: un cavo teso che tira perpendicolarmente al connettore elettrico e l'uso di un adattatore pesante con un cavo collegato al piccolo connettore elettrico in un ambiente con elevate vibrazioni trasversali.

In applicazioni come le misure di esplosione in campo libero, un sensore di pressione montato in una piastra sottile può essere soggetto a sollecitazioni da carico laterale quando la pressione causa la flessione della piastra. Per ridurre al minimo questo effetto, utilizzare un supporto con O-ring.

Il montaggio a filo dei sensori di pressione in una piastra o in una parete è auspicabile per ridurre al minimo le turbolenze, evitare un effetto cavità o un aumento del volume della camera. Il montaggio a incasso è più auspicabile nelle applicazioni in cui l'estremità del diaframma del sensore di pressione può essere soggetta a temperature di infiammabilità eccessive o all'impatto di particelle. Il montaggio a incasso dei sensori di pressione riduce la capacità di misurare le alte frequenze. L'effetto cavità di questo tipo di montaggio riduce in genere la frequenza di risonanza del sensore. Per informazioni più dettagliate, consultare Introduzione alle misure di esplosione d'aria - Parte 2: Interfacciamento del trasduttore. Vedere la Figura 4 per la tipica installazione a incasso. Vedere la Figura 5 per la tipica installazione a incasso.

La maggior parte dei sensori di pressione PCB viene fornita con anelli di tenuta per il montaggio a incasso. Alcuni modelli, come le serie 111, 112 e 113, possono essere forniti con manicotti di tenuta per le porte di montaggio a incasso. Richiedere i manicotti di tenuta al momento dell'ordine. Ordinare un numero sufficiente di anelli di tenuta o manicotti di ricambio per le applicazioni che richiedono la rimozione e la reinstallazione frequente del sensore di pressione. Prima di reinstallare un sensore di pressione, controllare la porta di montaggio per assicurarsi che il vecchio anello di tenuta distorto sia stato rimosso dal foro di montaggio. Se si utilizzano sensori di pressione PCB® e si sono perse o smarrite le guarnizioni, chiamare PCB per richiedere le guarnizioni di ricambio come campioni gratuiti.

PCB dispone di vari adattatori di montaggio che facilitano il montaggio dei sensori di pressione. I sensori di pressione e gli adattatori con filettature dritte utilizzano un anello di tenuta come guarnizione di pressione. Gli adattatori con filettatura per tubi hanno filettature coniche, che creano la tenuta di pressione. Per informazioni più dettagliate sugli adattatori e gli accessori per sensori di pressione, consultare la pagina web Accessori PCB per sensori di pressione.

Il controllo della posizione del diaframma del sensore di pressione si ottiene con un supporto con filettatura diritta/anello di tenuta. I supporti con filettatura per tubi non consentono di posizionare con precisione la profondità del sensore, poiché la tenuta è ottenuta mediante il serraggio progressivo delle filettature nel foro conico fino al raggiungimento dell'ingranaggio richiesto. Le filettature dei tubi offrono la comodità di una porta più facile da lavorare rispetto alle filettature diritte. I supporti con filettatura per tubi sono adatti per alcune applicazioni generali.

Le pressioni all'interno dei cilindri dei veicoli, le pressioni balistiche e le esplosioni in campo libero sono esempi di applicazioni in cui lo shock termico accompagna l'impulso di pressione. Lo shock termico può assumere la forma di calore radiante, come il lampo di un'esplosione, di calore convettivo di gas caldi che passano sulla membrana del sensore di pressione o di calore conduttivo di un liquido caldo.

Praticamente tutti i sensori di pressione sono sensibili agli shock termici. Quando il calore colpisce il diaframma di un sensore di pressione piezoelettrico con cristalli contenuti in un involucro esterno, il calore può causare un'espansione dell'involucro che circonda i cristalli interni. Sebbene i cristalli di quarzo non siano molto sensibili agli shock termici, l'espansione dell'involucro provoca una diminuzione della forza di precarico sui cristalli, causando un segnale negativo in uscita. Per minimizzare questo effetto, vengono utilizzati vari metodi.

Alcuni sensori di pressione al quarzo PCB sono dotati di isolamento termico interno per minimizzare gli effetti degli shock termici. Alcuni modelli sono dotati di diaframmi soffocati. Altri, progettati per massimizzare la risposta in frequenza, possono richiedere un rivestimento di protezione termica, il montaggio in nicchia o una combinazione di questi elementi per ridurre gli effetti dello shock termico. I rivestimenti includono grasso al silicone (che può essere usato anche per riempire il foro di montaggio), gomma siliconica RTV, nastro elettrico in vinile e ceramica. L'RTV e il nastro sono utilizzati come ablativi, mentre il rivestimento ceramico serve a proteggere i diaframmi dai gas corrosivi e dall'impatto delle particelle.

In alcuni sensori PCB vengono utilizzati cristalli diversi dal quarzo. Pur essendo sensibile agli shock termici, la tormalina è utilizzata per i sensori a tubo d'urto e a esplosione subacquea. Nelle misurazioni con tubo d'urto, la durata della misurazione della pressione è solitamente così breve che uno strato di nastro di vinile è sufficiente a ritardare gli effetti termici per la durata della misurazione. Nelle applicazioni con esplosione subacquea, il trasferimento di calore attraverso l'acqua non è significativo.

Gli effetti dello shock termico non sono correlati alle specifiche del coefficiente di temperatura del sensore di pressione. La specifica del coefficiente di temperatura si riferisce alla variazione della sensibilità del sensore rispetto alla temperatura statica del sensore. Poiché gli effetti degli shock termici non possono essere facilmente quantificati, è necessario prevederli e ridurli al minimo con una delle tecniche citate per garantire dati di misura migliori.