Hoe digitale druksensoren en -schakelaars werken

Digitale drukschakelaars en sensoren zijn essentieel voor het monitoren en regelen van druk in verschillende toepassingen, van watersystemen tot pneumatische besturingen. Door toegepaste druk om te zetten in elektrische signalen, bieden deze apparaten nauwkeurige metingen, realtime monitoring en naadloze integratie met digitale besturingssystemen. Dit artikel verkent de werking van digitale drukschakelaars en sensoren, hun componenten, werkingsprincipes en de voordelen die ze bieden aan processen die nauwkeurigheid en betrouwbaarheid vereisen.

Wat zijn digitale druksensoren en -schakelaars

• Een druksensor, of transducer is een apparaat dat druk meet, meestal van gassen of vloeistoffen, en de fysieke parameter van druk omzet in een elektrisch signaal.
• Een drukschakelaar is een specifiek type druksensor dat een extra mechanisch of elektronisch schakelcomponent bevat. Een drukschakelaar maakt of verbreekt een elektrisch contact wanneer een bepaald ingesteld drukniveau wordt bereikt.

Digitale drukschakelaars zijn elektronische druk zenders met toegevoegde mogelijkheden. Ze meten niet alleen druk, maar bieden ook andere functies zoals een digitaal display en de elektronische aanpassing van schakelpunten. Deze dubbele functionaliteit betekent dat eenvoudige besturingstaken kunnen worden uitgevoerd zonder de noodzaak voor aparte apparaten. Gebruikers kunnen schakelpunten gemakkelijk instellen en wijzigen, hetzij via een digitaal display of op afstand via een I/O-link, waardoor de aanpasbaarheid van het systeem aan verschillende bedrijfsomstandigheden wordt verbeterd.

De volgende secties bespreken de verschillende mechanismen waardoor de sensor de invoerdruk omzet in een elektrische uitvoer.

Hoe elektronische druksensoren werken

Elektronische druksensoren detecteren drukveranderingen en zetten deze om in een evenredig elektrisch signaal. Er zijn vier hoofdprincipes waarop deze sensoren werken:

Resistieve drukmeting

Resistieve drukmeting kwantificeert druk door veranderingen in elektrische weerstand te detecteren die worden veroorzaakt door de vervorming van een materiaal. De weerstand van een geleider wordt beïnvloed door zijn fysieke afmetingen - specifiek, zijn lengte en dwarsdoorsnede-oppervlakte. De elektrische weerstand van een geleider wordt bepaald door de formule:

R=ρ*L/A

• R: Elektrische weerstand
• ρ: Soortelijke weerstand
• L: Lengte
• A: Dwarsdoorsnede-oppervlakte

Wanneer druk wordt toegepast op een geleider, kan dit het materiaal doen uitrekken of comprimeren. Het uitrekken van de geleider verhoogt zijn lengte (l) en vermindert zijn dwarsdoorsnede-oppervlakte (A), wat op zijn beurt zijn weerstand verhoogt. Omgekeerd resulteert compressie in een kortere lengte en een grotere dwarsdoorsnede-oppervlakte, wat leidt tot een afname in weerstand.

Druksensoren die dit principe gebruiken, hebben meestal een membraan waarop vier metalen rekstrookjes zijn geplaatst. Ze zijn verdeeld over de verlengings- en compressiegebieden. De weerstand verandert dus volgens de buiging (compressie of verlenging) van het membraan. Wanneer het membraan buigt, veranderen de rekstrookjes ook van vorm:

• Als het membraan uitrekt, krijgen de rekstrookjes op die delen meer weerstand
• Als het membraan naar binnen wordt geduwd, krijgen de rekstrookjes op die delen minder weerstand.

Deze veranderingen in weerstand zijn gekoppeld aan hoeveel druk er op het membraan wordt uitgeoefend. Een Wheatstone-brug kan ook worden gebruikt voor nauwkeurigere metingen.

Piëzoresistieve drukmeting

Een piëzoresistief materiaal is een type materiaal dat zijn elektrische weerstand verandert wanneer er mechanische spanning op wordt uitgeoefend. Deze eigenschap staat bekend als het piëzoresistieve effect. Dit effect is bijzonder uitgesproken in halfgeleiders zoals silicium, terwijl het relatief gering is in geleidende metalen.

In een piëzoresistieve druksensor is het membraan dat druk detecteert gemaakt van een halfgeleidermateriaal. Rekstrookjes gemaakt van hetzelfde halfgeleidermateriaal zijn direct in dit membraan ingebed, waardoor een samenhangende detectie-eenheid ontstaat. Deze rekstrookjes zijn doorgaans gerangschikt in een set van vier en zijn verbonden om een Wheatstone-brug te vormen, die wordt gebruikt om de minuscule veranderingen in weerstand te meten die optreden als het membraan vervormt onder druk.

Voordelen

Piëzoresistieve elementen kunnen zeer lage drukbereiken nauwkeurig meten, waardoor ze ideaal zijn voor toepassingen waar precisie cruciaal is.

Beperkingen

• Compatibiliteitsproblemen: Halfgeleidermaterialen zijn niet universeel compatibel met alle soorten vloeistoffen waarmee ze in contact komen. Om schade aan de sensor te voorkomen, worden de halfgeleidende elementen afgeschermd van het te meten medium door de druk toe te passen op een metalen membraan dat bestand is tegen het medium. De druk wordt vervolgens overgebracht op het halfgeleidermembraan via een stabiel transmissiemedium, zoals olie, wat ervoor zorgt dat het gevoelige halfgeleidermateriaal alleen in contact komt met een stof die het kan weerstaan.
• Gevoeligheid voor temperatuur: Piëzoresistieve elementen zijn zeer gevoelig voor temperatuurschommelingen, wat hun prestaties en nauwkeurigheid kan beïnvloeden.
• Consistentie in productie: Variaties in het productieproces kunnen leiden tot inconsistenties in het gedrag van de sensor.

Om deze uitdagingen aan te pakken, moet elke piëzoresistieve druksensor een individuele temperatuurcompensatie ondergaan om betrouwbare en consistente werking te garanderen.

Capacitieve drukmeting

Capacitieve drukmeting bepaalt de druk van een medium door de verandering in capaciteit te meten die wordt veroorzaakt door de vervorming van een membraan wanneer er druk op wordt uitgeoefend. Een condensator is een elektrisch component dat energie opslaat in een elektrisch veld tussen twee geleidende platen gescheiden door een isolerend materiaal (Figuur 3). De capaciteit van een dubbelplaatcondensator wordt berekend met de volgende relatie:

C=ε*A/d

• C: Capaciteit van de dubbelplaatcondensator
• ε: Permittiviteit
• d: Plaatafstand
• A: Dwarsdoorsnede-oppervlakte

In een capacitieve druksensor zijn de twee platen van de condensator zo geconfigureerd dat één plaat een beweegbaar membraan is dat reageert op drukveranderingen, terwijl de andere plaat stationair blijft. Wanneer er druk wordt uitgeoefend, buigt het membraan, waardoor de afstand (d) tussen de twee platen verandert. Aangezien de oppervlakte van de platen (A) en de permittiviteit (ε) van het isolerende materiaal constant zijn, beïnvloedt elke verandering in de plaatafstand direct de capaciteit.

Voordelen

• De directe relatie tussen plaatafstand en capaciteit betekent dat capacitieve druksensoren zeer gevoelig zijn voor drukveranderingen. Ze zijn bijzonder geschikt voor het meten van zeer lage drukbereiken, zoals die in het enkele millibarbereik.
• Het ontwerp van deze sensoren biedt een hoog niveau van overbelastingsbescherming. Het beweegbare membraan kan helemaal tot aan de stationaire plaat buigen zonder schade te veroorzaken, wat helpt om sensorfalen te voorkomen in situaties waar de druk de bedoelde meetbereik overschrijdt.
• Capacitieve druksensoren worden vaak gebruikt in toepassingen waar nauwkeurige metingen van lage druk vereist zijn, zoals in milieumonitoring, medische apparaten en HVAC-systemen. Hun hoge gevoeligheid en overbelastingsbescherming maken ze betrouwbare en duurzame keuzes voor deze en andere gevoelige meettaken.

Beperkingen

• Capacitieve sensoren kunnen gevoelig zijn voor trillingen en kunnen bescherming vereisen tegen ruwe omgevingen.
• Capacitieve sensoren kunnen worden beïnvloed door veranderingen in de diëlektrische constante van het medium tussen de platen, wat kan worden beïnvloed door factoren zoals vochtigheid en temperatuur.

Piëzo-elektrische drukmeting

Piëzo-elektrische drukmeting verwijst naar het gebruik van piëzo-elektrische materialen om drukveranderingen te meten. Piëzo-elektrische materialen hebben de unieke eigenschap dat ze een elektrische lading genereren in reactie op toegepaste mechanische spanning. Dit fenomeen staat bekend als het piëzo-elektrische effect.

Bepaalde kristallijne materialen, zoals kwarts, toermalijn en bepaalde keramieken, vertonen piëzo-elektrische eigenschappen. De structuur van het kristal is zodanig dat wanneer het wordt vervormd door de toegepaste kracht, de rooster elementen binnen het kristal - die elektrisch geladen zijn - worden verplaatst. Deze verplaatsing leidt tot de generatie van een elektrisch dipoolmoment binnen het kristal, wat op zijn beurt ertoe leidt dat tegenovergestelde oppervlakken van het kristal positieve en negatieve ladingen verkrijgen.

Dit veroorzaakt een spanningsverschil over het kristal dat kan worden gemeten. Deze spanning is direct evenredig met de toegepaste mechanische spanning, waardoor de druk kan worden bepaald uit de spanningsuitvoer van de sensor.

Voordelen

• Geen externe voeding vereist: Piëzo-elektrische materialen genereren hun eigen elektrische lading in reactie op druk, dus ze hebben geen externe voedingsbron nodig.
• Brede dynamische bereik: Piëzo-elektrische sensoren kunnen een breed scala aan drukken meten, van zeer laag tot zeer hoog.

Beperkingen

Piëzo-elektrische sensoren zijn niet geschikt voor het meten van statische druk omdat de gegenereerde lading na verloop van tijd kan verdwijnen. Ook kan de elektrische lading die door het piëzo-elektrische effect wordt geproduceerd weglekken, vooral bij hoge temperaturen, wat de nauwkeurigheid kan beïnvloeden.

Vanwege deze beperking worden piëzo-elektrische druksensoren doorgaans gebruikt in toepassingen waar de druk snel verandert, zoals bij het detecteren van geluidsgolven, het monitoren van verbrandingsprocessen in motoren of het meten van explosiedrukken.

Soorten druksensoren

De eerder besproken principes van drukmeting zijn beschikbaar in drie hoofdtypen sensoren: keramische dikfilm-sensoren, metalen dunfilm-sensoren en piëzoresistieve druksensoren.

Metalen dunfilm-sensor

Metalen dunfilm-sensoren zijn opgebouwd met zowel het membraan als de hoofdbehuizing van roestvrij staal, wat uitstekende duurzaamheid en weerstand tegen corrosieve media biedt. De rekstrookjes, samen met isolatielagen, geleidingspaden en compenserende weerstanden, worden aangebracht aan de zijde van het membraan die niet in contact komt met het te meten medium. Dit zorgt ervoor dat de gevoelige componenten beschermd zijn tegen de omgeving.

Kenmerken

• Metalen dunfilm-sensoren worden doorgaans geproduceerd in cleanroomomstandigheden, en soms zelfs onder vacuüm, om de hoogste kwaliteit te waarborgen en contaminatie te voorkomen.
• Metalen dunfilm-sensoren zijn zeer stabiel en bestand tegen schokken en trillingen, wat ze geschikt maakt voor toepassingen met dynamische belastingen.
• Ze kunnen direct worden gelast op een systeemaansluiting, waardoor de noodzaak voor aparte afdichtingsmaterialen wordt geëlimineerd. Dit kan de installatie vereenvoudigen en de integriteit van de sensoraansluiting verbeteren.
• De ductiliteit van staal maakt een bepaalde mate van vervorming mogelijk zonder falen; deze sensoren hebben over het algemeen een lagere overbelastingsbereik (druk die het ontworpen bedrijfsdrukbereik overschrijdt). Ze kunnen echter zeer hoge barstdrukken weerstaan, wat veiligheid garandeert in toepassingen waar plotselinge drukpieken kunnen optreden.

Keramische dikfilm-sensor

Keramische dikfilm-sensoren hebben zowel het hoofdlichaam als het membraan gemaakt van keramiek, typisch aluminiumoxide (Al2O3), dat wordt gekozen vanwege zijn verwerkbaarheid en stabiliteit. De rekstrookjes worden aangebracht aan de zijde van het keramische membraan die niet in contact komt met het te meten medium. Deze rekstrookjes zijn gemaakt van een speciale pasta die in een dikke laag wordt aangebracht - vandaar de term "dikfilm". De pasta wordt vervolgens in het membraan gebrand bij hoge temperaturen en vervolgens bedekt met een beschermende coating om duurzaamheid te garanderen.

• De productie van keramische dikfilm-sensoren vindt plaats in cleanroomomstandigheden om contaminatie te voorkomen. Keramische materialen zijn zeer bestand tegen corrosie, waardoor deze sensoren geschikt zijn voor gebruik in agressieve chemische omgevingen.
• De extra afdichting die nodig is voor de assemblage van de sensor is mogelijk niet bestand tegen alle media.
• Keramiek is ook een broos materiaal, wat betekent dat hoewel deze sensoren aanzienlijke druk kunnen weerstaan, ze mogelijk een lagere barstdruk hebben in vergelijking met metalen dunfilm-sensoren.

Piëzoresistieve sensor

Piëzoresistieve sensoren zijn complexer in hun constructie dan keramische dikfilm- of metalen dunfilm-sensoren. De kern van een piëzoresistieve sensor is een siliciumchip die het membraan huisvest met ingebedde piëzoresistieve weerstanden. Deze chips zijn veel kleiner qua oppervlakte in vergelijking met de membranen die worden gebruikt in dikke of dunne filmsensoren, vaak slechts enkele vierkante millimeters groot.

Vanwege hun gevoeligheid voor omgevingsfactoren moeten piëzoresistieve chips worden beschermd. Dit wordt bereikt door de chip te omhullen in een roestvrijstalen behuizing, die wordt afgedicht met een dun roestvrijstalen membraan (Figuur 4 gelabeld E). De ruimte binnen de behuizing is gevuld met een transmissievloeistof (Figuur 4 gelabeld F) die de druk van het buitenmembraan naar het sensormembraan overbrengt. Speciale verplaatsingslichamen (Figuur 4 gelabeld C) minimaliseren de effecten van thermische uitzetting van de transmissievloeistof op de meetnauwkeurigheid.

De sensorchip wordt gemonteerd en elektrisch verbonden met behulp van een kop (Figuur 4 gelabeld B), die hermetisch kan worden gelast aan de behuizing. Bond-draden (Figuur 4 gelabeld H) verbinden de sensor met externe pinnen (Figuur 4 gelabeld A). Een ventilatiebuis (Figuur 4 gelabeld G) is gepositioneerd in het midden van de kop, leidend naar de achterkant van het sensormembraan. Deze buis maakt de meting van absolute druk mogelijk wanneer de kamer achter de sensor wordt geëvacueerd en de buis wordt verzegeld. Als de ventilatiebuis open is, meet de sensor relatieve druk, waarbij de buis verbinding maakt met de omgeving via de buitenbehuizing of een geventileerde kabel. Het is cruciaal om de ventilatiebuis te beschermen tegen contaminatie en vocht om de nauwkeurigheid van de sensor te behouden.

De juiste sensortechnologie kiezen

Tabel 1: Verschillende meettoepassingen met sensortechnologieën

Vereiste	Sensorprincipe
	Metalen dunfilm-sensor	Keramische dikfilm	Piëzoresistief
Absolute drukmeting	Niet geschikt	Gedeeltelijk geschikt	Goed
Zeer lage drukbereiken	Niet geschikt	Niet geschikt	Goed
Zeer hoge drukbereiken	Goed	Niet geschikt	Niet geschikt
Weerstand tegen schokken en trillingen	Goed	Gedeeltelijk geschikt	Gedeeltelijk geschikt
Lange termijn stabiliteit	Goed	Gedeeltelijk geschikt	Goed

Hoe drukschakelaars werken

Een drukschakelaar is in wezen een druksensor die een extra component bevat - een mechanische of elektronische schakelaar. Deze integratie stelt het apparaat niet alleen in staat om druk te meten, maar ook om te handelen op basis van de gemeten waarde door een elektrisch circuit te openen of te sluiten zodra de druk een vooraf bepaalde drempel bereikt.

• Mechanische schakelaars: In een mechanische drukschakelaar werkt het drukmeetcomponent (de sensor) direct op een mechanische schakelaar. Wanneer de druk een bepaald niveau bereikt, veroorzaakt dit een fysieke beweging (zoals het buigen van een membraan of een zuigerbeweging) die mechanisch een schakelaar activeert om een elektrisch circuit te openen of te sluiten. Deze actie kan een systeem in- of uitschakelen, alarmen activeren of andere mechanische processen initiëren.
• Elektronische schakelaars: Elektronische drukschakelaars bevatten een druksensor die druk omzet in een elektrisch signaal. Dit signaal wordt vervolgens verwerkt door elektronische schakelingen die bepalen of de druk boven of onder een door de gebruiker gedefinieerde drempel ligt. Als de drempel wordt overschreden, activeert de elektronische schakeling een relais of een transistorschakelaar, waardoor een elektrisch circuit wordt geopend of gesloten. Dit type schakelaar biedt meer flexibiliteit en precisie, aangezien de drempel gemakkelijk kan worden aangepast via software, en de schakelaar kan worden ontworpen om verschillende elektronische acties te activeren.