Paineanturien esittely

Paineanturi on elektroniikkakomponentti, joka valvoo kaasun tai nesteen painetta (voimaa) tai mittaa sen ja muuntaa tämän tiedon sähköiseksi signaaliksi, jota voidaan käyttää voiman valvontaan tai säätöön. Paineanturiaiheen käsittely on kuitenkin syytä aloittaa joistakin perusmääritelmistä. Paine on sen voiman suuruus, jonka kaasu tai neste kohdistaa pinta-alayksikköä kohti. Paineen (P), voiman (F) ja pinta-alan (A) välinen suhde saadaan yhtälöllä P=F/A. Paineen perinteinen yksikkö on pascal, joka tarkoittaa yhtä newtonia (N) neliömetriä kohti. Painetta voidaan kuvailla myös voimana, joka tarvitaan estämään juoksevan aineen laajeneminen.

Paineantureissa käytetään erilaisia tekniikoita, joita käsitellään jäljempänä tässä artikkelissa, ja kukin tekniikka määrittelee viime kädessä sen, miten tietty paineanturi toimii. Vaikka monia nykyisin saatavilla olevia paineantureita voidaan käyttää monenlaisten juoksevien aineiden ja kaasujen kanssa, jotkin viskoosisemmat tai paksummat juoksevat aineet (paperimassa, asfaltti, raakaöljy jne.) saattavat vaatia kustomoituja paineantureita. Lähes kaikkiin tilanteisiin on kuitenkin olemassa sopiva paineanturityyppi.

Nimityssekaannuksen pohdinta

Paineanturit, painemuuntimet ja painelähettimet ovat periaatteessa toiminnaltaan samanlaisia, ja siksi termejä käytetään usein ristikkäin. Ne eroavat toisistaan kuitenkin eniten lähtösignaaliensa osalta.

Paineanturi mittaa paineen voiman ja tuottaa lähtösignaalin, joka vastaa siihen kohdistuvan voiman suuruutta. Painemuunnin muuntaa tunnistetun voiman jatkuvaksi lähtöjännitteeksi (V), kun taas painelähetin muuntaa tunnistetun voiman lähtövirraksi (mA).

Paineantureihin voidaan viitata yleisessä käytössä useilla eri termeillä, kuten esimerkiksi painemuuntimet, painelähettimet, paineenilmaisimet, pietsometrit ja painemittarit. Näitä laitteita käytetään nimityksistä riippumatta paineen valvontaan ja säätöön lukuisissa sovelluksissa. Niitä voidaan käyttää myös muiden muuttujien, kuten juoksevan aineen/kaasun virtauksen, korkeuden ja vedenpinnan tason mittaamiseen.

Painemittauksen tyypit

Painemittauksen ja paineantureiden alalla käytetään erilaisia termejä, jotka on ymmärrettävä järjestelmän optimaalisen suorituskyvyn ja mittaustarkkuuden varmistamiseksi. Sovelluksessa käytettävän paineanturin erityistyyppi voi vaikuttaa merkittävästi näihin tekijöihin, sillä paine mitataan yleensä suhteessa johonkin referenssipaineeseen, kuten ilmanpaineeseen merenpinnan tasolla.

Yksi keskeinen termi on mittaripaine, joka tarkoittaa paineen mittaamista suhteessa paikalliseen ympäristöpaineeseen tai ilmanpaineeseen. Ilmoitettu paine on paikallista ilmanpainetta korkeampi tai matalampi.

Toinen merkittävä termi on absoluuttinen paine, joka tarkoittaa paineen mittaamista suhteessa vertailukohtana käytettävään nollapaineeseen tai tyhjiöön. Absoluuttisella paineanturilla tehty mittaus pysyy samana riippumatta siitä, missä paikassa se mitataan.

Differentiaalipaine tarkoittaa järjestelmän kahden eri pisteen välistä paine-eroa, jota käytetään usein nesteiden tai kaasujen virtauksen laskentaan putkissa.

Tyhjiöpaine mittaa negatiivisen paineen verrattuna ympäristön tai paikalliseen ilmanpaineeseen.

Yhdistetty paine puolestaan kattaa sekä positiivisen että negatiivisen paineen tai tyhjiön mittauksen, eli se koostuu mittaripaineen ja tyhjiöpaineen yhdistelmästä.

Kuva 1: Erilaisten painemittausten välisen suhteen havainnollistaminen. (Kuvan lähde: Same Sky)

Yleiset paineenmittaustekniikat

Paineen tunnistuksen, ymmärtämisen ja mittaamisen alkujuuret voidaan jäljittää Galileon pioneerityöhön 1500-luvun lopulla ja Torricellin työhön 1600-luvun puolivälissä. Bourdon-putki, ensimmäinen painemittari, keksittiin vuonna 1849, mutta ensimmäiset sähköisellä lähdöllä varustetut paineanturit julkaistiin vasta vuonna 1930. Puolijohdetekniikan yleistyttyä tämän perusvoiman mittaukseen käytettävien eri tekniikoiden määrä on kasvanut voimakkaasti. Tässä on lyhyt katsaus tärkeimpiin paineenmittaustekniikoihin ja niiden sovelluksiin:

• Kapasitiivinen: tunnistaa muutokset sähkökapasitanssissa paineen taivuttaessa kondensaattorin levyjen välistä kalvoa.
• Induktiivinen: havaitsee magneettiytimeen liitetyn kalvon pienet taipumat, jotka aiheuttavat ytimessä lineaarista liikettä. Tämä liike synnyttää indusoidun virran ja muutetaan sähköiseksi signaaliksi.
• Optinen: käyttää valonlähdettä, jonka lähettämän valon kasvava paine vähitellen estää, ja anturia, joka tuottaa valon muutokseen verrannollisen signaalin. Kuituoptisia antureita voidaan käyttää myös paineen aiheuttamien valon reitin ja vaiheen muutosten mittaamiseen.
• Pietsosähköinen: kvartsi- tai keraaminen materiaali tuottaa vaihtelevan sähkövarauksen, joka on verrannollinen ulkoisen paineen siihen kohdistaman puristuksen määrään. Pietsoresistiivinen tekniikka mittaa paineen käyttämällä materiaalin sähkövastuksen muutosta materiaalin venyessä.
• Potentiometrinen: käyttää vastuslaitetta (potentiometria) ja Bourdon-putkeen liitettyä liukuvarsiosaa. Varsi liikkuu paineen muuttuessa, ja potentiometri tuottaa voiman määrään perustuvan suhteellisen signaalin.
• Resonanssi: värähtelevällä langalla varustettuun kalvoon kohdistuva voima muuttaa langan resonanssitaajuutta, joka muunnetaan sähköiseksi signaaliksi.
• Venymämittari: muuntaa kohdistetun voiman (paineen) sähköisen vastuksen muutokseksi, joka vaihtelee kohdistetun voiman mukaan. Tämä vastus voidaan sitten mitata.

Paineanturityypit

Paineantureiden ymmärtämiseksi on myös tärkeää tutustua eri tyyppeihin, joita ratkaisuissa voidaan käyttää. Tässä ovat perustyypit:

• Kalvoanturit: sisältävät ohuita, joustavia, pyöreitä metallilevyjä, joiden muoto muuttuu paineen vaikutuksesta.
• Tiivistetyt anturit: käyttävät vertailupaineena ilmanpainetta merenpinnan tasolla.
• Puolijohdeanturit: eivät sisällä liikkuvia osia. Ne käyttävät paineen tunnistukseen puolijohdekytkinelementtiä, kuten kanavatransistoria.
• Venymämittarianturit: ulkoisen voiman aiheuttamasta pituudenmuutoksesta johtuva vastus mitataan ja muunnetaan sähköiseksi signaaliksi.
• Ohutkalvoanturit: kuten nimikin kertoo, näissä antureissa on ohut kalvo, joka sisältää resistiivisiä elementtejä. Paine muuttaa näiden elementtien pituutta ja paksuutta ja siten niiden vastusta.
• Tyhjiöanturit: mittaavat paineita, jotka ovat alle ilmakehän painetason. Ne käyttävät tyypillisesti pietsosähköistä tekniikkaa tai mittaavat kaasun tilavuuden tietyssä tilassa.
• Tuuletetut anturit: mittaavat paineen suhteessa ympäristön barometriseen paineeseen.

Kuva 2: Esimerkki paineanturista, jossa käytetään pietsosähköistä kalvoa. (Kuvan lähde: Same Sky)

Suunnitteluun liittyvät loppuhuomautukset

Edellä mainittujen paineanturitekniikoiden, -mittausten ja -tyyppien lisäksi on otettava huomioon joitakin ratkaisevia valintakriteerejä, kun valitaan paineanturia tiettyyn käyttökohteeseen. Ensimmäinen keskeinen parametri on käyttöpainealue. Se määrittelee turvallisen painealueen, jolla laite toimii valmistajan spesifikaation mukaisesti. Lisäksi käyttölämpötila-alue, enimmäispaine, jonka anturi kestää ennen vikaantumista, ja lähtötyyppi (analoginen/digitaalinen) ovat myös tärkeitä ominaisuuksia. Myös lähtötaso, tarkkuus ja siirtymä, resoluutio, syöttöjännite ja ympäristötekijät, kuten lämpötila, kosteus, paine, altistuminen nesteille ja säteilylle sekä anturin ja vastaanottimen välinen fyysinen etäisyys, on otettava huomioon. Kun kaikki nämä parametrit otetaan huomioon, voidaan valita tiettyyn sovellukseen sopiva paineanturi, joka täyttää tarvittavat käyttöolosuhde- ja suorituskykyvaatimukset.

Yhteenveto

Sähköinsinöörinä on tärkeää ymmärtää, että paineen mittaaminen ja mittaustietojen hyödyntäminen prosessinohjauksessa ja -valvonnassa on ratkaisevan tärkeää monilla teollisuudenaloilla, kuten valmistuksessa ja terveydenhuollossa. Tarkka ja luotettava paineen mittaus on välttämätöntä tuotteiden ja palvelujen laadun ja turvallisuuden varmistamiseksi. Paineantureita on nykyään saatavilla teknologian kehittymisen myötä eri tyyppeinä, kokoina, teholuokkina ja tarkkuuksina sekä eri tekniikoilla. Sopivan paineanturin valinta tiettyyn sovellukseen edellyttää käyttöparametrien, kuten anturityypin, painealueen, lämpötila-alueen, enimmäispaineen, lähtötyypin, tarkkuuden, resoluution, syöttöjännitteen ja ympäristötekijöiden huolellista tarkastelua.

Onneksi Same Sky tarjoaa valikoiman pietsopohjaisia paineantureita, jotka täyttävät nämä vaatimukset. Sen antureita on saatavana useilla eri painetyypeillä ja toiminta-alueilla, mikä mahdollistaa joustavat ja tarkat mittaukset.