Prinsip Kerja dan Aplikasi Pressure Sensor
Prinsip Kerja Pressure Sensor bekerja dengan mengubah tekanan menjadi sinyal listrik analog. Sensor tekanan adalah perangkat yang dapat merasakan sinyal tekanan dan mengubah sinyal tekanan menjadi sinyal listrik keluaran yang dapat digunakan sesuai dengan aturan tertentu. Sensor tekanan biasanya terdiri dari elemen peka tekanan dan unit pemrosesan sinyal. Menurut jenis tekanan uji yang berbeda, sensor tekanan dapat dibagi menjadi sensor tekanan pengukur, sensor tekanan diferensial dan sensor tekanan absolut.
Permintaan alat pengukur tekanan meningkat selama zaman uap. Ketika teknologi penginderaan tekanan pertama kali diproduksi, teknologi tersebut bersifat mekanis dan menggunakan pengukur tabung Bourdon untuk menggerakkan jarum dan memberikan indikasi tekanan secara visual. Saat ini kami mengukur tekanan secara elektronik menggunakan transduser tekanan dan sakelar tekanan.
Sensor tekanan adalah sensor yang paling umum digunakan dalam konstruksi industri. Ini digunakan di berbagai lingkungan kontrol otomatis industri, termasuk pemeliharaan air dan tenaga air, transportasi kereta api, bangunan cerdas, kontrol otomatis produksi, kedirgantaraan, industri militer, petrokimia, sumur minyak, listrik, kapal, peralatan mesin, pipa, dan banyak industri lainnya.
Baca Juga : Teknologi untuk Mengukur Gas Oksigen
Tekanan dapat didefinisikan sebagai gaya per satuan luas yang diberikan oleh fluida pada sekelilingnya. Fisika dasar Tekanan statis (P), dihitung sebagai gaya (F) dibagi luas (A).
P=F/A
Gaya dapat dihasilkan oleh cairan, gas, uap atau benda padat.
Satuan tekanan yang paling umum digunakan adalah;
Pa – [Pascal] dalam 1 Pa = 1(N/m²)
Bar – [Bar] dalam 1 bar = 105 ð‘ƒð‘Ž
psi: (pon (-force) per inci persegi)
Transduser tekanan memiliki elemen penginderaan area konstan dan merespons gaya yang diterapkan ke area ini oleh tekanan fluida. Gaya yang diterapkan akan membelokkan diafragma di dalam transduser tekanan. Lendutan diafragma internal diukur dan diubah menjadi output listrik. Hal ini memungkinkan tekanan untuk dipantau oleh mikroprosesor, pengontrol yang dapat diprogram, dan komputer bersama dengan instrumen elektronik serupa. Kebanyakan transduser Tekanan dirancang untuk menghasilkan output linier dengan tekanan yang diterapkan.
Prinsip kerja utama dari sensor tekanan piezoelektrik adalah efek piezoelektrik. Bahan piezoelektrik terutama digunakan dalam sensor piezoelektrik termasuk kuarsa, kalium natrium tartrat, dan dihidrogen fosfat. Diantaranya, kuarsa/silika adalah kristal alami. Efek piezoelektrik ditemukan dalam kristal ini. Dalam kisaran suhu tertentu, sifat piezoelektrik selalu ada. Setelah suhu melebihi kisaran ini, sifat piezoelektrik benar-benar hilang. Suhu tinggi disebut titik Curie. Karena perubahan medan listrik tidak jelas dengan perubahan tegangan, kuarsa secara bertahap digantikan oleh kristal piezoelektrik lainnya. Efek piezoelektrik diterapkan pada polikristal, seperti keramik piezoelektrik.
Mereka termasuk keramik piezoelektrik barium titanat, PZT, keramik piezoelektrik niobate, keramik piezoelektrik niobate timbal, dll. Sensor piezoelektrik terutama digunakan dalam pengukuran akselerasi, tekanan, dan gaya. Sensor percepatan piezoelektrik adalah accelerometer yang umum digunakan. Ini memiliki karakteristik struktur sederhana, ukuran kecil, ringan, dan umur panjang. Sensor percepatan piezoelektrik telah banyak digunakan dalam pengukuran getaran dan guncangan di pesawat terbang, mobil, kapal, jembatan, dan bangunan, terutama di bidang penerbangan dan kedirgantaraan.
Efek piezoelektrik: Ketika dielektrik tertentu dideformasi oleh kekuatan eksternal dalam arah tertentu, polarisasi akan terjadi di dalamnya. Muatan positif dan negatif akan muncul pada dua permukaan yang berlawanan. Ketika kekuatan eksternal dihilangkan, itu akan kembali ke keadaan tidak bermuatan. Fenomena ini disebut efek piezoelektrik positif. Ketika arah gaya yang diterapkan berubah, polaritas muatan berubah sesuai. Sebaliknya, ketika medan listrik diterapkan dalam arah polarisasi dielektrik, dielektrik ini juga akan berubah bentuk. Setelah medan listrik dihilangkan, deformasi dielektrik akan hilang. Fenomena ini disebut efek piezoelektrik terbalik. Jenis sensor yang dikembangkan berdasarkan efek piezoelektrik dielektrik disebut sensor piezoelektrik.
Baca Juga : Prinsip Kerja Oxygen Analyzer
Prinsip kerja pengukur regangan resistansi logam adalah bahwa resistansi resistansi regangan yang teradsorpsi pada bahan dasar berubah dengan deformasi mekanis. Efek ini umumnya dikenal sebagai efek regangan resistensi. Pengukur regangan resistansi adalah perangkat sensitif yang mengubah perubahan regangan pada benda uji menjadi sinyal listrik. Ini adalah salah satu komponen utama dari sensor regangan piezoresistif.
Pengukur regangan resistansi yang paling umum digunakan adalah pengukur regangan resistansi logam dan pengukur regangan semikonduktor. Ada dua jenis pengukur regangan resistansi logam: pengukur regangan filamen dan pengukur regangan foil logam. Biasanya, pengukur regangan terikat erat pada substrat yang menghasilkan regangan mekanis melalui perekat khusus. Ketika tegangan substrat berubah, pengukur regangan resistensi juga berubah bentuk bersama-sama. Kemudian hambatan dari strain gauge berubah sehingga tegangan yang diberikan pada resistor berubah. Perubahan resistensi pengukur regangan tersebut ketika stres biasanya kecil. Umumnya, pengukur regangan ini membentuk jembatan regangan. Dan mereka diperkuat oleh amplifier instrumentasi berikutnya dan kemudian ditransmisikan ke sirkuit pemrosesan (biasanya konversi A / D dan CPU) tampilan atau aktuator.
Struktur internal pengukur regangan resistansi logam: pengukur regangan resistansi terdiri dari bahan dasar, kawat regangan logam atau foil regangan, lembaran pelindung isolasi, dan kawat timah. Menurut kegunaan yang berbeda, nilai resistansi pengukur regangan resistansi dapat dirancang oleh perancang. Namun, rentang nilai resistansi harus diperhatikan: nilai resistansi terlalu kecil, arus penggerak yang diperlukan terlalu besar. Di bawah kondisi ini, resistansi pengukur regangan berubah terlalu banyak di lingkungan yang berbeda; penyimpangan nol keluaran terjadi dan rangkaian penyetelan nol terlalu rumit. Jika resistansi terlalu tinggi, impedansi terlalu tinggi dan kemampuan untuk menahan interferensi elektromagnetik eksternal buruk. Umumnya sekitar puluhan ohm hingga puluhan ribu ohm.
Baca Juga : Apa itu Sistem Pengukuran Gas?
Tekanan bekerja pada permukaan depan diafragma keramik, menyebabkan sedikit deformasi diafragma. Resistor film tebal dicetak di bagian belakang diafragma keramik dan dihubungkan ke jembatan Wheatstone. Karena efek piezoresistif dari varistor, jembatan menghasilkan sinyal tegangan yang sangat linier sebanding dengan tekanan dan sebanding dengan tegangan eksitasi. Sinyal standar dikalibrasi ke 2.0 / 3.0 / 3.3mV / V sesuai dengan kompatibilitas rentang tekanan. Melalui kalibrasi laser, sensor memiliki stabilitas suhu tinggi dan stabilitas waktu. Sensor dilengkapi dengan kompensasi suhu 0 ~ 70 , dan dapat langsung menghubungi sebagian besar media.
Keramik adalah bahan yang diakui dengan elastisitas tinggi, ketahanan korosi, ketahanan aus, ketahanan benturan, dan ketahanan getaran. Stabilitas termal keramik dan resistor filmnya yang tebal membuat kisaran suhu operasinya hingga -40 ~ 135 dengan akurasi tinggi dan stabilitas pengukuran yang tinggi. Tingkat isolasi listrik adalah 2kV, sinyal keluarannya kuat, dan stabilitas jangka panjangnya bagus. Sensor keramik dengan karakteristik tinggi dan harga murah akan menjadi arah pengembangan sensor tekanan. Ada tren untuk mengganti jenis sensor lain di Eropa dan Amerika Serikat. Di Cina, semakin banyak pengguna menggunakan sensor keramik untuk menggantikan sensor tekanan silikon yang tersebar.
Baca Juga : Prinsip Kerja Dew Point
Awalnya bekerja dengan resistensi regangan, menggunakan silikon-safir sebagai elemen sensitif semikonduktor, sensor tekanan safir memiliki karakteristik pengukuran yang tak tertandingi. Sirkuit sensor dapat memastikan catu daya dari rangkaian jembatan regangan. Itu juga dapat mengubah sinyal yang tidak seimbang dari jembatan regangan menjadi output sinyal listrik terpadu. Dalam sensor dan pemancar tekanan absolut, lembaran safir terhubung dengan solder kaca dasar keramik, yang bertindak sebagai elemen elastis. Ini mengubah tekanan yang diukur menjadi deformasi pengukur regangan, sehingga mencapai tujuan pengukuran tekanan.
Oleh karena itu, komponen sensitif semikonduktor yang terbuat dari silikon-safir tidak sensitif terhadap perubahan suhu. Mereka memiliki kemampuan operasi yang sangat baik bahkan di bawah kondisi suhu tinggi; safir memiliki ketahanan radiasi yang kuat. Selain itu, komponen sensitif semikonduktor silikon-safir tidak memiliki penyimpangan PN.
Baca Juga : Cara Menentukan Pressure Gauge
Prinsip kerja sensor tekanan silikon menyebar juga didasarkan pada efek piezoresistif. Menggunakan prinsip efek piezoresistif, tekanan media yang diukur langsung bekerja pada diafragma sensor (baja tahan karat atau keramik). Jadi diafragma menghasilkan perpindahan mikro yang sebanding dengan tekanan medium. Dan nilai resistansi dari sensor juga berubah. Sensor tekanan silikon menyebar menggunakan sirkuit elektronik untuk mendeteksi perubahan ini. Mereka mengubah dan mengeluarkan sinyal pengukuran standar yang sesuai dengan tekanan ini.
Dalam sistem penimbangan komersial teknologi kontrol industri, teknologi penginderaan tekanan semakin banyak digunakan. Dalam banyak proses kontrol tekanan, seringkali diperlukan untuk mengumpulkan sinyal tekanan dan mengubahnya menjadi sinyal listrik yang dapat dikontrol secara otomatis.
Perangkat kontrol tekanan yang dibuat dengan sensor tekanan umumnya disebut sistem penimbangan elektronik. Sistem penimbangan elektronik menjadi semakin penting sebagai alat kontrol online untuk aliran material di berbagai proses industri. Sistem penimbangan elektronik tidak hanya dapat mengoptimalkan produksi selama proses pembuatan produk dan meningkatkan kualitas produk, tetapi juga mengumpulkan dan mengirimkan data tentang aliran material selama proses produksi ke pusat pemrosesan data untuk pengendalian inventaris online dan penyelesaian keuangan.
Dalam kontrol otomatis proses penimbangan, sensor tekanan diperlukan untuk merasakan sinyal gravitasi dengan benar. Dan juga respon dinamisnya harus baik, dan kinerja anti-interferensi harus lebih baik. Sinyal yang diberikan oleh sensor tekanan dapat langsung ditampilkan, direkam, dicetak, dan disimpan oleh sistem deteksi atau digunakan untuk kontrol penyesuaian umpan balik.
Integrasi sensor tekanan dan sirkuit pengukuran sangat mengurangi volume seluruh perangkat. Selain itu, perkembangan teknologi pelindung juga akan meningkatkan kemampuan anti-interferensi dari sensor tekanan penimbangan dan tingkat kontrol otomatis.
Baca Juga : Jenis Prinsip Kerja, Keunggulan, dan Kekurangan Limit Switch
Sensor tekanan adalah salah satu alat pengukur yang paling banyak digunakan dalam kontrol otomatis di industri petrokimia. Dalam proyek kimia skala besar, hampir semua aplikasi sensor tekanan disertakan: tekanan diferensial, tekanan absolut, tekanan pengukur, tekanan tinggi, tekanan diferensial mikro, suhu tinggi, suhu rendah, dan sensor tekanan flensa transmisi jarak jauh dari berbagai bahan dan pemrosesan khusus .
Permintaan sensor tekanan dalam industri petrokimia terutama terkonsentrasi pada tiga aspek: keandalan, stabilitas, dan presisi tinggi. Diantaranya, keandalan dan banyak persyaratan tambahan, seperti rasio jangkauan, jenis bus, dll., Tergantung pada desain struktural pemancar, tingkat teknologi pemrosesan mekanis, dan bahan struktural. Stabilitas dan akurasi tinggi dari pemancar tekanan terutama dijamin oleh stabilitas dan akurasi pengukuran sensor tekanan.
Akurasi pengukuran dan kecepatan respons sensor tekanan sesuai dengan akurasi pengukuran pemancar tekanan. Karakteristik suhu dan tekanan statis dan stabilitas jangka panjang dari sensor tekanan sesuai dengan stabilitas pemancar tekanan. Permintaan sensor tekanan dalam industri petrokimia tercermin dalam empat aspek: akurasi pengukuran, respons cepat, karakteristik suhu, dan karakteristik tekanan statis, dan stabilitas jangka panjang.
Sensor tekanan mikro adalah jenis baru dari sensor tekanan yang diproduksi menggunakan bahan semikonduktor dan teknologi MEMS. Ini memiliki keunggulan akurasi tinggi, sensitivitas tinggi, karakteristik dinamis yang baik, ukuran kecil, ketahanan korosi, dan biaya rendah. Bahan silikon kristal tunggal murni memiliki sedikit kelelahan. Sensor tekanan mikro yang terbuat dari bahan ini memiliki stabilitas jangka panjang yang baik. Pada saat yang sama, sensor tekanan mikro mudah diintegrasikan dengan sensor suhu mikro. Sehingga dapat meningkatkan akurasi kompensasi suhu, karakteristik suhu, dan akurasi pengukuran sensor.
Jika dua sensor tekanan mikro terintegrasi, kompensasi tekanan statis dapat direalisasikan, sehingga meningkatkan karakteristik tekanan statis dari sensor tekanan. Saat ini, sensor tekanan mikro memiliki banyak keunggulan yang tidak dimiliki oleh sensor tekanan tradisional. Sensor tekanan mikro dapat memenuhi kebutuhan sensor tekanan di industri petrokimia dengan baik.
Baca Juga : Prinsip Kerja Mechanical Vibration Switch
Industri pengolahan air perlindungan lingkungan telah berkembang pesat dalam beberapa tahun terakhir dan memiliki masa depan yang cerah. Dalam pasokan air dan pengolahan limbah, sensor tekanan memberikan kontrol dan pemantauan penting untuk perlindungan sistem dan jaminan kualitas.
Sensor tekanan mengubah tekanan (umumnya mengacu pada tekanan cairan atau gas) menjadi output sinyal listrik. Sinyal listrik tekanan juga dapat digunakan untuk mengukur tingkat cairan statis, sehingga dapat digunakan untuk mengukur tingkat cairan. Komponen sensitif dari sensor tekanan terutama terdiri dari elemen sensitif cangkir silikon, minyak silikon, diafragma isolasi, dan saluran udara. Tekanan dari media yang diukur ditransmisikan ke sisi elemen cangkir silikon melalui diafragma isolasi dan minyak silikon. Tekanan referensi atmosfer bekerja di sisi lain dari elemen cangkir silikon melalui saluran udara.
Cangkir silikon adalah wafer silikon kristal tunggal berbentuk cangkir dengan bagian bawah yang tipis. Di bawah tekanan, diafragma dasar cangkir menghasilkan deformasi elastis dengan perpindahan minimal. Silikon monokristalin adalah elastomer yang ideal. Deformasinya sangat proporsional dengan tekanan, dan kinerja pemulihannya sangat baik.
Baca Juga : Prinsip Kerja Penganalisis Gas Buang Inframerah
Sensor tekanan digunakan untuk mengukur tekanan atmosfer pada ponsel cerdas, tetapi apa peran pengukuran tekanan atmosfer bagi pengguna ponsel biasa?
(1) Pengukuran Ketinggian
Mereka yang suka mendaki gunung, sangat memperhatikan tinggi badan mereka. Ada dua metode yang umum digunakan untuk mengukur ketinggian, satu adalah sistem penentuan posisi global GPS, dan yang lainnya adalah mengukur tekanan atmosfer, dan kemudian menghitung ketinggian berdasarkan nilai tekanan. Karena keterbatasan teknis dan lainnya, kesalahan umum dalam perhitungan ketinggian GPS adalah sekitar sepuluh meter, dan jika berada di hutan atau di bawah tebing, terkadang sinyal satelit GPS tidak dapat diterima.
Metode tekanan udara dapat dipilih dalam rentang yang lebih luas, dan biaya dapat dikendalikan pada tingkat yang relatif rendah. Selain itu, sensor tekanan pada ponsel seperti Galaxy Nexus juga menyertakan sensor suhu, yang dapat menangkap suhu untuk mengoreksi hasil guna meningkatkan akurasi hasil pengukuran. Oleh karena itu, menambahkan fungsi sensor tekanan berdasarkan GPS asli dari smartphone dapat membuat pemosisian tiga dimensi lebih akurat.
(2) Navigasi yang dibantu
Banyak pengendara sekarang menggunakan ponsel untuk bernavigasi, tetapi navigasi di jembatan sering membuat kesalahan. Misalnya, saat berada di jembatan, GPS tidak dapat menilai apakah Anda berada di jembatan atau di bawah jembatan yang disebabkan oleh navigasi yang salah. Namun, jika sensor tekanan ditambahkan ke ponsel, akurasinya bisa mencapai 1 meter, sehingga dapat membantu GPS untuk mengukur ketinggian.
(3) Penentuan Posisi Dalam Ruangan
Sinyal GPS tidak dapat diterima dengan baik di dalam ruangan. Saat pengguna memasuki gedung yang sangat tebal, sensor bawaan mungkin kehilangan sinyal satelit, sehingga lokasi geografis pengguna tidak dapat dikenali dan ketinggian vertikal tidak dapat dirasakan. Jika ponsel dilengkapi dengan sensor tekanan dan kemudian dikombinasikan dengan akselerometer, giroskop, dan teknologi lainnya, penentuan posisi dalam ruangan yang akurat dapat dicapai.
Baca Juga : Prinsip Kerja Pengukuran Kelembaban
Dengan perkembangan pasar peralatan medis, persyaratan yang lebih tinggi ditempatkan pada penggunaan sensor tekanan di industri medis, seperti akurasi, keandalan, stabilitas, volume, dll., yang perlu ditingkatkan. Sensor tekanan memiliki aplikasi yang baik dalam ablasi kateter minimal invasif dan pengukuran sensor suhu.
Pembedahan invasif minimal tidak hanya dapat mengurangi trauma pada tempat pembedahan tetapi juga sangat mengurangi rasa sakit pasien. Untuk memenuhi persyaratan tersebut, selain pengalaman operasi bedah dokter, tetapi juga dengan berbagai peralatan pemantauan medis. Banyak perangkat medis yang digunakan untuk operasi ini sekarang berukuran kecil, seperti berbagai kateter dan perangkat ablasi. Kateter termasuk kateter termodilusi, kateter uretra, kateter esofagus, kateter vena sentral, dan pembuluh tekanan intrakranial, dll.
Kemampuan untuk menempatkan sensor dekat dengan pasien sangat penting untuk banyak aplikasi, seperti dalam aplikasi dialisis. penting untuk mengukur tekanan dialisat dan vena secara akurat. Sensor tekanan harus dapat secara akurat memantau tekanan dialisat dan darah untuk memastikan bahwa tekanan tersebut dipertahankan dalam kisaran yang ditetapkan. Jenis aplikasi ini mengharuskan sensor harus kompak dan mampu menahan media cair. Dalam banyak kasus, sensor yang tidak kompatibel dengan media cair memerlukan komponen instalasi tambahan untuk melindunginya. Toleransi medium cair sangat penting saat memantau pernapasan pasien karena sensor di sini harus mampu menahan batuk pasien dan mengembuskan udara lembab.
Baca Juga : Jenis Sensor yang digunakan dalam Industri Susu
Sensor tekanan MEMS adalah elemen film tipis yang berubah bentuk saat dikenai tekanan. Pengukur regangan (penginderaan piezoresistif) dapat digunakan untuk mengukur deformasi ini, atau dapat diukur dengan perubahan jarak antara dua permukaan dengan penginderaan kapasitansi.
Industri otomotif tetap menjadi area aplikasi terbesar untuk sensor tekanan MEMS, menyumbang 72% dari penjualannya, diikuti oleh elektronik medis sebesar 12%, sektor industri sebesar 10%. Elektronik konsumen dan penerbangan militer untuk sisa 6% dari pasar.
Di bidang otomotif, manajemen mesin adalah aplikasi utamanya, termasuk sensor tekanan udara manifold pada mesin bensin dan sensor tekanan common rail pada kendaraan diesel. Untuk memperbaiki situasi pembakaran, beberapa organisasi juga mempelajari sensor tekanan. Mereka dapat bekerja di dalam silinder untuk lebih mengukur proporsi akurat dari berbagai zat yang berpartisipasi dalam reaksi kimia, dan memasukkan data kembali ke sistem manajemen mesin.
Karena lingkungan kerja yang keras, harga sensor otomotif jauh lebih tinggi daripada sensor konsumen. Selain itu, sensor otomotif membutuhkan waktu yang lama untuk mengidentifikasinya. Sensor ini harus dapat bekerja dengan andal hingga 15 tahun. Beberapa sensor, seperti rem atau sensor tekanan ban, sangat penting untuk keselamatan mobil.
Aplikasi baru sensor tekanan MEMS di mobil adalah penginderaan tekanan sistem transmisi, yang biasanya digunakan pada perangkat otomatis tetapi juga digunakan dalam sistem transmisi kopling ganda baru. Pabrikan Jerman Bosch baru-baru ini memasuki pasar dan memperkenalkan solusi MEMS yang menggunakan oli untuk melindungi film silikon. Oleh karena itu, ia dapat menahan tekanan hingga 70 bar. Perangkat MEMS silikon berpori juga telah digunakan dalam aplikasi airbag samping saat ini.
Di bidang industri, aplikasi utama sensor tekanan MEMS meliputi pemanasan, ventilasi, dan pengkondisian udara (HVAC), pengukuran ketinggian air, dan berbagai proses industri dan aplikasi kontrol. Misalnya, selain pengukuran ketinggian dan tekanan udara yang akurat, pesawat menggunakan sensor untuk memantau mesin, flap, dan komponen lainnya.
Dalam beberapa tahun terakhir, sensor tekanan telah membuat kemajuan pesat, yang berdampak positif pada lanskap persaingan. Ini telah memperkenalkan pemain baru ke pasar dan memperluas cakupan pemain yang ada di pasar.
Sumber : www.utmel.com & www.variohm.com
