Überlegungen zum Einbau eines Drucksensors für die Leiterplattenmontage

In diesem Artikel erfahren Sie, was Drucksensoren für die Leiterplattenmontage sind, wie sie funktionieren, ihre Vorteile, Anwendungen und wie Sie einen für ein Design auswählen.

Drucksensoren für die Leiterplattenmontage (Abbildung 1) werden bereits in einer Reihe von Anwendungen eingesetzt, darunter medizinische Geräte, industrielle Automatisierung und HVACR. Aber warum könnten sie den traditionelleren Drucksensorsystemen vorgezogen werden?

Abbildung 1:Beispiele für Drucksensoren für die Leiterplattenmontage. Bild mit freundlicher Genehmigung von Honeywell

Drucksensoren zur Leiterplattenmontage sind, wie der Name schon sagt, Drucksensoren, die auf einer Leiterplatte (Printed Circuit Board) montiert werden und somit ein integrierter Bestandteil einer elektronischen Baugruppe werden. Während einige Sensoren dazu bestimmt sind, den physikalischen Kontaktdruck zwischen einem Sensor und einem festen Objekt auszuwerten, sind andere speziell dafür gedacht, den Druck einer Flüssigkeit oder eines Gases zu messen.

Vorteile von Sensoren für die Leiterplattenmontage

Im Allgemeinen liegen die Vorteile von Drucksensoren für die Leiterplattenmontage darin, dass die Sensoren und ASIC (Application Specific Integrated Circuit) auf einem einzigen Chip untergebracht sind, der selbst auf sehr überfüllten Leiterplatten einfach zu platzieren ist.

Ein solcher Ansatz:

• Reduziert die Teilekosten
• Vereinfacht die Designkomplexität
• Verringert den System-Footprint
• Erhöht die Designflexibilität bei der Sensorimplementierung

Darüber hinaus enthalten einige dieser Sensoren Kalibrierung, Verstärkung und Temperaturkompensation, die in einem einzigen Paket integriert sind, das:

• Verbessert die Systemverfügbarkeit
• Erleichtert den Austausch von Sensoren viel
• Erzeugt eine kompaktere und leichtere Grundfläche von Druckmesssystemen.

Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass diese Sensoren für den Betrieb in Umgebungen mit hoher Luftfeuchtigkeit und/oder Exposition gegenüber verschiedenen Flüssigkeiten und Gasen ausgelegt sind. Dadurch kann der Sensor direkt dem zu messenden Medium ausgesetzt werden, was bei Anwendungen wie Beatmungsgeräten oder Schlafapnoegeräten von großer Bedeutung sein kann (siehe Abbildung 2).

Abbildung 2:Beispieldiagramm von Sensoren, die in einem Schlafapnoe-Gerät verwendet werden. Bild mit freundlicher Genehmigung von Honeywell

Schließlich gibt es bestimmte Typen dieser Sensoren, die ein extrem hohes Maß an Genauigkeit zusammen mit guter Präzision, Auflösung und Wiederholbarkeit bieten, was bei vielen Geräten entscheidend sein kann.

Druckarten für Drucksensoren

Fast alle Drucksensoren für die Leiterplattenmontage hängen von einer Art Mikrostruktur (z. B. einer Membran) ab, die eine Änderung der elektrischen Eigenschaften zeigt, die proportional zu der Verformung ist, die sie bei der Verformung erfährt.

Die elektrischen Eigenschaften können eine Änderung der Kapazität, des Widerstands oder der Ladung umfassen, die alle gemessen und in ein elektrisches Signal umgewandelt werden können.

Die drei von Drucksensoren gemessenen Druckarten sind:

• Überdruck , der Druck relativ zum atmosphärischen Druck
• Differenzdruck , die Druckdifferenz zwischen zwei Punkten
• Absoluter Druck, der Druck relativ zu 0 psi

In den meisten Fällen liefern Überdrucksensoren ein Ausgangssignal, das zu jeder Abweichung vom Atmosphärendruck proportional ist, während der Differenzdruck auf Druckmessungen zwischen zwei Anschlüssen basiert. Schließlich verwenden Absolutdrucksensoren eine interne Vakuumreferenz und werden im Allgemeinen verwendet, um Luftdruckänderungen oder Höhenänderungen zu messen.

Anwendungen:Medizin und Industrie

Drucksensoren für die Leiterplattenmontage werden in vielen verschiedenen Anwendungen und Branchen eingesetzt (Abbildung 3), von geschäftskritischen medizinischen Geräten bis hin zur automatisierten Fertigung.

Sie finden sich in HVACR, erkennen verstopfte Filter, helfen bei der Umgebungsüberwachung und IAQ (Indoor Air Quality) und helfen beim Energiesparen in Gebäuden.

Diese Drucksensoren eignen sich auch gut zum Messen des statischen Kanaldrucks, zur Erkennung von Filtern und zur Unterstützung der VAV-Steuerung (Variable Air Volume).

Abbildung 3:Zwei Anwendungsbeispiele für diesen Sensortyp sind medizinische Geräte (links) und industrielle Umgebungen (rechts). Bild mit freundlicher Genehmigung von Honeywell

Medizinische Industrie

In der medizinischen Industrie haben sie sich in verschiedenen Geräten als unverzichtbar erwiesen, darunter:

• Beatmungsgeräte
• Anästhesiegeräte
• Luftdruck im Krankenhausraum
• Spirometer

Drucksensoren zur Leiterplattenmontage werden auch in Geräten zur Blutanalyse, Dialyse, Zentrifugation und Verteilung von Gasen wie Sauerstoff und Stickstoff verwendet.

Industrielle Industrie

Im industriellen Kontext werden diese Sensoren verwendet in:

• Allgemeine Maschinen
• Zustandsüberwachung
• IIoT-Geräte (Industrial Internet of Things)
• Industrie 4.0
• Robotik

Diese Sensoren werden in industriellen Umgebungen verwendet mit:

• Pneumatische Luftsteuerung
• Prozesskontrolle
• Leckerkennung
• Wetterkontrollsysteme
• Vakuumschalter
• Höhenmesser
• Barometer

Auswahl eines Sensors:Spezifikationen und Eigenschaften

Vor der Auswahl eines Drucksensors für die Leiterplattenmontage ist es wichtig, einige wichtige Spezifikationen und Eigenschaften dieser Sensoren zu verstehen.

Bei den Spezifikationen dieses Sensortyps sind dies oft der Ausgangssignalbereich und die Versorgungsspannung. Außerdem muss gewählt werden, ob das Ausgangssignal ratiometrisch VDC analog oder digital ist I ² C oder Serial Peripheral Interface (SPI), das direkt mit einem Mikroprozessor oder Mikrocontroller verbunden werden kann.

Analog oder digital wirken sich auch darauf aus, wie oft die Datenwerte aktualisiert werden können, die normalerweise in kHz gemessen werden.

Zu den grundlegenden Eigenschaften von Drucksensoren für die Leiterplattenmontage gehören häufig:

• Bereich – minimaler und maximaler Druck, den der Sensor genau erkennen kann
• Auflösung – minimale Druckänderung, die vorhanden sein muss, damit das Ausgangssignal sie widerspiegelt

Beachten Sie, dass es einen Zusammenhang zwischen Reichweite und Auflösung gibt:Je höher die Reichweite, desto weniger Auflösung ist möglich und umgekehrt.

Zusätzlich zu den Standarddruckkennlinien ist es ratsam, den Berstdruck zu berücksichtigen. Einige Anwendungen, auch im medizinischen Bereich, können Reinigungs- oder Desinfektionsverfahren beinhalten, die zu einem vorübergehenden, aber erheblichen Druckanstieg führen können. Druckspitzen, die, obwohl vorübergehend, immer noch die Überdruckgrenze für das Gerät überschreiten.

Ein weiteres wichtiges Merkmal ist die Temperatur. Da die Temperatur einen erheblichen Einfluss auf den Druck hat, sind einige (aber nicht alle) Drucksensoren für die Leiterplattenmontage temperaturkompensiert für Faktoren wie:

• Sensor-Offset
• Empfindlichkeit
• Temperatureffekte
• Nichtlinearität.

Diese Temperaturkompensation wird oft durch die Verwendung von On-Board-ASICs erreicht.

Entscheidend ist auch die Genauigkeit, die angibt, wie nah der vom Sensor gemeldete Druckwert am tatsächlich gemessenen Druck liegt.

Die Genauigkeit wird in Prozent der Drucksensoren Full Scale (FS) oder Full Scale Band Span (FSS) angegeben. Es kann auch als Total Error Band (TEB) angegeben werden, das die Genauigkeit des Sensors über einen temperaturkompensierten Bereich darstellt.

Ein letztes Merkmal dieser Sensoren ist die Art der Medien, mit denen sie arbeiten (z. B. Flüssigkeiten, trockene Gase) und ob die Medien zusätzliche Anforderungen erfüllen müssen, z. B. nicht korrosiv oder nicht ionisch.

Obwohl dies nur einige Spezifikationen und Überlegungen sind, müssen Sie bei der Auswahl des Drucksensors jede einzelne berücksichtigen.

Honeywells TruStability Standard Accuracy Silicon Ceramic (SSC)-Produktlinie

Insgesamt können diese Sensoren für Anwendungen von Vorteil sein, die einen geringen Platzbedarf und eine direkte Medienbeanspruchung erfordern. Bei richtiger Auswahl und Integration können sie sich über einen weiten Druckbereich als äußerst zuverlässig mit hervorragender Genauigkeit erweisen.

Die Honeywell TruStability Standard Accuracy Silicon Ceramic (SSC)-Produktlinie ist eine Option für nichtionische, nicht korrosive Gase und Flüssigkeiten, einschließlich Luft und andere trockene Gase, über einen weiten Druckbereich von ±1,6 mbar bis ±10 bar (±160 .). Pa bis ±1 MPa).

Diese Sensorfamilie wurde kalibriert und temperaturkompensiert für Sensor-Offset, Nichtlinearität, Empfindlichkeit, Temperatureffekte (-20 °C bis 85 °C), unter Verwendung eines integrierten ASICs, unterstützt hohe Berstdrücke und erfüllt IPC/JEDEC J-STD-020D.1 Anforderung der Feuchtigkeitsempfindlichkeitsstufe 1.

Diese Sensoren können Manometer-, Differenz- und Absolutdruck messen und unterstützen ratiometrische Analog- und I ² C / SPI-Digitalausgang.

Darüber hinaus umfassen diese Sensoren:

• Messwerte, die mit 2 kHz für Digital und 1 kHz für Analog aktualisiert werden
• Ein Gesamtfehler von ±2% FSS bis ±5% FSS, je nach Druckbereich, mit branchenführenden Genauigkeitsstufen von ±0,25% FSS BFSL.
• Ein unterstützender Schlafmodus für Energieeffizienz.
• Eine breite Palette von Anschluss- und Gehäusekonfigurationen, um die Konstruktions- und Entwicklungszeit für Ingenieure zu verkürzen.

Sager Electronics ist ein autorisierter Distributor von Honeywell Sensing und IoT und bietet eine breite Palette von TruStability-Drucksensoren für die Leiterplattenmontage sowie andere Sensor- und Schaltlösungen an. Klicken Sie hier, um mehr über diese Sensoren zu erfahren, oder besuchen Sie den Honeywell-Katalog auf sager.com.

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