Misura di pressione piezoresistiva

La misura di pressione piezoresistiva converte la pressione di un fluido in un segnale elettrico sfruttando la deformazione di una membrana su cui sono realizzati degli estensimetri. Il principio unisce due fenomeni: la pressione del fluido spinge su una sottile membrana, facendola flettere di una quantità proporzionale alla pressione; su questa membrana sono integrati elementi piezoresistivi, cioè estensimetri che cambiano la propria resistenza elettrica quando vengono deformati. Misurando la variazione di resistenza si risale alla deformazione della membrana e quindi alla pressione. È la tecnologia più diffusa per la misura elettronica della pressione, grazie alla sua precisione, compattezza e affidabilità, ed è alla base della maggior parte dei sensori e trasmettitori di pressione. Capire come la deformazione della membrana si traduce in un segnale e quali tipi di pressione esistono aiuta a impiegare correttamente questi sensori.

Questa pagina spiega il principio della membrana con estensimetri, la differenza tra pressione relativa, assoluta e differenziale, e gli usi tipici. È una guida per il tecnico di impianti e processo.

La membrana con estensimetri

Il cuore del sensore è una sottile membrana, spesso di silicio o acciaio, esposta da un lato alla pressione del fluido da misurare. La pressione la fa flettere: più alta è la pressione, maggiore è la deformazione, in modo proporzionale entro il campo di misura. Sulla membrana sono integrati degli estensimetri piezoresistivi, cioè elementi la cui resistenza elettrica cambia quando vengono stirati o compressi dalla deformazione della membrana. Collegando questi estensimetri in un circuito a ponte, la piccola variazione di resistenza viene trasformata in un segnale elettrico misurabile e proporzionale alla pressione. Il segnale viene poi amplificato e condizionato per dare una lettura o un’uscita standard. La membrana e gli estensimetri sono realizzati con tecniche di microfabbricazione che permettono sensori molto compatti, precisi e ripetibili. Il termine piezoresistivo indica proprio la variazione di resistenza con la deformazione, da non confondere con l’effetto piezoelettrico che genera una carica. La qualità della membrana e degli estensimetri, e la loro stabilità con la temperatura, determinano la precisione del sensore. È questa combinazione di deformazione meccanica e lettura elettrica a rendere la misura piezoresistiva precisa e affidabile.

Relativa, assoluta e differenziale

Un aspetto fondamentale della misura di pressione è rispetto a cosa si misura, cioè quale riferimento si usa sull’altro lato della membrana. Nella pressione relativa, o manometrica, il retro della membrana è esposto alla pressione atmosferica: si misura quindi quanto la pressione del fluido supera quella dell’atmosfera, ed è la misura più comune, ad esempio per pneumatici e impianti. Nella pressione assoluta, il retro della membrana è sigillato sotto vuoto: si misura la pressione totale rispetto al vuoto assoluto, indipendente dalle variazioni atmosferiche, usata dove serve un riferimento stabile, come in meteorologia e in certi processi. Nella pressione differenziale, i due lati della membrana sono esposti a due pressioni diverse, e si misura la loro differenza: è fondamentale per misurare cadute di pressione attraverso filtri, portate tramite strozzature, e livelli. Lo stesso principio piezoresistivo serve tutti e tre i casi, cambiando ciò a cui è esposto il retro della membrana. Scegliere il tipo di pressione giusto è essenziale: misurare una pressione relativa dove serve un’assoluta, o viceversa, darebbe risultati sbagliati. Capire questa distinzione è la chiave per usare correttamente qualsiasi sensore di pressione.

Tipo	Riferimento
Relativa	Pressione atmosferica
Assoluta	Vuoto assoluto
Differenziale	Un’altra pressione

Dove si usa

La misura di pressione piezoresistiva è ovunque serva conoscere una pressione in modo elettronico. Negli impianti misura la pressione di aria, acqua, olio, gas e vapore, per il controllo e la sicurezza. Nei processi industriali è alla base del controllo di pressione, e in forma differenziale misura portate e livelli. Negli strumenti di misura dell’aria e del clima misura la pressione atmosferica e le piccole differenze di pressione nei condotti. Nella climatizzazione e nel settore frigorifero misura le pressioni dei circuiti. La sua compattezza permette di integrarla in innumerevoli dispositivi, dai manometri digitali ai trasmettitori di processo. La scelta del sensore dipende dal campo di pressione, dal tipo, relativo, assoluto o differenziale, dal fluido e dalle condizioni. Per una misura corretta contano la scelta del campo adatto e la compensazione della temperatura, che influenza la membrana e gli estensimetri. Rispetto ai manometri meccanici, il sensore piezoresistivo offre un segnale elettrico facile da leggere, registrare e usare per il controllo. Grazie alla combinazione di deformazione della membrana e lettura piezoresistiva, questa tecnologia è lo standard della misura elettronica della pressione.

• La pressione flette una membrana con estensimetri.
• La variazione di resistenza dà la pressione.
• Pressione relativa, assoluta o differenziale.
• Il riferimento sul retro della membrana fa la differenza.
• È lo standard della misura elettronica di pressione.

Affidabilità della misura

Per misure affidabili contano la scelta del campo di pressione e del tipo, relativo, assoluto o differenziale, adatti all’applicazione, la compensazione della temperatura, e la compatibilità del sensore col fluido. Il campo va scelto adeguato, perché un sensore sovradimensionato perde precisione e uno sottodimensionato rischia di essere danneggiato da sovrapressioni. La temperatura va compensata, perché influenza membrana ed estensimetri e ne può causare deriva. Il sensore va protetto da sovrapressioni e colpi d’ariete, e scelto compatibile col fluido, che non deve corrodere la membrana. Va tarato periodicamente. Va verificato il corretto riferimento di pressione per il tipo di misura. Documentare tipo, campo, taratura e condizioni rende le misure tracciabili. Grazie alla deformazione proporzionale della membrana e alla lettura piezoresistiva degli estensimetri, la misura di pressione piezoresistiva offre una misura elettronica precisa, compatta e affidabile, ed è la tecnologia di riferimento per i sensori e trasmettitori di pressione.

Dalla tecnologia allo strumento: cosa serve in pratica

Questo tema appartiene all’area Tecnologie per gas e fluidi del ramo Tecnologie e principi di misura, ed è collegato al tubo di Pitot. Per la strumentazione il riferimento è il Catalogo prodotti.

Nel catalogo i manometri fanno capo ai manometri e strumenti per misura di pressione, nella famiglia aria, clima, gas ed emissioni. Se devi misurare una pressione, il modulo di richiesta consente di ricevere un’indicazione mirata.