mercoledì 25 novembre 2020

STEP #05 - Il principio fisico

Questo post si basa sull’application note AN4528 [1] di NXP, nel quale si fa riferimento a un modello specifico di sensore barometrico (Xtrinsic MPL3115A2). I concetti esposti, tuttavia, hanno validità generale e sono pertanto applicabili ad altri tipi di sensori.



La pressione atmosferica diminuisce con il crescere dell’elevazione, e aumenta con il diminuire dell’elevazione. Per calcolare la pressione atmosferica P (espressa in Pa) a una differente altitudine h (in metri, inferiore a 11 km), si utilizza l’Equazione (1): 

Inserendo questi parametri nell’Equazione (1), otteniamo l’Equazione semplicata (2), che permette il calcolo della pressione atmosferica nota l’altitudine: 

L’Equazione (3) può invece essere utilizzata per calcolare l’altitudine, una volta nota la pressione atmosferica, e deriva da una trasformazione dell’Equazione (2):

FUNZIONAMENTO DEL SENSORE
I moderni sensori di pressione elettronici, noti anche con il termine di trasduttori di pressione, o IPS (acronimo di Integrated Pressure Sensor) misurano lo sforzo a cui è sottoposta una sottile striscia di metallo la quale, da un lato ha un riferimento statico di pressione (tipicamente rappresentato dal vuoto assoluto), mentre all’altro lato è applicata la pressione atmosferica (variabile) associata alla posizione corrente del sensore. All’interno del sensore di pressione (Figura 1) è presente un diaframma realizzato con una sottile striscia di metallo; viene utilizzato il metallo perchè lo sforzo che subisce a seguito delle variazioni di pressione è ripetibile, praticamente si comporta in modo deterministico. Su un lato del diaframma è posta una camera in cui è applicato il vuoto assoluto, e questa rappresenta il riferimento assoluto di pressione, corrispondente a zero psi. Ogni sforzo o variazione subita dal diaframma risulta di conseguenza funzione della pressione ambientale. Sul diaframma è posto un misuratore di sforzo (o tensione) detto strain gauge, rappresentato da un filo immerso in un supporto planare. Le deformazioni subite dallo strain gauge ne modificano la resistenza elettrica, ed è proprio questa variazione che traduce il movimento meccanico del diaframma in segnale elettrico. 

Le variazioni di resistenza vengono poi misurate tramite un classico ponte di Wheatstone, il quale genera in uscita una tensione proporzionale alla variazione di resistenza subita dallo strain gauge, che è appunto un segnale elettrico che farà muovere le lancette, tramite un sensore tarato, sulla corretta misura di altitudine segnata sul quadrante (altimetro barometrico analogico).

Quindi l'altimetro in realtà è un barometro con una scala di riferimento in metri.

Lezione spiegativa https://youtu.be/Rc1e4t7U5lg.



Fonti: https://it.emcelettronica.com/altimetro-barometrico-fondamenti-di-progettazione

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