Elektryczne czujniki ciśnienia

Obecnie do pomiaru ciśnienia w różnych gałęziach przemysłu stosuje się nie tylko barometry rtęciowe i aneroidy, ale także różne czujniki różniące się zarówno zasadą działania, jak i zaletami i wadami tkwiącymi w każdym typie takich czujników. Nowoczesna elektronika umożliwia realizację czujników ciśnienia bezpośrednio na podłożu elektrycznym, elektronicznym.

Co więc rozumiemy pod pojęciem „elektryczny czujnik ciśnienia”? Czym są elektryczne czujniki ciśnienia? Jak są ułożone i jakie pełnią funkcje? Na koniec, który czujnik ciśnienia wybrać, aby był jak najbardziej odpowiedni do określonego celu? Tego dowiemy się w trakcie tego artykułu.

Najpierw zdefiniujmy sam termin. Czujnik ciśnienia to urządzenie, którego parametry wyjściowe zależą od mierzonego ciśnienia. Medium testowym może być para, ciecz lub trochę gazu, w zależności od zastosowania konkretnego czujnika.

Nowoczesne systemy wymagają precyzyjnych narzędzi tego typu jako ważnych elementów systemów automatyki dla przemysłu energetycznego, naftowego, gazowniczego, spożywczego i wielu innych.Miniaturowe przetworniki ciśnienia są niezbędne w medycynie.

Każdy elektryczny czujnik ciśnienia zawiera: element czuły służący do przenoszenia wstrząsu na przetwornik główny, układ przetwarzania sygnału oraz obudowę. Głównie elektryczne czujniki ciśnienia dzielą się na:

• Rezystancyjny (tensorezystancyjny);

• Piezoelektryczny;

• Rezonans piezoelektryczny;

• pojemnościowy;

• Indukcyjne (magnetyczne);

• optoelektroniczny.

Rezystancyjny lub tensometryczny czujnik ciśnienia Jest to urządzenie, którego czuły element zmienia swoją rezystancję elektryczną pod wpływem obciążenia odkształcającego. Tensometry montuje się na czułej membranie, która ugina się pod naciskiem i wygina dołączone do niej tensometry. Zmienia się rezystancja tensometrów i odpowiednio zmienia się wielkość prądu w obwodzie pierwotnym przetwornika.

Rozciąganie elementów przewodzących każdego tensometru powoduje zwiększenie długości i zmniejszenie przekroju, co skutkuje wzrostem rezystancji. W przypadku kompresji jest odwrotnie. Względne zmiany rezystancji mierzone są w tysięcznych częściach, dlatego w obwodach przetwarzania sygnału stosuje się precyzyjne wzmacniacze z przetwornikami ADC. W ten sposób odkształcenie jest przekształcane w zmianę rezystancji elektrycznej półprzewodnika lub przewodnika, a następnie w sygnał napięciowy.

Tensometry to zwykle zygzakowaty element przewodzący lub półprzewodnikowy nałożony na elastyczną podstawę, która przylega do membrany. Podłoże jest zwykle wykonane z miki, papieru lub folii polimerowej, a elementem przewodzącym jest folia, cienki drut lub półprzewodnik napylany próżniowo na metal.Podłączenie elementu czułego tensometru do obwodu pomiarowego odbywa się za pomocą podkładek stykowych lub przewodów. Same tensometry mają zwykle powierzchnię od 2 do 10 mm2.

Czujniki ogniw obciążnikowych doskonały do ​​szacowania poziomów ciśnienia, wytrzymałości na ściskanie i pomiaru masy.

Kolejnym rodzajem elektrycznego czujnika ciśnienia jest piezoelektryczny… Tutaj element piezoelektryczny pełni rolę elementu czułego Element piezoelektryczny oparty na piezoelektryku generuje sygnał elektryczny, gdy jest odkształcony, jest to tak zwany bezpośredni efekt piezoelektryczny. Element piezoelektryczny umieszcza się w mierzonym ośrodku i wtedy prąd w obwodzie przetwornika będzie proporcjonalny co do wielkości do zmiany ciśnienia w tym ośrodku.

Ponieważ pojawienie się efektu piezoelektrycznego wymaga raczej precyzyjnej zmiany ciśnienia niż stałego ciśnienia, ten typ przetwornika ciśnienia nadaje się tylko do dynamicznego pomiaru ciśnienia. Jeśli ciśnienie jest stałe, to proces odkształcenia elementu piezoelektrycznego nie nastąpi i prąd nie będzie generowany przez element piezoelektryczny.

Piezoelektryczne czujniki ciśnienia stosowane są np. w pierwotnych przetwornikach przepływu przepływomierzy wirowych do wody, pary, gazu i innych mediów jednorodnych. Czujniki takie instaluje się parami w rurociągu o nominalnym otworze od kilkudziesięciu do kilkuset milimetrów za korpusem przepływu iw ten sposób rejestruje wiry, których częstotliwość i liczba jest proporcjonalna do strumienia objętości i natężenia przepływu.

Rozważ dalsze piezo-rezonansowe czujniki ciśnienia... W piezo-rezonansowych czujnikach ciśnienia działa odwrotny efekt piezoelektryczny, w którym piezoelektryk jest odkształcany pod działaniem przyłożonego napięcia, a im wyższe napięcie, tym silniejsze odkształcenie. Czujnik oparty jest na rezonatorze w postaci płytki piezoelektrycznej, po obu stronach której przymocowane są elektrody.

Po przyłożeniu napięcia przemiennego do elektrod materiał płyty wibruje, wyginając się w jednym lub drugim kierunku, a częstotliwość drgań jest równa częstotliwości przyłożonego napięcia. Jeśli jednak płyta zostanie teraz odkształcona przez przyłożenie do niej siły zewnętrznej, na przykład przez wrażliwą na nacisk membranę, wówczas zmieni się częstotliwość drgań swobodnych rezonatora.

Tak więc częstotliwość drgań własnych rezonatora będzie odzwierciedlać ciśnienie wywierane na membranę, które naciska na rezonator, powodując zmianę częstotliwości. Jako przykład rozważmy czujnik ciśnienia bezwzględnego oparty na rezonansie piezoelektrycznym.

Zmierzone ciśnienie jest przekazywane do komory 1 przez przyłącze 12. Komora 1 jest oddzielona membraną od czułej części pomiarowej urządzenia. Korpus 2, podstawa 6 i membrana 10 są ze sobą uszczelnione, tworząc drugą uszczelnioną komorę. W drugiej uszczelnionej komorze podstawy 6 zamocowane są uchwyty 9 i 4, z których drugi jest przymocowany do podstawy 6 za pomocą mostka 3. Uchwyt 4 służy do mocowania czułego rezonatora 5. Rezonator podtrzymujący 8 jest ustalany przez posiadacza 9.

Pod działaniem zmierzonego ciśnienia membrana 10 naciska przez tuleję 13 na kulkę 14, która jest również zamocowana w uchwycie 4.Kula 14 z kolei dociska czuły rezonator 5. Przewody 7, zamocowane w podstawie 6, łączą rezonatory 8 i 5 odpowiednio z generatorami 16 i 17. Do generowania sygnału proporcjonalnego do wielkości ciśnienia bezwzględnego wykorzystywany jest obwód 15, który generuje sygnał wyjściowy z różnicy częstotliwości rezonatora. Sam czujnik umieszczony jest w aktywnym termostacie 18, który utrzymuje stałą temperaturę 40°C.

Jednymi z najprostszych są pojemnościowe czujniki ciśnienia... Dwie płaskie elektrody i przerwa między nimi tworzą kondensator. Jedną z elektrod jest membrana, na którą oddziałuje mierzone ciśnienie, co prowadzi do zmiany grubości szczeliny między faktycznie okładkami kondensatora. Powszechnie wiadomo, że pojemność płaskiego kondensatora zmienia się wraz ze zmianą wielkości szczeliny dla stałej powierzchni płytek, dlatego czujniki pojemnościowe do wykrywania nawet bardzo małych zmian ciśnienia są bardzo, bardzo skuteczne.

Pojemnościowe czujniki ciśnienia o niewielkich wymiarach umożliwiają pomiar nadciśnienia w cieczach, gazach, parze. Pojemnościowe czujniki ciśnienia znajdują zastosowanie w różnych procesach przemysłowych z wykorzystaniem układów hydraulicznych i pneumatycznych, w sprężarkach, pompach, na obrabiarkach. Konstrukcja czujnika jest odporna na skrajne temperatury i wibracje, odporna na zakłócenia elektromagnetyczne i agresywne warunki środowiskowe.

Inny rodzaj elektrycznych czujników ciśnienia, zdalnie podobny do pojemnościowych - czujniki indukcyjne lub magnetyczne... Czuła na nacisk membrana przewodząca znajduje się w pewnej odległości od cienkiego obwodu magnetycznego w kształcie litery W, na środkowym rdzeniu którego nawinięta jest cewka.Między membraną a obwodem magnetycznym jest ustawiona pewna szczelina powietrzna.

Kiedy napięcie jest przyłożone do cewki, prąd w niej wytwarza strumień magnetyczny, który przechodzi zarówno przez sam obwód magnetyczny, jak i przez szczelinę powietrzną i przez membranę, zamykając się. Ponieważ przenikalność magnetyczna w szczelinie jest około 1000 razy mniejsza niż w obwodzie magnetycznym iw membranie, nawet niewielka zmiana grubości szczeliny prowadzi do zauważalnej zmiany indukcyjności obwodu.

Pod wpływem mierzonego ciśnienia membrana czujnika wygina się i zmienia się zespolona rezystancja cewki. Przetwornik przetwarza tę zmianę na sygnał elektryczny. Część pomiarowa przetwornika wykonana jest zgodnie z układem mostkowym, gdzie w jednym z ramion zawarta jest cewka czujnika. Za pomocą przetwornika ADC sygnał z części pomiarowej jest przetwarzany na sygnał elektryczny proporcjonalny do mierzonego ciśnienia.

Ostatnim typem czujnika ciśnienia, któremu się przyjrzymy, są czujniki optoelektroniczne… Są dość proste do wykrycia ciśnienia, mają wysoką rozdzielczość, mają wysoką czułość i są stabilne termicznie. Działające na zasadzie interferencji światła, wykorzystujące interferometr Fabry'ego-Perota do pomiaru małych przemieszczeń, czujniki te są szczególnie obiecujące. Głównymi częściami takiego czujnika są kryształowy konwerter optyczny z aperturą, dioda LED oraz detektor składający się z trzech fotodiod.

Filtry optyczne Fabi-Perot o niewielkiej różnicy grubości są przymocowane do dwóch fotodiod. Filtry te to odbijające zwierciadła krzemowe, których powierzchnia czołowa pokryta jest warstwą tlenku krzemu, na powierzchni której osadza się cienka warstwa aluminium.

Przetwornik optyczny jest podobny do pojemnościowego czujnika ciśnienia, membrana utworzona przez trawienie w monokrystalicznym podłożu krzemowym pokryta jest cienką warstwą metalu. Spód szklanej płyty również ma metalową powłokę. Pomiędzy płytą szklaną a silikonowym podłożem jest szczelina o szerokości w, uzyskana za pomocą dwóch przekładek.

Dwie warstwy metalu tworzą interferometr Fabia-Perot ze zmienną szczeliną powietrzną w, na który składają się: ruchome zwierciadło umieszczone na membranie, które zmienia swoje położenie wraz ze zmianą ciśnienia oraz nieruchome, przeświecające zwierciadło równoległe do niego na szklanej płytce.

Na tej podstawie FISO Technologies produkuje mikroskopijne czułe przetworniki ciśnienia o średnicy zaledwie 0,55 mm, które z łatwością przechodzą przez ucho igły. Za pomocą cewnika do badanej objętości wprowadza się miniczujnik, w którym mierzy się ciśnienie.

Światłowód połączony jest z inteligentnym czujnikiem, w którym pod kontrolą mikroprocesora włączane jest źródło światła monochromatycznego wprowadzonego do światłowodu, mierzone jest natężenie strumienia światła odbitego wstecz, ciśnienie zewnętrzne na czujnika jest obliczana na podstawie danych kalibracyjnych i wyświetlana na wyświetlaczu. W medycynie na przykład takie czujniki służą do monitorowania ciśnienia wewnątrzczaszkowego, do pomiaru ciśnienia krwi w tętnicach płucnych, do którego nie można dotrzeć w żaden inny sposób.