Elektrické snímače tlaku

Dnes sa na meranie tlaku v rôznych oblastiach priemyslu používajú nielen ortuťové barometre a aneroidy, ale aj rôzne senzory, ktoré sa líšia tak princípom činnosti, ako aj výhodami a nevýhodami, ktoré sú vlastné každému typu takýchto senzorov. Moderná elektronika umožňuje realizovať snímače tlaku priamo na elektrickej, elektronickej báze.

Čo teda rozumieme pod pojmom „elektrický snímač tlaku“? Čo sú elektrické snímače tlaku? Ako sú usporiadané a aké majú funkcie? Na záver, ktorý tlakový snímač si vybrať, aby bol najvhodnejší pre konkrétny účel? To sa dozvieme v priebehu tohto článku.

Najprv si definujme samotný pojem. Snímač tlaku je zariadenie, ktorého výstupné parametre závisia od nameraného tlaku. Testovacím médiom môže byť para, kvapalina alebo nejaký plyn, v závislosti od použitia konkrétneho senzora.

Moderné systémy vyžadujú presné nástroje tohto typu ako dôležité súčasti automatizačných systémov pre energetiku, ropu, plyn, potravinárstvo a mnohé ďalšie odvetvia.Miniatúrne tlakové prevodníky sú v medicíne životne dôležité.

Každý elektrický snímač tlaku obsahuje: citlivý prvok, ktorý slúži na prenos rázu do primárneho prevodníka, obvod na spracovanie signálu a kryt. Hlavne elektrické snímače tlaku sa delia na:

• Odporový (tensoresistive);

• piezoelektrické;

• Piezo rezonancia;

• kapacitné;

• Indukčné (magnetické);

• Optoelektronické.

Odporový alebo tenzometrický snímač tlaku Ide o zariadenie, ktorého citlivý prvok mení svoj elektrický odpor pôsobením deformujúceho sa zaťaženia. Tenzometre sú namontované na citlivej membráne, ktorá sa pod tlakom ohýba a ohýba k nej pripevnené tenzometre. Mení sa odpor tenzometrov a podľa toho sa mení aj veľkosť prúdu v primárnom okruhu meniča.

Natiahnutie vodivých prvkov každého tenzometra spôsobuje zväčšenie dĺžky a zmenšenie prierezu, čo má za následok zvýšenie odporu. Pri kompresii je to naopak. Relatívne zmeny odporu sa merajú v tisícinách, preto sa v obvodoch spracovania signálu používajú presné zosilňovače s ADC. Takto sa napätie premení na zmenu elektrického odporu polovodiča alebo vodiča a potom na napäťový signál.

Tenzometre sú zvyčajne cik-cak vodivý alebo polovodičový prvok aplikovaný na pružnú základňu, ktorá priľne k membráne. Substrát je zvyčajne vyrobený zo sľudy, papiera alebo polymérového filmu a vodivý prvok je fólia, tenký drôt alebo polovodič vákuovo nastriekaný na kov.Pripojenie citlivého prvku tenzometra k meraciemu obvodu sa vykonáva pomocou kontaktných plôšok alebo drôtov. Samotné tenzometre majú zvyčajne plochu 2 až 10 mm2.

Snímače zaťaženia skvelé pre odhad úrovne tlaku, pevnosti v tlaku a meranie hmotnosti.

Ďalším typom elektrického snímača tlaku je piezoelektrický... Piezoelektrický prvok tu pôsobí ako citlivý prvok.Piezoelektrický prvok na báze piezoelektrika generuje pri deformácii elektrický signál, ide o takzvaný priamy piezoelektrický jav. Piezoelektrický prvok sa umiestni do meraného média a potom bude prúd v obvode meniča úmerný veľkosti zmeny tlaku v tomto médiu.

Pretože objavenie sa piezoelektrického efektu vyžaduje presnú zmenu tlaku a nie konštantný tlak, je tento typ tlakového prevodníka vhodný len na dynamické meranie tlaku. Ak je tlak konštantný, potom proces deformácie piezoelektrického prvku nenastane a prúd nebude generovaný piezoelektrikom.

Piezoelektrické snímače tlaku sa používajú napríklad v primárnych prevodníkoch prietoku vírových meračov vody, pary, plynu a iných homogénnych médií. Takéto snímače sa inštalujú v pároch do potrubia s menovitým otvorom desiatky až stovky milimetrov za telom prúdenia a registrujú tak víry, ktorých frekvencia a počet sú úmerné objemovému prietoku a prietoku.

Zvážte ďalšie piezo-rezonančné tlakové snímače... V piezo-rezonančných tlakových snímačoch funguje spätný piezoelektrický jav, pri ktorom sa piezoelektrikum pôsobením privedeného napätia deformuje a čím vyššie napätie, tým silnejšia je deformácia. Základom snímača je rezonátor vo forme piezoelektrickej platne, na ktorej oboch stranách sú pripevnené elektródy.

Keď sa na elektródy aplikuje striedavé napätie, materiál dosky vibruje, ohýba sa v jednom alebo druhom smere a frekvencia vibrácií sa rovná frekvencii použitého napätia. Ak sa však teraz doska deformuje pôsobením vonkajšej sily na ňu, napríklad cez membránu citlivú na tlak, potom sa frekvencia voľných kmitov rezonátora zmení.

Takže prirodzená frekvencia rezonátora bude odrážať množstvo tlaku na membránu, ktorá tlačí na rezonátor, čo vedie k zmene frekvencie. Ako príklad uvažujme snímač absolútneho tlaku založený na piezo rezonancii.

Nameraný tlak sa prenáša do komory 1 cez prípojku 12. Komora 1 je oddelená membránou od citlivej meracej časti prístroja. Teleso 2, základňa 6 a membrána 10 sú spolu utesnené, aby vytvorili druhú utesnenú komoru. V druhej utesnenej komore základne 6 sú upevnené držiaky 9 a 4, z ktorých druhý je pripevnený k základni 6 pomocou mostíka 3. Držiak 4 slúži na upevnenie citlivého rezonátora 5. Nosný rezonátor 8 je upevnené držiakom 9.

Pôsobením nameraného tlaku membrána 10 tlačí cez objímku 13 na guľôčku 14, ktorá je tiež upevnená v držiaku 4.Guľôčka 14 zase stláča citlivý rezonátor 5. Drôty 7 upevnené v základni 6 spájajú rezonátory 8 a 5 s generátormi 16 a 17, v tomto poradí. Na generovanie signálu úmerného veľkosti absolútneho tlaku sa používa obvod 15, ktorý generuje výstupný signál z rozdielu frekvencií rezonátora. Samotný snímač je umiestnený v aktívnom termostate 18, ktorý udržuje konštantnú teplotu 40°C.

Niektoré z najjednoduchších sú kapacitné snímače tlaku... Dve ploché elektródy a medzera medzi nimi tvoria kondenzátor. Jednou z elektród je membrána, na ktorú pôsobí nameraný tlak, čo vedie k zmene hrúbky medzery medzi skutočne doskami kondenzátora. Je dobre známe, že kapacita plochého kondenzátora sa mení so zmenou veľkosti medzery pre konštantnú plochu dosiek, preto na detekciu aj veľmi malých zmien tlaku sú kapacitné snímače veľmi, veľmi účinné.

Kapacitné snímače tlaku s malými rozmermi umožňujú meranie pretlaku v kvapalinách, plynoch, pare. Kapacitné snímače tlaku sú užitočné v rôznych priemyselných procesoch využívajúcich hydraulické a pneumatické systémy, v kompresoroch, čerpadlách, na obrábacích strojoch. Konštrukcia snímača je odolná voči teplotným extrémom a vibráciám, odolná voči elektromagnetickému rušeniu a agresívnym podmienkam prostredia.

Ďalší typ elektrických snímačov tlaku, vzdialene podobný kapacitným - indukčným alebo magnetickým snímačom... Tlakovo citlivá vodivá membrána je umiestnená v určitej vzdialenosti od tenkého magnetického obvodu v tvare písmena W, na ktorého strednom jadre je navinutá cievka.Medzi membránou a magnetickým obvodom je nastavená určitá vzduchová medzera.

Keď je na cievku privedené napätie, prúd v nej vytvára magnetický tok, ktorý prechádza ako cez samotný magnetický obvod, tak aj cez vzduchovú medzeru a cez membránu a uzatvára sa. Keďže magnetická permeabilita v medzere je približne 1000-krát menšia ako v magnetickom obvode a v membráne, aj malá zmena hrúbky medzery vedie k badateľnej zmene indukčnosti obvodu.

Pod vplyvom nameraného tlaku sa membrána snímača ohne a zmení sa komplexný odpor cievky. Prevodník prevedie túto zmenu na elektrický signál. Meracia časť prevodníka je vyhotovená podľa mostíkového obvodu, kde cievka snímača je zahrnutá v jednom z ramien. Pomocou ADC sa signál z meracej časti premení na elektrický signál úmerný nameranému tlaku.

Posledným typom snímača tlaku, na ktorý sa pozrieme, sú optoelektronické snímače... Sú pomerne jednoduché na detekciu tlaku, majú vysoké rozlíšenie, majú vysokú citlivosť a sú tepelne stabilné. Tieto senzory fungujú na základe svetelnej interferencie a využívajú Fabry-Perot interferometer na meranie malých posunov a sú obzvlášť sľubné. Hlavnými časťami takéhoto snímača sú kryštál optického prevodníka s clonou, LED a detektor pozostávajúci z troch fotodiód.

Na dvoch fotodiódach sú pripevnené optické filtre Fabi-Perot s malým rozdielom hrúbok. Tieto filtre sú reflexné kremíkové zrkadlá z prednej plochy pokryté vrstvou oxidu kremičitého, na povrchu ktorého je nanesená tenká vrstva hliníka.

Optický prevodník je podobný kapacitnému snímaču tlaku, membrána vytvorená leptaním v substráte z monokryštalického kremíka je pokrytá tenkou vrstvou kovu. Spodná strana sklenenej dosky má tiež kovový povlak. Medzi sklenenou doskou a kremíkovým substrátom je medzera šírky w, získaná pomocou dvoch rozperiek.

Dve vrstvy kovu tvoria interferometer Fabia-Perot s premenlivou vzduchovou medzerou w, ktorý obsahuje: pohyblivé zrkadlo umiestnené na membráne, ktoré mení svoju polohu pri zmene tlaku a s ním rovnobežné stacionárne priesvitné zrkadlo na sklenenej platni.

Na tomto základe vyrába FISO Technologies mikroskopické citlivé tlakové prevodníky s priemerom iba 0,55 mm, ktoré ľahko prejdú očkom ihly. Pomocou katétra sa do študovaného objemu vloží minisenzor, vo vnútri ktorého sa meria tlak.

Optické vlákno je napojené na inteligentný senzor, v ktorom sa pod riadením mikroprocesora zapne zdroj monochromatického svetla zavádzaného do vlákna, meria sa intenzita spätne odrazeného svetelného toku, vonkajší tlak na senzor sa vypočíta z kalibračných údajov a zobrazí sa na displeji. Napríklad v medicíne sa takéto senzory používajú na sledovanie vnútrolebkového tlaku, na meranie krvného tlaku v pľúcnych tepnách, ktoré sa inak nedosiahnu.