Električni senzorji tlaka

Danes se za merjenje tlaka na različnih področjih industrije uporabljajo ne le živosrebrni barometri in aneroidi, temveč tudi različni senzorji, ki se razlikujejo tako po principu delovanja kot po prednostih in slabostih, ki so značilni za vsako vrsto takšnih senzorjev. Sodobna elektronika omogoča izvedbo tlačnih senzorjev neposredno na električni, elektronski osnovi.

Kaj torej mislimo z izrazom "senzor električnega tlaka"? Kaj so električni senzorji tlaka? Kako so urejeni in kakšne funkcije imajo? Končno, kateri senzor tlaka izbrati, da bo najbolj primeren za določen namen? To bomo izvedeli v tem članku.

Najprej opredelimo sam izraz. Senzor tlaka je naprava, katere izhodni parametri so odvisni od izmerjenega tlaka. Testni medij je lahko para, tekočina ali plin, odvisno od uporabe določenega senzorja.

Sodobni sistemi zahtevajo tovrstna natančna orodja kot pomembne komponente sistemov za avtomatizacijo v energetski, naftni, plinski, živilski in mnogih drugih industrijah.Miniaturni pretvorniki tlaka so bistveni v medicini.

Vsak senzor električnega tlaka vključuje: občutljiv element, ki služi za prenos sunka na primarni pretvornik, vezje za obdelavo signala in ohišje. V glavnem električne senzorje tlaka delimo na:

• Uporovni (tenzorezivni);

• Piezoelektrični;

• Piezo resonanca;

• kapacitivni;

• Induktivni (magnetni);

• Optoelektronski.

Uporovni ali merilni senzor tlaka To je naprava, katere občutljivi element spremeni svoj električni upor pod vplivom deformacijske obremenitve. Merilniki napetosti so nameščeni na občutljivi membrani, ki se upogne pod pritiskom in upogiba nanjo pritrjene merilnike napetosti. Upornost merilnikov napetosti se spremeni in temu primerno se spremeni velikost toka v primarnem krogu pretvornika.

Raztezanje prevodnih elementov vsakega merilnika napetosti povzroči povečanje dolžine in zmanjšanje preseka, kar povzroči povečanje upora. Pri kompresiji je ravno nasprotno. Relativne spremembe upora se merijo v tisočinkah, zato se v vezjih za obdelavo signalov uporabljajo precizni ojačevalniki z ADC. Tako se napetost pretvori v spremembo električnega upora polprevodnika ali prevodnika in nato v napetostni signal.

Merilniki napetosti so običajno cik-cak prevodni ali polprevodniški element, pritrjen na prožno podlago, ki se drži membrane. Substrat je običajno izdelan iz sljude, papirja ali polimernega filma, prevodni element pa je folija, tanka žica ali polprevodnik, vakuumsko napršen na kovino.Priključitev občutljivega elementa merilnika napetosti na merilno vezje se izvede s pomočjo kontaktnih ploščic ali žic. Sami merilniki napetosti imajo običajno površino od 2 do 10 kvadratnih mm.

Senzorji tehtalnih celic odličen za ocenjevanje ravni tlaka, tlačne trdnosti in merjenje teže.

Naslednji tip električnega senzorja tlaka je piezoelektrični… Tukaj piezoelektrični element deluje kot občutljiv element.Piezoelektrični element, ki temelji na piezoelektriku, generira električni signal, ko je deformiran, to je tako imenovani neposredni piezoelektrični učinek. Piezoelektrični element se postavi v merjeni medij in potem bo tok v tokokrogu pretvornika sorazmeren po velikosti s spremembo tlaka v tem mediju.

Ker je za pojav piezoelektričnega učinka potrebna natančna sprememba tlaka in ne konstanten tlak, je ta tip tlačnega pretvornika primeren samo za dinamično merjenje tlaka. Če je tlak konstanten, potem se proces deformacije piezoelektričnega elementa ne bo zgodil in piezoelektrik ne bo ustvaril toka.

Piezoelektrični tlačni senzorji se uporabljajo na primer v primarnih pretvornikih pretoka vrtinčnih merilnikov za vodo, paro, plin in druge homogene medije. Takšni senzorji so nameščeni v parih v cevovodu z nazivno odprtino od deset do sto milimetrov za telo toka in tako registrirajo vrtince, katerih frekvenca in število sta sorazmerna volumskemu pretoku in pretoku.

Razmislite o nadaljnjih piezo-resonančnih senzorjih tlaka ... Pri piezo-resonančnih senzorjih tlaka deluje obratni piezoelektrični učinek, pri katerem se piezoelektrik deformira pod delovanjem uporabljene napetosti in višja kot je napetost, močnejša je deformacija. Senzor temelji na resonatorju v obliki piezoelektrične plošče, na obeh straneh katere so pritrjene elektrode.

Ko na elektrode deluje izmenična napetost, material plošče vibrira, se upogne v eno ali drugo smer, frekvenca tresljajev pa je enaka frekvenci uporabljene napetosti. Če pa ploščo zdaj deformiramo z delovanjem zunanje sile nanjo, na primer skozi membrano, občutljivo na pritisk, se bo frekvenca prostih nihanj resonatorja spremenila.

Torej bo naravna frekvenca resonatorja odražala količino pritiska na membrano, ki pritiska na resonator, kar povzroči spremembo frekvence. Kot primer razmislite o senzorju absolutnega tlaka, ki temelji na piezo resonanci.

Izmerjeni tlak se preko priključka 12 prenaša v komoro 1. Prekat 1 je z membrano ločena od občutljivega merilnega dela naprave. Telo 2, osnova 6 in membrana 10 so zatesnjeni skupaj, da tvorijo drugo zatesnjeno komoro. V drugi zaprti komori podstavka 6 sta pritrjena držala 9 in 4, od katerih je drugi pritrjen na podlago 6 s pomočjo mostička 3. Nosilec 4 služi za pritrditev občutljivega resonatorja 5. Nosilni resonator 8 je pritrjeno z držalom 9.

Pod vplivom izmerjenega tlaka membrana 10 pritisne skozi tulec 13 na kroglo 14, ki je prav tako pritrjena v držalu 4.Krogla 14 nato pritisne na občutljiv resonator 5. Žice 7, pritrjene v podstavku 6, povezujejo resonatorja 8 in 5 z generatorjema 16 oziroma 17. Za generiranje signala, sorazmernega z velikostjo absolutnega tlaka, se uporablja vezje 15, ki generira izhodni signal iz razlike v frekvencah resonatorja. Sam senzor je nameščen v aktivnem termostatu 18, ki vzdržuje konstantno temperaturo 40 °C.

Nekateri najpreprostejši so kapacitivni tlačni senzorji ... Dve ravni elektrodi in reža med njima tvorita kondenzator. Ena od elektrod je membrana, na katero deluje izmerjeni tlak, kar povzroči spremembo debeline reže med dejanskimi ploščami kondenzatorja. Dobro je znano, da se kapacitivnost ravnega kondenzatorja spreminja s spremembo velikosti reže za konstantno površino plošč, zato so kapacitivni senzorji zelo, zelo učinkoviti za zaznavanje celo zelo majhnih sprememb tlaka.

Kapacitivni tlačni senzorji majhnih dimenzij omogočajo merjenje nadtlaka v tekočinah, plinih, pari. Kapacitivni senzorji tlaka so uporabni v različnih industrijskih procesih z uporabo hidravličnih in pnevmatskih sistemov, v kompresorjih, v črpalkah, na obdelovalnih strojih. Zasnova senzorja je odporna na ekstremne temperature in vibracije, odporna na elektromagnetne motnje in agresivne okoljske pogoje.

Druga vrsta električnih senzorjev tlaka, na daljavo podobna kapacitivnim - induktivnim ali magnetnim senzorjem ... Prevodna membrana, občutljiva na pritisk, se nahaja na določeni razdalji od tankega magnetnega vezja v obliki črke W, na srednjem jedru katerega je navita tuljava.Med membrano in magnetnim krogom je nastavljena določena zračna reža.

Ko se na tuljavo napaja napetost, tok v njej ustvari magnetni tok, ki gre tako skozi samo magnetno vezje kot skozi zračno režo in skozi membrano, ki se zapre. Ker je magnetna prepustnost v reži približno 1000-krat manjša kot v magnetnem vezju in membrani, že majhna sprememba debeline reže povzroči opazno spremembo induktivnosti vezja.

Pod vplivom izmerjenega tlaka se senzorska membrana upogne in kompleksna upornost tuljave se spremeni. Pretvornik to spremembo pretvori v električni signal. Merilni del pretvornika je izdelan po mostni shemi, kjer je tuljava senzorja vključena v enega od krakov. S pomočjo ADC se signal iz merilnega dela pretvori v električni signal, ki je sorazmeren z izmerjenim tlakom.

Zadnji tip senzorja tlaka, ki si ga bomo ogledali, so optoelektronski senzorji ... Z njimi je precej enostavno zaznati tlak, imajo visoko ločljivost, visoko občutljivost in so toplotno stabilni. Ti senzorji, ki delujejo na podlagi svetlobne interference in uporabljajo Fabry-Perotov interferometer za merjenje majhnih premikov, so še posebej obetavni. Glavni deli takega tipala so kristal optičnega pretvornika z zaslonko, LED in detektor, sestavljen iz treh fotodiod.

Na dve fotodiodi sta pritrjena optična filtra Fabi-Perot z majhno razliko v debelini. Ti filtri so odbojna silicijeva zrcala s sprednje površine prekrita s plastjo silicijevega oksida, na površini katere je nanesen tanek sloj aluminija.

Optični pretvornik je podoben kapacitivnemu tlačnemu senzorju, diafragma, oblikovana z jedkanjem v substrat monokristalnega silicija, je prekrita s tanko plastjo kovine. Spodnja stran steklene plošče ima tudi kovinsko prevleko. Med stekleno ploščo in silicijevim substratom je reža širine w, pridobljena z uporabo dveh distančnikov.

Dve plasti kovine tvorita interferometer Fabia-Perot s spremenljivo zračno režo w, ki vključuje: gibljivo zrcalo, nameščeno na membrani, ki spreminja svoj položaj ob spremembi tlaka, in stacionarno prosojno zrcalo, vzporedno z njim na stekleni plošči.

Na tej osnovi FISO Technologies proizvaja mikroskopsko občutljive pretvornike tlaka s premerom samo 0,55 mm, ki zlahka gredo skozi uho igle. S pomočjo katetra se v proučevani volumen vstavi mini senzor, znotraj katerega se meri tlak.

Optično vlakno je povezano z inteligentnim senzorjem, v katerem se pod nadzorom mikroprocesorja vklopi vir monokromatske svetlobe, ki je vnesen v vlakno, izmeri se jakost nazaj odbitega svetlobnega toka, zunanji pritisk na senzor se izračuna iz kalibracijskih podatkov in prikaže na zaslonu. V medicini se na primer s takšnimi senzorji spremlja intrakranialni tlak, meri krvni tlak v pljučnih arterijah, ki jih ni mogoče doseči na noben drug način.