Senzori tehnoloških parametara — sila, pritisak, moment
Za provedbu automatiziranog i vrlo preciznog upravljanja tehnološkim procesima uvijek je potrebno imati na raspolaganju podatke o trenutnim vrijednostima ključnih tehnoloških parametara. Obično se u tu svrhu koriste razni senzori: sile, tlak, zakretni moment itd. Pogledajmo tri vrste senzora, shvatimo princip njihovog rada.
Prije svega, napominjemo da se u konstrukciji senzora sile ili zakretnog momenta koriste osjetljivi elementi, čija se određena svojstva mijenjaju u skladu s trenutnim stupnjem deformacije koja proizlazi iz jednog ili drugog vanjskog utjecaja.
To mogu biti elastične metalne ploče, opruge ili osovine, čija se deformacija prenosi na magnetostrikcijski, piezoelektrični ili poluvodički element, čiji će električni ili magnetski parametri izravno ovisiti o stupnju deformacije. Bit će dovoljno izmjeriti ovaj parametar da biste dobili ideju o veličini deformacije i, sukladno tome, o sili (tlaku, momentu).
Tenzometrijska mjerača naprezanja
Najjednostavniji mjerač naprezanja na temelju strain gauge žičani pretvarač uključuje mehanički elastični element koji je podvrgnut deformaciji i na njega pričvršćen mjerač naprezanja, čija se deformacija pretvara izravno u električni signal.
Tanka (promjera od 15 do 60 mikrona) žica od nikroma, konstantana ili ellinvara, koja je presavijena zmijom i pričvršćena na podlogu filma, djeluje kao senzor mjerača naprezanja. Takav pretvarač se lijepi na površinu čija se deformacija mjeri.
Deformacija mehaničkog elastičnog elementa dovodi do rastezanja ili sabijanja žice duž njezine duljine, dok se njezin presjek smanjuje ili povećava, što utječe na promjenu otpora pretvarača prema električnoj struji.
Mjerenjem tog otpora (pada napona na njemu) dobivamo ideju o veličini mehaničke deformacije i, sukladno tome, o sili, pod uvjetom da su poznati mehanički parametri deformiranog elementa.
Senzori momenta manometra
Za mjerenje momenta sile koriste se osjetljivi elastični elementi u obliku opruga ili tankih osovina koje se u tehnološkom procesu uvijaju. Mjeri se elastična kutna deformacija, odnosno relativni kut početka i kraja opruge i pretvara u električni signal.
Elastični element obično je zatvoren u cijevi, čiji je jedan kraj nepomično fiksiran, a drugi je spojen na senzor kutnog pomaka koji mjeri kut odstupanja između krajeva cijevi i deformabilnog elementa.
Tako se dobiva signal koji nosi informaciju o veličini momenta.Za uklanjanje signala s opruge, žice elementa otpornika naprezanja spojene su kliznim prstenima na četkice.
Magnetostrikcijski senzori sile
Postoje i senzori sile s magnetostrikcijskim pretvornicima mjerača naprezanja. Ovdje se koristi fenomen inverzne magnetostrikcije (Villari efekt), koji se sastoji u činjenici da kada se pritisne jezgra izrađena od legure željeza i nikla (kao što je permaloid), mijenja se njezina magnetska permeabilnost.
Uzdužna kompresija jezgre dovodi do širenja njegove histerezne petlje, strmost petlje se smanjuje, što dovodi do smanjenja vrijednosti magnetske permeabilnosti, odnosno - do smanjenja induktiviteta ili međusobnog induktiviteta namota senzora.
Budući da su magnetske karakteristike nelinearne i također zbog činjenice da na njih značajno utječe temperatura, postaje neophodno koristiti kompenzacijski krug.
Za kompenzaciju se primjenjuje sljedeća opća shema. Zatvorena magnetostrikcijska magnetska jezgra izrađena od nikal-cink ferita podvrgnuta je mjerljivoj sili. Takva jezgra ne doživljava pritisak sile, ali su namotaji dviju žica međusobno povezani, pa dolazi do promjene ukupnog EMF-a.
Primarni namoti su identični i spojeni u seriju, napajaju se izmjeničnom strujom frekvencije unutar deset kiloherca, dok su sekundarni namoti (također isti) uključeni suprotno, a u nedostatku deformirajuće sile, ukupni EMF je 0. Ako se pritisak na prvu jezgru povećao, ukupni EMF na izlazu je različit od nule i proporcionalan je deformaciji.