Električni senzori tlaka

Danas se za mjerenje tlaka u raznim područjima industrije koriste ne samo živini barometri i aneroidi, već i različiti senzori koji se razlikuju kako po principu rada tako i po prednostima i nedostacima svojstvenim svakoj vrsti takvih senzora. Moderna elektronika omogućuje implementaciju senzora tlaka izravno na električnoj, elektroničkoj osnovi.

Dakle, što mislimo pod izrazom "električni senzor tlaka"? Što su električni senzori tlaka? Kako su raspoređeni i koje funkcije imaju? Konačno, koji senzor tlaka odabrati da bude najprikladniji za određenu namjenu? Saznat ćemo u tijeku ovog članka.

Prvo, definirajmo sam pojam. Senzor tlaka je uređaj čiji izlazni parametri ovise o izmjerenom tlaku. Ispitni medij može biti para, tekućina ili neki plin, ovisno o primjeni pojedinog senzora.

Moderni sustavi zahtijevaju precizne alate ove vrste kao važne komponente automatiziranih sustava za elektroenergetsku, naftnu, plinsku, prehrambenu i mnoge druge industrije.Minijaturni pretvarači tlaka vitalni su u medicini.

Svaki senzor električnog tlaka uključuje: osjetljivi element koji služi za prijenos šoka na primarni pretvarač, krug za obradu signala i kućište. Uglavnom se električni senzori tlaka dijele na:

• Otporni (tenzorezistički);

• Piezoelektrični;

• Piezo rezonancija;

• Kapacitet;

• Induktivni (magnetski);

• Optoelektronički.

Otporni ili mjerni senzor tlaka Ovo je uređaj čiji osjetljivi element mijenja svoj električni otpor pod djelovanjem deformirajućeg opterećenja. Mjerači naprezanja montirani su na osjetljivu membranu koja se savija pod pritiskom i savija na njega pričvršćene mjerače naprezanja. Mijenja se otpor mjerača naprezanja i sukladno tome se mijenja veličina struje u primarnom krugu pretvarača.

Istezanje vodljivih elemenata svakog mjerača naprezanja uzrokuje povećanje duljine i smanjenje poprečnog presjeka, što rezultira povećanjem otpora. Kod kompresije je suprotno. Relativne promjene otpora mjere se u tisućinkama, pa se u krugovima za obradu signala koriste precizna pojačala s ADC-om. Tako se naprezanje pretvara u promjenu električnog otpora poluvodiča ili vodiča, a zatim u naponski signal.

Mjerači naprezanja obično su cik-cak vodljivi ili poluvodički elementi naneseni na fleksibilnu podlogu koja prianja na membranu. Podloga je obično izrađena od tinjca, papira ili polimernog filma, a vodljivi element je folija, tanka žica ili poluvodič vakuumski raspršen na metal.Spajanje osjetljivog elementa mjerača naprezanja na mjerni krug provodi se pomoću kontaktnih pločica ili žica. Sami mjerači naprezanja obično imaju površinu od 2 do 10 kvadratnih mm.

Senzori mjerne ćelije odličan za procjenu razine tlaka, tlačne čvrstoće i mjerenje težine.

Sljedeći tip električnog senzora tlaka je piezoelektrični... Ovdje piezoelektrični element djeluje kao osjetljivi element.Piezoelektrični element koji se temelji na piezoelektriku generira električni signal kada se deformira, to je takozvani izravni piezoelektrični učinak. Piezoelektrični element se postavlja u mjerni medij i tada će struja u krugu pretvarača biti proporcionalna veličini promjeni tlaka u tom mediju.

Budući da je za pojavu piezoelektričnog efekta potrebna precizna promjena tlaka, a ne stalni tlak, ova vrsta pretvarača tlaka prikladna je samo za dinamičko mjerenje tlaka. Ako je tlak konstantan, tada se neće dogoditi proces deformacije piezoelektričnog elementa i piezoelektrik neće generirati struju.

Piezoelektrični senzori tlaka koriste se, primjerice, u primarnim pretvaračima protoka vrtložnih mjerača za vodu, paru, plin i druge homogene medije. Takvi se senzori ugrađuju u paru u cjevovod s nazivnim otvorom od nekoliko desetaka do stotina milimetara iza tijela strujanja i tako registriraju vrtloge čija je učestalost i broj proporcionalan volumenskom protoku i protoku.

Razmotrite daljnje piezo-rezonantne senzore tlaka... Kod piezo-rezonantnih senzora tlaka djeluje obrnuti piezoelektrični efekt, u kojem se piezoelektrik deformira pod djelovanjem primijenjenog napona, a što je napon veći, to je deformacija jača. Osjetnik se temelji na rezonatoru u obliku piezoelektrične ploče na čije su obje strane pričvršćene elektrode.

Kada se na elektrode dovede izmjenični napon, materijal ploče vibrira, savijajući se u jednom ili drugom smjeru, a frekvencija vibracija jednaka je frekvenciji primijenjenog napona. Međutim, ako se ploča sada deformira djelovanjem vanjske sile na nju, na primjer kroz membranu osjetljivu na pritisak, tada će se promijeniti frekvencija slobodnih oscilacija rezonatora.

Dakle, prirodna frekvencija rezonatora odražavat će količinu pritiska na membranu koja pritišće rezonator, što rezultira promjenom frekvencije. Kao primjer, razmotrite senzor apsolutnog tlaka koji se temelji na piezo rezonanciji.

Izmjereni tlak se prenosi u komoru 1 preko priključka 12. Komora 1 je odvojena membranom od osjetljivog mjernog dijela uređaja. Tijelo 2, baza 6 i membrana 10 su zapečaćeni zajedno da tvore drugu zapečaćenu komoru. U drugoj zatvorenoj komori baze 6 pričvršćeni su držači 9 i 4, od kojih je drugi pričvršćen na bazu 6 pomoću mosta 3. Držač 4 služi za fiksiranje osjetljivog rezonatora 5. Nosivi rezonator 8 je fiksiran držačem 9.

Pod djelovanjem izmjerenog tlaka, membrana 10 pritišće kroz rukavac 13 na kuglu 14, koja je također učvršćena u držaču 4.Kuglica 14, zauzvrat, pritišće osjetljivi rezonator 5. Žice 7, učvršćene u bazi 6, povezuju rezonatore 8 i 5 s generatorima 16, odnosno 17. Za generiranje signala proporcionalnog veličini apsolutnog tlaka koristi se krug 15 koji generira izlazni signal iz razlike u frekvencijama rezonatora. Sam senzor se nalazi u aktivnom termostatu 18 koji održava stalnu temperaturu od 40°C.

Neki od najjednostavnijih su kapacitivni senzori tlaka... Dvije ravne elektrode i razmak između njih čine kondenzator. Jedna od elektroda je membrana na koju djeluje izmjereni tlak, što dovodi do promjene debljine razmaka između zapravo ploča kondenzatora. Dobro je poznato da se kapacitet ravnog kondenzatora mijenja s promjenom veličine razmaka za konstantnu površinu ploča, stoga, za otkrivanje čak i vrlo malih promjena tlaka, kapacitivni senzori su vrlo, vrlo učinkoviti.

Kapacitivni senzori tlaka malih dimenzija omogućuju mjerenje pretlaka u tekućinama, plinovima, pari. Kapacitivni senzori tlaka korisni su u raznim industrijskim procesima koji koriste hidraulične i pneumatske sustave, u kompresorima, u pumpama, na alatnim strojevima. Dizajn senzora otporan je na ekstremne temperature i vibracije, otporan na elektromagnetske smetnje i agresivne uvjete okoline.

Druga vrsta električnih senzora tlaka, izdaleka slična kapacitivnim - induktivnim ili magnetskim senzorima... Vodljiva membrana osjetljiva na tlak nalazi se na određenoj udaljenosti od tankog magnetskog kruga u obliku slova W, na čijoj je srednjoj jezgri namotana zavojnica.Između membrane i magnetskog kruga postavljen je određeni zračni raspor.

Kada se na zavojnicu primijeni napon, struja u njoj stvara magnetski tok koji prolazi i kroz sam magnetski krug i kroz zračni raspor i kroz membranu, zatvarajući se. Budući da je magnetska propusnost u rasporu približno 1000 puta manja nego u magnetskom krugu i membrani, čak i mala promjena u debljini raspora dovodi do primjetne promjene induktiviteta kruga.

Pod utjecajem izmjerenog tlaka dolazi do savijanja dijafragme senzora i promjene kompleksnog otpora zavojnice. Pretvarač tu promjenu pretvara u električni signal. Mjerni dio pretvarača izveden je po premosnoj shemi, pri čemu je zavojnica senzora uključena u jedan od krakova. Pomoću ADC-a signal iz mjernog dijela se pretvara u električni signal proporcionalan izmjerenom tlaku.

Posljednji tip senzora tlaka koji ćemo razmotriti su optoelektronički senzori... Oni su prilično jednostavni za otkrivanje tlaka, imaju visoku razlučivost, visoku osjetljivost i toplinski su stabilni. Radeći na temelju interferencije svjetla, koristeći Fabry-Perot interferometar za mjerenje malih pomaka, ovi senzori posebno obećavaju. Kristal optičkog pretvarača s otvorom, LED i detektor koji se sastoji od tri fotodiode glavni su dijelovi takvog senzora.

Na dvije fotodiode pričvršćeni su Fabi-Perot optički filteri male razlike u debljini. Ovi filtri su reflektirajuća silicijska zrcala s prednje površine prekrivena slojem silicijevog oksida, na čijoj je površini taložen tanki sloj aluminija.

Optički pretvornik sličan je kapacitivnom senzoru tlaka, dijafragma nastala graviranjem u monokristalnoj silicijskoj podlozi prekrivena je tankim slojem metala. Donja strana staklene ploče također ima metalni premaz. Postoji razmak širine w između staklene ploče i silikonske podloge, dobiven pomoću dva odstojnika.

Dva sloja metala tvore Fabia-Perot interferometar s promjenjivim zračnim rasporom w, koji uključuje: pomično zrcalo smješteno na membrani, koje mijenja svoj položaj pri promjeni tlaka, i stacionarno prozirno zrcalo paralelno s njim na staklenoj ploči.

Na temelju toga FISO Technologies proizvodi mikroskopske osjetljive pretvarače tlaka promjera samo 0,55 mm koji lako prolaze kroz ušicu igle. Uz pomoć katetera, mini-senzor se umetne u proučavani volumen, unutar kojeg se mjeri tlak.

Optičko vlakno povezano je s inteligentnim senzorom u kojem se pod kontrolom mikroprocesora uključuje izvor monokromatske svjetlosti uveden u vlakno, mjeri se intenzitet povratno reflektiranog svjetlosnog toka, vanjski tlak na senzor se izračunava iz podataka kalibracije i prikazuje na zaslonu. U medicini se, primjerice, takvi senzori koriste za praćenje intrakranijalnog tlaka, za mjerenje krvnog tlaka u plućnim arterijama do kojih se ne može doći na drugi način.