Elektrické snímače tlaku

Dnes se pro měření tlaku v různých oblastech průmyslu používají nejen rtuťové barometry a aneroidy, ale také různé senzory, které se liší jak principem činnosti, tak výhodami a nevýhodami, které jsou každému typu takových senzorů vlastní. Moderní elektronika umožňuje realizaci tlakových senzorů přímo na elektrické, elektronické bázi.

Co tedy rozumíme pod pojmem „elektrický tlakový senzor“? Co jsou elektrické tlakové senzory? Jak jsou uspořádány a jaké mají funkce? Nakonec, jaký tlakový senzor zvolit, aby byl pro konkrétní účel nejvhodnější? To se dozvíme v průběhu tohoto článku.

Nejprve si definujme samotný pojem. Snímač tlaku je zařízení, jehož výstupní parametry závisí na měřeném tlaku. Testovacím médiem může být pára, kapalina nebo nějaký plyn, v závislosti na aplikaci konkrétního senzoru.

Moderní systémy vyžadují přesné nástroje tohoto typu jako důležité součásti automatizačních systémů pro energetiku, ropu, plyn, potravinářství a mnoho dalších průmyslových odvětví.Miniaturní snímače tlaku jsou v medicíně životně důležité.

Každý elektrický tlakový senzor obsahuje: citlivý prvek, který slouží k přenosu rázu do primárního převodníku, obvod zpracování signálu a pouzdro. Především elektrické snímače tlaku se dělí na:

• Odporový (tensoresistive);

• piezoelektrický;

• piezo rezonance;

• kapacitní;

• Indukční (magnetické);

• Optoelektronické.

Odporový nebo tenzometrický snímač tlaku Jedná se o zařízení, jehož citlivý prvek mění svůj elektrický odpor působením deformujícího se zatížení. Tenzometry jsou namontovány na citlivé membráně, která se pod tlakem ohne a ohne k ní připojené tenzometry. Mění se odpor tenzometrů a podle toho se mění i velikost proudu v primárním okruhu měniče.

Protažení vodivých prvků každého tenzometru způsobuje zvětšení délky a zmenšení průřezu, což má za následek zvýšení odporu. U komprese je to naopak. Relativní změny odporu se měří v tisícinách, proto se v obvodech pro zpracování signálu používají přesné zesilovače s ADC. Tím se napětí přemění na změnu elektrického odporu polovodiče nebo vodiče a poté na napěťový signál.

Tenzometry jsou obvykle cikcak vodivý nebo polovodičový prvek aplikovaný na flexibilní základnu, která přilne k membráně. Substrát je obvykle vyroben ze slídy, papíru nebo polymerového filmu a vodivým prvkem je fólie, tenký drát nebo polovodič vakuově nastříkaný na kov.Připojení citlivého prvku tenzometru k měřicímu obvodu se provádí pomocí kontaktních podložek nebo vodičů. Samotné tenzometry mají obvykle plochu 2 až 10 mm2.

Snímače zatížení skvělé pro odhad úrovně tlaku, pevnosti v tlaku a měření hmotnosti.

Dalším typem elektrického snímače tlaku je piezoelektrický… Piezoelektrický prvek zde působí jako citlivý prvek, Piezoelektrický prvek na bázi piezoelektrika generuje při deformaci elektrický signál, jedná se o tzv. přímý piezoelektrický jev. Piezoelektrický prvek se umístí do měřeného média a pak bude proud v obvodu převodníku co do velikosti úměrný změně tlaku v tomto médiu.

Protože vznik piezoelektrického jevu vyžaduje spíše přesnou změnu tlaku než konstantní tlak, je tento typ tlakového převodníku vhodný pouze pro dynamické měření tlaku. Pokud je tlak konstantní, nedojde k deformačnímu procesu piezoelektrického prvku a piezoelektrikum nebude generován proud.

Piezoelektrické snímače tlaku se používají např. v primárních snímačích průtoku vírových měřičů vody, páry, plynu a dalších homogenních médií. Taková čidla se instalují ve dvojicích do potrubí se jmenovitým otvorem desítek až stovek milimetrů za tělesem proudění a registrují tak víry, jejichž frekvence a počet jsou úměrné objemovému průtoku a průtoku.

Zvažte další piezo-rezonanční tlakové senzory... U piezo-rezonančních tlakových senzorů funguje zpětný piezoelektrický jev, kdy se piezoelektrikum působením přiloženého napětí deformuje a čím vyšší napětí, tím silnější je deformace. Základem snímače je rezonátor ve formě piezoelektrické destičky, na jejíž obou stranách jsou připevněny elektrody.

Když je na elektrody aplikováno střídavé napětí, materiál desky vibruje, ohýbá se v jednom nebo druhém směru a frekvence vibrací se rovná frekvenci použitého napětí. Pokud se však nyní deska deformuje působením vnější síly na ni, například přes membránu citlivou na tlak, pak se frekvence volných kmitů rezonátoru změní.

Takže vlastní frekvence rezonátoru bude odrážet velikost tlaku na membránu, která tlačí na rezonátor, což má za následek změnu frekvence. Jako příklad uvažujme snímač absolutního tlaku založený na piezo rezonanci.

Měřený tlak je přenášen do komory 1 přípojkou 12. Komora 1 je oddělena membránou od citlivé měřicí části zařízení. Těleso 2, základna 6 a membrána 10 jsou spolu utěsněny, aby vytvořily druhou utěsněnou komoru. Ve druhé utěsněné komoře základny 6 jsou upevněny držáky 9 a 4, z nichž druhý je připevněn k základně 6 pomocí můstku 3. Držák 4 slouží k upevnění citlivého rezonátoru 5. Nosný rezonátor 8 je upevněno držákem 9.

Působením naměřeného tlaku se membrána 10 protlačí objímkou ​​13 na kuličku 14, která je rovněž upevněna v držáku 4.Kulička 14 zase tlačí na citlivý rezonátor 5. Dráty 7, upevněné v základně 6, spojují rezonátory 8 a 5 s generátory 16 a 17, v tomto pořadí. Pro generování signálu úměrného velikosti absolutního tlaku slouží obvod 15, který generuje výstupní signál z rozdílu frekvencí rezonátoru. Samotné čidlo je umístěno v aktivním termostatu 18, který udržuje stálou teplotu 40°C.

Některé z nejjednodušších jsou kapacitní tlakové senzory... Dvě ploché elektrody a mezera mezi nimi tvoří kondenzátor. Jednou z elektrod je membrána, na kterou působí měřený tlak, což vede ke změně tloušťky mezery mezi skutečně kondenzátorovými deskami. Je dobře známo, že kapacita plochého kondenzátoru se mění se změnou velikosti mezery pro konstantní plochu desek, proto pro detekci i velmi malých změn tlaku jsou kapacitní senzory velmi, velmi účinné.

Kapacitní snímače tlaku malých rozměrů umožňují měření přetlaku v kapalinách, plynech, páře. Kapacitní snímače tlaku jsou užitečné v různých průmyslových procesech využívajících hydraulické a pneumatické systémy, v kompresorech, v čerpadlech, na obráběcích strojích. Konstrukce snímače je odolná vůči teplotním extrémům a vibracím, odolná vůči elektromagnetickému rušení a agresivním podmínkám prostředí.

Další typ elektrických snímačů tlaku, vzdáleně podobný kapacitním - indukčním nebo magnetickým snímačům... Tlakově citlivá vodivá membrána je umístěna v určité vzdálenosti od tenkého magnetického obvodu ve tvaru W, na jehož středním jádru je navinuta cívka.Mezi membránou a magnetickým obvodem je nastavena určitá vzduchová mezera.

Když je na cívku přivedeno napětí, proud v ní vytváří magnetický tok, který prochází jak samotným magnetickým obvodem, tak vzduchovou mezerou a membránou a uzavírá se. Protože magnetická permeabilita v mezeře je přibližně 1000krát menší než v magnetickém obvodu a v membráně, vede i malá změna tloušťky mezery ke znatelné změně indukčnosti obvodu.

Vlivem naměřeného tlaku se membrána snímače ohýbá a mění se komplexní odpor cívky. Převodník převádí tuto změnu na elektrický signál. Měřicí část převodníku je vyrobena podle můstkového obvodu, kdy v jednom z ramen je zařazena cívka snímače. Pomocí ADC je signál z měřicí části převeden na elektrický signál úměrný měřenému tlaku.

Posledním typem tlakového senzoru, na který se podíváme, jsou optoelektronické senzory... Jsou poměrně jednoduché na detekci tlaku, mají vysoké rozlišení, mají vysokou citlivost a jsou tepelně stabilní. Tyto senzory fungující na bázi světelné interference, využívající Fabry-Perotův interferometr k měření malých posunů, jsou obzvláště slibné. Hlavními částmi takového senzoru jsou krystal optického převodníku s clonou, LED a detektor sestávající ze tří fotodiod.

Na dvou fotodiodách jsou připevněny optické filtry Fabi-Perot s malým rozdílem tloušťky. Tyto filtry jsou reflexní křemíková zrcadla z přední plochy pokrytá vrstvou oxidu křemíku, na jehož povrchu je nanesena tenká vrstva hliníku.

Optický převodník je podobný kapacitnímu snímači tlaku, membrána vytvořená leptáním v monokrystalickém křemíkovém substrátu je pokryta tenkou vrstvou kovu. Spodní strana skleněné desky má rovněž kovový povlak. Mezi skleněnou deskou a křemíkovým substrátem je mezera o šířce w, získaná pomocí dvou distančních vložek.

Dvě vrstvy kovu tvoří interferometr Fabia-Perot s proměnnou vzduchovou mezerou w, který zahrnuje: pohyblivé zrcadlo umístěné na membráně, které mění svou polohu při změně tlaku, a s ním rovnoběžné stacionární průsvitné zrcadlo na skleněné desce.

Na tomto základě vyrábí FISO Technologies mikroskopicky citlivé tlakové snímače o průměru pouhých 0,55 mm, které snadno projdou očkem jehly. Pomocí katétru se do studovaného objemu vloží minisenzor, uvnitř kterého se měří tlak.

Optické vlákno je napojeno na inteligentní senzor, ve kterém se pod řízením mikroprocesoru zapne zdroj monochromatického světla přiváděného do vlákna, měří se intenzita zpětně odraženého světelného toku, vnější tlak na senzor je vypočítán z kalibračních dat a zobrazen na displeji. Například v medicíně se takové senzory používají ke sledování nitrolebního tlaku, k měření krevního tlaku v plicních tepnách, kam nelze jinak dosáhnout.