Elektromos nyomásérzékelők

Manapság a nyomás mérésére az ipar különböző területein nemcsak higanybarométereket és aneroidokat használnak, hanem különféle érzékelőket is, amelyek mind a működési elvben, mind az ilyen érzékelők minden típusában rejlő előnyökben és hátrányokban különböznek. A modern elektronika lehetővé teszi a nyomásérzékelők megvalósítását közvetlenül elektromos, elektronikus alapon.

Tehát mit értünk az "elektromos nyomásérzékelő" kifejezés alatt? Mik azok az elektromos nyomásérzékelők? Hogyan vannak elrendezve és milyen funkcióik vannak? Végül melyik nyomásérzékelőt válasszuk, hogy az adott célra a legalkalmasabb legyen? Cikkünk során megtudjuk.

Először is határozzuk meg magát a kifejezést. A nyomásérzékelő olyan eszköz, amelynek kimeneti paraméterei a mért nyomástól függenek. A vizsgálati közeg lehet gőz, folyadék vagy valamilyen gáz, az adott érzékelő alkalmazásától függően.

A modern rendszerek ilyen típusú precíziós szerszámokat igényelnek az energia-, olaj-, gáz-, élelmiszer- és sok más iparág automatizálási rendszereinek fontos elemeiként.A miniatűr nyomásátalakítók létfontosságúak az orvostudományban.

Minden elektromos nyomásérzékelő tartalmaz: egy érzékeny elemet, amely a sokk továbbítására szolgál az elsődleges jelátalakítóhoz, egy jelfeldolgozó áramkört és egy házat. Az elektromos nyomásérzékelők főként a következőkre oszthatók:

• Rezisztív (tenzorezisztív);

• Piezoelektromos;

• Piezo rezonancia;

• kapacitív;

• Induktív (mágneses);

• Optoelektronikus.

Ellenállásos vagy nyúlásmérő nyomásérzékelő Ez egy olyan eszköz, amelynek érzékeny eleme deformáló terhelés hatására megváltoztatja elektromos ellenállását. A nyúlásmérők egy érzékeny membránra vannak felszerelve, amely nyomás hatására meghajlik és meghajlítja a hozzá rögzített nyúlásmérőket. Változik a nyúlásmérők ellenállása, és ennek megfelelően változik az áramerősség nagysága az átalakító primer áramkörében.

Az egyes nyúlásmérők vezető elemeinek nyújtása a hossz növekedését és a keresztmetszet csökkenését okozza, ami az ellenállás növekedését eredményezi. Tömörítésben ennek az ellenkezője. Az ellenállás relatív változásait ezredrészben mérik, ezért a jelfeldolgozó áramkörökben ADC-vel ellátott precíziós erősítőket használnak. Így az alakváltozás egy félvezető vagy vezető elektromos ellenállásának változásává, majd feszültségjellé alakul.

A nyúlásmérők általában egy, a membránhoz tapadt rugalmas alapra helyezett cikkcakk vezető vagy félvezető elem. A szubsztrátum általában csillámból, papírból vagy polimer fóliából készül, a vezető elem pedig fólia, vékony huzal vagy félvezető, amelyet vákuummal fémre permeteznek.A nyúlásmérő érzékeny elemének a mérőáramkörhöz való csatlakoztatása érintkezőbetétekkel vagy vezetékekkel történik. Maguk a nyúlásmérők általában 2-10 m2 területűek.

Terhelési cella érzékelők kiválóan alkalmas nyomásszintek, nyomószilárdság és súlymérés becslésére.

A következő típusú elektromos nyomásérzékelő a piezoelektromos… Itt a piezoelektromos elem érzékeny elemként működik, a piezoelektromos elemen alapuló piezoelektromos elem deformációja esetén elektromos jelet generál, ez az úgynevezett direkt piezoelektromos hatás. A piezoelektromos elemet a mért közegbe helyezik, majd a jelátalakító áramkörében lévő áram nagyságrendileg arányos lesz az adott közeg nyomásváltozásával.

Mivel a piezoelektromos hatás megjelenése nem állandó nyomást, hanem pontos nyomásváltozást igényel, ez a típusú nyomásátalakító csak dinamikus nyomásmérésre alkalmas. Ha a nyomás állandó, akkor a piezoelektromos elem deformációs folyamata nem megy végbe, és a piezoelektromos áram nem jön létre.

A piezoelektromos nyomásérzékelőket például víz, gőz, gáz és más homogén közegek örvénymérőinek elsődleges áramlásátalakítóiban használják. Az ilyen érzékelőket párban szerelik be egy csővezetékbe, amelynek névleges nyílása tíz-száz milliméteres az áramlás teste mögött, és így olyan örvényeket regisztrálnak, amelyek gyakorisága és száma arányos a térfogati áramlási sebességgel és az áramlási sebességgel.

Tekintsünk további piezorezonáns nyomásérzékelőket... A piezorezonáns nyomásérzékelőkben a fordított piezoelektromos hatás működik, melynél a piezoelektromos a rákapcsolt feszültség hatására deformálódik, és minél nagyobb a feszültség, annál erősebb az alakváltozás. Az érzékelő alapja egy piezoelektromos lemez formájú rezonátor, amelynek mindkét oldalára elektródák vannak rögzítve.

Ha az elektródákra váltakozó feszültséget kapcsolunk, a lemez anyaga rezeg, egyik vagy másik irányba elhajlik, és a rezgések frekvenciája megegyezik a rákapcsolt feszültség frekvenciájával. Ha azonban a lemez most deformálódik külső erő hatására, például egy nyomásérzékeny membránon keresztül, akkor a rezonátor szabad rezgésének frekvenciája megváltozik.

Tehát a rezonátor természetes frekvenciája tükrözi a membránra ható nyomás mértékét, amely a rezonátort nyomja, ami frekvenciaváltozást eredményez. Példaként vegyünk egy piezorezonancián alapuló abszolút nyomásérzékelőt.

A mért nyomás a 12 csatlakozón keresztül az 1. kamrába kerül. Az 1. kamrát membrán választja el a készülék érzékeny mérőrészétől. A 2 test, a 6 alap és a 10 membrán egymáshoz vannak tömítve, hogy egy második zárt kamrát képezzenek. A 6 alap második lezárt kamrájában a 9 és 4 tartók vannak rögzítve, amelyek közül a második egy 3 híd segítségével csatlakozik a 6 alaphoz. A 4 tartó az 5 érzékeny rezonátor rögzítésére szolgál. A 8 tartórezonátor a tartó rögzíti 9.

A mért nyomás hatására a 10 membrán átnyomja a 13 hüvelyt a 14 golyón, amely szintén a 4 tartóban van rögzítve.A 14 golyó pedig megnyomja az érzékeny 5 rezonátort. A 6 talpba rögzített 7 vezetékek kötik össze a 8 és 5 rezonátorokat a 16, illetve 17 generátorokkal. Az abszolút nyomás nagyságával arányos jel generálására 15 áramkört használnak, amely a rezonátor frekvenciáinak különbségéből állít elő egy kimenő jelet. Maga az érzékelő egy aktív 18 termosztátban van elhelyezve, amely állandó 40 ° C hőmérsékletet tart fenn.

A legegyszerűbbek egy része kapacitív nyomásérzékelő... A két lapos elektróda és a köztük lévő rés egy kondenzátort alkot. Az egyik elektróda egy membrán, amelyen a mért nyomás hat, ami a tényleges kondenzátorlemezek közötti rés vastagságának változásához vezet. Köztudott, hogy a lapos kondenzátor kapacitása a rés méretének változásával változik a lemezek állandó területén, ezért a kapacitív érzékelők nagyon-nagyon hatékonyak a nyomás nagyon kis változásainak észleléséhez.

A kis méretű kapacitív nyomásérzékelők lehetővé teszik a túlnyomás mérését folyadékokban, gázokban, gőzben. A kapacitív nyomásérzékelők különféle hidraulikus és pneumatikus rendszereket alkalmazó ipari folyamatokban, kompresszorokban, szivattyúkban, szerszámgépeken hasznosak. Az érzékelő kialakítása ellenáll a szélsőséges hőmérsékleteknek és rezgéseknek, ellenáll az elektromágneses interferenciának és az agresszív környezeti feltételeknek.

Egy másik típusú elektromos nyomásérzékelő, távolról hasonló a kapacitív - induktív vagy mágneses szenzorokhoz... A nyomásérzékeny vezető membrán a vékony, W alakú mágneses áramkörtől bizonyos távolságra helyezkedik el, amelynek középső magjára van feltekerve a tekercs.A membrán és a mágneses áramkör között bizonyos légrés van beállítva.

Amikor feszültséget kapcsolunk a tekercsre, a benne lévő áram mágneses fluxust hoz létre, amely áthalad magán a mágneses áramkörön és a légrésen és a membránon, és bezárul. Mivel a résben a mágneses permeabilitás körülbelül 1000-szer kisebb, mint a mágneses áramkörben és a membránban, már a rés vastagságának kis változása is az áramkör induktivitásának észrevehető változásához vezet.

A mért nyomás hatására az érzékelő membránja meggörbül és a tekercs komplex ellenállása megváltozik. A jelátalakító ezt a változást elektromos jellé alakítja. Az átalakító mérőrésze a hídáramkör szerint készül, ahol az érzékelő tekercse az egyik karban található. Egy ADC segítségével a mérőrészből érkező jelet a mért nyomással arányos elektromos jellé alakítják.

Az utolsó típusú nyomásérzékelők, amelyeket megvizsgálunk, az optoelektronikus érzékelők… Ezek meglehetősen egyszerűen érzékelik a nyomást, nagy felbontásúak, nagy érzékenységgel és termikusan stabilak. A fényinterferencia alapján működő, Fabry-Perot interferométerrel kis elmozdulások mérésére szolgáló érzékelők különösen ígéretesek. Egy apertúrával ellátott optikai konverter kristály, egy LED és egy három fotodiódából álló detektor a fő részei egy ilyen érzékelőnek.

A kis vastagságkülönbséggel rendelkező Fabi-Perot optikai szűrőket két fotodiódára rögzítik. Ezek a szűrők fényvisszaverő szilíciumtükrök az elülső felületről szilícium-oxid réteggel borítva, amelyek felületére vékony alumíniumréteg kerül fel.

Az optikai jelátalakító egy kapacitív nyomásérzékelőhöz hasonló, a monokristályos szilícium hordozóban maratással kialakított membránt vékony fémréteg borítja. Az üveglap alsó része szintén fémbevonatot kapott. Az üveglap és a szilícium szubsztrát között w szélességű rés van, amelyet két távtartóval kapunk.

Két fémréteg alkotja a változtatható w légrésű Fabia-Perot interferométert, amely tartalmaz: a membránon elhelyezett mozgatható tükröt, amely a nyomásváltozás hatására helyzetét változtatja, valamint egy üveglapon vele párhuzamosan álló, áttetsző tükröt.

Ennek alapján a FISO Technologies mikroszkopikus méretű, érzékeny nyomásátalakítókat gyárt, amelyek átmérője mindössze 0,55 mm, és amelyek könnyen áthaladnak a tű fokán. A vizsgált térfogatba katéter segítségével egy mini-érzékelőt helyeznek be, amelyen belül a nyomást mérik.

Az optikai szál egy intelligens érzékelőhöz csatlakozik, amelyben egy mikroprocesszor vezérlése mellett bekapcsolják a szálba bevezetett monokromatikus fényforrást, mérik a visszavert fényáram intenzitását, a külső nyomást a szálba. Az érzékelő kiszámítása a kalibrációs adatokból történik, és megjelenik a kijelzőn. Az orvostudományban például ilyen szenzorokat használnak a koponyaűri nyomás figyelésére, a pulmonalis artériák vérnyomásának mérésére, amely más módon nem érhető el.