Elektriska tryckgivare

Idag, för att mäta tryck inom olika industriområden, används inte bara kvicksilverbarometrar och aneroider, utan också olika sensorer som skiljer sig åt både i funktionsprincipen och i de fördelar och nackdelar som finns med varje typ av sådana sensorer. Modern elektronik tillåter implementering av trycksensorer direkt på elektrisk, elektronisk basis.

Så vad menar vi med termen "elektrisk trycksensor"? Vad är elektriska trycksensorer? Hur är de ordnade och vilka funktioner har de? Till sist, vilken trycksensor ska man välja så att den passar bäst för ett visst ändamål? Vi kommer att ta reda på det under den här artikeln.

Låt oss först definiera själva termen. En trycksensor är en enhet vars utgångsparametrar beror på det uppmätta trycket. Testmediet kan vara en ånga, en vätska eller någon gas, beroende på tillämpningen av en speciell sensor.

Moderna system kräver precisionsverktyg av denna typ som viktiga komponenter i automationssystem för kraft, olja, gas, livsmedel och många andra industrier.Miniatyrtryckgivare är avgörande inom medicin.

Varje elektrisk trycksensor inkluderar: ett känsligt element som tjänar till att överföra stöten till den primära givaren, en signalbehandlingskrets och ett hus. Huvudsakligen är elektriska trycksensorer indelade i:

• Resistiv (tensoresistiv);

• Piezoelektriska;

• Piezo resonans;

• Kapacitiv;

• Induktiv (magnetisk);

• Optoelektronisk.

Resistiv eller töjningsmätare trycksensor Detta är en enhet vars känsliga element ändrar sitt elektriska motstånd under inverkan av en deformerande belastning. Töjningsmätare är monterade på ett känsligt membran som böjs under tryck och böjer töjningsmätarna som är fästa på det. Töjningsgivarnas resistans ändras och storleken på strömmen i omvandlarens primärkrets ändras i enlighet med detta.

Sträckning av de ledande elementen i varje töjningsmätare orsakar en ökning av längden och en minskning av tvärsnittet, vilket resulterar i en ökning av motståndet. Vid kompression är det tvärtom. Relativa förändringar i resistans mäts i tusendelar, så precisionsförstärkare med ADC används i signalbehandlingskretsar. Således omvandlas töjningen till en förändring i det elektriska motståndet hos en halvledare eller ledare och sedan till en spänningssignal.

Töjningsmätare är vanligtvis ett sicksack ledande eller halvledarelement som appliceras på en flexibel bas som fäster vid membranet. Substratet är vanligtvis gjord av glimmer, papper eller polymerfilm, och det ledande elementet är en folie, tunn tråd eller halvledare som vakuumsprutas på metall.Anslutningen av det känsliga elementet i töjningsmätaren till mätkretsen utförs med hjälp av kontaktdynor eller ledningar. Själva töjningsmätarna har vanligtvis en yta på 2 till 10 kvm.

Lastcellssensorer utmärkt för att uppskatta trycknivåer, tryckhållfasthet och viktmätning.

Nästa typ av elektrisk trycksensor är piezoelektrisk... Här fungerar det piezoelektriska elementet som ett känsligt element Ett piezoelektriskt element baserat på en piezoelektrisk genererar en elektrisk signal när den deformeras, detta är den så kallade direkta piezoelektriska effekten. Det piezoelektriska elementet placeras i det uppmätta mediet och då kommer strömmen i omvandlarkretsen att vara proportionell i storlek mot tryckförändringen i det mediet.

Eftersom uppkomsten av den piezoelektriska effekten kräver en exakt ändring i trycket snarare än ett konstant tryck, är denna typ av tryckgivare endast lämplig för dynamisk tryckmätning. Om trycket är konstant, kommer deformationsprocessen av det piezoelektriska elementet inte att inträffa och strömmen kommer inte att genereras av det piezoelektriska elementet.

Piezoelektriska trycksensorer används till exempel i primärflödesgivare av virvelmätare för vatten, ånga, gas och andra homogena medier. Sådana sensorer installeras parvis i en rörledning med en nominell öppning på tiotals till hundratals millimeter bakom flödeskroppen och registrerar sålunda virvlar vars frekvens och antal är proportionella mot det volymetriska flödet och flödet.

Överväg ytterligare piezo-resonant trycksensorer... I piezo-resonant trycksensorer fungerar den omvända piezoelektriska effekten, där piezoelektriken deformeras under inverkan av den applicerade spänningen, och ju högre spänningen är, desto starkare blir deformationen. Sensorn är baserad på en resonator i form av en piezoelektrisk platta, på båda sidor av vilken elektroder är fästa.

När en växelspänning appliceras på elektroderna vibrerar plattmaterialet, böjer sig i en eller annan riktning, och frekvensen av vibrationerna är lika med frekvensen av den pålagda spänningen. Men om plattan nu deformeras genom att applicera en yttre kraft på den, till exempel genom ett tryckkänsligt membran, kommer frekvensen av resonatorns fria svängningar att ändras.

Så resonatorns naturliga frekvens kommer att återspegla mängden tryck på membranet som trycker på resonatorn, vilket resulterar i en förändring i frekvensen. Som ett exempel, överväga en absolut trycksensor baserad på piezoresonans.

Det uppmätta trycket överförs till kammare 1 genom anslutning 12. Kammare 1 är separerad av ett membran från anordningens känsliga mätdel. Kroppen 2, basen 6 och membranet 10 är förseglade tillsammans för att bilda en andra förseglad kammare. I basens 6 andra tätade kammare är hållarna 9 och 4 fixerade, varav den andra är fäst vid basen 6 med hjälp av en brygga 3. Hållaren 4 tjänar till att fixera den känsliga resonatorn 5. Den stödjande resonatorn 8 är fixerad av hållaren 9.

Under inverkan av det uppmätta trycket pressar membranet 10 genom hylsan 13 på kulan 14, som också är fixerad i hållaren 4.Kulan 14 pressar i sin tur den känsliga resonatorn 5. Ledningar 7, fixerade i basen 6, ansluter resonatorerna 8 och 5 till generatorerna 16 respektive 17. För att generera en signal proportionell mot storleken på det absoluta trycket används kretsen 15, som genererar en utsignal från skillnaden i resonatorns frekvenser. Själva sensorn är placerad i en aktiv termostat 18, som håller en konstant temperatur på 40 ° C.

Några av de enklaste är kapacitiva trycksensorer... De två platta elektroderna och gapet mellan dem bildar en kondensator. En av elektroderna är ett membran på vilket det uppmätta trycket verkar, vilket leder till en förändring av tjockleken på gapet mellan de faktiska kondensatorplattorna. Det är välkänt att kapacitansen för en platt kondensator ändras med en förändring i storleken på gapet för ett konstant område av plattorna, därför är kapacitiva sensorer mycket, mycket effektiva för att upptäcka även mycket små tryckförändringar.

Kapacitiva trycksensorer med små dimensioner möjliggör mätning av övertryck i vätskor, gaser, ånga. Kapacitiva trycksensorer är användbara i olika industriella processer som använder hydrauliska och pneumatiska system, i kompressorer, i pumpar, på verktygsmaskiner. Sensorns design är resistent mot extrema temperaturer och vibrationer, immun mot elektromagnetiska störningar och aggressiva miljöförhållanden.

En annan typ av elektriska trycksensorer, på avstånd liknar kapacitiva - induktiva eller magnetiska sensorer... Det tryckkänsliga ledande membranet är beläget på ett visst avstånd från den tunna W-formade magnetiska kretsen, på vars mittkärna spolen är lindad.Ett visst luftgap sätts mellan membranet och magnetkretsen.

När en spänning appliceras på spolen skapar strömmen i den ett magnetiskt flöde som passerar både genom själva magnetkretsen och genom luftgapet och genom membranet och sluter sig. Eftersom den magnetiska permeabiliteten i gapet är ungefär 1000 gånger mindre än i den magnetiska kretsen och i membranet, leder även en liten förändring i tjockleken av gapet till en märkbar förändring av kretsens induktans.

Under påverkan av det uppmätta trycket böjer sensormembranet och spolens komplexa motstånd förändras. Givaren omvandlar denna förändring till en elektrisk signal. Mätdelen av omvandlaren är gjord enligt bryggkretsen, där sensorns spole ingår i en av armarna. Med hjälp av en ADC omvandlas signalen från mätdelen till en elektrisk signal proportionell mot det uppmätta trycket.

Den sista typen av trycksensorer vi kommer att titta på är optoelektroniska sensorer... De är ganska enkla att detektera tryck, har hög upplösning, har hög känslighet och är termiskt stabila. Dessa sensorer fungerar på basis av ljusinterferens och använder en Fabry-Perot-interferometer för att mäta små förskjutningar, och de är särskilt lovande. En optisk omvandlarkristall med en bländare, en lysdiod och en detektor som består av tre fotodioder är huvuddelarna i en sådan sensor.

Fabi-Perot optiska filter med liten tjockleksskillnad är fästa på två fotodioder. Dessa filter är reflekterande kiselspeglar från frontytan täckta med ett lager av kiseloxid, på vars yta ett tunt lager av aluminium är avsatt.

Den optiska omvandlaren liknar en kapacitiv trycksensor, membranet som bildas genom etsning i ett monokristallint kiselsubstrat är täckt med ett tunt lager av metall. Undersidan av glasplattan har även en metallbeläggning. Det finns ett gap med bredd w mellan glasplattan och kiselsubstratet, erhållet med två distanser.

Två lager av metall bildar en Fabia-Perot interferometer med ett variabelt luftgap w, som inkluderar: en rörlig spegel placerad på membranet, som ändrar sin position när trycket ändras, och en stationär genomskinlig spegel parallell med den på en glasplatta.

På grundval av detta producerar FISO Technologies mikroskopiska känsliga tryckgivare med en diameter på endast 0,55 mm som lätt passerar genom nålsögat. Med hjälp av en kateter förs en minisensor in i den studerade volymen, inuti vilken trycket mäts.

Den optiska fibern är ansluten till en intelligent sensor, i vilken, under kontroll av en mikroprocessor, en källa av monokromatiskt ljus som införs i fibern slås på, intensiteten av det bakåtreflekterade ljusflödet mäts, det externa trycket på sensorn beräknas från kalibreringsdata och visas på displayen. Inom medicinen används till exempel sådana sensorer för att övervaka intrakraniellt tryck, för att mäta blodtrycket i lungartärerna, som inte kan nås på annat sätt.