Senzori electrici de presiune

Astăzi, pentru măsurarea presiunii în diverse domenii ale industriei, se folosesc nu numai barometre cu mercur și aneroidi, ci și diverși senzori care diferă atât prin principiul de funcționare, cât și prin avantajele și dezavantajele inerente fiecărui tip de astfel de senzori. Electronica modernă permite implementarea senzorilor de presiune direct pe o bază electrică, electronică.

Deci, ce înțelegem prin termenul „senzor electric de presiune”? Ce sunt senzorii electrici de presiune? Cum sunt aranjate și ce funcții au? În sfârșit, ce senzor de presiune ar trebui să alegeți astfel încât să fie cel mai potrivit pentru un anumit scop? Vom afla pe parcursul acestui articol.

Mai întâi, să definim termenul în sine. Un senzor de presiune este un dispozitiv ai cărui parametri de ieșire depind de presiunea măsurată. Mediul de testare poate fi un vapor, un lichid sau un anumit gaz, în funcție de aplicarea unui anumit senzor.

Sistemele moderne necesită instrumente de precizie de acest tip ca componente importante ale sistemelor de automatizare pentru energie electrică, petrol, gaze, alimentație și multe alte industrii.Traductoarele de presiune miniaturale sunt vitale în medicină.

Fiecare senzor electric de presiune include: un element sensibil care servește la transmiterea șocului la traductorul primar, un circuit de procesare a semnalului și o carcasă. În principal senzorii de presiune electrici sunt împărțiți în:

• Rezistiv (tensorezistiv);

• Piezoelectric;

• rezonanță piezo;

• Capacitiv;

• Inductiv (magnetic);

• Optoelectronice.

Senzor de presiune rezistiv sau extensometric Acesta este un dispozitiv al cărui element sensibil își modifică rezistența electrică sub acțiunea unei sarcini deformante. Extensometrele sunt montate pe o membrană sensibilă care se îndoaie sub presiune și îndoaie extensometrele atașate de aceasta. Rezistența tensometrelor se modifică, iar mărimea curentului în circuitul primar al convertorului se modifică în consecință.

Întinderea elementelor conductoare ale fiecărei tensiometre determină o creștere a lungimii și o scădere a secțiunii transversale, rezultând o creștere a rezistenței. La compresie este invers. Modificările relative ale rezistenței sunt măsurate în miimi, astfel încât amplificatoarele de precizie cu ADC sunt utilizate în circuitele de procesare a semnalului. Astfel, deformarea este transformată într-o modificare a rezistenței electrice a unui semiconductor sau conductor și apoi într-un semnal de tensiune.

Extensometrele sunt de obicei un element conductor sau semiconductor în zig-zag aplicat pe o bază flexibilă care aderă la membrană. Substratul este de obicei realizat din mica, hârtie sau film polimeric, iar elementul conductor este o folie, sârmă subțire sau semiconductor pulverizat în vid pe metal.Conexiunea elementului sensibil al tensometrului la circuitul de măsurare se realizează folosind plăcuțe de contact sau fire. Tensometrele în sine au de obicei o suprafață de 2 până la 10 mm pătrați.

Senzori pentru celule de sarcină excelent pentru estimarea nivelurilor de presiune, rezistența la compresiune și măsurarea greutății.

Următorul tip de senzor de presiune electric este piezoelectric... Aici, elementul piezoelectric acționează ca un element sensibil.Un element piezoelectric bazat pe un piezoelectric generează un semnal electric atunci când este deformat, acesta este așa-numitul efect piezoelectric direct. Elementul piezoelectric este plasat în mediul măsurat și apoi curentul din circuitul traductorului va fi proporțional ca mărime cu schimbarea presiunii în acel mediu.

Deoarece apariția efectului piezoelectric necesită o modificare precisă a presiunii, mai degrabă decât o presiune constantă, acest tip de traductor de presiune este potrivit doar pentru măsurarea dinamică a presiunii. Dacă presiunea este constantă, atunci procesul de deformare a elementului piezoelectric nu va avea loc și curentul nu va fi generat de piezoelectric.

Senzorii de presiune piezoelectrici sunt utilizați, de exemplu, în traductoarele de debit primare ale contoarelor de vortex pentru apă, abur, gaz și alte medii omogene. Astfel de senzori sunt instalați în perechi într-o conductă cu o deschidere nominală de la zeci până la sute de milimetri în spatele corpului fluxului și astfel înregistrează vârtejuri ale căror frecvență și număr sunt proporționale cu debitul volumetric și cu debitul.

Luați în considerare și mai mulți senzori de presiune piezo-rezonanți... La senzorii de presiune piezo-rezonanți funcționează efectul piezoelectric invers, în care piezoelectricul este deformat sub acțiunea tensiunii aplicate, iar cu cât tensiunea este mai mare, cu atât deformația este mai puternică. Senzorul se bazează pe un rezonator sub forma unei plăci piezoelectrice, pe care sunt atașați electrozi pe ambele părți.

Atunci când electrozilor se aplică o tensiune alternativă, materialul plăcii vibrează, îndoindu-se într-o direcție sau alta, iar frecvența vibrațiilor este egală cu frecvența tensiunii aplicate. Cu toate acestea, dacă placa este acum deformată prin aplicarea unei forțe externe asupra acesteia, de exemplu printr-o membrană sensibilă la presiune, atunci frecvența oscilațiilor libere ale rezonatorului se va modifica.

Deci, frecvența naturală a rezonatorului va reflecta cantitatea de presiune asupra membranei care apasă pe rezonator, rezultând o schimbare a frecvenței. Ca exemplu, luați în considerare un senzor de presiune absolută bazat pe rezonanță piezo.

Presiunea măsurată este transmisă camerei 1 prin racordul 12. Camera 1 este separată printr-o membrană de partea sensibilă de măsurare a dispozitivului. Corpul 2, baza 6 și membrana 10 sunt sigilate împreună pentru a forma o a doua cameră etanșată. În a doua cameră etanșată a bazei 6 sunt fixate suporturile 9 și 4, dintre care al doilea este atașat la baza 6 prin intermediul unei punți 3. Suportul 4 servește la fixarea rezonatorului sensibil 5. Rezonatorul de susținere 8 este fixat de titular 9.

Sub acțiunea presiunii măsurate, membrana 10 presează prin manșonul 13 pe bila 14, care este de asemenea fixată în suportul 4.Bila 14, la rândul său, apasă rezonatorul sensibil 5. Firele 7, fixate în baza 6, conectează rezonatoarele 8 și 5 la generatoarele 16 și, respectiv, 17. Pentru a genera un semnal proporțional cu mărimea presiunii absolute, se folosește circuitul 15, care generează un semnal de ieșire din diferența de frecvențe ale rezonatorului. Senzorul în sine este plasat într-un termostat activ 18, care menține o temperatură constantă de 40 ° C.

Unii dintre cei mai simpli sunt senzorii capacitivi de presiune... Cei doi electrozi plati si decalajul dintre ei formeaza un condensator. Unul dintre electrozi este o membrană asupra căreia acționează presiunea măsurată, ceea ce duce la o modificare a grosimii decalajului dintre plăcile capacitorului efectiv. Este bine cunoscut faptul că capacitatea unui condensator plat se modifică odată cu o modificare a dimensiunii golului pentru o zonă constantă a plăcilor, prin urmare, pentru a detecta chiar și schimbări foarte mici de presiune, senzorii capacitivi sunt foarte, foarte eficienți.

Senzorii capacitivi de presiune cu dimensiuni reduse permit măsurarea suprapresiunii în lichide, gaze, abur. Senzorii capacitivi de presiune sunt utili în diverse procese industriale folosind sisteme hidraulice și pneumatice, în compresoare, în pompe, pe mașini-unelte. Designul senzorului este rezistent la temperaturi extreme și vibrații, imun la interferențe electromagnetice și la condiții de mediu agresive.

Un alt tip de senzori electrici de presiune, asemănători la distanță cu senzorii capacitivi - inductivi sau magnetici... Membrana conductivă sensibilă la presiune este situată la o oarecare distanță de circuitul magnetic subțire în formă de W, pe miezul din mijloc al căruia este înfășurată bobina.Între membrană și circuitul magnetic este stabilit un anumit spațiu de aer.

Când o tensiune este aplicată bobinei, curentul din ea creează un flux magnetic care trece atât prin circuitul magnetic în sine, cât și prin întrefier și prin membrană, închizându-se. Deoarece permeabilitatea magnetică în spațiu este de aproximativ 1000 de ori mai mică decât în ​​circuitul magnetic și în membrană, chiar și o mică modificare a grosimii spațiului duce la o schimbare vizibilă a inductanței circuitului.

Sub influența presiunii măsurate, diafragma senzorului se îndoaie și rezistența complexă a bobinei se modifică. Traductorul transformă această modificare într-un semnal electric. Partea de măsurare a convertorului este realizată în funcție de circuitul de punte, unde bobina senzorului este inclusă într-unul dintre brațe. Folosind un ADC, semnalul din partea de măsurare este convertit într-un semnal electric proporțional cu presiunea măsurată.

Ultimul tip de senzor de presiune la care ne vom uita sunt senzorii optoelectronici... Sunt destul de simplu de detectat presiunea, au rezoluție mare, au sensibilitate mare și sunt stabili termic. Funcționând pe baza interferenței luminii, folosind un interferometru Fabry-Perot pentru a măsura deplasări mici, acești senzori sunt deosebit de promițători. Un cristal de convertor optic cu o deschidere, un LED și un detector format din trei fotodiode sunt părțile principale ale unui astfel de senzor.

Filtrele optice Fabi-Perot cu o mică diferență de grosime sunt atașate la două fotodiode. Aceste filtre sunt oglinzi de silicon reflectorizante de pe suprafața frontală acoperite cu un strat de oxid de siliciu, pe suprafața căruia se depune un strat subțire de aluminiu.

Traductorul optic este similar cu un senzor de presiune capacitiv, diafragma formată prin gravare într-un substrat de siliciu monocristalin este acoperită cu un strat subțire de metal. Partea inferioară a plăcii de sticlă are, de asemenea, un strat metalic. Între placa de sticlă și substratul de siliciu există un spațiu de lățime w, obținut cu ajutorul a două distanțiere.

Două straturi de metal formează un interferometru Fabia-Perot cu un spațiu de aer variabil w, care include: o oglindă mobilă situată pe membrană, care își schimbă poziția atunci când presiunea se schimbă, și o oglindă staționară translucidă paralelă cu aceasta pe o placă de sticlă.

Pe această bază, FISO Technologies produce traductoare de presiune microscopice sensibile cu un diametru de doar 0,55 mm care trec cu ușurință prin urechea acului. Cu ajutorul unui cateter se introduce in volumul studiat un mini-senzor, in interiorul caruia se masoara presiunea.

Fibra optică este conectată la un senzor inteligent, în care, sub controlul unui microprocesor, se pornește o sursă de lumină monocromatică introdusă în fibră, se măsoară intensitatea fluxului luminos retroreflectat, presiunea exterioară asupra senzorul este calculat din datele de calibrare și afișat pe afișaj. În medicină, de exemplu, astfel de senzori sunt utilizați pentru a monitoriza presiunea intracraniană, pentru a măsura tensiunea arterială în arterele pulmonare, la care nu se poate ajunge în alt mod.