Druckmesssensor: Beschreibung und Gerät, Funktionsweise, Klassifizierung

In der modernen Industrie verschiedener Richtungen sind Druckmesssensoren weit verbreitet. Sie dienen zur genauesten Messung von Messwerten in unterschiedlichen Umgebungen und zur weiteren Datenerfassung in elektrischer oder digitaler Form. Die Hauptsensoren sind unterteilt in optische, resistive, magnetische, piezoelektrische, kapazitive, Quecksilber-Piezoresonanz

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Sensorgerät

Bei diesem Gerät können sich die Parameter in Abhängigkeit von Parameteränderungen im Messmedium, beispielsweise Flüssigkeit, Gas oder Dampf, ändern. Im Sensor werden die Eigenschaften des Messmediums in einen einheitlichen Code zur Anzeige der Messwerte auf dem Anzeigegerät umgewandelt.

Der Sensor besteht aus einem primären Wandler, der ein Sensorelement enthält - einen Druckempfänger, sekundäre Signalverarbeitungskreise und verschiedene Teile des Gehäuses. In einigen Fällen ist es mit Dichtungsteilen für Arbeitsbedingungen in feuchten und aggressiven Umgebungen ausgestattet.

Klassifizierung der Geräte nach dem Funktionsprinzip

Nach dem Funktionsprinzip oder der Methode zur Umwandlung eines Eingangssignals in einen elektrischen Ausgang werden Messsensoren klassifiziert:

• Dehnungsmessstreifen-Methode. Empfindliche Teile messen den Widerstand, wenn sie auf einen Dehnungsmessstreifen einwirken, der an einem elastischen Element befestigt ist und sich unter Druck verformt.
• Piezoresistive Methode. Funktioniert auf Basis integraler empfindlicher Siliziumteile. Siliziumwandler sind aufgrund der Fähigkeit, den Widerstand des Halbleiters zu ändern, sehr empfindlich. Um Eigenschaften in nicht aggressiven Umgebungen zu messen, wird Low Cost verwendet - eine Methode zur Geräteausführung, wenn das empfindliche Element nicht mit Schutzgraden ausgestattet ist. Bei Arbeiten in einer Umgebung, in der der Sensor möglicherweise einem aggressiven Stoff ausgesetzt ist, kann das empfindliche Element Ausgestattet mit einem abgedichteten Gehäuse mit einer Stahl-Trennmembran, die den Druck mittels Silikon flüssig.
• Kapazitive Methode. Der Hauptteil eines Sensors, der dieses Verfahren verwendet, ist eine kapazitive Zelle. Seine Aufgabe ist es, die elektrische Kapazität zwischen der Stapelung des Kondensators und der Messmembrane abhängig zu verändern. Der Hauptvorteil ist der Schutz vor Verformung, ohne Druck nimmt die Membran ihre Form wieder an, während die Kalibrierung eines solchen Sensors nicht erforderlich ist. Und auch die hohe Stabilität der Kennlinien ist auf den geringen Einfluss des Temperaturfehlers aufgrund des geringen Flüssigkeitsvolumens zurückzuführen, das das Innenvolumen der Zelle ausfüllt.
• Resonanzmethode. Dieses Prinzip beruht auf der Änderung der Resonanzfrequenz des Schwingelements während seiner Verformung. Zu den Mängeln zählen eine lange Reaktionszeit und die Unmöglichkeit, in aggressiven Umgebungen ohne Verlust der Messgenauigkeit zu arbeiten.
• Induktive Methode. Basierend auf der Registrierung von Wirbelschäkeln. Das Messelement besteht aus zwei isolierten Spulen mit Metallschirm. Der Messumformer misst die Auslenkung der Membran, wenn kein tatsächlicher Kontakt zwischen den beiden Oberflächen besteht. In den Spulen wird elektrischer Strom so erzeugt, dass das Laden und Entladen der Spule in gleichen Zeitabständen erfolgt. Eine Änderung der Position der Membran erzeugt einen Strom in der feststehenden Spule, gefolgt von einer Änderung der Induktivität des Systems. Die Vorspannung der Daten der Hauptspule ermöglicht es, die Daten in ein Normsignal umzuwandeln, das in seinen Parametern proportional zum angelegten Druck ist.
• Ionisierungsmethode. Es funktioniert nach dem Prinzip, den Fluss ionisierter Partikel zu registrieren, wie eine Lampendiode. Die Lampe ist mit zwei Elektroden, einer Kathode, einer Anode und teilweise einer Heizung ausgestattet. Der Vorteil ist die Möglichkeit, Daten in Umgebungen mit niedrigem Druck, einschließlich Vakuum, aufzuzeichnen, aber solche Geräte können nicht bei Atmosphärendruck betrieben werden.
• Piezoelektrische Methode. Die Idee basiert auf dem piezoelektrischen Effekt, bei dem ein piezoelektrisches Element ein elektrisches Signal proportional zur Wirkung des zu messenden Mediums erzeugt. Wird verwendet, um sich ständig ändernde Schall- und Impulsmedien zu messen. Verfügt über eine breite Palette von dynamischen und privaten Datenmessungen. Es hat ein geringes Gewicht, Abmessungen und eine hohe Zuverlässigkeit im Betrieb unter schwierigen Bedingungen.

Arten von Sensoren

Kapazitiv. Es hat das einfachste Design, das zwei flache Elektroden mit einem Spalt dazwischen enthält. Eine davon ist in Form einer Membran ausgeführt, die vom Messmedium beeinflusst wird, wodurch sich der Abstand zwischen den Elektroden ändert. Im Wesentlichen ähnelt dieser Typ einem Kondensator mit variabler Lücke. Ein solcher Sensor ist in der Lage, selbst eine kleine Änderung der Messwerte zu registrieren.

Piezoelektrisch. Das Hauptstrukturelement ist ein piezoelektrisches Element, ein Material, das ein Signal ausgibt, wenn gemessene Eigenschaften darauf angewendet werden. Er befindet sich im Messmedium und gibt je nach Größe der Druckänderung einen Strom ab. Aber aufgrund der Tatsache, dass dieses Element seine Ausgabe nur ändert, wenn sich die Umgebung ändert, dann mit konstantem Parameter zeigt es keine Daten an und ist nur für die Arbeit in einer Umgebung mit intermittierendem Druck geeignet Änderungen.

Optik.

Die Funktionsweise solcher Sensoren kann auf zwei Funktionsprinzipien basieren:

• Glasfaser. Es ist am genauesten und die Messarbeit hängt nicht von Änderungen der Temperaturbedingungen ab. Der Hauptteil für die Messung ist ein Lichtwellenleiter. Aus der Änderung der Amplitude und Polarität des durch den empfindlichen Teil durchgelassenen Lichts wird bei solchen Geräten auf die Größe der Druckmessung geschlossen.
• Optoelektronisch. Besteht aus einer mehrschichtigen transparenten Struktur, durch die Licht hindurchtritt. Außerdem kann eine dieser Schichten je nach aufgebrachtem Druck Brechzahl und Schichtdicke verändern.

Die folgende Abbildung zeigt schematisch beide Arbeitsweisen. Abbildung, A - Brechungsänderung, Abbildung B - Schichtdickenänderung.

Quecksilber.

Ein elementarer und technisch einfacher Sensor. Es arbeitet auf der Basis zweier kommunizierender Gefäße, von denen eines unter Druck steht und das zweite analog ausgegebene Daten hat und durch eine parallel ausgerichtete Messskala bestimmt wird.

Magnetisch.

Arbeitet nach der induktiven Methode. Der empfindliche Teil besteht aus einem E-förmigen Balken, in dessen Mitte sich eine Spule befindet, und einer empfindlichen Membran, durch die die gemessenen Parameter übertragen werden. Die Membran befindet sich in der Nähe der Platte, in geringem Abstand vom Rand. Die Spule erzeugt beim Einschalten einen magnetischen Fluss, der wiederum durch den Stab, den Spalt und die Membran folgt. Die Permeabilität des Magnetspalts ist mehrere hundert Mal geringer als die Permeabilität des Streifens und der Membran, daher ändert sich die Induktivität bereits bei einer geringfügigen Änderung der Spaltgröße.

Piezoresonanz.

Es funktioniert auf Basis des piezoelektrischen Effekts, jedoch mit einem Unterschied - in diesem Fall wird der inverse Effekt des piezoelektrischen Elements genutzt, basierend auf der Formänderung des Materials in Abhängigkeit vom eingehenden Strom. Dieser Sensor verwendet einen Resonator, an dem sich zwei Elektroden auf gegenüberliegenden Seiten befinden, auf ihnen abwechselnd ein Strom unterschiedlicher Polarität zugeführt wird, wodurch sich die Platte in unterschiedliche Richtungen biegt, unter Berücksichtigung der zugeführten Frequenz.

Unterschied zu einem Manometer

Der Hauptunterschied zwischen dieser Art von Sensor und einem Manometer besteht darin, dass es sich um ein Gerät handelt, das Eigenschaften misst, ohne sie umzuwandeln. Bei einem Manometer hängen die Messwerte des Geräts von den gemessenen Eigenschaften ab, die auf seinem analogen Gerät oder Display angezeigt werden.