Czujnik pomiaru ciśnienia: opis i urządzenie, zasada działania, klasyfikacja

Czujniki pomiaru ciśnienia znajdują szerokie zastosowanie w nowoczesnym przemyśle różnego rodzaju. Służą do najdokładniejszego pomiaru odczytów w różnych środowiskach oraz do dalszego pozyskiwania danych w formie elektrycznej lub cyfrowej. Główne czujniki dzielą się na optyczne, rezystancyjne, magnetyczne, piezoelektryczne, pojemnościowe, piezorezonans rtęciowy

.

Urządzenie czujnikowe

Dzięki temu urządzeniu parametry mogą się zmieniać w zależności od zmian parametrów mierzonego medium, np. cieczy, gazu lub pary. W czujniku charakterystyki mierzonego medium są przekształcane w ujednolicony kod do wyświetlania odczytów na urządzeniu wskazującym.

Czujnik składa się z przetwornika pierwotnego, który zawiera element pomiarowy - odbiornik ciśnienia, wtórne obwody przetwarzania sygnału oraz różne części obudowy. W niektórych przypadkach jest wyposażony w części uszczelniające do warunków pracy w wilgotnym i agresywnym środowisku.

Klasyfikacja urządzeń według zasady działania

Na podstawie zasady działania lub metody stosowanej do konwersji sygnału wejściowego na wyjście elektryczne czujniki pomiarowe są klasyfikowane:

• Metoda tensometryczna. Wrażliwe części mierzą opór działając na tensometr przymocowany do elastycznego elementu, który odkształca się pod wpływem nacisku.
• Metoda piezorezystywna. Działa na bazie integralnych wrażliwych części silikonowych. Przetworniki krzemowe są bardzo czułe ze względu na możliwość zmiany rezystancji półprzewodników. Do pomiaru charakterystyk w środowiskach nieagresywnych stosuje się Niski koszt - sposób wykonania sprzętu, gdy czuły element nie jest wyposażony w żaden stopień ochrony. W przypadku pracy w środowisku, w którym istnieje możliwość kontaktu agresywnej substancji z czujnikiem, wrażliwy element wyposażony w szczelną obudowę ze stalową membraną rozdzielającą, która przenosi ciśnienie za pomocą płyn silikonowy.
• Metoda pojemnościowa. Główną częścią czujnika wykorzystującego tę metodę jest ogniwo pojemnościowe. Jego zadaniem jest zmiana pojemności elektrycznej pomiędzy ułożeniem kondensatora a membraną pomiarową, w zależności od. Główną zaletą jest ochrona przed odkształceniami, przy braku ciśnienia membrana odzyskuje swój kształt, a kalibracja takiego czujnika nie jest wymagana. A także wysoka stabilność charakterystyk wynika z niewielkiego wpływu błędu temperatury z powodu małej objętości cieczy, która wypełnia wewnętrzną objętość ogniwa.
• Metoda rezonansowa. Zasada ta opiera się na zmianie częstotliwości rezonansowej wibrującego elementu podczas jego odkształcania. Wśród mankamentów można wyróżnić długi czas reakcji oraz niemożność pracy w agresywnym środowisku bez utraty dokładności pomiaru.
• Metoda indukcyjna. Na podstawie rejestracji szekli wirowych. Element pomiarowy składa się z dwóch izolowanych cewek z metalowym ekranem. Przetwornik mierzy przemieszczenie membrany, gdy nie ma rzeczywistego kontaktu między dwiema powierzchniami. Prąd elektryczny jest generowany w cewkach w taki sposób, że ładowanie i rozładowanie cewki następuje w równych odstępach czasu. Zmiana położenia membrany wytwarza prąd w nieruchomej cewce, po czym następuje zmiana indukcyjności układu. Odchylenie danych cewki głównej umożliwia przekształcenie danych na sygnał standardowy, który w swoich parametrach jest proporcjonalny do przyłożonego ciśnienia.
• Metoda jonizacji. Działa na zasadzie rejestrowania przepływu zjonizowanych cząstek, podobnie jak dioda lampy. Lampa jest wyposażona w dwie elektrody, katodę, anodę i w niektórych przypadkach grzałkę. Zaletą jest możliwość rejestrowania danych w środowiskach o niskim ciśnieniu, w tym w próżni, ale taki sprzęt nie może być obsługiwany przy ciśnieniu atmosferycznym.
• Metoda piezoelektryczna. Pomysł opiera się na efekcie piezoelektrycznym, w którym element piezoelektryczny wytwarza sygnał elektryczny proporcjonalny do wpływu mierzonego na nim medium. Służy do pomiaru stale zmieniających się mediów akustycznych i impulsowych. Posiada szeroki zakres pomiarów danych dynamicznych i prywatnych. Charakteryzuje się niską wagą, wymiarami oraz wysoką niezawodnością w pracy w trudnych warunkach.

Rodzaje czujników

Pojemnościowy. Ma najprostszą konstrukcję, która zawiera dwie płaskie elektrody z przerwą między nimi. Jedna z nich wykonana jest w postaci membrany, na którą oddziałuje mierzone medium, w wyniku czego zmienia się szczelina między elektrodami. Zasadniczo ten typ jest podobny do kondensatora o zmiennej szczelinie. Taki czujnik jest w stanie zarejestrować nawet niewielką zmianę odczytów.

Piezoelektryczny. Głównym elementem konstrukcyjnym jest element piezoelektryczny, materiał, który generuje sygnał po przyłożeniu do niego zmierzonych charakterystyk. Znajduje się w mierzonym medium i emituje prąd zależny od wielkości zmiany ciśnienia. Ale ze względu na to, że ten pierwiastek zmienia swoje wyjście tylko wtedy, gdy zmienia się otoczenie, to ze stałą parametrów, nie pokaże żadnych danych i nadaje się do pracy tylko w środowisku, w którym ciśnienie jest przerywane zmiany.

Optyczny.

Urządzenie działania takich czujników może opierać się na dwóch zasadach działania:

• Światłowód. Jest najdokładniejszy, a praca pomiarowa nie jest uzależniona od zmian warunków temperaturowych. Głównym elementem do pomiaru jest falowód optyczny. Na podstawie zmiany amplitudy i polaryzacji przepuszczanego światła przez część czułą wyciąga się wniosek o wielkości pomiaru ciśnienia w takich urządzeniach.
• Optoelektroniczny. Składa się z wielowarstwowej przezroczystej struktury, przez którą przechodzi światło. Ponadto jedna z tych warstw może zmieniać współczynnik załamania i grubość warstwy w zależności od przyłożonego ciśnienia.

Poniższa ilustracja przedstawia schematycznie oba sposoby działania. Rysunek A - zmiana załamania światła, rysunek B - zmiana grubości warstwy.

Rtęć.

Podstawowy i prosty technicznie czujnik. Działa w oparciu o dwa połączone naczynia, z których jeden jest pod ciśnieniem, a drugi to analogicznie wyprowadzane dane i jest określany przez równolegle ustawioną skalę pomiarową.

Magnetyczny.

Działa w oparciu o metodę indukcyjną. Część czuła składa się z pręta w kształcie litery E, w środku którego znajduje się cewka, oraz czułej membrany, przez którą przekazywane są mierzone parametry. Membrana znajduje się w pobliżu płyty, w niewielkiej odległości od krawędzi. Cewka po włączeniu wytwarza strumień magnetyczny, który z kolei przechodzi przez pręt, szczelinę i membranę. Przepuszczalność szczeliny magnetycznej jest kilkaset razy mniejsza niż przepuszczalność taśmy i membrany, dlatego indukcyjność zmienia się nawet przy niewielkiej zmianie wielkości szczeliny.

Piezorezonans.

Działa na zasadzie efektu piezoelektrycznego, ale z jedną różnicą - w tym przypadku wykorzystuje się efekt odwrotny elementu piezoelektrycznego, polegający na zmianie kształtu materiału w zależności od dopływającego prądu. Czujnik ten wykorzystuje rezonator, na którym dwie elektrody znajdują się po przeciwnych stronach, na nich naprzemiennie dostarczany jest prąd o różnej biegunowości, w wyniku czego płytka jest wyginana w różnych kierunkach z uwzględnieniem dostarczanego częstotliwość.

Różnica w stosunku do manometru

Główna różnica między tego rodzaju czujnikiem a manometrem polega na tym, że jest to urządzenie przeznaczone do pomiaru charakterystyki bez jej przekształcania. W manometrze odczyty urządzenia zależą od mierzonych charakterystyk, które są wyświetlane na jego urządzeniu analogowym lub wyświetlaczu.