Senzor na meranie tlaku: popis a zariadenie, princíp činnosti, klasifikácia

V modernom priemysle rôznych smerov sú snímače na meranie tlaku široko používané. Slúžia na čo najpresnejšie meranie odpočtov v rôznych prostrediach a na ďalší zber dát v elektrickej alebo digitálnej forme. Hlavné senzory sa delia na optické, odporové, magnetické, piezoelektrické, kapacitné, ortuťové piezorezonančné

.

Senzorové zariadenie

Pomocou tohto zariadenia sa môžu parametre meniť v závislosti od zmien parametrov v meranom médiu, napríklad kvapaline, plyne alebo pare. Charakteristiky meraného média sú v snímači prevedené do jednotného kódu pre zobrazenie nameraných hodnôt na indikačnom zariadení.

Snímač pozostáva z primárneho prevodníka, ktorý obsahuje snímací prvok - tlakový prijímač, sekundárne obvody na spracovanie signálu a rôzne časti krytu. V niektorých prípadoch je vybavený tesniacimi dielmi pre pracovné podmienky vo vlhkom a agresívnom prostredí.

Klasifikácia zariadení podľa princípu činnosti

Podľa princípu činnosti alebo metódy použitej pri prevode vstupného signálu na elektrický výstup sú meracie snímače klasifikované:

• Tenzometrické metódy. Citlivé časti merajú odpor pri pôsobení na tenzometer pripevnený na elastickom prvku, ktorý sa pod tlakom deformuje.
• Piezorezistívna metóda. Funguje na základe integrálnych citlivých kremíkových častí. Kremíkové meniče sú vysoko citlivé vďaka schopnosti meniť odpor polovodiča. Na meranie charakteristík v neagresívnom prostredí sa používa Low cost - spôsob vyhotovenia zariadenia, kedy citlivý prvok nie je vybavený žiadnym stupňom ochrany. V prípade práce v prostredí, kde je možné, že je snímač vystavený agresívnej látke, citlivý prvok vybavená utesneným plášťom s oceľovou oddeľovacou membránou, ktorá prenáša tlak pomocou kremíková kvapalina.
• Kapacitná metóda. Hlavnou časťou senzora využívajúceho túto metódu je kapacitný článok. Jeho úlohou je meniť elektrickú kapacitu medzi stohovaním kondenzátora a meracej membrány v závislosti od. Hlavnou výhodou je ochrana proti deformácii, pri absencii tlaku membrána znovu získa svoj tvar, pričom nie je potrebná kalibrácia takéhoto snímača. A tiež vysoká stabilita charakteristík je spôsobená malým vplyvom teplotnej chyby v dôsledku malého objemu kvapaliny, ktorá vypĺňa vnútorný objem článku.
• Rezonančná metóda. Tento princíp je založený na zmene rezonančnej frekvencie vibrujúceho prvku pri jeho deformácii. Medzi nedostatky možno vyzdvihnúť dlhú dobu odozvy a nemožnosť práce v agresívnom prostredí bez straty presnosti merania.
• Induktívna metóda. Na základe registrácie vírových okov. Merací prvok pozostáva z dvoch izolovaných cievok s kovovým krytom. Vysielač meria posunutie membrány, keď medzi týmito dvoma povrchmi nie je žiadny skutočný kontakt. Elektrický prúd sa generuje v cievkach takým spôsobom, že nabíjanie a vybíjanie cievky prebieha v rovnakých časových intervaloch. Zmenou polohy membrány sa vytvorí prúd v pevnej cievke, po ktorom nasleduje zmena indukčnosti systému. Skreslenie údajov hlavnej cievky umožňuje previesť údaje na štandardný signál, ktorý je svojimi parametrami úmerný aplikovanému tlaku.
• Ionizačná metóda. Funguje na princípe registrácie toku ionizovaných častíc, podobne ako lampová dióda. Lampa je vybavená dvoma elektródami, katódou, anódou a v niektorých prípadoch ohrievačom. Výhodou je možnosť zaznamenávania údajov v prostrediach s nízkym tlakom vrátane vákua, avšak takéto zariadenia nie je možné prevádzkovať pri atmosférickom tlaku.
• Piezoelektrická metóda. Myšlienka je založená na piezoelektrickom efekte, pri ktorom piezoelektrický prvok vytvára elektrický signál úmerný účinku meraného média naň. Používa sa na meranie neustále sa meniacich akustických a impulzných médií. Má širokú škálu dynamických a súkromných meraní údajov. Má nízku hmotnosť, rozmery a vysokú spoľahlivosť pri prevádzke v náročných podmienkach.

Typy snímačov

Kapacitný. Má najjednoduchší dizajn, ktorý obsahuje dve ploché elektródy s medzerou medzi nimi. Jeden z nich je vyrobený vo forme membrány, ktorá je ovplyvnená meraným médiom, v dôsledku čoho sa mení medzera medzi elektródami. V podstate je tento typ podobný kondenzátoru s premenlivou medzerou. Takýto snímač je schopný zaregistrovať aj malú zmenu v údajoch.

Piezoelektrický. Hlavným konštrukčným prvkom je piezoelektrický prvok, materiál, ktorý vydáva signál, keď sú naň aplikované namerané charakteristiky. Nachádza sa v meranom médiu a vydáva prúd v závislosti od veľkosti zmeny tlaku. Ale vzhľadom na to, že tento prvok mení svoj výkon len pri zmene prostredia, tak s konštantou parametre, neukáže žiadne údaje a je vhodný na prácu len v prostredí, kde je tlak prerušovaný zmeny.

Optika.

Prevádzkové zariadenie takýchto snímačov môže byť založené na dvoch princípoch činnosti:

• Optických vlákien. Je to najpresnejšie a práca merania nezávisí od zmien teplotných podmienok. Hlavnou časťou pre meranie je optický vlnovod. Urobí sa záver o veľkosti merania tlaku v takýchto zariadeniach zmenou amplitúdy a polarity svetla prechádzajúceho cez citlivú časť.
• Optoelektronické. Pozostáva z viacvrstvovej priehľadnej štruktúry, cez ktorú prechádza svetlo. Jedna z týchto vrstiev môže navyše meniť index lomu a hrúbku vrstvy v závislosti od použitého tlaku.

Na nasledujúcom obrázku sú schematicky znázornené oba spôsoby prevádzky. Obrázok, A - zmena lomu, obrázok B - zmena hrúbky vrstvy.

Merkúr.

Základný a technicky jednoduchý snímač. Pracuje na báze dvoch prepojených nádob, z ktorých jedna je tlaková a druhá sú analogicky vydávané dáta a je určená paralelne zarovnanou meracou stupnicou.

Magnetický.

Funguje na základe indukčnej metódy. Citlivú časť tvorí lišta v tvare E, v strede ktorej je cievka a citlivá membrána, cez ktorú sa prenášajú merané parametre. Membrána je umiestnená v blízkosti dosky, v krátkej vzdialenosti od okraja. Cievka, keď je zapnutá, vytvára magnetický tok, ktorý následne prechádza cez tyč, medzeru a membránu. Permeabilita magnetickej medzery je niekoľko stokrát menšia ako permeabilita pásu a membrány, preto sa indukčnosť mení aj pri malej zmene veľkosti medzery.

Piezorezonancia.

Funguje na báze piezoelektrického javu, avšak s jedným rozdielom – v tomto prípade sa využíva inverzný efekt piezoelektrického prvku na základe zmeny tvaru materiálu v závislosti od prichádzajúceho prúdu. Tento snímač využíva rezonátor, na ktorom sú na opačných stranách umiestnené striedavo dve elektródy dodáva sa prúd rôznej polarity a v dôsledku toho sa doska ohýba v rôznych smeroch, berúc do úvahy dodávanú frekvencia.

Rozdiel oproti tlakomeru

Hlavným rozdielom medzi týmto druhom snímača a manometrom je to, že ide o zariadenie určené na meranie charakteristík bez ich konverzie. V manometri závisia hodnoty prístroja od nameraných charakteristík, ktoré sú zobrazené na jeho analógovom prístroji alebo displeji.