Elektrik basınç sensörleri

Bugün, endüstrinin çeşitli alanlarında basıncı ölçmek için sadece cıva barometreleri ve aneroidler değil, aynı zamanda hem çalışma prensibi hem de bu tür sensörlerin her bir tipinin doğasında bulunan avantaj ve dezavantajlar açısından farklılık gösteren çeşitli sensörler kullanılmaktadır. Modern elektronik, basınç sensörlerinin doğrudan elektriksel, elektronik olarak uygulanmasına izin verir.

Peki "elektriksel basınç sensörü" terimi ile ne demek istiyoruz? Elektrik basınç sensörleri nedir? Nasıl düzenlenirler ve hangi işlevleri vardır? Son olarak, belirli bir amaca en uygun olması için hangi basınç sensörünü seçmelisiniz? Bu makale boyunca öğreneceğiz.

İlk olarak, terimin kendisini tanımlayalım. Bir basınç sensörü, çıkış parametreleri ölçülen basınca bağlı olan bir cihazdır. Test ortamı, belirli bir sensörün uygulamasına bağlı olarak buhar, sıvı veya bir miktar gaz olabilir.

Modern sistemler, enerji, petrol, gaz, gıda ve diğer birçok endüstri için otomasyon sistemlerinin önemli bileşenleri olarak bu tür hassas aletler gerektirir.Minyatür basınç transdüserleri tıpta hayati öneme sahiptir.

Her elektriksel basınç sensörü şunları içerir: şoku birincil dönüştürücüye iletmeye yarayan hassas bir eleman, bir sinyal işleme devresi ve bir mahfaza. Esas olarak elektrikli basınç sensörleri aşağıdakilere ayrılır:

• Dirençli (gerici);

• piezoelektrik;

• Piezo rezonans;

• kapasitif;

• endüktif (manyetik);

• optoelektronik.

Dirençli veya gerinim ölçer basınç sensörü Bu, hassas elemanı deforme edici bir yükün etkisi altında elektrik direncini değiştiren bir cihazdır. Gerinim ölçerler, basınç altında bükülen ve kendisine bağlı gerinim ölçerleri büken hassas bir membran üzerine monte edilir. Gerinim ölçerlerin direnci değişir ve dönüştürücünün birincil devresindeki akımın büyüklüğü buna göre değişir.

Her bir gerinim ölçerin iletken elemanlarının esnemesi, uzunlukta bir artışa ve enine kesitte bir azalmaya neden olarak direncin artmasına neden olur. Sıkıştırmada ise tam tersidir. Dirençteki göreli değişiklikler binde bir ölçülür, bu nedenle sinyal işleme devrelerinde ADC'li hassas yükselteçler kullanılır. Böylece gerinim, bir yarı iletken veya iletkenin elektrik direncindeki bir değişikliğe ve ardından bir voltaj sinyaline dönüştürülür.

Gerinim ölçerler genellikle zara yapışan esnek bir tabana uygulanan zikzak iletken veya yarı iletken bir elemandır. Alt tabaka genellikle mika, kağıt veya polimer filmden yapılır ve iletken eleman bir folyo, ince tel veya metal üzerine vakumla püskürtülen yarı iletkendir.Gerinim ölçerin hassas elemanının ölçüm devresine bağlantısı, kontak pedleri veya teller kullanılarak gerçekleştirilir. Gerinim ölçerlerin kendileri genellikle 2 ila 10 mm2 alana sahiptir.

Yük hücresi sensörleri basınç seviyelerini, basınç dayanımını ve ağırlık ölçümünü tahmin etmek için idealdir.

Bir sonraki elektrikli basınç sensörü tipi piezoelektriktir… Burada piezoelektrik eleman hassas bir eleman gibi davranır.Piezoelektriğe dayalı bir piezoelektrik eleman deforme olduğunda bir elektrik sinyali üretir, buna doğrudan piezoelektrik etki denir. Piezoelektrik eleman ölçülen ortama yerleştirilir ve daha sonra dönüştürücü devresindeki akım, büyüklük olarak o ortamdaki basınç değişikliği ile orantılı olacaktır.

Piezoelektrik etkinin ortaya çıkması, sabit bir basınç yerine basınçta kesin bir değişiklik gerektirdiğinden, bu tip basınç transdüseri yalnızca dinamik basınç ölçümü için uygundur. Basınç sabitse, piezoelektrik elemanın deformasyon süreci gerçekleşmez ve piezoelektrik akım üretilmez.

Piezoelektrik basınç sensörleri, örneğin su, buhar, gaz ve diğer homojen ortamlar için girdap ölçerlerin birincil akış dönüştürücülerinde kullanılır. Bu tür sensörler, akış gövdesinin arkasında onlarca ila yüzlerce milimetre nominal açıklığa sahip bir boru hattına çiftler halinde kurulur ve böylece frekansı ve sayısı hacimsel akış hızı ve akış hızı ile orantılı olan girdapları kaydeder.

Daha fazlasını düşünün piezo-rezonans basınç sensörleri... Piezo-rezonans basınç sensörlerinde, piezoelektriğin uygulanan voltajın etkisi altında deforme olduğu ve voltaj ne kadar yüksekse deformasyon o kadar güçlü olan ters piezoelektrik etki çalışır. Sensör, her iki tarafına elektrotların tutturulduğu piezoelektrik plaka şeklindeki bir rezonatöre dayanmaktadır.

Elektrotlara alternatif bir voltaj uygulandığında, plaka malzemesi titreşir, bir yönde bükülür ve titreşimlerin frekansı uygulanan voltajın frekansına eşittir. Bununla birlikte, plaka şimdi, örneğin basınca duyarlı bir zar yoluyla, kendisine bir dış kuvvet uygulanarak deforme olursa, rezonatörün serbest salınımlarının frekansı değişecektir.

Böylece, rezonatörün doğal frekansı, rezonatöre baskı yapan zar üzerindeki basınç miktarını yansıtacak ve bu da frekansta bir değişikliğe neden olacaktır. Örnek olarak, piezo rezonansa dayalı bir mutlak basınç sensörünü ele alalım.

Ölçülen basınç, bağlantı 12 yoluyla hazne 1'e iletilir. Hazne 1, cihazın hassas ölçüm parçasından bir zarla ayrılır. Gövde 2, taban 6 ve membran 10, ikinci bir sızdırmaz bölme oluşturmak üzere birlikte kapatılmıştır. Tabanın (6) ikinci kapalı bölmesinde, tutucular (9 ve 4) sabitlenir, ikincisi tabana (6) bir köprü (3) vasıtasıyla bağlanır. Tutucu (4), hassas rezonatörü (5) sabitlemeye yarar. Destekleyici rezonatör (8), tutucu tarafından sabitlenir 9.

Ölçülen basıncın etkisi altında, membran 10, yine tutucuya 4 sabitlenmiş olan top 14 üzerindeki kovan 13 boyunca bastırır.Top 14 sırayla hassas rezonatöre 5 bastırır. Tabana 6 sabitlenmiş teller 7, rezonatörleri 8 ve 5 sırasıyla jeneratörlere 16 ve 17 bağlar. Mutlak basıncın büyüklüğü ile orantılı bir sinyal üretmek için, rezonatörün frekanslarındaki farktan bir çıkış sinyali üreten devre 15 kullanılır. Sensörün kendisi, 40 ° C'lik sabit bir sıcaklığı koruyan aktif bir termostata (18) yerleştirilmiştir.

En basitlerinden bazıları kapasitif basınç sensörleridir... İki düz elektrot ve aralarındaki boşluk bir kapasitör oluşturur. Elektrotlardan biri, ölçülen basıncın etki ettiği bir zardır ve bu, gerçek kapasitör plakaları arasındaki boşluğun kalınlığında bir değişikliğe yol açar. Düz bir kapasitörün kapasitansının, plakaların sabit bir alanı için boşluğun boyutundaki bir değişiklikle değiştiği iyi bilinmektedir, bu nedenle, basınçtaki çok küçük değişiklikleri bile algılamak için kapasitif sensörler çok ama çok etkilidir.

Küçük boyutlu kapasitif basınç sensörleri, sıvılarda, gazlarda ve buharda aşırı basıncın ölçülmesini sağlar. Kapasitif basınç sensörleri, hidrolik ve pnömatik sistemlerin kullanıldığı çeşitli endüstriyel işlemlerde, kompresörlerde, pompalarda, takım tezgahlarında kullanışlıdır. Sensörün tasarımı, aşırı sıcaklıklara ve titreşimlere karşı dayanıklıdır, elektromanyetik girişime ve agresif çevre koşullarına karşı bağışıklıdır.

Kapasitife uzaktan benzeyen başka bir elektrikli basınç sensörü türü - endüktif veya manyetik sensörler... Basınca duyarlı iletken membran, bobinin orta çekirdeğine sarıldığı ince W şeklindeki manyetik devreden biraz uzakta bulunur.Membran ile manyetik devre arasında belirli bir hava boşluğu ayarlanır.

Bobine bir voltaj uygulandığında, içindeki akım hem manyetik devrenin kendisinden hem de hava boşluğundan ve zardan geçerek kapanan bir manyetik akı oluşturur. Boşluktaki manyetik geçirgenlik, manyetik devredeki ve zardakinden yaklaşık 1000 kat daha küçük olduğundan, boşluğun kalınlığındaki küçük bir değişiklik bile devrenin endüktansında gözle görülür bir değişikliğe yol açar.

Ölçülen basıncın etkisi altında sensör diyaframı bükülür ve bobinin karmaşık direnci değişir. Dönüştürücü bu değişikliği elektrik sinyaline dönüştürür. Dönüştürücünün ölçüm kısmı, sensör bobininin kollardan birine dahil olduğu köprü devresine göre yapılmaktadır. Bir ADC kullanılarak, ölçüm parçasından gelen sinyal, ölçülen basınçla orantılı bir elektrik sinyaline dönüştürülür.

Son olarak bakacağımız basınç sensörü tipi optoelektronik sensörler… Basıncı algılaması oldukça basit, çözünürlüğü yüksek, hassasiyeti yüksek ve termal olarak kararlı. Küçük yer değiştirmeleri ölçmek için bir Fabry-Perot interferometre kullanarak ışık girişimi temelinde çalışan bu sensörler özellikle umut vericidir. Açıklığı olan bir optik dönüştürücü kristal, bir LED ve üç fotodiyottan oluşan bir dedektör, böyle bir sensörün ana parçalarıdır.

Kalınlık farkı az olan Fabi-Perot optik filtreleri iki fotodiyota bağlanmıştır. Bu filtreler, ön yüzeyinden silikon oksit tabakası ile kaplanmış, yüzeyinde ince bir alüminyum tabakasının biriktirildiği yansıtıcı silikon aynalardır.

Optik dönüştürücü, kapasitif bir basınç sensörüne benzer, monokristal bir silikon substratta aşındırma ile oluşturulan diyafram, ince bir metal tabakası ile kaplanır. Cam levhanın alt tarafı da metal bir kaplamaya sahiptir. Cam plaka ile silikon substrat arasında iki ayırıcı kullanılarak elde edilen w genişliğinde bir boşluk vardır.

İki metal tabakası, değişken bir hava aralığına (w) sahip bir Fabia-Perot interferometresi oluşturur ve şunları içerir: membran üzerinde bulunan ve basınç değiştiğinde konumunu değiştiren hareketli bir ayna ve cam bir plaka üzerinde buna paralel sabit bir yarı saydam ayna.

Bu temelde FISO Technologies, iğne deliğinden kolayca geçen, yalnızca 0,55 mm çapında mikroskobik duyarlı basınç transdüserleri üretmektedir. Bir kateter yardımıyla, incelenen hacme içinde basıncın ölçüldüğü bir mini sensör yerleştirilir.

Optik fiber, bir mikroişlemcinin kontrolü altında fibere verilen tek renkli ışık kaynağının açıldığı, geri yansıyan ışık akısının yoğunluğunun ölçüldüğü, dış basıncın üzerindeki dış basıncın ölçüldüğü akıllı bir sensöre bağlanır. sensör kalibrasyon verilerinden hesaplanır ve ekranda görüntülenir. Örneğin tıpta, bu tür sensörler kafa içi basıncını izlemek, pulmoner arterlerdeki başka hiçbir şekilde ulaşılamayan kan basıncını ölçmek için kullanılır.