Sähköiset paineanturit

Nykyään paineen mittaamiseksi eri teollisuuden aloilla ei käytetä vain elohopeabarometrejä ja aneroideja, vaan myös erilaisia ​​antureita, jotka eroavat sekä toimintaperiaatteesta että kunkin tyyppisille antureille ominaisista eduista ja haitoista. Nykyaikainen elektroniikka mahdollistaa paineanturien toteuttamisen suoraan sähköisesti, elektronisesti.

Joten mitä tarkoitamme termillä "sähköinen paineanturi"? Mitä ovat sähköiset paineanturit? Miten ne on järjestetty ja mitä toimintoja niillä on? Lopuksi, mikä paineanturi kannattaa valita, jotta se soveltuu parhaiten tiettyyn tarkoitukseen? Selvitämme tämän artikkelin aikana.

Ensin määritellään itse termi. Paineanturi on laite, jonka lähtöparametrit riippuvat mitatusta paineesta. Testiväliaine voi olla höyryä, nestettä tai jotain kaasua tietyn anturin sovelluksesta riippuen.

Nykyaikaiset järjestelmät vaativat tämän tyyppisiä tarkkuustyökaluja sähkö-, öljy-, kaasu-, elintarvike- ja monien muiden teollisuudenalojen automaatiojärjestelmien tärkeiksi komponentteiksi.Pienoispaineanturit ovat elintärkeitä lääketieteessä.

Jokainen sähköinen paineanturi sisältää: herkän elementin, joka välittää iskun ensisijaiseen muuntimeen, signaalinkäsittelypiirin ja kotelon. Pääasiassa sähköiset paineanturit jaetaan:

• Resistiivinen (tensoresistinen);

• Pietsosähköiset;

• Pietsoresonanssi;

• Kapasitiivinen;

• Induktiivinen (magneettinen);

• Optoelektroniikka.

Resistiivinen tai venymämittarin paineanturi Tämä on laite, jonka herkkä elementti muuttaa sähkövastusta muotoaan muuttavan kuorman vaikutuksesta. Venymämittarit on asennettu herkälle kalvolle, joka taipuu paineen alaisena ja taivuttaa siihen kiinnitetyt venymämittarit. Venymäanturien resistanssi muuttuu ja virran suuruus muuntimen ensiöpiirissä muuttuu vastaavasti.

Kunkin venymämittarin johtavien elementtien venyttäminen lisää pituutta ja pienentää poikkileikkausta, mikä johtaa vastuksen kasvuun. Kompressiossa asia on päinvastoin. Resistanssin suhteelliset muutokset mitataan tuhannesosissa, joten signaalinkäsittelypiireissä käytetään ADC:illä varustettuja tarkkuusvahvistimia. Siten venymä muunnetaan puolijohteen tai johtimen sähkövastuksen muutokseksi ja sitten jännitesignaaliksi.

Venymämittarit ovat yleensä siksak-johtavia tai puolijohdeelementtejä, jotka on kiinnitetty joustavaan alustaan, joka kiinnittyy kalvoon. Substraatti on yleensä valmistettu kiillestä, paperista tai polymeerikalvosta, ja johtava elementti on kalvo, ohut lanka tai puolijohde, joka on ruiskutettu metallille.Venymämittarin herkän elementin kytkentä mittauspiiriin tapahtuu kosketinlevyjen tai johtojen avulla. Itse venymäanturien pinta-ala on yleensä 2-10 neliömetriä.

Kuormituskennoanturit sopii erinomaisesti painetasojen, puristuslujuuden ja painon mittaamiseen.

Seuraava sähköinen paineanturityyppi on pietsosähköinen... Tässä pietsosähköinen elementti toimii herkänä elementtinä Pietsosähköinen elementti, joka perustuu pietsosähköiseen elementtiin, muodostaa sähköisen signaalin, kun se on muodonmuutos, tämä on ns. suora pietsosähköinen vaikutus. Pietsosähköinen elementti sijoitetaan mitattavaan väliaineeseen ja sitten anturipiirissä oleva virta on suuruudeltaan verrannollinen paineen muutokseen kyseisessä väliaineessa.

Koska pietsosähköisen vaikutuksen ilmaantuminen vaatii tarkan paineen muutoksen vakiopaineen sijaan, tämän tyyppinen paineanturi soveltuu vain dynaamiseen paineen mittaukseen. Jos paine on vakio, pietsosähköisen elementin muodonmuutosprosessia ei tapahdu eikä pietsosähköinen synnytä virtaa.

Pietsosähköisiä paineantureita käytetään esimerkiksi veden, höyryn, kaasun ja muiden homogeenisten väliaineiden pyörremittareiden primäärivirtausantureissa. Tällaiset anturit asennetaan pareittain putkilinjaan, jonka nimellinen aukko on kymmeniä - satoja millimetrejä virtauksen rungon taakse ja rekisteröivät siten pyörteitä, joiden taajuus ja lukumäärä ovat verrannollisia tilavuusvirtaukseen ja virtausnopeuteen.

Harkitse muita pietsoresonanssipaineantureita... Pietsoresonanssipaineantureissa toimii käänteinen pietsosähköinen efekti, jossa pietsosähköinen deformoituu kohdistetun jännitteen vaikutuksesta, ja mitä suurempi jännite, sitä voimakkaampi muodonmuutos. Anturi perustuu pietsosähköisen levyn muotoiseen resonaattoriin, jonka molemmille puolille on kiinnitetty elektrodit.

Kun elektrodeihin syötetään vaihtojännite, levymateriaali värähtelee, taipuen suuntaan tai toiseen, ja värähtelyjen taajuus on yhtä suuri kuin käytetyn jännitteen taajuus. Jos levy kuitenkin nyt muotoutuu kohdistamalla siihen ulkoinen voima, esimerkiksi paineherkän kalvon läpi, resonaattorin vapaiden värähtelyjen taajuus muuttuu.

Joten resonaattorin luonnollinen taajuus heijastaa kalvoon kohdistuvaa painetta, joka painaa resonaattoria, mikä johtaa taajuuden muutokseen. Harkitse esimerkkinä pietsoresonanssiin perustuvaa absoluuttista paineanturia.

Mitattu paine välitetään kammioon 1 liitännän 12 kautta. Kammio 1 on erotettu kalvolla laitteen herkästä mittausosasta. Runko 2, pohja 6 ja kalvo 10 on tiivistetty yhteen toisen suljetun kammion muodostamiseksi. Alustan 6 toiseen tiiviiseen kammioon on kiinnitetty pidikkeet 9 ja 4, joista toinen on kiinnitetty alustaan ​​6 sillan 3 avulla. Pidin 4 kiinnittää herkän resonaattorin 5. Tukiresonaattori 8 on kiinnitetään pidikkeellä 9.

Mitatun paineen vaikutuksesta kalvo 10 puristuu holkin 13 läpi palloon 14, joka on myös kiinnitetty pidikkeeseen 4.Pallo 14 puolestaan ​​painaa herkkää resonaattoria 5. Kantaan 6 kiinnitetyt johdot 7 yhdistävät resonaattorit 8 ja 5 generaattoreihin 16 ja 17, vastaavasti. Absoluuttisen paineen suuruuteen verrannollisen signaalin muodostamiseksi käytetään piiriä 15, joka generoi lähtösignaalin resonaattorin taajuuksien erosta. Itse anturi on sijoitettu aktiiviseen termostaattiin 18, joka ylläpitää vakiolämpötilaa 40 °C.

Jotkut yksinkertaisimmista ovat kapasitiivisia paineantureita... Kaksi litteää elektrodia ja niiden välinen rako muodostavat kondensaattorin. Yksi elektrodeista on kalvo, johon mitattu paine vaikuttaa, mikä johtaa muutokseen todellisten kondensaattorilevyjen välisen raon paksuudessa. Tiedetään hyvin, että litteän kondensaattorin kapasitanssi muuttuu raon koon muutoksen myötä levyjen vakiopinta-alalla, joten kapasitiiviset anturit ovat erittäin tehokkaita havaitsemaan jopa erittäin pieniä paineen muutoksia.

Pienikokoiset kapasitiiviset paineanturit mahdollistavat ylipaineen mittaamisen nesteissä, kaasuissa, höyryssä. Kapasitiiviset paineanturit ovat hyödyllisiä erilaisissa teollisuusprosesseissa, joissa käytetään hydraulisia ja pneumaattisia järjestelmiä, kompressoreissa, pumpuissa, työstökoneissa. Anturin rakenne kestää äärimmäisiä lämpötiloja ja tärinää, on immuuni sähkömagneettisille häiriöille ja aggressiivisille ympäristöolosuhteille.

Toisen tyyppiset sähköiset paineanturit, kaukaa samanlaiset kuin kapasitiiviset - induktiiviset tai magneettiset anturit... Paineherkkä johtava kalvo sijaitsee jonkin matkan päässä ohuesta W:n muotoisesta magneettipiiristä, jonka keskisydämelle kela on kierretty.Kalvon ja magneettipiirin väliin asetetaan tietty ilmarako.

Kun käämiin syötetään jännite, siinä oleva virta muodostaa magneettivuon, joka kulkee sekä itse magneettipiirin että ilmaraon ja kalvon läpi sulkeutuen. Koska magneettinen permeabiliteetti raossa on noin 1000 kertaa pienempi kuin magneettipiirissä ja kalvossa, jo pienikin muutos raon paksuudessa johtaa huomattavaan muutokseen piirin induktanssissa.

Mitatun paineen vaikutuksesta anturin kalvo taipuu ja käämin kompleksinen vastus muuttuu. Muunnin muuntaa tämän muutoksen sähköiseksi signaaliksi. Muuntimen mittausosa on tehty siltapiirin mukaan, jossa anturin kela on mukana yhdessä varresta. ADC:n avulla mittausosan signaali muunnetaan mitattuun paineeseen verrannolliseksi sähköiseksi signaaliksi.

Viimeinen paineanturityyppi, jota tarkastelemme, on optoelektroniset anturit… Ne ovat melko yksinkertaisia ​​havaita paine, niillä on korkea resoluutio, korkea herkkyys ja lämpöstabiileja. Nämä anturit ovat erityisen lupaavia, kun ne toimivat valon häiriön perusteella ja käyttävät Fabry-Perot-interferometriä pienten siirtymien mittaamiseen. Tällaisen anturin pääosat ovat optinen muuntajakide, jossa on aukko, LED ja kolmesta valodiodista koostuva ilmaisin.

Fabi-Perot optiset suodattimet pienellä paksuuserolla on kiinnitetty kahteen valodiodiin. Nämä suodattimet ovat etupinnalta heijastavia piipeilejä, jotka on päällystetty piioksidikerroksella, jonka pinnalle on kerrostettu ohut kerros alumiinia.

Optinen muunnin on samanlainen kuin kapasitiivinen paineanturi, yksikiteiseen piisubstraattiin syövyttämällä muodostettu kalvo on peitetty ohuella metallikerroksella. Lasilevyn alapuolella on myös metallipinnoite. Lasilevyn ja piisubstraatin välissä on leveys w rako, joka saadaan käyttämällä kahta välikappaletta.

Kaksi metallikerrosta muodostavat Fabia-Perot-interferometrin, jossa on säädettävä ilmarako w, joka sisältää: kalvolla sijaitsevan liikkuvan peilin, joka muuttaa asentoaan paineen muuttuessa, sekä kiinteän läpikuultavan peilin sen suuntaisesti lasilevyllä.

Tällä perusteella FISO Technologies valmistaa mikroskooppisia herkkiä paineantureita, joiden halkaisija on vain 0,55 mm ja jotka kulkevat helposti neulansilmän läpi. Katetrin avulla tutkittavaan tilavuuteen työnnetään mini-anturi, jonka sisällä paine mitataan.

Optinen kuitu on kytketty älykkääseen anturiin, jossa mikroprosessorin ohjaamana kuituun tuotava monokromaattisen valon lähde kytketään päälle, mitataan takaisinheijastuneen valovirran intensiteetti, ulkoinen paine valokuidulle. anturi lasketaan kalibrointitiedoista ja näytetään näytössä. Esimerkiksi lääketieteessä tällaisia ​​antureita käytetään kallonsisäisen paineen mittaamiseen, verenpaineen mittaamiseen keuhkovaltimoissa, joihin ei pääse muulla tavalla.