Elektriniai slėgio jutikliai

Šiandien, norint matuoti slėgį įvairiose pramonės srityse, naudojami ne tik gyvsidabrio barometrai ir aneroidai, bet ir įvairūs jutikliai, kurie skiriasi tiek veikimo principu, tiek privalumais ir trūkumais, būdingais kiekvienam tokių jutiklių tipui. Šiuolaikinė elektronika leidžia įdiegti slėgio jutiklius tiesiogiai elektriniu, elektroniniu pagrindu.

Taigi, ką reiškia terminas „elektrinis slėgio jutiklis“? Kas yra elektriniai slėgio jutikliai? Kaip jie išdėstyti ir kokias funkcijas atlieka? Galiausiai, kurį slėgio jutiklį pasirinkti, kad jis būtų tinkamiausias konkrečiai paskirčiai? Mes sužinosime šio straipsnio eigoje.

Pirmiausia apibrėžkime patį terminą. Slėgio jutiklis yra prietaisas, kurio išėjimo parametrai priklauso nuo išmatuoto slėgio. Bandymo terpė gali būti garai, skystis arba kai kurios dujos, priklausomai nuo konkretaus jutiklio taikymo.

Šiuolaikinėms sistemoms reikalingi tikslūs tokio tipo įrankiai, kurie yra svarbūs elektros, naftos, dujų, maisto ir daugelio kitų pramonės šakų automatizavimo sistemų komponentai.Miniatiūriniai slėgio keitikliai yra gyvybiškai svarbūs medicinoje.

Kiekvienas elektrinis slėgio jutiklis apima: jautrų elementą, kuris perduoda smūgį į pirminį keitiklį, signalo apdorojimo grandinę ir korpusą. Iš esmės elektriniai slėgio jutikliai skirstomi į:

• Resistyvinis (tensorezinis);

• pjezoelektrinis;

• Pjezo rezonansas;

• Talpa;

• Indukcinis (magnetinis);

• Optoelektronika.

Varžinis arba deformacinis slėgio jutiklis Tai prietaisas, kurio jautrus elementas keičia savo elektrinę varžą veikiant deformuojančiai apkrovai. Įtempimo matuokliai montuojami ant jautrios membranos, kuri, veikiant slėgiui, lenkia ir prie jos pritvirtintus tenometrus. Keičiasi deformacijų matuoklių varža ir atitinkamai keičiasi srovės dydis pirminėje keitiklio grandinėje.

Ištempus kiekvieno įtempio matuoklio laidžius elementus, padidėja ilgis ir sumažėja skerspjūvis, todėl padidėja atsparumas. Suspaudimo atveju yra atvirkščiai. Santykiniai varžos pokyčiai matuojami tūkstantosiomis dalimis, todėl signalų apdorojimo grandinėse naudojami tikslūs stiprintuvai su ADC. Taigi deformacija paverčiama puslaidininkio ar laidininko elektrinės varžos pokyčiu, o vėliau – įtampos signalu.

Įtempimo matuokliai dažniausiai yra zigzaginis laidus arba puslaidininkinis elementas, uždedamas ant lankstaus pagrindo, kuris prilimpa prie membranos. Pagrindas dažniausiai gaminamas iš žėručio, popieriaus arba polimerinės plėvelės, o laidus elementas yra folija, plona viela arba puslaidininkis, vakuuminiu būdu užpurkštas ant metalo.Jautrus įtempio matuoklio elementas prijungiamas prie matavimo grandinės naudojant kontaktines trinkeles arba laidus. Patys tenometrai paprastai būna nuo 2 iki 10 kv.mm ploto.

Apkrovos elementų jutikliai puikiai tinka slėgio lygiams, gniuždymo stiprumui ir svoriui matuoti.

Kitas elektrinio slėgio jutiklio tipas yra pjezoelektrinis... Čia pjezoelektrinis elementas veikia kaip jautrus elementas, pjezoelektrinis elementas, pagrįstas pjezoelektriniu, sukuria elektrinį signalą, kai jis deformuojamas, tai yra vadinamasis tiesioginis pjezoelektrinis efektas. Pjezoelektrinis elementas dedamas į išmatuotą terpę ir tada srovė keitiklio grandinėje bus proporcinga slėgio pokyčiui toje terpėje.

Kadangi pjezoelektriniam efektui atsirasti reikalingas tikslus slėgio pokytis, o ne pastovus slėgis, tokio tipo slėgio keitikliai tinka tik dinaminiam slėgio matavimui. Jei slėgis pastovus, tai pjezoelektrinio elemento deformacijos procesas neįvyks ir srovės negeneruos pjezoelektrinis.

Pjezoelektriniai slėgio jutikliai naudojami, pavyzdžiui, vandens, garų, dujų ir kitų vienalyčių terpių sūkurinių skaitiklių pirminiuose srauto keitikliuose. Tokie davikliai poromis montuojami vamzdyne, kurio nominali anga nuo dešimčių iki šimtų milimetrų už srauto korpuso ir taip registruoja sūkurius, kurių dažnis ir skaičius yra proporcingi tūriniam debitui ir debitui.

Apsvarstykite tolesnius pjezorezonansinius slėgio jutiklius... Pjezorezonansiniuose slėgio jutikliuose veikia atvirkštinis pjezoelektrinis efektas, kuriame pjezoelektras deformuojamas veikiant įtampai, ir kuo didesnė įtampa, tuo stipresnė deformacija. Jutiklis yra pagrįstas pjezoelektrinės plokštės pavidalo rezonatoriumi, kurio abiejose pusėse yra pritvirtinti elektrodai.

Kai elektrodams taikoma kintamoji įtampa, plokštės medžiaga vibruoja, lenkiasi viena ar kita kryptimi, o virpesių dažnis yra lygus tiekiamos įtampos dažniui. Tačiau jei dabar plokštė deformuojama, veikiant ją išorinei jėgai, pavyzdžiui, per slėgiui jautrią membraną, tuomet pasikeis rezonatoriaus laisvųjų virpesių dažnis.

Taigi, natūralus rezonatoriaus dažnis atspindės slėgį ant membranos, kuri spaudžia rezonatorių, todėl pasikeis dažnis. Kaip pavyzdį apsvarstykite absoliutaus slėgio jutiklį, pagrįstą pjezo rezonansu.

Išmatuotas slėgis per jungtį 12 perduodamas į kamerą 1. 1 kamera yra atskirta membrana nuo prietaiso jautrios matavimo dalies. Korpusas 2, pagrindas 6 ir membrana 10 yra sandariai užsandarinti, kad sudarytų antrą sandarią kamerą. Antroje sandarioje pagrindo 6 kameroje yra pritvirtinti laikikliai 9 ir 4, iš kurių antrasis tilteliu 3 pritvirtintas prie pagrindo 6. Laikiklis 4 skirtas jautriam rezonatoriui 5 fiksuoti. Atraminis rezonatorius 8 yra tvirtinama laikikliu 9.

Veikiant išmatuotam slėgiui, membrana 10 per įvorę 13 spaudžia rutulį 14, kuris taip pat yra pritvirtintas laikiklyje 4.Rutulys 14 savo ruožtu spaudžia jautrųjį rezonatorių 5. Laidai 7, pritvirtinti prie pagrindo 6, sujungia rezonatorius 8 ir 5 atitinkamai su generatoriais 16 ir 17. Absoliutaus slėgio dydžiui proporcingam signalui generuoti naudojama grandinė 15, kuri generuoja išėjimo signalą iš rezonatoriaus dažnių skirtumo. Pats jutiklis yra įdėtas į aktyvų termostatą 18, kuris palaiko pastovią 40 ° C temperatūrą.

Vieni paprasčiausių yra talpiniai slėgio jutikliai... Du plokšti elektrodai ir tarpas tarp jų sudaro kondensatorių. Vienas iš elektrodų yra membrana, ant kurios veikia išmatuotas slėgis, todėl pasikeičia tarpo tarp faktinių kondensatoriaus plokščių storis. Gerai žinoma, kad plokščio kondensatoriaus talpa keičiasi keičiantis tarpo dydžiui pastoviam plokščių plotui, todėl norint aptikti net labai mažus slėgio pokyčius, talpiniai jutikliai yra labai, labai veiksmingi.

Mažų matmenų talpiniai slėgio jutikliai leidžia išmatuoti viršslėgį skysčiuose, dujose, garuose. Talpiniai slėgio jutikliai yra naudingi įvairiuose pramonės procesuose, naudojant hidraulines ir pneumatines sistemas, kompresoriuose, siurbliuose, staklėse. Jutiklio konstrukcija yra atspari ekstremalioms temperatūroms ir vibracijai, atspari elektromagnetiniams trikdžiams ir agresyvioms aplinkos sąlygoms.

Kito tipo elektriniai slėgio jutikliai, nuotoliniu būdu panašūs į talpinius - indukcinius arba magnetinius... Slėgiui jautri laidžioji membrana yra tam tikru atstumu nuo plonos W formos magnetinės grandinės, ant kurios vidurinės šerdies suvyniota ritė.Tarp membranos ir magnetinės grandinės nustatomas tam tikras oro tarpas.

Kai į ritę yra įjungta įtampa, joje esanti srovė sukuria magnetinį srautą, kuris praeina ir per pačią magnetinę grandinę, ir per oro tarpą ir per membraną, užsidarydamas. Kadangi magnetinis pralaidumas tarpelyje yra maždaug 1000 kartų mažesnis nei magnetinėje grandinėje ir membranoje, net ir nedidelis tarpo storio pokytis lemia pastebimą grandinės induktyvumo pokytį.

Išmatuoto slėgio įtakoje jutiklio diafragma sulinksta ir keičiasi kompleksinė ritės varža. Keitiklis paverčia šį pokytį elektriniu signalu. Keitiklio matavimo dalis yra pagaminta pagal tilto grandinę, kur jutiklio ritė yra vienoje iš pečių. Naudojant ADC, signalas iš matavimo dalies paverčiamas elektriniu signalu, proporcingu išmatuotam slėgiui.

Paskutinis slėgio jutiklių tipas, į kurį žiūrėsime, yra optoelektroniniai jutikliai... Jie gana paprastai nustato slėgį, turi didelę skiriamąją gebą, turi didelį jautrumą ir yra termiškai stabilūs. Šie jutikliai, veikiantys šviesos trukdžių pagrindu, naudojant Fabry-Perot interferometrą mažiems poslinkiams matuoti, yra ypač perspektyvūs. Optinio keitiklio kristalas su diafragma, šviesos diodas ir detektorius, susidedantis iš trijų fotodiodų, yra pagrindinės tokio jutiklio dalys.

Fabi-Perot optiniai filtrai su nedideliu storio skirtumu tvirtinami prie dviejų fotodiodų. Šie filtrai yra atspindintys silicio veidrodžiai iš priekinio paviršiaus padengti silicio oksido sluoksniu, ant kurio paviršiaus nusėda plonas aliuminio sluoksnis.

Optinis keitiklis panašus į talpinį slėgio jutiklį, ėsdinant monokristaliniame silicio substrate suformuota diafragma padengta plonu metalo sluoksniu. Stiklo plokštės apačioje taip pat yra metalinė danga. Tarp stiklo plokštės ir silicio pagrindo yra w pločio tarpas, gautas naudojant du tarpiklius.

Du metalo sluoksniai sudaro interferometrą „Fabia-Perot“ su kintamu oro tarpu w, kurį sudaro: ant membranos esantis judantis veidrodis, kuris keičiasi slėgiui keičiantis padėtį, ir stacionarus permatomas veidrodis, lygiagrečiai jam ant stiklo plokštės.

Tuo remdamasi „FISO Technologies“ gamina mikroskopinius, tik 0,55 mm skersmens jautrius slėgio keitiklius, kurie lengvai praeina pro adatos akį. Kateterio pagalba į tiriamą tūrį įkišamas mini jutiklis, kurio viduje matuojamas slėgis.

Šviesolaidis yra prijungtas prie išmaniojo jutiklio, kuriame, valdant mikroprocesorių, įjungiamas monochromatinės šviesos šaltinis, patenkantis į skaidulą, matuojamas atgalinio atspindžio šviesos srauto intensyvumas, išorinis slėgis jutiklis apskaičiuojamas pagal kalibravimo duomenis ir rodomas ekrane. Pavyzdžiui, medicinoje tokie jutikliai naudojami stebėti intrakranijinį spaudimą, matuoti kraujospūdį plaučių arterijose, kurių niekaip kitaip pasiekti nepavyksta.