Nyomásérzékelő - Pressure sensor

Nyomástávadó

Digitális légnyomás -érzékelő

Miniatűr digitális barometrikus nyomásérzékelő

A nyomásérzékelő egy készüléket nyomás mérésére a gázok vagy folyadékok . A nyomás a folyadék tágulásának megállításához szükséges erő kifejezése, és általában a területegységre jutó erőben van megadva. A nyomásérzékelő rendszerint átalakítóként működik ; jelet generál az alkalmazott nyomás függvényében . E cikk alkalmazásában az ilyen jel elektromos.

A nyomásérzékelőket vezérlésre és felügyeletre használják a mindennapi alkalmazások ezreiben. A nyomásérzékelők más változók, például folyadék/gázáram, sebesség, vízszint és magasság közvetett mérésére is használhatók . A nyomásérzékelőket más néven nyomás -átalakítóknak , nyomás -távadóknak , nyomás -érzékelőknek , nyomásjelzőknek , piezométereknek és manométereknek is nevezhetjük .

A nyomásérzékelők drasztikusan változhatnak a technológia, a kialakítás, a teljesítmény, az alkalmazhatóság és a költségek tekintetében. Óvatos becslés szerint világszerte több mint 50 technológia és legalább 300 vállalat gyárthat nyomásérzékelőket.

Van egy olyan nyomásérzékelő kategória is, amelyet dinamikus üzemmódban történő mérésre terveztek a nagyon nagy sebességű nyomásváltozások rögzítésére. Az ilyen típusú érzékelőkre példa az égési nyomás mérése egy motorhengerben vagy egy gázturbinában. Ezeket az érzékelőket általában piezoelektromos anyagokból, például kvarcból gyártják .

Egyes nyomásérzékelők nyomáskapcsolók , amelyek egy adott nyomáson be- vagy kikapcsolnak. Például egy vízszivattyút nyomáskapcsolóval lehet vezérelni, hogy elinduljon, amikor vizet engednek ki a rendszerből, csökkentve a nyomást a tartályban.

A nyomásmérések típusai

szilícium piezorezisztens nyomásérzékelők

A nyomásérzékelőket az általuk mért nyomástartományok, működési hőmérséklettartományok és legfőképpen az általuk mért nyomás szerint lehet osztályozni. A nyomásérzékelőket rendeltetésük szerint különböző módon nevezik el, de ugyanazt a technológiát különböző neveken is használhatják.

• Abszolút nyomásérzékelő

Ez az érzékelő méri a nyomást a tökéletes vákuumhoz képest . Az abszolút nyomásérzékelőket olyan alkalmazásokban használják, ahol állandó referencia szükséges, például nagy teljesítményű ipari alkalmazásokban, például vákuumszivattyúk felügyelete , folyadéknyomás-mérés, ipari csomagolás, ipari folyamatszabályozás és légi ellenőrzés.

• Mérőnyomás -érzékelő

Ez az érzékelő méri a nyomást a légköri nyomáshoz viszonyítva . A gumiabroncs -nyomásmérő példa a nyomásmérésre; ha nullát jelez, akkor a mért nyomás megegyezik a környezeti nyomással. A legtöbb 50 bar -ig terjedő szenzort ilyen módon gyártják, mivel ellenkező esetben a légköri nyomás ingadozása (időjárás) hibaként tükröződik a mérési eredményben.

• Vákuumnyomás -érzékelő

Ez a kifejezés zavart okozhat. Használható olyan érzékelő leírására, amely a légköri nyomás alatti nyomást méri, bemutatva az alacsony nyomás és a légköri nyomás közötti különbséget, de használható olyan érzékelő leírására is, amely a vákuumhoz viszonyított abszolút nyomást méri.

• Nyomáskülönbség -érzékelő

Ez az érzékelő méri a két nyomás közötti különbséget, az egyik az érzékelő mindkét oldalához csatlakozik. A nyomáskülönbség -érzékelőket számos tulajdonság mérésére használják, például nyomáscsökkenést az olajszűrőkön vagy a légszűrőkön , a folyadékszintet (a folyadék feletti és alatti nyomás összehasonlításával) vagy az áramlási sebességeket (a nyomásváltozás korlátozáson keresztüli mérésével). Technikailag a legtöbb nyomásérzékelő valóban nyomáskülönbség -érzékelő; például a nyomásmérő csak nyomáskülönbség -érzékelő, amelynek egyik oldala nyitott a környezeti légkörre.

• Zárt nyomásérzékelő

Ez az érzékelő hasonló a manométer nyomásérzékelőhöz, azzal a különbséggel, hogy a nyomást valamilyen rögzített nyomáshoz viszonyítva méri, nem pedig a környezeti légköri nyomást (amely a helytől és az időjárástól függően változik).

Nyomásérzékelő technológia

Elöl és hátul szilícium nyomásérzékelő chip. Vegye figyelembe az elülső maratott mélyedést; az érzékeny terület rendkívül vékony. A hátsó oldalon az áramkör látható, valamint a téglalap alakú érintkezőpárnák felül és alul. Méret: 4x4 mm.

Az analóg nyomásérzékelőknek két alapvető kategóriája van,

Erőgyűjtő típusok Az ilyen típusú elektronikus nyomásérzékelők általában erőgyűjtőt (például membránt, dugattyút, bourdoncsövet vagy fújtatót) használnak a terhelés (nyomás) következtében fellépő erő (vagy elhajlás) mérésére.

• Piezorezisztív nyúlásmérő

A kötött vagy kialakított nyúlásmérők piezorezisztens hatását használja fel az alkalmazott nyomás miatti deformáció észlelésére, és az ellenállás növekszik, amikor a nyomás deformálja az anyagot. Általános technológiai típusok a szilícium (egykristályos), a poliszilícium vékony film, a ragasztott fémfólia , a vastag film, a szilícium-a-zafír és a porlasztott vékony film. Általában a feszültségmérőket Wheatstone -hídáramkörhöz csatlakoztatják, hogy maximalizálják az érzékelő kimenetét és csökkentsék a hibákra való érzékenységet. Ez a leggyakrabban alkalmazott érzékelő technológia az általános célú nyomásméréshez.

• Kapacitív

Membránt és nyomásüreget használ egy változó kondenzátor létrehozásához, amely érzékeli az alkalmazott nyomás miatti deformációt, a kapacitás csökken, mivel a nyomás deformálja a membránt. A hagyományos technológiák fém, kerámia és szilícium membránokat használnak.

• Elektromágneses

A membrán elmozdulását méri az induktivitás (reluctancia), az LVDT , a Hall -effektus vagy az örvényáram elvének megváltoztatásával.

• Piezoelektromos

A piezoelektromos hatást alkalmazza bizonyos anyagoknál, például a kvarcnál, hogy mérje az érzékelő mechanizmus nyomásra gyakorolt ​​terhelését. Ezt a technológiát általában nagyon dinamikus nyomás mérésére használják. Mivel az alapelv dinamikus, piezoelektromos érzékelőkkel statikus nyomás nem mérhető.

• Nyúlásmérő

A nyúlásmérő alapú nyomásérzékelők nyomásérzékeny elemet is használnak, ahol fém nyúlásmérőket ragasztanak vagy vékonyrétegű mérőeszközöket alkalmaznak porlasztással. Ez a mérőelem lehet membrán, vagy fémfóliás mérőeszközökhöz is használható. Ennek a monolitikus konzervdobozos kialakításnak a nagy előnyei a jobb merevség és a legnagyobb, akár 15 000 bar nyomás mérése. Az elektromos csatlakoztatás általában Wheatstone -hídon keresztül történik, amely lehetővé teszi a jel jó erősítését és a pontos és állandó mérési eredményeket.

• Optikai

A technikák magukban foglalják az optikai szál fizikai változásának alkalmazását az alkalmazott nyomás okozta igénybevétel kimutatására. Ennek a típusnak egy gyakori példája a Fiber Bragg rácsokat használja . Ezt a technológiát olyan kihívást jelentő alkalmazásokban alkalmazzák, ahol a mérés nagyon távolról, magas hőmérsékleten történhet, vagy előnyös lehet az elektromágneses interferenciával szemben természetben védett technológiákból. Egy másik analóg technika olyan rétegeket tartalmazó rugalmas fóliát alkalmaz, amely megváltoztathatja a visszavert hullámhosszakat az alkalmazott nyomásnak (húzásnak) megfelelően.

• Potenciometrikus

Az ablaktörlő mozgását használja egy ellenálló mechanizmus mentén, hogy érzékelje az alkalmazott nyomás okozta igénybevételt.

• Erőkiegyenlítés

Erőteljesen kiegyensúlyozott olvasztott kvarc bourdon csőnyomás-érzékelő, az armatúrához rögzítendő tükör hiányzik.

Az erőteljesen kiegyensúlyozott olvadt kvarc bourdon csövek spirális bourdon csövet használnak, hogy erőt fejtsenek ki a tükröt tartalmazó forgó armatúrán, a fénysugár tükréből való visszaverődése érzékeli a szögeltolódást és az áramot az armatúrán lévő elektromágnesekre, hogy kiegyenlítse az erőt a csőből, és állítsa a szögeltolást nullára, a tekercsekre adott áramot használják mérésként. Az olvasztott kvarc rendkívül stabil és megismételhető mechanikai és termikus tulajdonságai, valamint az erőkiegyensúlyozás miatt, amely kiküszöböli a legtöbb nemlineáris hatást, ezek az érzékelők a teljes skála körülbelül 1 PPM pontosságúak lehetnek . A rendkívül finom olvasztott kvarcszerkezetek miatt, amelyek kézzel készülnek, és szakértői készségeket igényelnek ezeknek az érzékelőknek az elkészítéséhez, általában tudományos és kalibrálási célokra korlátozódnak. A nem erő-kiegyensúlyozó érzékelők pontossága alacsonyabb, és a szög-elmozdulás leolvasása nem végezhető el ugyanolyan pontossággal, mint az erő-kiegyensúlyozó mérés, bár könnyebb felépíteni a nagyobb méret miatt, ezeket már nem használják.

Más típusok

Az ilyen típusú elektronikus nyomásérzékelők más tulajdonságokat (például sűrűséget) használnak egy gáz vagy folyadék nyomásának megállapítására.

• Rezonáns

A rezonanciafrekvencia változásait használja egy érzékelő mechanizmusban a feszültség mérésére, vagy a gáz sűrűségének változását, amelyet az alkalmazott nyomás okoz. Ez a technológia egy olyan erőgyűjtővel együtt használható, mint például a fenti kategóriában. Alternatív megoldásként rezonanciatechnológiát alkalmazhatunk úgy, hogy magát a rezonáló elemet kitesszük a közegnek, miközben a rezonanciafrekvencia a közeg sűrűségétől függ. Az érzékelőket vibráló huzalból, vibráló hengerekből, kvarcból és szilícium MEMS -ből készítették. Általában úgy vélik, hogy ez a technológia nagyon stabil leolvasást biztosít az idő múlásával.

A nyomásérzékelő, a rezonáns kvarckristályos nyúlásmérő és a Bourdon cső erőgyűjtője a DART kritikus érzékelője . A DART szökőárhullámokat észlel a nyílt óceán aljáról. A nyomás felbontása körülbelül 1 mm víz, amikor a nyomást több kilométeres mélységben mérik.

• Termikus

A nyomás mérésére a gáz sűrűségváltozás miatti hővezető képesség változásait használja. Gyakori példa erre a típusra a Pirani mérő .

• Ionizálás

Méri a feltöltött gázrészecskék (ionok) áramlását, amely a sűrűség változása miatt változik a nyomás mérésére. Gyakori példák a meleg és hideg katód mérők.

Alkalmazások

Ipari vezeték nélküli nyomásérzékelő

A nyomásérzékelőknek számos alkalmazása van:

• Nyomásérzékelés

Itt az érdeklődés mérése nyomás , területegységre vetített erőként kifejezve. Ez hasznos az időjárási műszerekben, repülőgépekben, gépkocsikban és minden más olyan gépben, amely rendelkezik nyomás funkcióval.

• Magasság érzékelés

Ez hasznos repülőgépekben, rakétákban, műholdakban, időjárási ballonokban és sok más alkalmazásban. Mindezek az alkalmazások használják a magassághoz viszonyított nyomásváltozások közötti összefüggést. Ezt az összefüggést a következő egyenlet szabályozza:

${\ displaystyle h = (1- (P/P _ {\ mathrm {ref}})^{0.190284}) \ times 145366.45 \ mathrm {ft}}$

Ez az egyenlet egy magasságmérőhöz van kalibrálva , legfeljebb 11 000 m -ig. Ezen a tartományon kívül hiba lép fel, amelyet különböző nyomásérzékelők esetén másképpen lehet kiszámítani. Ezek a hibaszámítások figyelembe veszik azt a hibát, amelyet a hőmérséklet változása okoz, amikor felfelé haladunk.

A légköri nyomásérzékelők magassági felbontása kisebb lehet, mint 1 méter, ami lényegesen jobb, mint a GPS -rendszereké (körülbelül 20 méter magasság felbontás). A navigációs alkalmazásokban a magasságmérőket megkülönböztetik az egymásra rakott útszintekről az autós navigáció és az épületek padlószintjei között a gyalogos navigációhoz.

• Áramlásérzékelés

Ez a nyomásérzékelők használata a Venturi -effektussal együtt az áramlás mérésére. A nyomáskülönbséget a Venturi cső két különböző nyílású szegmense között mérik. A két szegmens közötti nyomáskülönbség egyenesen arányos a Venturi -csövön átáramló áramlási sebességgel. Szinte mindig alacsony nyomású érzékelőre van szükség, mivel a nyomáskülönbség viszonylag kicsi.

• Szint / mélység érzékelés

Nyomásérzékelő is használható a folyadék szintjének kiszámítására. Ezt a technikát általában egy merülő test (például búvár vagy tengeralattjáró) mélységének vagy a tartályban (például víztoronyban) lévő tartalom szintjének mérésére használják. A legtöbb gyakorlati célból a folyadékszint egyenesen arányos a nyomással. Olyan édesvíz esetén, amelynek tartalma légköri nyomás alatt van, 1psi = 27,7 inH20 / 1Pa = 9,81 mmH20. Az ilyen mérés alapegyenlete az

${\ displaystyle P = \ rho gh}$

ahol P = nyomás, ρ = a folyadék sűrűsége, g = standard gravitáció, h = a folyadékoszlop magassága a nyomásérzékelő felett

• Szivárgásvizsgálat

Nyomásérzékelő használható a rendszer szivárgása miatti nyomáscsökkenés érzékelésére. Ezt általában úgy végezzük, hogy összehasonlítjuk egy ismert szivárgással, nyomáskülönbség alkalmazásával, vagy a nyomásérzékelő segítségével mérjük a nyomás változását az idő múlásával.

Az átalakító kimenetének ratiometrikus korrekciója

A Wheatstone -hidaként konfigurált piezorezisztens jelátalakítók gyakran nem csak a mért nyomást, hanem a távadó tápfeszültségét tekintve is arányos viselkedést mutatnak.

${\ displaystyle V _ {\ mathrm {out}} = {P \ alkalommal K \ alkalommal Vs _ {\ mathrm {tényleges}} \ felett Vs _ {\ mathrm {ideális}}}}$

ahol:

${\ displaystyle V _ {\ mathrm {out}}}$ az átalakító kimeneti feszültsége.

${\ displaystyle P}$ a tényleges mért nyomás.

${\ displaystyle K}$ a névleges jelátalakító skála tényező (ideális távadó tápfeszültség mellett) nyomásonkénti feszültség egységekben.

${\ displaystyle Vs _ {\ mathrm {aktuális}}}$ a jelátalakító tényleges tápfeszültsége.

${\ displaystyle Vs _ {\ mathrm {ideal}}}$ az ideális távadó tápfeszültsége.

Az ilyen viselkedést mutató jelátalakítók méréseinek kijavításához meg kell mérni a távadó tényleges tápfeszültségét, valamint a kimeneti feszültséget, és ennek a viselkedésnek az inverz transzformációját kell alkalmazni a kimeneti jelre:

${\ displaystyle P = {V _ {\ mathrm {out}} \ times Vs _ {\ mathrm {ideal}} \ over K \ times Vs _ {\ mathrm {aktuális}}}}$

Megjegyzés: A Wheatstone -hídként konfigurált jelátalakítókban gyakran előforduló gyakori üzemmódú jeleket ez az elemzés nem veszi figyelembe.

Lásd még

• Magasságmérő
• Légköri nyomás
• Barométer
• Fékfolyadék nyomásérzékelő
• Dinamikus nyomás
• A MOSFET alkalmazások listája
• Az érzékelők listája
• MAP érzékelő
• MOSFET
• Nyomás

Hivatkozások