Elektrische druksensoren

Om de druk in verschillende industrietakken te meten, worden tegenwoordig niet alleen kwikbarometers en aneroïden gebruikt, maar ook verschillende sensoren die verschillen in zowel het werkingsprincipe als de voor- en nadelen die inherent zijn aan elk type van dergelijke sensoren. Moderne elektronica maakt de implementatie van druksensoren direct op elektrische, elektronische basis mogelijk.

Dus wat bedoelen we met de term "elektrische druksensor"? Wat zijn elektrische druksensoren? Hoe zijn ze gerangschikt en welke functies hebben ze? Tot slot, welke druksensor moet u kiezen zodat deze het meest geschikt is voor een bepaald doel? We zullen het in de loop van dit artikel ontdekken.

Laten we eerst de term zelf definiëren. Een druksensor is een apparaat waarvan de uitvoerparameters afhankelijk zijn van de gemeten druk. Het testmedium kan een damp, een vloeistof of een gas zijn, afhankelijk van de toepassing van een bepaalde sensor.

Moderne systemen vereisen precisiegereedschappen van dit type als belangrijke componenten van automatiseringssystemen voor energie-, olie-, gas-, voedsel- en vele andere industrieën.Miniatuur druktransducers zijn van vitaal belang in de geneeskunde.

Elke elektrische druksensor bevat: een gevoelig element dat dient om de schok door te geven aan de primaire transducer, een signaalverwerkingscircuit en een behuizing. Hoofdzakelijk zijn elektrische druksensoren onderverdeeld in:

• Resistief (tensoresistief);

• Piëzo-elektrisch;

• Piëzo-resonantie;

• Capacitief;

• Inductief (magnetisch);

• Opto-elektronisch.

Weerstands- of rekstrookdruksensor Dit is een apparaat waarvan het gevoelige element zijn elektrische weerstand verandert onder invloed van een vervormende belasting. Rekstrookjes zijn gemonteerd op een gevoelig membraan dat onder druk buigt en de eraan bevestigde rekstrookjes verbuigt. De weerstand van de rekstrookjes verandert en de grootte van de stroom in het primaire circuit van de omvormer verandert dienovereenkomstig.

Het uitrekken van de geleidende elementen van elk rekstrookje veroorzaakt een toename in lengte en een afname in doorsnede, wat resulteert in een toename in weerstand. Bij compressie is het het tegenovergestelde. Relatieve veranderingen in weerstand worden gemeten in duizendsten, daarom worden precisieversterkers met ADC's gebruikt in signaalverwerkingscircuits. Zo wordt de spanning omgezet in een verandering in de elektrische weerstand van een halfgeleider of geleider en vervolgens in een spanningssignaal.

Rekstrookjes zijn meestal een zigzag geleidend of halfgeleiderelement dat is aangebracht op een flexibele basis die aan het membraan hecht. Het substraat is meestal gemaakt van mica, papier of polymeerfilm en het geleidende element is een folie, dunne draad of halfgeleider die vacuüm op metaal is gespoten.De verbinding van het gevoelige element van het rekstrookje met het meetcircuit wordt uitgevoerd met behulp van contactvlakken of draden. De rekstrookjes zelf hebben meestal een oppervlakte van 2 tot 10 vierkante mm.

Loadcell-sensoren geweldig voor het schatten van drukniveaus, druksterkte en gewichtsmeting.

Het volgende type elektrische druksensor is piëzo-elektrisch… Hierbij fungeert het piëzo-elektrische element als een gevoelig element.Een piëzo-elektrisch element op basis van een piëzo-elektrisch wekt een elektrisch signaal op wanneer het wordt vervormd, dit is het zogenaamde directe piëzo-elektrische effect. Het piëzo-elektrische element wordt in het gemeten medium geplaatst en vervolgens zal de stroom in het transducercircuit in grootte evenredig zijn met de drukverandering in dat medium.

Aangezien het optreden van het piëzo-elektrische effect een nauwkeurige drukverandering vereist in plaats van een constante druk, is dit type druktransducer alleen geschikt voor dynamische drukmeting. Als de druk constant is, zal het vervormingsproces van het piëzo-elektrische element niet plaatsvinden en zal de stroom niet worden gegenereerd door het piëzo-elektrische element.

Piëzo-elektrische druksensoren worden bijvoorbeeld gebruikt in primaire stromingstransducers van vortexmeters voor water, stoom, gas en andere homogene media. Dergelijke sensoren worden paarsgewijs geïnstalleerd in een leiding met een nominale opening van tientallen tot honderden millimeters achter het stromingslichaam en registreren zo wervels waarvan de frequentie en het aantal evenredig zijn met het volumedebiet en het debiet.

Overweeg nog meer piëzo-resonante druksensoren... In piëzo-resonante druksensoren werkt het omgekeerde piëzo-elektrische effect, waarbij het piëzo-elektrisch wordt vervormd onder invloed van de aangelegde spanning, en hoe hoger de spanning, hoe sterker de vervorming. De sensor is gebaseerd op een resonator in de vorm van een piëzo-elektrische plaat, waarop aan beide zijden elektroden zijn bevestigd.

Wanneer een wisselspanning op de elektroden wordt aangelegd, trilt het plaatmateriaal, buigt het in een of andere richting en is de frequentie van de trillingen gelijk aan de frequentie van de aangelegde spanning. Als de plaat nu echter wordt vervormd door er een externe kracht op uit te oefenen, bijvoorbeeld via een drukgevoelig membraan, dan verandert de frequentie van de vrije trillingen van de resonator.

De natuurlijke frequentie van de resonator weerspiegelt dus de hoeveelheid druk op het membraan dat op de resonator drukt, wat resulteert in een verandering in frequentie. Beschouw als voorbeeld een absolute druksensor op basis van piëzo-resonantie.

De gemeten druk wordt via aansluiting 12 doorgegeven aan kamer 1. Kamer 1 is door een membraan gescheiden van het gevoelige meetgedeelte van het apparaat. Lichaam 2, basis 6 en membraan 10 zijn aan elkaar geseald om een ​​tweede afgedichte kamer te vormen. In de tweede afgesloten kamer van de basis 6 zijn de houders 9 en 4 bevestigd, waarvan de tweede door middel van een brug 3 aan de basis 6 is bevestigd. De houder 4 dient om de gevoelige resonator 5 te fixeren. De ondersteunende resonator 8 is bevestigd door de houder 9.

Onder invloed van de gemeten druk drukt het membraan 10 door de huls 13 op de bal 14, die ook in de houder 4 is bevestigd.De bal 14 drukt op zijn beurt op de gevoelige resonator 5. Draden 7, bevestigd in de basis 6, verbinden de resonatoren 8 en 5 met respectievelijk de generatoren 16 en 17. Om een ​​signaal te genereren dat evenredig is met de grootte van de absolute druk, wordt circuit 15 gebruikt, dat een uitgangssignaal genereert uit het verschil in frequenties van de resonator. De sensor zelf is geplaatst in een actieve thermostaat 18, die een constante temperatuur van 40°C handhaaft.

Enkele van de eenvoudigste zijn capacitieve druksensoren... De twee platte elektroden en de opening ertussen vormen een condensator. Een van de elektroden is een membraan waarop de gemeten druk werkt, wat leidt tot een verandering in de dikte van de spleet tussen de eigenlijke condensatorplaten. Het is bekend dat de capaciteit van een platte condensator verandert met een verandering in de grootte van de opening voor een constant oppervlak van de platen, daarom zijn capacitieve sensoren zeer, zeer effectief om zelfs zeer kleine drukveranderingen te detecteren.

Capacitieve druksensoren met kleine afmetingen maken meting van overdruk in vloeistoffen, gassen, stoom mogelijk. Capacitieve druksensoren zijn nuttig in verschillende industriële processen met behulp van hydraulische en pneumatische systemen, in compressoren, in pompen, op werktuigmachines. Het ontwerp van de sensor is bestand tegen extreme temperaturen en trillingen, ongevoelig voor elektromagnetische interferentie en agressieve omgevingsomstandigheden.

Een ander type elektrische druksensoren, in de verte vergelijkbaar met capacitieve - inductieve of magnetische sensoren... Het drukgevoelige geleidende membraan bevindt zich op enige afstand van het dunne W-vormige magnetische circuit, op de middelste kern waarvan de spoel is gewikkeld.Er wordt een bepaalde luchtspleet ingesteld tussen het membraan en het magnetische circuit.

Wanneer een spanning op de spoel wordt aangelegd, creëert de stroom erin een magnetische flux die zowel door het magnetische circuit zelf als door de luchtspleet en door het membraan gaat en sluit. Aangezien de magnetische permeabiliteit in de spleet ongeveer 1000 keer kleiner is dan in het magnetische circuit en in het membraan, leidt zelfs een kleine verandering in de dikte van de spleet tot een merkbare verandering in de inductantie van het circuit.

Onder invloed van de gemeten druk buigt het sensormembraan en verandert de complexe weerstand van de spoel. De transducer zet deze verandering om in een elektrisch signaal. Het meetgedeelte van de omvormer is gemaakt volgens het brugcircuit, waarbij de spoel van de sensor is opgenomen in een van de armen. Met behulp van een ADC wordt het signaal van het meetgedeelte omgezet in een elektrisch signaal dat evenredig is met de gemeten druk.

Het laatste type druksensor waar we naar zullen kijken, zijn opto-elektronische sensoren ... Ze zijn vrij eenvoudig om druk te detecteren, hebben een hoge resolutie, hebben een hoge gevoeligheid en zijn thermisch stabiel. Werkend op basis van lichtinterferentie, met behulp van een Fabry-Perot interferometer om kleine verplaatsingen te meten, zijn deze sensoren bijzonder veelbelovend. Een optisch converterkristal met een diafragma, een LED en een detector bestaande uit drie fotodiodes zijn de belangrijkste onderdelen van zo'n sensor.

Fabi-Perot optische filters met een klein dikteverschil zijn bevestigd aan twee fotodiodes. Deze filters zijn reflecterende siliciumspiegels die aan de voorzijde bedekt zijn met een laagje siliciumoxide, op het oppervlak waarvan een dun laagje aluminium is aangebracht.

De optische transducer is vergelijkbaar met een capacitieve druksensor, het diafragma gevormd door etsen in een monokristallijn siliciumsubstraat is bedekt met een dunne laag metaal. De onderzijde van de glasplaat is tevens voorzien van een metalen coating. Tussen de glasplaat en het siliciumsubstraat bevindt zich een spleet met breedte w, verkregen met behulp van twee afstandhouders.

Twee lagen metaal vormen een Fabia-Perot-interferometer met een variabele luchtspleet w, die bestaat uit: een beweegbare spiegel op het membraan, die van positie verandert wanneer de druk verandert, en een stationaire doorschijnende spiegel evenwijdig daaraan op een glasplaat.

Op basis hiervan produceert FISO Technologies microscopisch gevoelige druktransducers met een diameter van slechts 0,55 mm die gemakkelijk door het oog van de naald gaan. Met behulp van een katheter wordt een minisensor in het bestudeerde volume ingebracht, waarbinnen de druk wordt gemeten.

De optische vezel is verbonden met een intelligente sensor, waarin onder besturing van een microprocessor een in de vezel ingebrachte monochromatische lichtbron wordt ingeschakeld, de intensiteit van de teruggekaatste lichtstroom wordt gemeten, de externe druk op de sensor wordt berekend uit de kalibratiegegevens en weergegeven op het display. In de geneeskunde worden dergelijke sensoren bijvoorbeeld gebruikt om de intracraniale druk te bewaken, om de bloeddruk in de longslagaders te meten, die op geen enkele andere manier kan worden bereikt.