Elektrilised rõhuandurid

Tänapäeval kasutatakse erinevates tööstusvaldkondades rõhu mõõtmiseks mitte ainult elavhõbedabaromeetreid ja aneroide, vaid ka erinevaid andureid, mis erinevad nii tööpõhimõtte kui ka selliste andurite igat tüüpi eeliste ja puuduste poolest. Kaasaegne elektroonika võimaldab rõhuandureid rakendada otse elektrilisel, elektroonilisel alusel.

Mida me siis mõtleme termini "elektriline rõhuandur" all? Mis on elektrilised rõhuandurid? Kuidas need on paigutatud ja millised funktsioonid neil on? Lõpuks, millise rõhuanduri peaksite valima, et see oleks konkreetseks otstarbeks kõige sobivam? Selle artikli käigus saame teada.

Esiteks määratleme termini enda. Rõhuandur on seade, mille väljundparameetrid sõltuvad mõõdetud rõhust. Sõltuvalt konkreetse anduri rakendusest võib katsekeskkond olla aur, vedelik või gaas.

Kaasaegsed süsteemid nõuavad seda tüüpi täppistööriistu kui energia-, nafta-, gaasi-, toiduaine- ja paljude teiste tööstusharude automatiseerimissüsteemide olulisi komponente.Miniatuursed rõhuandurid on meditsiinis üliolulised.

Iga elektriline rõhuandur sisaldab: tundlikku elementi, mis edastab löögi esmasele andurile, signaalitöötlusahelat ja korpust. Peamiselt jagunevad elektrilised rõhuandurid:

• Resistiivne (tensoresiivne);

• Piesoelektriline;

• Pieso resonants;

• Mahtuvuslik;

• Induktiivne (magnetiline);

• Optoelektroonika.

Takistus- ehk tensomanomeetri rõhuandur See on seade, mille tundlik element muudab deformeeriva koormuse toimel oma elektritakistust. Tensoandurid on paigaldatud tundlikule membraanile, mis paindub rõhu all ja painutab selle külge kinnitatud tensomeetreid. Tensoandurite takistus muutub ja vastavalt muutub muunduri primaarahela voolu suurus.

Iga pingemõõturi juhtivate elementide venitamine põhjustab pikkuse suurenemise ja ristlõike vähenemise, mille tulemuseks on takistuse suurenemine. Kokkusurumisel on see vastupidi. Resistentsuse suhtelisi muutusi mõõdetakse tuhandikes, seega kasutatakse signaalitöötlusahelates ADC-ga täppisvõimendeid. Seega muundatakse deformatsioon pooljuhi või juhi elektritakistuse muutuseks ja seejärel pingesignaaliks.

Tensoandurid on tavaliselt siksakiline juhtiv või pooljuhtelement, mis kantakse membraanile kleepuvale painduvale alusele. Põhimik on tavaliselt valmistatud vilgukivist, paberist või polümeerkilest ning juhtivaks elemendiks on foolium, õhuke traat või pooljuht, mis on metallile vaakumpihustatud.Tensoanduri tundliku elemendi ühendamine mõõteahelaga toimub kontaktplaatide või juhtmete abil. Tensomõõturite endi pindala on tavaliselt 2 kuni 10 ruutmeetrit.

Koormusandurid suurepärane rõhutasemete, survetugevuse ja kaalu mõõtmiseks.

Järgmine elektrilise rõhuanduri tüüp on piesoelektriline... Siin toimib piesoelektriline element tundliku elemendina Piesoelektri baasil põhinev piesoelektriline element tekitab deformeerumisel elektrilise signaali, see on nn otsene piesoelektriline efekt. Piesoelektriline element asetatakse mõõdetavasse keskkonda ja seejärel on muunduri voolutugevus võrdeline rõhumuutusega selles keskkonnas.

Kuna piesoelektrilise efekti ilmnemine nõuab rõhu täpset muutust, mitte konstantset rõhku, sobib seda tüüpi rõhuandur ainult dünaamilise rõhu mõõtmiseks. Kui rõhk on konstantne, siis piesoelektrilise elemendi deformatsiooni ei toimu ja piesoelektriline vool ei tekita.

Piesoelektrilisi rõhuandureid kasutatakse näiteks vee, auru, gaasi ja muude homogeensete ainete pöörismõõturite primaarsetes voolumuundurites. Sellised andurid paigaldatakse paarikaupa torujuhtmesse, mille nimiava on kümneid kuni sadu millimeetreid voolu keha taha ja registreerivad seeläbi keerised, mille sagedus ja arv on võrdeline mahulise voolukiiruse ja voolukiirusega.

Mõelge veel pieso-resonantsrõhuanduritele... Pieso-resonantsrõhuandurites töötab pöördpiesoelektriline efekt, mille puhul piesoelektrik deformeerub rakendatud pinge toimel ja mida kõrgem on pinge, seda tugevam on deformatsioon. Andur põhineb piesoelektrilise plaadi kujul oleval resonaatoril, mille mõlemale küljele on kinnitatud elektroodid.

Kui elektroodidele rakendatakse vahelduvpinget, siis plaadimaterjal vibreerib, paindudes ühes või teises suunas ning vibratsioonide sagedus on võrdne rakendatud pinge sagedusega. Kui aga nüüd plaat deformeeritakse, rakendades sellele välist jõudu, näiteks läbi rõhutundliku membraani, siis resonaatori vabavõnkumiste sagedus muutub.

Seega peegeldab resonaatori loomulik sagedus membraanile avaldatavat survet, mis surub resonaatorit, mille tulemuseks on sageduse muutus. Näiteks kaaluge piesoresonantsil põhinevat absoluutrõhuandurit.

Mõõdetud rõhk edastatakse kambrisse 1 läbi ühenduse 12. Kamber 1 on membraaniga eraldatud seadme tundlikust mõõteosast. Korpus 2, alus 6 ja membraan 10 suletakse kokku, moodustades teise suletud kambri. Aluse 6 teises suletud kambris on fikseeritud hoidikud 9 ja 4, millest teine ​​on kinnitatud aluse 6 külge silla 3 abil. Hoidik 4 on mõeldud tundliku resonaatori 5 fikseerimiseks. Toetav resonaator 8 on hoidja poolt kinnitatud 9.

Mõõdetud rõhu toimel surub membraan 10 läbi hülsi 13 kuulile 14, mis on samuti fikseeritud hoidikus 4.Kuul 14 omakorda vajutab tundlikku resonaatorit 5. Alusse 6 kinnitatud juhtmed 7 ühendavad resonaatorid 8 ja 5 vastavalt generaatoritega 16 ja 17. Absoluutrõhu suurusega proportsionaalse signaali genereerimiseks kasutatakse vooluringi 15, mis genereerib väljundsignaali resonaatori sageduste erinevusest. Andur ise asetatakse aktiivsesse termostaati 18, mis hoiab konstantset temperatuuri 40 ° C.

Ühed lihtsamad on mahtuvuslikud rõhuandurid... Kaks lamedat elektroodi ja nendevaheline vahe moodustavad kondensaatori. Üks elektroodidest on membraan, millele mõjub mõõdetud rõhk, mis toob kaasa tegelike kondensaatoriplaatide vahelise pilu paksuse muutumise. On hästi teada, et lamekondensaatori mahtuvus muutub plaatide konstantse ala vahe suuruse muutumisega, seetõttu on mahtuvuslikud andurid väga-väga tõhusad isegi väga väikeste rõhumuutuste tuvastamiseks.

Väikeste mõõtmetega mahtuvuslikud rõhuandurid võimaldavad mõõta ülerõhku vedelikes, gaasides, aurudes. Mahtuvuslikud rõhuandurid on kasulikud erinevates tööstuslikes protsessides, mis kasutavad hüdraulilisi ja pneumaatilisi süsteeme, kompressorites, pumpades, tööpinkides. Anduri disain on vastupidav äärmuslikele temperatuuridele ja vibratsioonile, immuunne elektromagnetiliste häirete ja agressiivsete keskkonnatingimuste suhtes.

Teist tüüpi elektrilised rõhuandurid, mis on eemalt sarnased mahtuvuslike - induktiivsete või magnetiliste anduritega... Rõhutundlik juhtiv membraan asub mingil kaugusel õhukesest W-kujulisest magnetahelast, mille keskmisele südamikule on mähis keritud.Membraani ja magnetahela vahele seatakse teatud õhupilu.

Kui mähisele rakendatakse pinget, tekitab selles olev vool magnetvoo, mis läbib nii magnetahela enda kui ka õhupilu ja läbi membraani, sulgudes. Kuna pilu magnetiline läbilaskvus on ligikaudu 1000 korda väiksem kui magnetahelas ja membraanis, siis isegi väike vahe paksuse muutus toob kaasa märgatava muutuse ahela induktiivsuses.

Mõõdetud rõhu mõjul anduri membraan paindub ja mähise komplekstakistus muutub. Andur muudab selle muutuse elektriliseks signaaliks. Konverteri mõõteosa on tehtud sillaahela järgi, kus anduri mähis on ühes õlas. ADC abil muundatakse mõõteosa signaal elektriliseks signaaliks, mis on proportsionaalne mõõdetud rõhuga.

Viimane rõhuanduri tüüp, mida me vaatleme, on optoelektroonilised andurid... Neid on üsna lihtne rõhku tuvastada, neil on kõrge eraldusvõime, kõrge tundlikkus ja termiliselt stabiilsed. Valgushäirete alusel töötades, kasutades Fabry-Perot interferomeetrit väikeste nihkete mõõtmiseks, on need andurid eriti paljutõotavad. Sellise anduri põhiosad on avaga optilise muunduri kristall, LED ja kolmest fotodioodist koosnev detektor.

Kahe fotodioodi külge on kinnitatud väikese paksusevahega Fabi-Perot optilised filtrid. Need filtrid on esipinnalt peegeldavad ränipeeglid, mis on kaetud ränioksiidi kihiga, mille pinnale on ladestunud õhuke alumiiniumikiht.

Optiline muundur sarnaneb mahtuvusliku rõhuanduriga, monokristallilises ränisubstraadis söövitamisel tekkiv diafragma on kaetud õhukese metallikihiga. Klaasplaadi alumisel küljel on ka metallkate. Klaasplaadi ja ränisubstraadi vahel on w laiune vahe, mis saadakse kahe vahetüki abil.

Kaks metallikihti moodustavad muutuva õhuvahega w Fabia-Perot interferomeetri, mis sisaldab: membraanil paiknevat liigutatavat peeglit, mis rõhu muutumisel oma asendit muudab ja sellega paralleelset statsionaarset poolläbipaistvat peeglit klaasplaadil.

Selle põhjal toodab FISO Technologies mikroskoopilisi tundlikke rõhuandureid, mille läbimõõt on vaid 0,55 mm, mis läbivad kergesti nõelasilma. Kateetri abil sisestatakse uuritavasse ruumalasse minisensor, mille sees mõõdetakse rõhku.

Optiline kiud on ühendatud intelligentse anduriga, milles mikroprotsessori juhtimisel lülitatakse sisse kiududesse juhitav monokromaatilise valguse allikas, mõõdetakse tagasipeegelduva valgusvoo intensiivsust, välisrõhku andur arvutatakse kalibreerimisandmete põhjal ja kuvatakse ekraanil. Näiteks meditsiinis kasutatakse selliseid andureid koljusisese rõhu jälgimiseks, vererõhu mõõtmiseks kopsuarterites, kuhu muul viisil ei pääse.