Dziś w przemyśle nie stosuje się barometrów z rtęcią, ale całkiem nowoczesne i niezawodne czujniki. Ich zasada działania różni się w zależności od cech konstrukcyjnych. Wszystkie mają zarówno zalety, jak i pewne wady. Dzięki rozwojowi elektroniki możliwa jest realizacja czujników do pomiaru ciśnienia na elementach półprzewodnikowych.
Co to są czujniki elektroniczne?
Elektroniczne czujniki ciśnienia do wody lub innej cieczy to urządzenia, które pozwalają mierzyć parametry i przetwarzać je za pomocą specjalnych jednostek sterujących i wyświetlających. Czujnik ciśnienia to urządzenie, którego parametry wyjściowe bezpośrednio zależą od ciśnienia w mierzonym miejscu (zbiornik, rury itp.). Ponadto mogą być używane do pomiaru dowolnej substancji w różnych stanach skupienia - ciecz, para, gaz.
Potrzeba takichurządzeń jest spowodowana tym, że prawie cała branża oparta jest na automatycznych układach sterowania. Osoba wykonuje tylko konfigurację, kalibrację, konserwację i uruchomienie (stop). Każdy system działa automatycznie. Ale takie urządzenia są również często używane w medycynie.
Cechy projektowe elementu
Każdy czujnik składa się z wrażliwego elementu - to za jego pomocą przekazywany jest wpływ na konwerter. Również w projekcie znajduje się obwód do przetwarzania sygnału i obudowa. Można wyróżnić następujące typy czujników ciśnienia:
- Piezoelektryczne.
- Rezystancyjne.
- Pojemnościowy.
- Rezonans piezoelektryczny.
- Magnetyczne (indukcyjne).
- Optoelektroniczne.
A teraz przyjrzyjmy się bardziej szczegółowo każdemu typowi urządzenia.
Elementy oporowe
Są to urządzenia, w których element pomiarowy zmienia swoją rezystancję pod wpływem obciążenia. Na czułej membranie zainstalowany jest tensometr. Membrana ugina się pod naciskiem, tensometry również zaczynają się poruszać. Jednocześnie zmienia się ich opór. W efekcie następuje zmiana natężenia prądu w obwodzie przetwornika.
Podczas rozciągania elementów tensometrów zwiększa się długość i zmniejsza się pole przekroju. Rezultatem jest wzrost odporności. Odwrotny proces obserwuje się, gdy elementy są kompresowane. Oczywiście rezystancja zmienia się o tysięczne części oma, więc żeby to złapać, trzebaumieść specjalne wzmacniacze na półprzewodnikach.
Czujniki piezoelektryczne
Podstawą konstrukcji urządzenia jest element piezoelektryczny. Gdy nastąpi deformacja, element piezoelektryczny zaczyna generować określony sygnał. Element montowany jest w medium, którego ciśnienie ma być mierzone. Podczas pracy prąd w obwodzie będzie wprost proporcjonalny do zmiany ciśnienia.
Takie urządzenia mają jedną cechę - nie pozwalają na śledzenie ciśnienia, jeśli jest ono stałe. Dlatego stosuje się go wyłącznie w przypadku ciągłej zmiany ciśnienia. Przy stałej wartości mierzonej wartości generowanie impulsu elektrycznego nie zostanie wykonane.
Piezo-rezonansowe elementy
Te elementy działają trochę inaczej. Po przyłożeniu napięcia element piezoelektryczny odkształca się. Im wyższe naprężenie, tym większe odkształcenie. Podstawą urządzenia jest płyta rezonatora wykonana z materiału piezoelektrycznego. Posiada elektrody po obu stronach. Po przyłożeniu do nich napięcia materiał zaczyna wibrować. W takim przypadku płyta jest wyginana w jednym lub drugim kierunku. Prędkość wibracji zależy od częstotliwości prądu, który jest przyłożony do elektrod.
Ale jeśli siła z zewnątrz działa na płytkę, nastąpi zmiana częstotliwości drgań płytki. Na tej zasadzie działa elektroniczny czujnik ciśnienia powietrza stosowany w samochodach. Pozwala ocenić bezwzględne ciśnienie powietrza dostarczanego do układu paliwowego pojazdu.
Urządzenia pojemnościowe
Te urządzenia są najpopularniejsze,ponieważ mają prostą konstrukcję, działają stabilnie i są bezpretensjonalne w utrzymaniu. Konstrukcja składa się z dwóch elektrod umieszczonych w pewnej odległości od siebie. Okazuje się, że jest to rodzaj kondensatora. Jedną z jego płyt jest membrana, na którą działa ciśnienie (mierzone). W rezultacie szczelina między płytami zmienia się (proporcjonalnie do ciśnienia). Ze szkolnego kursu fizyki wiesz, że pojemność kondensatora zależy od powierzchni płytek i odległości między nimi.
Podczas pracy w czujniku ciśnienia zmienia się tylko odległość między płytami - to wystarcza do pomiaru parametrów. Elektroniczne czujniki ciśnienia oleju są zbudowane dokładnie według tego schematu. Zalety tego typu konstrukcji są oczywiste - mogą pracować w każdym środowisku, nawet agresywnym. Nie mają na nie wpływu duże różnice temperatur, fale elektromagnetyczne.
Czujniki indukcyjne
Zasada działania jest zdalnie podobna do omówionych powyżej pojemnościowych. Czuła na nacisk membrana przewodząca jest zainstalowana w pewnej odległości od obwodu magnetycznego w kształcie litery Ш (wokół niej jest nawinięta cewka indukcyjna).
Po przyłożeniu napięcia do cewki powstaje strumień magnetyczny. Przechodzi zarówno wzdłuż rdzenia, jak i przez szczelinę, przewodzącą membranę. Przepływ zamyka się, a ponieważ szczelina ma przepuszczalność około 1000 razy mniejszą niż przepuszczalność rdzenia, nawet niewielka jej zmiana prowadzi do proporcjonalnych wahań wartości indukcyjności.
Optoelektronicznyczujniki
Po prostu wykrywają ciśnienie, mają wysoką rozdzielczość. Mają wysoką czułość i stabilność termiczną. Działają w oparciu o interferencję światła, wykorzystując interferometr Fabry-Perot do pomiaru małych przemieszczeń. Takie elektroniczne czujniki ciśnienia są niezwykle rzadkie, ale są dość obiecujące.
Główne elementy urządzenia:
- Kryształ przetwornika optycznego.
- Przysłona.
- LED.
- Detektor (składa się z trzech fotodiod).
Filtry optyczne Faby-Perot, które mają niewielką różnicę w grubości, są przymocowane do dwóch fotodiod. Filtry to silikonowe lustra z odblaskową powierzchnią przednią. Pokryte są warstwą tlenku krzemu, na powierzchnię nakładana jest cienka warstwa aluminium. Przetwornik optyczny jest bardzo podobny do pojemnościowego czujnika ciśnienia.
