Elektroniczne czujniki ciśnienia

© STS Sensor Technik Sirnach AG

Udostępnij:

Ciśnienie, obok temperatury i wilgotności, należy do najczęściej kontrolowanych wielkości fizycznych. Czujniki ciśnienia znajdziemy nie tylko w systemach wykorzystujących ciecze, oleje, sprężone powietrze lub gazy techniczne, ale też w mikrofonach, instrumentach biomedycznych czy układach kontroli próżni.

Przyrządy do pomiaru ciśnień ze względu na zasadę pracy czujnika pomiarowego, czyli pierwotnego przetwornika pomiarowego, można podzielić na cztery główne grupy: hydrostatyczne (cieczowe), tłokowe, sprężyste i parametryczne. Każda grupa obejmuje przyrządy różniące się sposobem równoważenia siły ciśnienia i jej przetwarzaniem.

Klasyczne pomiary ciśnienia wykonywane są z reguły czujnikami mechanicznymi, w których ciśnienie oddziałuje na element sprężysty, jakim jest np. rurka Bourdona, mieszek bądź membrana, co powoduje jego przemieszczenie lub odkształcenie. Jednak we współczesnych zautomatyzowanych procesach przemysłowych stosuje się elektroniczne urządzenia pomiarowe służące do proporcjonalnej zamiany ciśnienia jako jednostki fizycznej na sygnał elektryczny, napięciowy lub prądowy. Tego rodzaju urządzenia zwane są przetwornikami ciśnienia i składają się z dwóch podstawowych elementów: czujnika i przetwornika, do których na stałe może być dołączony miernik.


Elektroniczny pomiar ciśnienia

Wśród elektronicznych urządzeń pozwalających na kontrolę i pomiar ciśnienia w układach automatyki przemysłowej znajdują się zarówno te o bardzo prostej budowie, czyli presostaty i przetworniki analogowe, jak i mechanizmy bardziej zaawansowane konstrukcyjnie i technologicznie, do których należą przetworniki inteligentne oraz manometry cyfrowe. Niezależnie jednak od stopnia zaawansowania wszystkie te urządzenia pozwalają na przesyłanie informacji o mierzonym ciśnieniu w postaci sygnału (analogowego bądź cyfrowego), który następnie jest wykorzystywany w różnych układach regulujących lub rejestrujących parametry procesowe.

W zależności od zasady pomiaru, wykorzystywanych zjawisk fizycznych i materiału, z jakiego wykonany jest czujnik, elektroniczne urządzenia do pomiaru ciśnienia można podzielić na: piezorezystancyjne, tensometryczne, pojemnościowe, piezoelektryczne, rezonansowe, indukcyjne, optyczne i optoelektroniczne. Z kolei ze względu na rodzaj sygnału wyjściowego i wynikające z niego możliwości późniejszego wykorzystania wskazań pomiaru elektroniczne mierniki ciśnienia podzielić można na standardowe i programowalne. W automatyce przemysłowej najpopularniejszymi sensorami służącymi do pomiarów ciśnienia są czujniki tensometryczne, piezorezystancyjne i pojemnościowe.


TOP w kategorii




Tensometry

Tensometryczne czujniki ciśnienia w swoim działaniu wykorzystują drut oporowy, który na skutek przyłożonej siły poddawany jest odkształceniu, co wpływa na zmianę jego rezystancji: im jest węższy i dłuższy, tym bardziej jego opór elektryczny wzrasta. Do pomiaru ciśnienia używane są zwykle cztery sensory tensometryczne tworzące mostek pomiarowy, zwany mostkiem Wheatstone’a. Czujniki mocowane są na membranie, która pod naporem mierzonego medium ugina się, co powoduje odkształcenie czujników i zmianę ich rezystancji. Mierzone napięcie nierównowagi mostka jest proporcjonalne do odkształcenia membrany czujnika i do zmiany ciśnienia działającego na membranę. Zaletą tego typu czujników jest odporność na uderzenia i wibracje, wadą natomiast – zależność dokładności pomiaru od sposobu ich rozmieszczenia i przytwierdzenia na powierzchni membrany. Maksymalny zakres mierzonych ciśnień dla tego typu czujników to nawet 1000 barów.

Czujniki piezorezystancyjne

Czujniki piezorezystancyjne działają podobnie do tensometrów, jednak zamiast drutu oporowego i podłoża, do którego jest on przyklejony, mają membranę wykonaną z krzemu o grubości rzędu kilku mikrometrów z wbudowanymi rezystorami. Krzem to powszechnie stosowany materiał w czujnikach, ponieważ jego kryształy mają wyjątkową właściwość: praktycznie całkowity brak oznak zmęczenia przy niewielkich odkształceniach.

Coraz większą popularnością cieszą się układy zintegrowane, w których czujnik ciśnienia i układy wzmacniające, zapewniające jego liniowość i kompensację wpływu temperatury, mieszczą się w jednej strukturze półprzewodnikowej (MEMS – Micro-Electro-Mechanical Systems). Coraz częściej spotkać można też czujniki wykonane w technologii SOS (Silicon on Sapphire) łączącej krzem z ceramiką.

W piezorezystancyjnym czujniku ciśnienia cienka membrana krzemowa ugina się pod wpływem oddziaływania ciśnienia płynu. W ugiętej membranie powstają naprężenia rozciągająco-ściskające i w obszarze tych naprężeń umieszczone są piezorezystory połączone w układ mostka Wheatstone’a, tak aby otrzymać w nich dodatnie i ujemne zmiany rezystancji wywołane efektem piezorezystancyjnym. Zmiany rezystancji są zależne od wielkości odkształcenia membrany, a więc ciśnienia. Najczęściej stosuje się dwa piezorezystory równoległe i dwa prostopadłe do krawędzi membrany.

Czujniki piezorezystancyjne są znacznie dokładniejsze od tensometrycznych, mają większą stabilność długoterminową i czułość. Umożliwiają też pomiar bardzo małych zakresów ciśnienia – rzędu milibarów. Jednak na ich dokładność duży wpływ ma temperatura, poza tym są mało odporne na wstrząsy i wibracje. Maksymalny zakres mierzonych ciśnień dla tego typu czujników to 16 barów.

Czujniki pojemnościowe

Czujniki pojemnościowe składają się z cienkiej membrany wykonanej z krzemu, która znajduje się pomiędzy okładzinami, tworząc w ten sposób kondensator. Z jednej strony na membranę działa ciśnienie odniesienia (np. barometryczne), z drugiej – ciśnienie mierzone. Pod wpływem zmiany ciśnienia membrana ugina się, powodując zmianę pojemności kondensatora, co z kolei wpływa na zmianę napięcia wyjściowego podłączonego do układu mostka.

W celu ochrony przed niekorzystnym wpływem warunków środowiskowych czujnik umieszczany jest w szczelnej obudowie wykonanej ze stali nierdzewnej wypełnionej substancją nieprzewodzącą, najczęściej olejem silikonowym. Obudowa wyposażona jest w membranę o grubości rzędu mikrometrów, która ma bezpośredni kontakt z mierzonym medium. Najczęściej jest to membrana ze stali nierdzewnej, a w najbardziej zaawansowanych konstrukcjach – membrana ceramiczna cechująca się wysoką odpornością na ścieranie i korozję. Czujniki pojemnościowe mają bardzo szeroki zakres pomiarów, bardzo dużą przeciążalność (nawet do 200 razy), są stabilne i dokładne. Maksymalny zakres mierzonych ciśnień dla tego typu czujników to 100 barów.

Standardowe i programowalne

Standardowe przetworniki ciśnienia to proste urządzenia z analogowym, prądowym lub napięciowym sygnałem wyjściowym. Sygnał pomiarowy podawany jest do układu wzmacniacza i po wzmocnieniu przechodzi przez właściwy przetwornik, który na wyjściu daje sygnał użyteczny dla przemysłu. W inteligentnych przetwornikach ciśnienia w obwodzie pomiarowym po wzmacniaczu znajduje się przetwornik analogowo-cyfrowy oraz mikroprocesor. Przetwornik odpowiada za zamianę analogowej wartości z czujnika pomiarowego na jego cyfrową wartość. Mikroprocesor z kolei pozwala na dalszą obróbkę sygnału i programowanie samego urządzenia (np. autokalibrację, przechowywanie informacji o mierzonych wartościach ciśnienia, wybór zakresu pomiarowego czy standardu sygnału wyjściowego) i zdalne przekazywanie sygnału do systemu nadrzędnego. Duże zakłady produkcyjne lub przetwórcze korzystające z różnego rodzaju mediów i instalacji do ich transportu mogą używać setek lub nawet tysięcy przetworników różnicy ciśnień, które zapewniają uzyskanie informacji o aktualnym stanie sterowanego układu. Przy doborze czujnika należy uwzględnić kilka kryteriów, w tym zakres pomiarowy, temperaturę pracy, rodzaj medium, z którym czujnik będzie mieć styczność, odporność na zakłócenia, stopień ochrony czujnika czy ewentualnie możliwość pracy w strefach zagrożonych wybuchem.

Udostępnij:

Drukuj





Agata Pinkas



Chcesz otrzymać nasze czasopismo?
Zamów prenumeratę
Zobacz również