Dnes sa v priemysle nepoužívajú barometre s ortuťou, ale celkom moderné a spoľahlivé senzory. Ich princíp fungovania sa líši v závislosti od konštrukčných prvkov. Všetky majú výhody aj určité nevýhody. Vďaka vývoju elektroniky je možné realizovať snímače na meranie tlaku na polovodičové prvky.
Čo sú elektronické senzory?
Elektronické snímače tlaku na vodu alebo akúkoľvek inú kvapalinu sú zariadenia, ktoré umožňujú merať parametre a spracovávať ich pomocou špeciálnych ovládacích a zobrazovacích jednotiek. Snímač tlaku je zariadenie, ktorého výstupné parametre priamo závisia od tlaku v meranom mieste (nádrž, potrubia a pod.). Navyše ich možno použiť na meranie akejkoľvek látky v rôznych agregovaných skupenstvách - kvapalné, parné, plynné.
Potreba takéhozariadení je spôsobené tým, že takmer celé odvetvie je postavené na automatických riadiacich systémoch. Osoba vykonáva iba konfiguráciu, kalibráciu, údržbu a spustenie (stop). Akýkoľvek systém funguje automaticky. Takéto zariadenia sa však často používajú aj v medicíne.
Funkcie dizajnu prvkov
Akékoľvek snímače pozostávajú z citlivého prvku - s jeho pomocou sa prenáša účinok na prevodník. V dizajne je tiež obvod na spracovanie signálu a puzdro. Je možné rozlíšiť nasledujúce typy tlakových snímačov:
- Piezoelektrické.
- Resistive.
- Kapacitné.
- Piezo rezonančný.
- Magnetické (indukčné).
- Optoelektronika.
A teraz sa pozrime na každý typ zariadenia podrobnejšie.
Odporové prvky
Ide o zariadenia, v ktorých snímací prvok mení svoj odpor vplyvom záťaže. Na citlivej membráne je inštalovaný tenzometer. Membrána sa pod tlakom prehne, začnú sa pohybovať aj tenzometre. Zároveň sa mení ich odpor. Výsledkom je zmena intenzity prúdu v obvode meniča.
Pri naťahovaní prvkov tenzometrov sa dĺžka zväčšuje a plocha prierezu zmenšuje. Výsledkom je zvýšenie odolnosti. Opačný proces sa pozoruje, keď sú prvky stlačené. Samozrejme, odpor sa mení o tisíciny ohmu, takže na to, aby ste to zachytili, potrebujeteumiestnite špeciálne zosilňovače na polovodiče.
Piezoelektrické snímače
Základom konštrukcie zariadenia je piezoelektrický prvok. Keď dôjde k deformácii, piezoelektrický prvok začne generovať určitý signál. Prvok je inštalovaný v médiu, ktorého tlak sa má merať. Počas prevádzky bude prúd v okruhu priamo úmerný zmene tlaku.
Takéto zariadenia majú jednu vlastnosť – neumožňujú vám sledovať tlak, ak je konštantný. Preto sa používa výlučne v prípade, keď sa tlak neustále mení. Pri konštantnej hodnote nameranej hodnoty sa generovanie elektrického impulzu nevykoná.
Piezo rezonančné prvky
Tieto prvky fungujú trochu inak. Pri použití napätia sa piezoelektrický prvok deformuje. Čím vyššie napätie, tým väčšia deformácia. Základom zariadenia je doska rezonátora z piezoelektrického materiálu. Má elektródy na oboch stranách. Akonáhle sa na ne privedie napätie, materiál začne vibrovať. V tomto prípade je doska ohnutá v jednom alebo druhom smere. Rýchlosť vibrácií závisí od frekvencie prúdu, ktorý sa aplikuje na elektródy.
Ak však na platňu pôsobí sila zvonka, dôjde k zmene frekvencie kmitov platne. Na tomto princípe funguje elektronický snímač tlaku vzduchu používaný v automobiloch. Umožňuje vám vyhodnotiť absolútny tlak vzduchu dodávaného do palivového systému vozidla.
Kapacitné zariadenia
Tieto zariadenia sú najobľúbenejšie,keďže majú jednoduchý dizajn, fungujú stabilne a sú nenáročné na údržbu. Konštrukcia pozostáva z dvoch elektród umiestnených v určitej vzdialenosti od seba. Ukazuje sa akýsi kondenzátor. Jedna z jeho dosiek je membrána, pôsobí na ňu tlak (meraný). V dôsledku toho sa medzera medzi doskami mení (úmerne tlaku). Z vášho školského kurzu fyziky viete, že kapacita kondenzátora závisí od plochy povrchu dosiek a vzdialenosti medzi nimi.
Pri práci v tlakovom snímači sa mení iba vzdialenosť medzi doskami - to je dosť na meranie parametrov. Elektronické snímače tlaku oleja sú postavené presne podľa tejto schémy. Výhody tohto typu štruktúr sú zrejmé - môžu pracovať v akomkoľvek prostredí, dokonca aj v agresívnom. Neovplyvňujú ich veľké teplotné rozdiely, elektromagnetické vlny.
Indukčné senzory
Princíp činnosti je na diaľku podobný kapacitným, o ktorých sme hovorili vyššie. Vodivá membrána citlivá na tlak je inštalovaná v určitej vzdialenosti od magnetického obvodu v tvare písmena Ш (okolo nej je navinutá tlmivka).
Keď sa na cievku privedie napätie, vytvorí sa magnetický tok. Prechádza tak pozdĺž jadra, ako aj cez medzeru, vodivú membránu. Prúd sa uzavrie a keďže má medzera priepustnosť asi 1000-krát menšiu ako priepustnosť jadra, aj malá zmena v nej vedie k úmerným výkyvom hodnôt indukčnosti.
Optoelektronikasenzory
Jednoducho zisťujú tlak, majú vysoké rozlíšenie. Majú vysokú citlivosť a tepelnú stabilitu. Pracujú na báze svetelnej interferencie, na meranie malých posunov využívajú Fabry-Perotov interferometer. Takéto elektronické tlakové senzory sú extrémne zriedkavé, ale sú celkom sľubné.
Hlavné súčasti zariadenia:
- Kryštál optického prevodníka.
- Apertúra.
- LED.
- Detektor (pozostáva z troch fotodiód).
Faby-Perot optické filtre, ktoré majú malý rozdiel v hrúbke, sú pripojené k dvom fotodiódam. Filtre sú silikónové zrkadlá s reflexnou prednou plochou. Sú pokryté vrstvou oxidu kremičitého, na povrchu je nanesená tenká vrstva hliníka. Optický prevodník je veľmi podobný kapacitnému snímaču tlaku.
