9. Laboratóriumi gyakorlat NYOMÁSÉRZÉKELŐK
1.A gyakorlat célja Az MPX12DP piezorezisztiv differenciális nyomásérzékelő tanulmányozása. A nyomás – feszültség p=f(U) karakterisztika megrajzolása. 2. Elméleti bevezető A nyomás mint fizikai mennyiség A nyomás az a fizikai mennyiség amely számszerűen egyenlő az egységnyi felületre eső erővel. F p= (1) S p - a nyomás F - erő S - felület A nemzetközi rendszerben a nyomás mértékegysége a N/m2, vagy pascal (Pa). Egy pascal nagyon kis nyomásérték, ezért a gyakorlatban inkább a többszöröseit használják. 1kPa = 103 Pa 1MPa = 106 Pa Egy másik igen gyakran használt mértékegység a bar. 1 bar = 105 Pa Az 1 cm2-re eső, 1 kg tömegű test súlya által okozott nyomást atmoszférának nevezik. Más mértékegységek, a nyomás kifejezésére a tehnikai atmoszféra, a Hgmm vagy a H2Omm. Egy h magasságú, ρ sűrűségű, folyadékoszlop által létrehozott hidrosztatikai nyomás értékét a következőképpen számíthatjuk ki: p=
F G mg ρVg ρhSg = = = = = ρgh S S S S S
p - a hidrosztatikus nyomás F – erő G – a folyadékoszlop súlya S – a folyadékoszlop alap területe V – a folyadék térfogata m – a folyadék tömege ρ – a folyadék sűrűsége g – gravitációs gyorsulás
60
(2)
h – a folyadékoszlop magassága Nyomásmérés Háromféle nyomásértéket különböztethetünk meg: –abszolút nyomásérték: a légüres térhez viszonyított nyomásérték –relatív (effektív) nyomásérték: a légnyomástól való eltérés (légnyomáshoz viszonyított érték) –differenciális nyomásérték: egy referencia nyomáshoz viszonyított nyomásérték Különböző típusú nyomás érzékelő létezik. A legtöbb érzékelő a nyomást egy átmeneti mechanikai (pl. elmozdulás) vagy elektromos (pl. ellenállásérték) mennyiséggé alakítják át. Közülük a piezorezisztív nyomásérzékelőkre térünk ki. Piezorezisztív nyomásérzékelők A piezorezisztív nyomásérzékelők az anyagok azon tulajdonságára épülnek, miszerint a mechanikai feszültség hatására megváltoztatják az elektromos ellenállásukat. Ez a jelenség erőteljesebben mutatkozik a félvezetőknél. A félvezetők fajlagos ellenállását a következő összefüggéssel számíthatjuk ki:
ρ=
1 enµ
(3)
ahol
e - az elektron töltése n - a töltéshordozók száma μ - a töltéshordozók átlagos mozgékonysága A töltéshordozók mozgékonyságát pedig a félvezetőkre ható külső erők befolyásolhatják. Igy, ha egy bizonyos nyomás hat a félvezető traduktorra, ez megváltoztatja a villamos ellenállását. Az MPX12DP típusú nyomásérzékelő Az MPX12DP differenciális nyomásérzékelő (1. ábra) kis nyomások (0 – 10 kPa) mérésére alkalmas eszköz. A nyomásérzékelés a piezorezisztív jelenségen alapszik A kimeneten, a bemeneti nyomáskülönbséggel egyenesen arányos feszültséget szolgáltat.
1. Ábra. Az MPX12DP típusú nyomásérzékelő rajza.
61
A 2. ábra a nyomásérzékelő belső felépítését és lábkiosztását mutatja be.
2. Ábra. A nyomásérzékelő belső felépítése. A 3. ábrán látható az érzékelő lineáris átviteli karakterisztikája, a kimeneti feszültség a bemeneti nyomáskülönbség függvényében. (U = f(P1 - P2)).
3. Ábra. A nyomásérzékelő karakterisztikája. Az MPX12DP nyomásérzékelőknek a gyártó cég által megadott tipikus alkalmazásai: • légmozgás ellenőrzése • légköri nyomású berendezések vezérlése • orvosi műszerészeti alkalmazások • ipari alkalmazások
62
3.A mérés menete Összeállítjuk a 4. ábra szerinti mérőstandot. A nyomásérzékelőt 3V egyenfeszültséggel tápláljuk a 3-as és az 1-es kivezetések között. A 2-es és 4-es kivezetések között voltmérővel mérjük a kimeneti feszültséget. A P2 nyomás megegyezik a légköri nyomással, míg a P1 nyomás, a légköri nyomás és a folyadékoszlop nyomásának az összgéből áll. A diferenciális nyomás, amit a nyomásérzékelő mér, a P1 és a P2 nyomások külömbsége. Pdif = P2 – P1 = Plégköri + Phidrosztatikai - Plégköri A mozgó rúdat emeljük, 5 cm-ként, amig 90 cm folyadékszínt különbséget érünk el. Kitöltjük az 1. táblázat második sorát a megfelelő folyadékszíntekkel és a leolvasott feszültségértékekkkel. Figyeljünk, hogy a víz a nyomásmérőig ne érjen el! 4. Ábra. A mérőstand felépitése.
Kiszámítjuk a 2-es összefüggés segítségével a p számolt nyomásértéket és kitöltjük 63
az 1-es táblázat 3. sorát. Kitöltjük a következő táblázatot a mért és számitott értékekkel: h[cm] p[Pa] U[mV]
1. Táblázat 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 90
Grafikusan ábrázoljuk az U feszültséget a p számolt nyomásérték függvényében.
4.Kérdések és feladatok 1. Milyen alakú a feszültség-nyomás U = f(p) grafikon? 2. Hogyan lehetne kiküszöbőlni a nyomásmérő offset feszültségét? 3. A nyomásmérés hőmérsékletfüggő. Magyarázuk meg miért és hogyan lehetne kiküszöbölni, milyen áramkörrel?
64
