Senzory tlaku - definice tlaku:
dF p= dS
F .. síla [N] S .. plocha [m3] 1 atm = 100 kPa
2 způsoby měření tlaku: p → F → pružný člen → změna rozměrů
přímý (intrinsický) senzor
senzor mechanického napětí
(v prostředích, kde působí smykové napětí se tlakem označuje normálová složka)
typy tlaků: -nulový tlak – vakuum -absolutní tlak – tlak měřený od nuly -atmosférický tlak - absolutní statický tlak zemského (barometrický) ovzduší měřený u zemského povrchu -přetlak/podtlak – rozdíly měřeného x barometrického tlaku -rozdílový (diferenční) tlak – rozdíl hodnot 2 současně působících tlaků • u proudících prostředí: -celkový tlak – součet statického a dynamického tlaku -dynamický tlak –
→
pd =
→2
v ρv 2
Základní principy senzorů tlaku převod ε na …
převod p→F přímý (intrinsický) převod F→ε
• náboj – piezoelektrické • magnetické vlastnosti (L,Φ) • optické vlastnosti (OVS) • elektrický odpor
převod ε na:
druh namáhání pružný člen tvar pružného členu: membrána
• ohyb • tah, tlak • smyk • krut
mechanické napětí: • tenzometry • rezonátory
trubka
vlnovec, krabice
nosník
polohu: • kapacitní • indukční • optické
1. Membránové tlakoměry s tenzometry - nejužívanější - deformace membrány: z h 2
p2 h
p1
r
R
při působení tlaku ∆p = p 2 − p 1 vzniká napětí σ se složkami:
σr
- radiální složka
σt
- tangenciální složka
rozložení radiálního a tengenciálního napětí při tlakové deformaci σ r = f r (r / R )
σ
σt = f t (r / R )
σt -1
r0′ R
r0′′ 1 r R R σr
kovová membrána: • nalepené polovodičové tenzometry • kovový foliový tenzometr • tenzometr nanesen tlustovrstvou technologií
tenzometrická rozeta - ideální tenzometr (-folie) pro membrány - 2 senzory na kraji a 2 uprostřed
polovodičová membrána + nadifundované piezorezistory - vyráběny technologií pro integrované obvody ⇒ levné - Si, nově SiC, diamand substrát N
R3
R4 R1 difuzní odpory typu P ∅ 3,5
R2
tenkovrstvový senzor tlaku - oddělení měřeného prostředí od vlastního tlakového senzoru ⇒ užití při měření např. tlaků při tavení (přenos z deformace z vnější odolné membrány)
1 +ε
−ε
−ε
20
+ε
2
1 – čtyři nosníky = pružný člen 2 – místo kam je tlak převeden z vnějšího prostředí táhlem přes oddělovací vlnovec
pružné členy nosníkového typu s vlnovcem −ε
+ε
−ε
+ε
−ε
+ε
trubkovité pružné členy - měření větších tlaků - užívají se 4 tenzometry (kompenzace chyb)
a)
b)
c)
d)
ponorné senzory tlaku -měření hladiny -oddělovací membrána, hermetický kabel
2
P
1
Odděl. membrána
R1 R2
R3
R4
Silikonový olej
3
4
4 + −
− +
+ −
R2
2
R1
R4
3
R3
Membránový senzor s oddělovací kapalinou
1
Křemíková membrána
2. Deformační senzory tlaku - trubicové Bourdonova trubice
P
3. Kapacitní senzory tlaku - kapacitor - diferenční -pružný člen = předpjatá kovová membrána – zároveň tvoří uzemněnou elektrodu -pracovní rozsah: ∆p = 1 mbar – 10 bar, p až 400 bar C1
C2 Sklo
I OM p1
p2 K M
diferenční kapacitor s oddělovací kapalinou
Membrána
senzor tlaku s keramickými membránami 1- membrána 2 - střední díl Al2O3 3 - nestlačitelná kapalina 4 - elektrody 5 - teplotní senzor
1 2 3 p1
C1
p2
C2
ϑR
4 5
0,1 %, max. 350°C Rozsah 2,5 až 300 kPa
mikromechanický senzor sklo
- kombinace křemíkové membrány elektrody a kapacit. senzoru
p
Si
zpětnovazebný senzor s vlnovci - vracení membrány do nulové polohy pomocí elektrostatické síly -rozsah – až do 200 kPa
cívka
vlnovec s nosníkem
S
pohyblivá elektroda
pevná elektroda
Velmi přesný a drahý
stálý magnet
J
p
prstencový magnet
4. Piezoelektrický senzor tlaku - nutné mechanické předpětí krystalu - kompenzace vibrací - vhodný pro měření rychlých tlakových změn (např. ve válcích)
konektor
zesilovač
kompenzace zrychlení křemenné výbrusy
M
předpětí vývody elektrod
membrána
5. Optoelektronické deformační senzory tlaku optoel. clonící senzor
tlak
AR
Ar - referenční dioda stále vystavená IR záření ze svítící LED Ax - aktivní fotodioda zastiňovaná clonkou a tím se omezuje množství dopadajícího záření z IR LED
Ax
clonka UR
Ux
senzor s optickými vlákny
P0
x P1
-využívá se změny útlumu vlákna při působení tlakové síly
6. Odporové senzory tlaku -pro extrémní tlaky až do 1400 Mpa -tlak působí přímo na cívku s volnými závity nebo fólii
7. Magnetické senzory tlaku -vyskytují se jen zřídka -deformace trubky tlakem → změna permiability
7. Rezonanční senzory tlaku rezonanční senzor s PAV IDMIDM
fR
p IDM
SiO2
IDM
fp
fp ± fR
F
∆f = f (p)
Příklady tlakových senzorů • (oddělovací kovová membrána) křemíková měřicí membrána, piezorezistory, (integrovaný zesilovač): PTX 120 • Procesní tlakoměr: HART nebo proudová smyčka: Kapacitní STX 2100 • Resonanční snímač „double fork“
Cressto, Druck, Yokogawa,…
Měření velmi nízkých tlaků
princip LVDT
SCHAEVITZ
Piezorezistivní senzor tlaku
SPECIFICATIONS (at 4 mA excitation) Pressure Ranges (FS Linearity Stability Operating Temperature Range Storage Temperature Temperature-Coefficients of… - Zero (without Comp.) - Sensitivity
1-20 bar 0,25% FS typ. 1% FS max. 0,5 mV typ. 2 mV max. -10…80°C (optionally) -20…100°C 0,05 mV/K typ. 0,01%/K typ.
0,2 mV/K max. 0,02%/K max.
KELLER
Rezonanční senzory tlaku
Yokogawa DPharp
EPROM s parametry senzoru obvod pulsní šířkové modulace
teplotní senzor
budič
snímač rezonance
Yokogawa DPharp
Integrovaný tlakový senzor
– Pure CMOS based sensor – calibrated to automotive specifications
