Датчик тиску

Датчик тиску - пристрій, фізичні параметри якого змінюються в залежності від тиску вимірюваного середовища (рідини, гази, пари). У датчиках тиск вимірюваного середовища перетворюється в уніфікований пневматичний чи електричний сигнали або цифровий код.

Принципи реалізації

Датчик тиску складається з первинного перетворювача тиску, у склад якого входить чутливий елемент з приймачем тиску, схема вторинної обробки та пристрій виводу, розміщені у корпусі. Основною відмінністю таких приладів є точність реєстрації тиску, яка залежить від принципу перетворення тиску в електричний сигнал: тензометричний, п'єзорезистивних, ємнісний, індуктивний, резонансний, іонізаційний.

Тензометричний метод

Робота чутливих елементів датчиків базується на принципі вимірювання зміни опору тензорезисторів, приклеєних до титанової мембрани в умовах деформації під дією тиску.

П'єзорезистивний метод

Сенсори тиску в основі яких лежить п'єзорезистивний метод вимірювання тиску побудовані на інтегральних чутливих елементах з монокристалічного кремнію. Кремнієві перетворювачі мають високу часову і температурну стабільність. Для вимірювання тиску чистих неагресивних діелектриків застосовуються вирішення, що юазуються на використанні чутливих елементів або без покриття, або з захистом силіконовим гелем. Для вимірювання тиску агресивних середовищ і у більшості промислових застосуваннях використовується перетворювач тиску в герметичному метало-скляному корпусі, з роздільною діафрагмою з нержавіючої сталі, що передає тиск вимірюваного середовища за допомогою кремнійорганічної рідини.

Ємнісний метод

Ємнісні сенсори використовують метод зміни ємності конденсатора при зміні відстані між обкладками. Відомі керамічні або кремнієві ємнісні сенсори тиску і сенсори, виконані з використанням пружної металевої мембрани. При зміні тиску мембрана з електродом деформується і відбувається зміна ємності. В елементі з кераміки або кремнію, простір між обкладками зазвичай заповнений маслом або іншою органічною рідиною. Недолік - нелінійна залежність ємності від прикладеного тиску.

Прилади

рис.1 Манометр Бурдона

Інструменти, використовувані для вимірювання тиску називаються манометри і вакуумметри.

Манометр - це прилад для вимірювання тиску рідин і газів.

Вакуумметр (вакуум-манометр) — прилад для вимірювання тиску розріджених газів або для вимірювання глибини вакууму: різниці між атмосферним тиском і тиском розрідженого газу. Поширені теплові вакуум-манометри, зокрема з термопарами, дія яких ґрунтується на залежності теплопровідності газу від тиску.

Електронні датчики тиску

Тиск датчик - вимірювальний перетворювач тиску рідини або газу в електричний, пневматичний та іншого вигляду вихідний сигнал. Служить також для виміру розрядок і перепаду тиску. На тиск до 10Мн/м²( 100 кгс/см² ) і вище. Тиск датчики будують за принципом прямого перетворення вимірюваного тиску в зусилля і потім у вихідний електричний сигнал наприклад п'єзоелектричні датчики, магнітопружні датчики. Для виміру відносно малого тиску, тиск датчики будують з проміжними і крайовими перетворювачами. Проміжними можуть служити рідинні манометричні перетворювачі, пружини мембрани, сильфони і ін. Як крайові застосовують реостатні, індуктивні, ємкісні перетворювачі.

рис.2 Принципова схема датчика тиску компенсаційного типа: а — електричній силовій компенсації; б — пневматичній силовій компенсації. ‎

Існують тиск датчики, що працюють на принципі електричної або пневматичної силової компенсації. Зусилля Р(див рис.2), що створюється вимірюваним тиском на чутливий елемент 1 , через систему важеля 2 врівноважується силовим пристроєм 3 зворотному зв'язку. При зміні тиску керівник елемент 4 індикатора розузгодження 5 відхиляється від свого первинного нульового положення. Сигнал розузгодження, що формується при цьому в індикаторі 5, посилюється в підсилювачі 6 і у вигляді вихідного струму i вих (або тиск Р_вих ) поступає в пристрій 3 і на відліковий пристрій 7. Вихідний сигнал змінюється до тих пір, поки що розвивається в пристрої 3 силове протидію не зрівноважить вимірюваний тиск. У момент рівноваги елементи 2 і 4 повертаються в первинне положення. Р_піт — тиск в живлячій мережі. Вимір перепаду тиску здійснюють диференціальним (різницевим), мембранним, сільфоном або рідинним манометричним датчиком.

рис.3 Схема пристрою п'єзоелектричного датчика тиску: p — вимірюваний тиск; 1 — пьезопластіни; 2 — гайка з діелектрика; 3 — електричний вивід; 4 — корпус (службовець другим виводом); 5 — ізолятор; 6 — металевий електрод.‎

П'єзоелектричний датчик - вимірювальний перетворювач механічного зусилля в електричний сигнал; його дія заснована на використанні п'єзоелектричного ефекту (див. рис3 ). Один з варіантів конструкції п'єзоелектричного датчика тиску показаний на рис . Під дією вимірюваного тиску на зовнішній і внутрішній сторонах пари пластин пьезоелектрика виникають електричні заряди, причому сумарна ерс(електрорушійна сила) (між виводом і корпусом) змінюється пропорційно тиску. П'єзоелектричний датчик доцільно застосовувати при вимірі бистрозмінюючого тиску; якщо тиск міняється повільно, то зростає погрішність перетворення із-за «стікання» електричного заряду з пластин на корпус. Включенням додаткового конденсатора паралельно п'єзоелектричного датчика, можна зменшити погрішність виміру, проте при цьому зменшується напруга на виводах датчика. Основні достоїнства п'єзоелектричних датчиків — їх високі динамічні характеристики і здатність сприймати коливання тиску з частотою від десятків гц до десятків Мгц. Застосовуються при тензометричних вимірах, у вагових і сортувальних (по вазі) пристроях, при вимірах вібрацій і деформацій і т.д.

Магнітопружний датчик(магнітострикційний датчик) - вимірювальний перетворювач механічних зусиль (деформацій) або тиску в електричний сигнал. Дія магнітопружного датчика заснована на використанні залежності магнітних характеристик деяких матеріалів (наприклад, пермалою, інвару ) від механічної напруги в них. Робочий елемент магнітопружного датчика — магнітопровід, на якому розміщено одна або декілька обмоток, що включаються в міст вимірник. Магнітопровід магнітопружного датчика укріплюють на поверхні деталі (або споруди) у напрямі зусиль, що діють, або деформацій. Зміни магнітних характеристик, зокрема магнітній проникності матеріалу магнітопровода, виявляються в зміні індуктивності або взаїмоїндуктівності обмоток. Магнітопружний датчик найдоцільніше застосовувати при вимірах малих деформацій (як постійних, так і бистропеременних) в твердих тілах, а також вимірах тиску рідин і газів, коли потрібна висока чутливість вимірів при відносно малої їх точності.