Қысым сенсоры - Pressure sensor

Ауа қысымының сандық сенсоры

Миниатюралық барометрлік қысым датчигі

A қысым датчигі арналған құрылғы қысымды өлшеу туралы газдар немесе сұйықтықтар. Қысым дегеніміз - сұйықтықтың кеңеюін тоқтату үшін қажет күштің көрінісі, және ол әдетте аудан бірлігіне келетін күштермен белгіленеді. Қысым датчигі әдетте а түрлендіргіш; ол а сигналын тудырады функциясы көрсетілген қысым. Осы мақаланың мақсаттары үшін мұндай сигнал электрлік болып табылады.

Қысым датчиктері күнделікті қолдануға арналған мыңдаған бақылау және бақылау үшін қолданылады. Қысым датчиктерін сұйықтық / газ ағыны, жылдамдық, басқа айнымалыларды жанама түрде өлшеу үшін де пайдалануға болады. су деңгейі, және биіктік. Қысым датчиктерін балама түрде атауға болады қысым түрлендіргіштері, қысым таратқыштар, қысым жіберушілер, қысым индикаторлары, пьезометрлер және манометрлер, басқа атаулармен қатар.

Қысым датчиктері технологиясы, дизайны, өнімділігі, қолдануға жарамдылығы және құны бойынша күрт өзгеруі мүмкін. Консервативті бағалау бойынша, бүкіл әлемде 50-ден астам технологиялар мен қысым датчиктерін шығаратын кем дегенде 300 компания болуы мүмкін.

Сондай-ақ, қысымның өте жоғары жылдамдықты өзгеруін түсіруге арналған динамикалық режимде өлшеуге арналған қысым датчиктерінің санаты бар. Сенсордың осы түріне арналған қосымшалар қозғалтқыш цилиндріндегі немесе газ турбинасындағы жану қысымын өлшеу кезінде болады. Бұл датчиктер әдетте шығарылмайды пьезоэлектрлік кварц сияқты материалдар.

Кейбір қысым датчиктері бар қысым қосқыштары, олар белгілі бір қысыммен қосылады немесе өшіріледі. Мысалы, су сорғыны қысым қосқышы арқылы басқаруға болады, сонда ол жүйеден су шыққан кезде басталып, резервуардағы қысымды төмендетеді.

Қысымды өлшеу түрлері

кремний пьезорезистикалық қысым датчиктері

Қысым датчиктерін өлшейтін қысым шектері, температура режимі және ең бастысы қысым түрі бойынша жіктеуге болады. Қысым датчиктері олардың тағайындалуына сәйкес әр түрлі аталады, бірақ бірдей технология әр түрлі атауларда қолданылуы мүмкін.

Абсолютті қысым датчигі

Бұл сенсор қысымды қатысты өлшейді тамаша вакуум. Абсолютті қысым датчиктері тұрақты сілтеме қажет болатын қосымшаларда қолданылады, мысалы, мониторинг сияқты жоғары өнімді өндірістік қосымшалар вакуумдық сорғылар, сұйықтық қысымын өлшеу, өндірістік орау, өндірістік процесті бақылау және авиация тексеру. ^[1]

Өлшеуіштің қысым датчигі

Бұл сенсор қысымды қатысты өлшейді атмосфералық қысым. Шинаның манометрі манометр қысымын өлшеудің мысалы болып табылады; ол нөлді көрсеткенде, ол өлшейтін қысым қоршаған орта қысымымен бірдей болады.

Вакуумдық қысым датчигі

Бұл термин шатасуды тудыруы мүмкін. Бұл атмосфералық қысымнан төмен қысымды өлшейтін, сол төмен қысым мен атмосфералық қысымның арасындағы айырмашылықты көрсететін сенсорды сипаттау үшін қолданылуы мүмкін, бірақ оны вакуумға қатысты абсолютті қысымды өлшейтін датчикті сипаттау үшін де қолдануға болады.

Дифференциалды қысым датчигі

Бұл сенсор сенсордың әр жағына бір қосылған екі қысым арасындағы айырмашылықты өлшейді. Дифференциалды қысым датчиктері қысымның төмендеуі сияқты көптеген қасиеттерді өлшеу үшін қолданылады май сүзгілері немесе ауа сүзгілері, сұйықтық деңгейлері (сұйықтықтың үстіндегі және астындағы қысымды салыстыру арқылы) немесе шығын жылдамдығы (шектеу бойынша қысымның өзгеруін өлшеу арқылы). Техникалық тұрғыдан алғанда, қысым датчиктерінің көпшілігі шынымен де дифференциалды қысым датчиктері болып табылады; мысалы, манометр қысымының датчигі дегеніміз - дифференциалды қысым датчигі, оның бір жағы қоршаған атмосфераға ашық.

Тығыздалған қысым датчигі

Бұл сенсор өлшегіш қысым датчигіне ұқсас, тек қысымды қоршаған атмосфералық қысымға емес, кейбір бекітілген қысымға қатысты өлшейді (ол орналасқан жері мен ауа райына байланысты өзгереді).

Қысымды сезіну технологиясы

Кремний қысым датчигі чипінің алдыңғы және артқы бөлігі. Алдыңғы жағында ойылған депрессияға назар аударыңыз; сезімтал аймақ өте жұқа. Артқы жағында электр тізбегі, ал жоғарыдан және төменнен тікбұрышты байланыс жастықшалары көрсетілген. Өлшемі: 4х4 мм.

Аналогтық қысым датчиктерінің екі негізгі санаты бар,

Күш жинағыш түрлеріЭлектрондық қысым датчиктерінің бұл түрлері, әдетте, күштің жинағышын (мысалы, диафрагма, поршень, бурдон түтігі немесе сильфон) аймаққа (қысымға) түскен күштің әсерінен деформацияны (немесе ауытқуды) өлшеу үшін пайдаланады.

Пьезорезистикалық штамм өлшегіш

Пайдаланады пьезорезистикалық байланыстырылған немесе қалыптасқан әсер штамм өлшегіштер қолданылатын қысымның әсерінен деформацияны анықтау үшін, қысым материалды деформациялаған кезде қарсылық күшейеді. Технологияның кең тараған түрлері: кремний (монокристалды), полисиликон жіңішке пленка, байланыстырылған металл фольга, қалың пленка, Сапфирдегі кремний және Sputtered Thin Film. Әдетте, штамм өлшегіштер а түзуге қосылады Уитстоун көпірі сенсордың шығуын арттыру және қателіктерге сезімталдықты азайту үшін схема. Бұл жалпы мақсаттағы қысымды өлшеудің ең көп қолданылатын технологиясы.

Сыйымдылық

Диафрагманы және қысым қуысын қолданыстағы қысымның әсерінен кернеуді анықтау үшін айнымалы конденсатор жасау үшін пайдаланады, қысым диафрагманы деформациялаған кезде сыйымдылық азаяды. Жалпы технологиялар металл, керамика және кремний диафрагмаларын қолданады.

Электромагниттік

Диафрагманың ығысуын өзгертулер арқылы өлшейді индуктивтілік (құлықсыздық), LVDT, Холл эффектісі, немесе құйынды ток принцип.

Пьезоэлектрлік

Пайдаланады пьезоэлектрлік қысым әсерінен сезу механизміне түсетін жүктемені өлшеу үшін кварц сияқты кейбір материалдардағы әсер. Бұл технология әдетте жоғары динамикалық қысымды өлшеу үшін қолданылады. Негізгі принцип динамикалық болғандықтан, пьезоэлектрлік датчиктермен статикалық қысымды өлшеуге болмайды.

Штамм өлшегіш

Штамм өлшегіш негізіндегі қысым датчиктері қысымға сезімтал элементті пайдаланады, мұнда металл штамм өлшегіштері желімделеді немесе шашырау арқылы жұқа пленка өлшеуіштер қолданылады. Бұл өлшеу элементі диафрагма болуы мүмкін немесе металл фольга өлшегіштер үшін банка түріндегі денелерді де қолдануға болады. Бұл монолитті банка типті дизайнның үлкен артықшылығы - жақсартылған қаттылық және 15000 барға дейінгі ең жоғары қысымды өлшеу мүмкіндігі. Электр байланысы әдетте Уитстоун көпірі арқылы жүзеге асырылады, бұл сигналдың жақсы күшеюіне және дәл және тұрақты өлшеу нәтижелеріне мүмкіндік береді.^[2]

Оптикалық

Техникаға қысымның әсерінен штаммды анықтау үшін оптикалық талшықтың физикалық өзгеруін қолдану жатады. Осы типтің кең таралған мысалы қолданылады Fiber Bragg ризашылығы. Бұл технология өлшеу өте қашықта, жоғары температурада немесе электромагниттік бөгеттерден иммунитеті бар технологиялардан пайда көруі мүмкін күрделі қолданбаларда қолданылады. Тағы бір ұқсас әдіс қабаттарға салынған серпімді пленканы қолданады, олар толқын ұзындығын берілген қысымға (штамға) сәйкес өзгерте алады.^[3]

Потенциометриялық

Қолданылған қысым әсерінен пайда болған деформацияны анықтау үшін сүрткіштің резистивтік механизм бойымен қозғалысын қолданады.

Күшті теңгерімдеу

Күшті теңдестірілген балқытылған кварцты бурдон түтігінің қысым датчигі, якорьге орнатылуы керек айна жоқ.

Күшті теңдестірілген балқытылған кварцты бурдон түтіктері спираль тәрізді бурдон түтігін пайдаланып, айнасы бар айналмалы арматураға күш түсіреді, айнадағы жарық сәулесінің шағылысуы бұрыштық орын ауыстыруды сезінеді және ток күшін теңестіру үшін якорьдегі электромагниттерге қолданылады. түтіктен және бұрыштық жылжуды нөлге жеткізіңіз, катушкаларға қолданылатын ток өлшеу ретінде қолданылады. Балқытылған кварцтың тұрақты және қайталанатын механикалық және жылулық қасиеттері мен сызықтық емес әсерлерді жоятын күш теңгерімінің арқасында бұл датчиктер шамамен 1 дәл болуы мүмкінPPM толық ауқымды.^[4] Қолдан жасалынған және осы датчиктерді құру үшін шеберлікті қажет ететін өте жақсы балқытылған кварц құрылымдарының арқасында, әдетте, ғылыми және калибрлеу мақсаттарымен шектеледі. Күшті теңдестірмейтін датчиктердің дәлдігі төмен, ал бұрыштық орын ауыстыруды оқуды күш теңгерімін өлшеу сияқты дәлдікпен орындау мүмкін емес, дегенмен өлшемдері үлкен болғандықтан, оларды салу оңайырақ.

Басқа түрлері

Электрондық қысым датчиктерінің бұл түрлері газдың немесе сұйықтықтың қысымын шығару үшін басқа қасиеттерді (мысалы, тығыздықты) пайдаланады.

Резонанс

Ішіндегі өзгерістерді қолданады резонанстық жиілік қысымның әсерінен туындаған кернеуді немесе газ тығыздығының өзгеруін өлшейтін сезу механизмінде. Бұл технологияны жоғарыдағы санаттағы сияқты күш жинағышпен бірге қолдануға болады. Сонымен қатар, резонансты технология резонанстық элементтің өзін ортаға шығарумен қолданылуы мүмкін, бұл резонанстық жиілік ортаның тығыздығына тәуелді болады. Сенсорлар дірілдейтін сымнан, дірілдейтін цилиндрлерден, кварцтан және кремнийлі MEMS-тен жасалған. Әдетте, бұл технология уақыт өте келе тұрақты көрсеткіштер береді деп саналады.

Қысым датчигі, резонанс кварц кристалы штамм өлшегіш а бурдон түтігі күш жинаушы - бұл критикалық сенсор DART.^[5] DART анықтайды цунами ашық мұхит түбінен толқындар. Ол бірнеше километр тереңдіктегі қысымды өлшеу кезінде шамамен 1мм судың қысымға ие.^[6]

Жылу

Ішіндегі өзгерістерді қолданады жылу өткізгіштік Қысымды өлшеу үшін тығыздықтың өзгеруіне байланысты газдың Бұл типтің кең таралған мысалы болып табылады Пирани калибрі.

Иондау

Қысымды өлшеу үшін тығыздықтың өзгеруіне байланысты өзгеретін зарядталған газ бөлшектерінің (иондарының) ағынын өлшейді. Жалпы мысалдар - ыстық және суық катодты өлшеуіштер.

Қолданбалар

Өнеркәсіптік сымсыз қысым датчигі

Қысым датчиктеріне арналған көптеген қосымшалар бар:

Қысымды сезу

Қызығушылықты өлшеу дәл осы жерде болады қысым, ретінде көрсетілген күш аудан бірлігіне. Бұл ауа-райының өлшеу аспаптарында, ұшақтарда, автомобильдерде және қысыммен жұмыс істейтін кез-келген басқа техникада пайдалы.

Биіктікті сезіну

Бұл ұшақтарда, зымырандарда, жер серіктерінде, ауа райында және басқа да қосымшаларда пайдалы. Осы қосымшалардың барлығы биіктікке қатысты қысымның өзгеруі арасындағы байланысты қолданады. Бұл қатынас келесі теңдеумен реттеледі:^[7]

{ displaystyle h = (1- (P / P _ { mathrm {ref}}) ^ {0.190284}) times 145366.45 mathrm {ft}}

Бұл теңдеу an үшін калибрленген биіктігі, 110000 метрге дейін 36.090 футқа дейін. Осы ауқымнан тыс, әр түрлі қысым датчигі үшін әр түрлі есептелетін қате жіберіледі. Бұл қателік есептеулері температураны жоғарылату кезінде температураның өзгеруіне байланысты болатын қатеге әсер етеді.

Барометрлік қысым датчиктерінің биіктігі 1 метрден аспауы мүмкін, бұл GPS жүйелерінен едәуір жақсы (шамамен 20 метр биіктікте). Навигациялық қосымшаларда биіктік өлшегіштер автомобиль навигациясы үшін қабаттасқан жол деңгейлері мен жаяу жүргіншілерге арналған ғимараттардағы еден деңгейлерін ажырату үшін қолданылады.

Ағынды сезу

Бұл қысым датчиктерін бірге қолдану вентури әсері ағынды өлшеу үшін. Дифференциалды қысым вентури түтігінің әр түрлі саңылауы бар екі сегменті арасында өлшенеді. Екі сегменттің арасындағы қысым айырмашылығы вентури түтігі арқылы шығыс жылдамдығына тура пропорционалды. Төмен қысым датчигі әрдайым қажет, өйткені қысым айырмашылығы салыстырмалы түрде аз.

Деңгей / тереңдік зондтау

Сұйықтықтың деңгейін есептеу үшін қысым датчигі де қолданылуы мүмкін. Бұл әдіс, әдетте, суға батқан дененің тереңдігін (сүңгуір немесе сүңгуір қайық сияқты) немесе сыйымдылықтағы (мысалы, су мұнарасындағы) мазмұнды өлшеу үшін қолданылады. Көптеген практикалық мақсаттар үшін сұйықтық деңгейі қысыммен тікелей пропорционалды. Құрамы атмосфералық қысымда болатын тұщы су жағдайында 1psi = 27,7 inH20 / 1Pa = 9,81 mmH20. Мұндай өлшеудің негізгі теңдеуі болып табылады

{ displaystyle P = rho gh}

қайда P = қысым, ρ = сұйықтық тығыздығы, ж = стандартты ауырлық, сағ = қысым датчигінен жоғары сұйықтық бағанының биіктігі

Ағып кетуді тексеру

Жүйенің ағып кетуіне байланысты қысымның ыдырауын сезіну үшін қысым датчигі қолданылуы мүмкін. Бұл көбінесе дифференциалды қысымды қолдана отырып белгілі ағып кетумен салыстыру арқылы немесе қысымның уақыт бойынша өзгеруін өлшеу үшін қысым датчигін қолдану арқылы жасалады.

Түрлендіргіштің шығысын ратиометриялық түзету

Пьезорезивтік түрлендіргіштер ретінде конфигурацияланған Wheatstone көпірлері көбінесе өлшенген қысымға ғана емес, сонымен қатар түрлендіргіштің кернеуіне қатысты да ратиометриялық мінез-құлықты көрсетеді.

{ displaystyle V _ { mathrm {out}} = {P times K times Vs _ { mathrm {actual}} over Vs _ { mathrm {ideal}}}}

қайда:

${ displaystyle V _ { mathrm {out}}}$ - түрлендіргіштің шығыс кернеуі.

${ displaystyle P}$ бұл нақты өлшенген қысым.

${ displaystyle K}$ номиналды түрлендіргіш масштабының коэффициенті (түрлендіргіштің идеалды кернеуі берілген) бір қысымға кернеу бірлігінде.

${ displaystyle Vs _ { mathrm {actual}}}$ - түрлендіргіштің нақты кернеуі.

${ displaystyle Vs _ { mathrm {ideal}}}$ - түрлендіргіштің идеалды кернеуі.

Осы мінез-құлықты көрсететін түрлендіргіштерден өлшеуді түзету үшін түрлендіргіштің нақты кернеуін, сондай-ақ шығыс кернеуін өлшеу қажет және бұл әрекеттің шығыс сигналына кері түрленуі қолданылады:

{ displaystyle P = {V _ { mathrm {out}} times Vs _ { mathrm {ideal}} over K times Vs _ { mathrm {actual}}}}

Ескерту: Wheatstone көпірі ретінде конфигурацияланған түрлендіргіштерде жиі кездесетін әдеттегі режим сигналдары бұл талдауда қарастырылмайды.

Сондай-ақ қараңыз

Әдебиеттер тізімі

^ Taskos, Nikolaos (2020-09-16). «Қысымды сезу 101 - абсолютті, өлшеуіш, дифференциалды және тығыздалған қысым». ES Systems. Алынған 2020-09-16.
^ «Қысым сенсоры деген не?». HBM. Алынған 2018-05-09.
^ Серпімді голограмма 'беттері 113-117, Proc. IGC 2010, ISBN 978-0-9566139-1-2 Мұнда: http://www.dspace.cam.ac.uk/handle/1810/225960
^ [https://www.researchgate.net/publication/230966593_Characterization_of_quartz_Bourdon-type_high-pressure_transducers
^ Милберн, Хью. «NOAA DART II сипаттамасы және ашылуы» (PDF). noaa.gov. NOAA, АҚШ үкіметі. Алынған 4 сәуір 2020.
^ Eble, M. C .; Гонсалес, Ф. И. «Тынық мұхитының солтүстік-шығысындағы қысымның терең мұхиттық өлшемдері» (PDF). noaa.gov. NOAA, АҚШ үкіметі. Алынған 4 сәуір 2020.
^ http://www.wrh.noaa.gov/slc/projects/wxcalc/formulas/pressureAltitude.pdf Мұрағатталды 2017-07-03 Wayback Machine Ұлттық мұхиттық және атмосфералық қауымдастық

[1] Taskos, Nikolaos (2020-09-16). «Қысымды сезу 101 - абсолютті, өлшеуіш, дифференциалды және тығыздалған қысым». ES Systems. Алынған 2020-09-16.

[2] «Қысым сенсоры деген не?». HBM. Алынған 2018-05-09.

[3] Серпімді голограмма 'беттері 113-117, Proc. IGC 2010, ISBN 978-0-9566139-1-2 Мұнда: http://www.dspace.cam.ac.uk/handle/1810/225960

[4] [https://www.researchgate.net/publication/230966593_Characterization_of_quartz_Bourdon-type_high-pressure_transducers

[5] Милберн, Хью. «NOAA DART II сипаттамасы және ашылуы» (PDF). noaa.gov. NOAA, АҚШ үкіметі. Алынған 4 сәуір 2020.

[6] Eble, M. C .; Гонсалес, Ф. И. «Тынық мұхитының солтүстік-шығысындағы қысымның терең мұхиттық өлшемдері» (PDF). noaa.gov. NOAA, АҚШ үкіметі. Алынған 4 сәуір 2020.

[7] ttp://www.wrh.noaa.gov/slc/projects/wxcalc/formulas/pressureAltitude.pdf Мұрағатталды 2017-07-03 Wayback Machine Ұлттық мұхиттық және атмосфералық қауымдастық

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]