Czujniki ciśnienia - wprowadzenie

Ciśnienie to wielkość siły wywieranej przez gaz lub ciecz na jednostkową powierzchnię. Zależność między ciśnieniem (P), siłą (F) i powierzchnią (A) jest określona równaniem P=F/A. Tradycyjną jednostką ciśnienia jest pascal, definiowany jako siła jednego newtona (N) oddziałująca na powierzchnię o wielkości jednego metra kwadratowego. Ciśnienie można również opisać jako siłę potrzebną do zahamowania rozszerzania się płynu lub gazu, co jest przydatne w niektórych przypadkach.

Czujniki ciśnienia są produkowane w różnych technologiach, które omówiono w dalszej części tego artykułu i każda z nich determinuje zasadę działania tego elementu. Chociaż wiele dostępnych obecnie sensorów może mierzyć ciśnienie szerokiej gamy płynów i gazów, niektóre substancje, które są bardziej lepkie lub gęste niż cała większość (np. masa papierowa, asfalt, ropa naft owa), mogą wymagać użycia specjalnych wersji. Niemniej jednak asortyment dostępny na rynku jest obecnie tak szeroki, że do praktycznie każdych warunków pomiarowych daje się dobrać odpowiedni typ elementu.

 

Rys. 1. Wizualizacja zależności między różnymi metodami pomiarów ciśnienia

Zamieszanie w nazewnictwie

Na podstawowym poziomie ogólności czujniki oraz przetworniki ciśnienia (napięciowe – transducers i prądowe – transmitters) są porównywalne pod względem funkcji, dlatego terminy te są często używane zamiennie. Jednak główne różnice między nimi dotyczą dostarczanych sygnałów wyjściowych.

Czujnik ciśnienia (sensor) wykrywa siłę nacisku i generuje sygnał wyjściowy odpowiadający wielkości wywieranej siły. Przetwornik ciśnienia (transducer) przetwarza wykrytą siłę na ciągłe standardowe napięcie wyjściowe (V), podczas gdy przetwornik prądowy (transmitter) przekształca wykrytą siłę na wartość prądu w pętli (mA).

W powszechnym użyciu czujniki ciśnienia są określane wymiennie za pomocą tych i podobnych terminów, takich jak piezometry i manometry. Niezależnie od nazewnictwa są one stosowane do monitorowania i regulacji ciśnienia w wielu aplikacjach, a także mogą być wykorzystywane do pomiaru innych wielkości, takich jak przepływ cieczy/gazów, wysokość nad poziomem morza i poziom wody.

Pomiary ciśnienia

W dziedzinie pomiaru ciśnienia i czujników istnieje ponadto wiele terminów, które należy zrozumieć, aby zapewnić optymalne parametry systemu i dokładność pomiaru. Konkretny typ czujnika ciśnienia zastosowanego w aplikacji może znacząco wpłynąć na parametry, ponieważ ciśnienie jest zwykle mierzone w odniesieniu do jakiegoś poziomu, takiego jak ciśnienie atmosferyczne na poziomie morza.

Jednym z kluczowych terminów jest ciśnienie manometryczne (gauge pressure), które jest miarą ciśnienia w stosunku do lokalnego ciśnienia otoczenia lub atmosferycznego. Wskazane ciśnienie jest wyższe lub niższe od lokalnego poziomu referencyjnego. Innym znaczącym terminem jest ciśnienie bezwzględne (absolute pressure), które jest miarą ciśnienia w odniesieniu do zerowego odniesienia (próżni). Pomiar uzyskany za pomocą czujnika bezwzględnego pozostaje taki sam niezależnie od miejsca, w którym jest mierzony.

Z kolei ciśnienie różnicowe (differential pressure) odnosi się do różnicy ciśnień między dwoma różnymi punktami w danym systemie, która jest często używana do obliczania przepływu cieczy lub gazów w rurach. Natomiast podciśnienie (vacuum pressure) określa zakres ujemnego ciśnienia w porównaniu z otoczeniem lub ciśnieniem atmosferycznym. Wreszcie, ciśnienie złożone (compound pressure) obejmuje pomiar zarówno ciśnienia dodatniego, jak i ujemnego lub podciśnienia, zasadniczo łącząc ciśnienie względne i podciśnienie w jeden termin.

Technologie pomiaru ciśnienia

Początki pomiarów ciśnienia sięgają pionierskich prac Galileusza z końca XVI wieku i Torricellego z połowy XVII wieku. Pierwszym manometrem była wynaleziona w 1849 roku rurka Bourdona, a elektryczne przetworniki ciśnienia pojawiły się dopiero w 1930 roku. Wraz z rozwojem technologii półprzewodnikowej wzrosła liczba różnych technologii wykorzystywanych do wykrywania siły parcia. Oto krótki przegląd głównych technologii pomiaru i obszarów zastosowań:

• Pojemnościowa: wykrywa zmiany pojemności spowodowane przez ciśnienie wyginające membranę umieszczoną między okładkami kondensatora.
• Indukcyjna: wykrywa niewielkie odchylenia membrany połączonej z rdzeniem magnetycznym, które powodują ruch liniowy. Zmienia on wartość indukowanego prądu, która następnie jest przekształcana w sygnał wyjściowy.
• Optyczna: wykorzystuje źródło światła, które jest stopniowo blokowane przez wzrost ciśnienia oraz czujnik wytwarzający sygnał proporcjonalny do zmiany światła. Czujniki światłowodowe mogą być również wykorzystywane do pomiaru zmian propagacji i fazy światła wywołanych ciśnieniem.
• Piezoelektryczna: kwarc lub materiał ceramiczny generuje zmienny ładunek elektryczny, proporcjonalny do stopnia kompresji wywieranej na niego przez ciśnienie zewnętrzne. Zbliżona co do zasady technologia piezorezystancyjna mierzy ciśnienie na podstawie zmiany oporu elektrycznego materiału podczas jego rozciągania.
• Potencjometryczna: wykorzystuje potencjometr i ramię przesuwne połączone z rurką Bourdona. Gdy ciśnienie się zmienia, ramię porusza potencjometrem, który wytwarza względny sygnał na podstawie wielkości siły.
• Rezonansowa: siła przyłożona do membrany za pomocą widełek kamertonowych lub pręta zmienia częstotliwość rezonansową, która dalej jest przetwarzana na sygnał elektryczny.
• Tensometryczna: przekształca przyłożoną siłę (ciśnienie) w zmianę oporu elektrycznego.

Typy czujników ciśnienia

Aby dobrze wybierać czujniki ciśnienia, ważna jest również orientacja w różnych typach dostępnych na rynku. Poniżej przedstawiono podstawowe rodzaje tych elementów:

• membranowe – składają się z cienkich, elastycznych, okrągłych krążków metalowych, które odkształcają się pod wpływem nacisku.
• uszczelnione – wykorzystują ciśnienie atmosferyczne na poziomie morza jako poziom odniesienia.
• półprzewodnikowe – wykorzystują półprzewodnikowy element przełączający, taki jak tranzystor polowy i nie mają ruchomych części.
• tensometryczne – mierzą zmianę rezystancji spowodowaną zmianą długości pod wpływem siły zewnętrznej i przetwarzają ją na sygnał elektryczny.
• cienkowarstwowe – jak sama nazwa wskazuje, czujniki te wykorzystują cienki film o własnościach oporowych, który zmienia rezystancję w wyniku zmian długości i grubości wywołanych ciśnieniem.
• podciśnienia – przeznaczone do pomiaru ciśnień poniżej poziomu atmosferycznego. Zazwyczaj wykorzystują technologię piezoelektryczną lub mierzą objętość gazu w określonej przestrzeni.
• wentylowane – mierzą ciśnienie w stosunku do ciśnienia barometrycznego w otoczeniu.

Rozważania projektowe

Mając na uwadze omówione zasady działania, technologie pomiarów i typy dostępnych czujników ciśnienia, można sformułować kilka kryteriów wyboru, o których należy pamiętać przy selekcji sensora do konkretnego projektu.

Pierwszym i kluczowym parametrem jest zakres ciśnień roboczych, który określa bezpieczny zakres pomiarowy, w którym detektor będzie działać zgodnie ze specyfikacją producenta. Ważnymi czynnikami są również zakres temperatur roboczych, maksymalne ciśnienie, jakie czujnik może wytrzymać bez awarii oraz typ wyjścia sygnałowego (analogowe/cyfrowe). Należy również wziąć pod uwagę poziom sygnału wyjściowego, dokładność i dryft, rozdzielczość, napięcie zasilania oraz czynniki środowiskowe, takie jak temperatura, wilgotność, ciśnienie, ekspozycja na płyny, promieniowanie i odległość fizyczna między czujnikiem a dowolnym odbiornikiem. Biorąc pod uwagę wszystkie te parametry, można wybrać odpowiedni czujnik ciśnienia do konkretnego zastosowania, który spełnia niezbędne warunki pracy i zapewnia wydajność.

 

Rys. 2. Czujnik ciśnienia wykorzystujący membranę piezoelektryczną

Podsumowanie

Inżynier-projektant doskonale rozumie, że pomiar ciśnienia i wykorzystanie danych do sterowania i monitorowania procesów w technice ma obecnie kluczowe znaczenie w wielu branżach. Precyzyjny i niezawodny pomiar jest niezbędny do zapewnienia jakości i bezpieczeństwa wielu produktów i usług. Dzięki postępowi technologicznemu czujniki ciśnienia są dostępne w wielu różnych typach, technologiach, rozmiarach, wyjściach i dokładności. Wybór odpowiedniego czujnika ciśnienia do konkretnego zastosowania wymaga starannego rozważenia parametrów roboczych, takich jak typ, zakres pomiarowy, zakres temperatury, maksymalne ciśnienie, typ wyjścia, dokładność, rozdzielczość, napięcie zasilania i czynniki środowiskowe. Warto pamiętać, że CUI Devices oferuje kompleksową linię piezoelektrycznych czujników ciśnienia, które spełniają te wymagania. Są dostępne w wielu typach i zakresach roboczych, co pozwala zrealizować elastyczne i dokładne pomiary.

Digi-Key Electronics
https://www.digikey.pl/