Senzory tlaku. df ds. p = F.. síla [N] S.. plocha [m 3 ] 1 atm = 100 kpa. - definice tlaku: 2 způsoby měření tlaku: změna rozměrů.

Transkript

1 Senzory tlaku - definice tlaku: 2 způsoby měření tlaku: p = df ds F.. síla [N] S.. plocha [m 3 ] 1 atm = 100 kpa p F pružný člen změna rozměrů přímý (intrinsický) senzor senzor mechanického napětí (v prostředích, kde působí smykové napětí se tlakem označuje normálová složka)

2 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 p d = 2 v 2 ρ v

3 Základní principy senzorů tlaku převod p F převod F ε přímý (intrinsický) převod ε na náboj piezoelektrické magnetické vlastnosti (L,Φ) optické vlastnosti (OVS) elektrický odpor druh namáhání převod ε na: tvar pružného členu: pružný člen ohyb tah, tlak smyk krut mechanické napětí: tenzometry rezonátory polohu: kapacitní indukční optické membrána trubka vlnovec, krabice nosník

4 -nejužívanější 1. Membránové tlakoměry s tenzometry - deformace membrány: z h 2 p 2 h p 1 r R při působení tlaku p = p 2 p 1 vzniká napětí σ se složkami: σ r σt - radiální složka - tangenciální složka

5 rozložení radiálního a tengenciálního napětí při tlakové deformaci σ σ t σ r = σ t = f r f t ( r / R) ( r / R) -1 r 0 r R R 1 0 r R σ r kovová membrána: nalepené polovodičové tenzometry kovový foliový tenzometr tenzometr nanesen tlustovrstvou technologií

6 tenzometrická rozeta - ideální tenzometr (-folie) pro membrány - 2 senzory na kraji a 2 uprostřed

7 polovodičová membrána + nadifundované piezorezistory - vyráběny technologií pro integrované obvody levné - Si, nově SiC, diamand substrát N R 3 R 4 R 2 R 1 difuzní odpory typu P 3,5

8 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 1 čtyři nosníky = pružný člen 2 místo kam je tlak převeden z vnějšího prostředí táhlem přes oddělovací vlnovec +ε +ε 20 ε ε 2

9 pružné členy nosníkového typu s vlnovcem ε +ε ε +ε ε +ε

10 trubkovité pružné členy -měření větších tlaků - užívají se 4 tenzometry (kompenzace chyb) a) b) c) d)

11 ponorné senzory tlaku -měření hladiny -oddělovací membrána, hermetický kabel

12 2 1 P Odděl. membrána R 1 R 2 R R R 2 2 R 1 R 4 3 R 3 Silikonový olej Křemíková membrána Membránový senzor s oddělovací kapalinou

13 2. Deformační senzory tlaku - trubicové Bourdonova trubice P

14 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 C 1 C 2 I OM p 1 p 2 Sklo K M Membrána diferenční kapacitor s oddělovací kapalinou

15 senzor tlaku s keramickými membránami membrána 2 - střední díl Al 2 O nestlačitelná kapalina 4 - elektrody 5 - teplotní senzor p 1 p 2 C 1 C 2 ϑ R 4 5 0,1 %, max. 350 C Rozsah 2,5 až 300 kpa

16 mikromechanický senzor sklo elektrody - kombinace křemíkové membrány 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 stálý magnet S J pohyblivá elektroda pevná elektroda p prstencový magnet Velmi přesný a drahý

17 4. Piezoelektrický senzor tlaku konektor zesilovač - nutné mechanické předpětí krystalu - kompenzace vibrací - vhodný pro měření rychlých tlakových změn (např. ve válcích) kompenzace zrychlení křemenné výbrusy M membrána předpětí vývody elektrod

18 5. Optoelektronické deformační senzory tlaku optoel. clonící senzor tlak A r - referenční dioda stále vystavená IR záření ze svítící LED A R A x clonka A x - aktivní fotodioda zastiňovaná clonkou a tím se omezuje množství dopadajícího záření z IR LED U R U x senzor s optickými vlákny P 1 P 0 x -využívá se změny útlumu vlákna při působení tlakové síly

19 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

20 7. Rezonanční senzory tlaku rezonanční senzor s PAV IDMIDM p f R f p ± f R F f = f (p) IDM IDM f p SiO 2

21 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,

22

23 Měření velmi nízkých tlaků princip LVDT SCHAEVITZ

24 Piezorezistivní senzor tlaku KELLER 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 C (optionally) C 0,05 mv/k typ. 0,2 mv/k max. 0,01%/K typ. 0,02%/K max.

25 Rezonanční senzory tlaku Yokogawa DPharp

26 EPROM s parametry senzoru obvod pulsní šířkové modulace teplotní senzor budič snímač rezonance Yokogawa DPharp

27 Integrovaný tlakový senzor Pure CMOS based sensor calibrated to automotive specifications