Méréstechnika – Villamos elvű Nyomásmérés
Az előző szakmai tudásbázis cikkünkben a nyomásmérés alapjaival ismerkedtünk meg. A jelenlegi szakanyagban a villamos nyomásmérés alapjait ismertetjük.
A nyomásmérők kialakítása
A villamos nyomásmérők a következőképpen lehet osztályozni:
- Kétállapotú villamos jelet ad (Kapcsoló) – Nyomáskapcsolók
- Folyamatos analóg jelet ad (4..20mA, 0..10V) – Nyomás távadó, Differenciál nyomás távadó
Minden távadó/kapcsoló műszer a következő főbb elemekből épül fel:
- Szenzor egység (nyomást, villamos/mechanikai jelé alakítja)
- Villamos jelfeldolgozó egység (A nem szabványos mért villamos jelet –pl: ellenállás, szabványos ipari jellé alakítja – 4..20mA, Profibus DP. stb.)
- Helyi kijelző egység (opcionálisan helyi kijelzővel szerelt egységek)
- Mechanikai csatlakozó elemek (A közeggel érintkező mechanikai kialakítás, pl: Aranyozott membrán)
A távadókat osztályozni lehet mérési elv szerint:
- Abszolút nyomás távadó (vákuum-hoz viszonyított mérés)
- Relatív nyomás távadó (Atmoszféra nyomáshoz viszonyított mérés)
A villamos mérőműszerek előnye hogy:
- kiküszöböli a mechanikus nyomásmérők hátrányait
- pontosabb mérést tesz lehetővé
- érzékenyebbek
- automatizálhatók
A folyamatjellemzők vizsgálandó értéktartománya az aktuális technológiától függ. A különböző értéktartományok detektálására különböző fizikai elv javasolt. A gyakorlati életben rendkívül sokféle érzékelési megoldás fordul elő.
Az érzékelők kimeneti jelét (ellenállás-, feszültség-, frekvenciaváltozás, stb.) szabványos jeltartományú jelé kell alakítani. Ha a szabványos jel folytonos, akkor az érzékelőt és a jelátalakítót együttesen távadónak (transmitter), ha a szabványos jel kétállapotú, akkor együttesen kapcsolónak (switch) nevezik.
Az érzékelőkkel szemben támasztott általános követelmény:
- A nagy üzembiztonság, vagyis maga az érzékelő nem romolhat el.
- A rövid és hosszú idejű stabilitás. Az érzékelőnek nem változhatnak fizikai tulajdonságai.
- A kis jelkésleltetés, mivel az érzékelőnek gyorsabbnak kell lennie a mért folyamatjellemző változási sebességénél, hogy időkésés nélküli információt szolgáltasson.
- A nagy érzékenység, és minél nagyobb mérési tartomány, hogy kellően pontos legyen.
A nyomásmérési elvek (szenzorok) főbb típusai:
- kapacitív
- induktív
- ellenállás (piezorezisztív)
Kapacitív elvű nyomásérzékelés
A mérőműszerek felépítése:
• membrán, és rögzítő keret • Érzékelő (bronz, tantál, acél) • Elektróda, és membrán közötti mérőeszköz. |
A kapacitív elvű nyomásmérési elv:
- membrános nyomásmérés elvén alapul
- a membrán és egy másik lemez a kondenzátort alkot, melynek kapacitása függ a fegyverzetek távolságától
- A fém elektróda és a membrán deformációs változásából adódó kapacitív érték változás egyenesen arányos a nyomásváltozással.
- A kapacitás a membránok közötti távolsággal fordítottan arányos.
Kapacitív elvű nyomásérzékelők előnyei:
- nagyon lineárisak
- pontosak ~0,2%
Induktív elvű nyomásérzékelés
Az induktív nyomásmérés elv:
- Bourdon csöves nyomásmérés elvén alapul
- vasmag mozog primer és szekunder tekercsek előtt, induktív csatolást hozva létre
Az érzékelő kialakítása
- Bourdon cső
- lineáris változójú differenciál transzformátor
A világban sokféle kialakítás létezik pl. membrános vagy harmonika kialakítású.
Egy induktív nyomásmérő kialakítása:
Nyúlásmérő bélyeg (ellenállás elvű) nyomásérzékelés
A ellenállás elvű nyomásérzékelés igazából olyan nyúlásmérő bélyeg, amelynek a működési elve a mérő membránra ható nyomás a deformáció elvén olyan változást okoz, amely ellenállás változást okoz. A deformáció egy prizmatikus (a hossz mentén állandó keresztmetszetű rúd ellenállása) elven működő mérőeszköz. A nyomás hatására a bélyeg/lemez megnyúlik, így az ellenállás értéke megváltozik.
Az alakváltozásból keletkező változást tenzometrikus hatásnak hívjuk.
A fajlagos ellenállás változásból keletkező változást piezorezisztív hatásnak hívjuk.
Szilícium alapú (piezorezisztív) mechanikai érzékelők előnyös tulajdonságai:
- Jól definiált elektromos tulajdonságok mellett rendkívül jó
- mechanikai tulajdonságok.
- Jelentős méretcsökkentés lehetőségei.
- Tömeggyárthatóság.
- Integrálhatóság.
- A fémekhez képest több mint egy nagyságrenddel nagyobb érzékenység.
- A Si kiváló mechanikai tulajdonságai.
- Az érzékelő/átalakító elem és a membrán egybe integrálható,
- így nincs hiszterézis és paraméter csúszás.
- A mechanikai deformáció tökéletesen átadódik a membránból az átalakító elembe.
- Az érzékelő ellenállások közvetlenül a deformálódó (meghajló vagy csavarodó) elem legfelső rétegében helyezkednek el, ott ahol a keletkezett mechanikai feszültség a legnagyobb.
- Az ellenállások értéke pontosan beállítható, ez a Wheatstone hidas jelfeldolgozásban különösen előnyös.