Post on 28-Feb-2019
3
Konstrukcja tensometrycznego czujnika siły (przykład)
https://www.tekscan.com
Advantages of a Typical Load Cell
•Very accurate (<0.1% of full scale)
•Readily available
•Calibrated by manufacturer
Disadvantages of a Typical Load Cell
•Bulky in size and rigid construction
•Costly signal conditioning electronics
•Not a good solution for OEM/Design-in
applications
5
The popular "pancake" style load cell, as shown in Figure 6c, isconfigured to operate in shear, offering a very low profile in adesign that is easily environmentally sealed and is largely insensitiveto off-axis loads. Generally, pancake style shear web load cells areavailable in the 1,000 lbf and higher load ranges.
http://www.sensorland.com/
8
F F
F F
Zasada działania
przetworników wagi i
przetworników siły
Zasada działania
przetworników wagi i
przetworników siły
Lokalizacja tensometrów w różnych czujnikach siły firmy HBM
10
Rodzaje czujników
Najczęściej czujniki ciśnienia klasyfikuje się ze względu na rodzaj mierzonego medium (może nim być gaz lub
ciecz), technologię wykonania (mechaniczne, półprzewodnikowe), zakres ciśnienia wejściowego itp. Czujnik
może mierzyć ciśnienie bezwzględne (absolutne), względne (różnicowe) lub nadciśnienie. Pierwsze czujniki
ciśnienia były typu mechanicznego. Ciśnienie działało na membranę lub mieszek i ich odkształcenie
powodowało przesunięcie układu dźwigni sterującej moment obrotowy. Ten indukował w przetworniku
zmienne napięcie, które po wyprostowaniu i wzmocnieniu dawało prądowy sygnał wyjściowy proporcjonalny
do siły, a tym samym ciśnienia. Inne rozwiązania wykorzystywały np. przesunięcie rdzenia cewki i zmianę jej
indukcyjności, co wpływało na zmianę częstotliwości generatora. Urządzenia tego typu były dużych rozmiarów,
wymagały też precyzyjnej kalibracji i okresowej konserwacji. Współcześnie główny udział w rynku mają sensory
półprzewodnikowe. Dwa główne rodzaje omawianych przyrządów to pojemnościowe i piezorezystancyjne
czujniki ciśnienia
11
There Are Five Basic Types (podział według HONEYWELL):
Gage pressure sensors - With gage sensors, pressure readings are referenced to the atmosphere. That is,
zero output is at atmospheric pressure. You use this type of sensor when you need to measure both vacuum
(negative output) and pressure (positive output).
Vacuum pressure sensors - A vacuum sensor's output is zero at atmospheric pressure, like the gage sensor,
but the output increases as vacuum increases. You calibrate vacuum sensors so their output becomes more
positive as the pressure becomes more negative.
Differential pressure sensors - This type of sensor has two pressure ports, as shown in Figure 1, and senses
the difference in pressure between the two ports. You can use differential pressure sensors to measure the
pressure of liquids or gasses.
Absolute pressure sensors - The reference for this type of sensor is full vacuum. That is, the output is zero at
full vacuum. Note that there is no polarity change when the input pressure changes from vacuum to pressure
above atmosphere.
Barometric pressure sensors - Barometric pressure sensors are absolute pressure sensors with a limited
range. Usually, the output of these sensors is expressed as "inches of Mercury (Hg)," and the output ranges
are 16-32 inch HgA or 26-32 inch Hg with zero output at the low number. A standard "absolute" sensor may
be used over 0-30 in HgA range, but the limited range offers more resolution, especially with a voltage output
for the typically small barometric pressure changes. You may use several different types of pressure
transducers in a typical engine test stand.
https://measurementsensors.honeywell.com/techresources/appnotes/Pages/choosing_pressure_sensors.aspx
12https://measurementsensors.honeywell.com/techresources/appnotes/Pages/choosing_pressure_sensors.aspx
Gage Pressure Sensors:
Engine oil pressure - To ensure lubrication system integrity, you often want to correlate oil pressure with time and
crankshaft position.
Coolant pressure - Coolant pressure is a measure of how well the cooling system is working.
Fuel pressure - You measure fuel pressure during fuel pump and pressure regulator tests.
Cylinder compression (cold test) - To measure this parameter, you insert a gage sensor into each cylinder's spark plug
hole. By correlating cylinder pressure with cranking torque, crank angle and timing, you can detect piston ring, valve or crank
problems.
Pressure decay - By measuring how quickly the pressure decays inside a pressurized cavity, you can detect damaged or
missing gaskets and O-rings, emission valve problems, and other leaks. You also can use a differential pressure sensor to
measure pressure decay.
Vacuum Pressure Sensors: Manifold vacuum - This is the most common use for vacuum sensors in engine testing. For this
measurement, you calibrate the output to be in either inches of mercury, Hg or psiv (psi, vacuum).
Differential Pressure Sensors:Fluid flow - Using a precision calibrated orifice or Venturi tube, and measuring the differential pressure across the orifice,
you can measure intake airflow or engine coolant flow. The advantage of using a differential pressure sensor for this
measurement instead of two gage sensors is that accuracy is always specified as a percentage of the sensor's full-scale
reading. By using a differential pressure sensor, the full-scale reading can be much smaller, thereby reducing measurement
error.
Dry airflow - You need to measure dry airflow when testing engine-block oil ports. You can correlate the back pressure
with crankshaft position to find missing main bearings or plugged oil cavities.
Metody elektryczne pomiaru ciśnienia wykorzystują zależności odkształcenia elementu sprężystego od
wartości mierzonego ciśnienia. Pomiarowym elementem sprężystym są różnego rodzaju membrany
ulegające odkształceniu pod działaniem różnicy ciśnień. Stopień odkształcenia membrany świadczy o
wartości ciśnienia. Do pomiaru odkształcenia stosuje się opisane już czujniki indukcyjne, pojemnościowe
lub tensometry. Czujniki indukcyjne i pojemnościowe mogą reagować na liniowe przemieszczenie
membrany, natomiast tensometry naklejone na membranę mierzą odkształcenia powierzchniowe.
Czujniki tensometryczne lub piezorezystancyjne wykorzystują zjawisko zmiany rezystancji metalu lub
półprzewodnika pod wpływem odkształcenia. Czułość tensometrów półprzewodnikowych jest około 2
rzędy większa od metalowych. Pośrednio tensometry mogą być zastosowane do pomiaru siły, momentu,
naprężenia, masy, ciśnienia. Tradycyjne konstrukcje przetworników tych wielkości wymagają klejenia
tensometrów na sprężystym podłożu, natomiast wiele rodzajów współczesnych mikroczujników
wytwarza się w technologii MEMS, a same czujniki piezorezystancyjne są tu implantowane bezpośrednio
na powierzchni przez domieszkowanie krzemu (np. w piezorezystancyjnych czujnikach ciśnienia).
13http://www.zpss.aei.polsl.pl
14
A four-resistor network in a Wheatstone-bridge arrangement is applied to a machined stainless-steel button.
The thin steel button bulges under pressure, changing the resistance and unbalancing the bridge, producing
an output voltage. An advantage of the thin-film sensor is that stainless steel is the only material touching
the refrigerant.
http://machinedesign.com/sensors
A stainless steel piece is hollowed out to provide a thin
diaphragm and materials are deposited on the top of
that piece of steel. Resistors are implanted into the thin
film in a Wheatstone Bridge arrangement and the
pressure
applied to the hollowed out side of the steel is
transferred to those resistors, upsetting the bridge. The
thin film elements are welded into stainless steel
housings and appropriate signal conditioning is added to
complete the sensor construction. It is not uncommon to
find thin film elements rated as high as 20,000 PSI
http://www.hydraulicsonline.net/applicationarticles.html
20
CZUJNIKI POJEMNOŚCIOWE
W czujnikach pojemnościowych membrana pomiarowa pokryta jest warstwą materiału przewodzącego lub
w postaci metalowej płytki stanowi jedną z okładzin kondensatora. Gdy się ugina pod wpływem przyłożonego
ciśnienia, odległość między nią a elektrodą nieruchomą maleje. Powoduje to wzrost pojemności C
kondensatora zgodnie z zależnością C = ε0·εR·(S/D), gdzie ε0 to przenikalność elektryczna próżni, εR -
przenikalność elektryczna izolatora między okładkami, S - pole powierzchni elektrody, a D - odległość między
okładkami.
Pojemnościowe sensory charakteryzuje duża czułość, dzięki czemu są one używane do pomiaru małych
ciśnień (rzędu pojedynczych milibarów). Inne ich zalety to duża wytrzymałość na przeciążenie oraz większa
stabilność długoterminowa w porównaniu do czujników tensometrycznych i piezorezystancyjnych.
W czujnikach piezoelektrycznych pod wpływem przyłożonego ciśnienia na powierzchni elementu
pomiarowego wykonanego na przykład z kwarcu pojawiają się ładunki elektryczne. Zakres zastosowania
sensorów tego typu jest niestety ograniczony.
Charakteryzuje je za to większa odporność na
temperaturę, wibracje i uderzenia w porównaniu do
innych typów czujników. Wybierając przetwornik
ciśnienia, porównać należy wiele parametrów oraz
rozwiązań konstrukcyjnych różnych modeli przyrządów
pod kątem wymagań danej aplikacji.
http://automatykab2b.pl/
21
Pojemnościowy czujnik ciśnienia
cd. – inny opis
Metody wykonywania czujników i ich zasada działania jest różna dla różnych technologii stosowanych na
różne zakresy ciśnień.
Na powierzchni elastycznej membrany, która wybrzusza się pod wpływem ciśnienia w komorze napylona
jest elektroda, która pod wpływem ugięcia zmienia swoją odległość od drugiej, zamontowanej na stałe
elektrody i tym samym zmienia się pojemność tak zbudowanego kondensatora.
Zmiana pojemności jest proporcjonalna do panującego ciśnienia. Jeżeli z drugiej strony podamy inne
ciśnienie względem którego chcemy dokonać pomiaru to wynik będzie różnicą pomiędzy tymi ciśnieniami.
Taki czujnik zawiera już w swojej strukturze odpowiednią elektronikę, dzięki której mamy na wyjściu sygnał
napięciowy proporcjonalny do ciśnienia.
http://www.portalnaukowy.edu.pl
22
Nie bez powodu czujniki ciśnienia bazujące na zjawisku piezoelektrycznym są bardzo popularne. Modele,
które są obecnie dostępne na rynku, charakteryzują się niewielkimi rozmiarami, niewielką histerezą i
względnie niską ceną, rozpoczynającą się od 10 dolarów za sztukę, która w przypadku egzemplarzy o
najwyższych parametrach sięga tysiąca dolarów. Czujniki z sensorami piezoelektrycznymi są mało podatne na
zmiany związane z ich starzeniem się, a fakt, że bezpośrednio przetwarzają ciśnienie na napięcie sprawia, że
są bardzo precyzyjne, a jednocześnie łatwe w aplikacji. Ich zakres pomiarowy sięga przy tym, w zależności od
przeznaczenia danego modelu czujnika, od ułamków paskala do setek megapaskali, co odpowiada stosunkowi
sygnał-szum równemu około 120dB.
Ponieważ czujniki z sensorami piezoelektrycznymi reagują również na zmiany ciśnienia o częstotliwości do
100kHz, są najszybszymi z dostępnych obecnie na rynku czujników tego typu. W praktyce czujniki ciśnienia
stosuje się w pomiarach w procesach przemysłowych, pomiarach akustycznych, zliczaniu przejeżdżających
przez autostradę samochodów, badaniach eksplozji bomb, a nawet podczas prób z silnikami rakietowymi!
Czujniki wykorzystujące efekt piezoelektryczny http://elektronikab2b.pl
23
http://elektronikab2b.pl
Wszystkie czujniki piezoelektryczne bazują na zjawisku polegającym na powstawaniu potencjału elektrycznego
wewnątrz kryształów amorficznych lub w niektórych polimerach wraz ze zmianami ich naprężeń. Należy
podkreślić, że zgromadzony ładunek upływa poprzez wyprowadzenia czujnika i po pewnym czasie utrzymywania
się stałego ciśnienia zanika. W związku z tym sensory piezoelektryczne nie nadają się do pomiarów ciśnienia
statycznego – mają one zastosowanie jedynie tam, gdzie dynamika zmian mierzonego ośrodka jest większa niż
szybkość spadku napięcia w krysztale.
Kluczowym elementem czujnika jest zazwyczaj krzemowa belka o grubości od kilku do kilkudziesięciu
mikrometrów, która jest oparta z każdej strony o sztywną obudowę. Odpowiednio wyprofilowane i szczelne
doprowadzenia służą jako interfejsy wejściowe czujnika. Podłączane są one do ośrodków, które wywierają
niejednakowy nacisk na krystaliczną belkę, powodując naprężenia w strukturze kryształu. Mikroskopijna
konstrukcja piezoelektrycznego przetwornika kwalifikuje całe urządzenie do grupy układów MEMS ( Micro
Electro-Mechanical Systems).
Z kolei przeznaczenie danego czujnika określane jest przez jego obudowę, a co za tym idzie – przez rozmiar.
Dostępne na rynku sensory można przy tym podzielić na pięć kategorii: różnicowe, atmosferyczne, czujniki o
stałym ciśnieniu odniesienia, czujniki bezwzględne i mierniki próżni.
24
Przekrój przez piezoelektryczny
czujnik ciśnienia z kompensacją
przyśpieszenia
http://elektronikab2b.pl
25
Piezoelectric pressure sensors are available in various shapes and thread configurations to allow suitable
mounting for various types of pressure measurements. Quartz crystals are used in most sensors to ensure
stable, repeatable operation. The quartz crystals are usually preloaded in the housings to ensure good
linearity. Tourmaline, another stable naturally piezoelectric crystal, may be used in PCB sensors where
volumetric sensitivity is required. Figure 1 is a general purpose pressure sensor with built-in electronics.
https://www.pcb.com/techsupport/tech_pres
26
Czujniki różnicowe mają dwa porty wejściowe, do których podłączane są odseparowane od siebie ośrodki o
określonych ciśnieniach. Wynikiem pomiaru jest różnica ciśnień pomiędzy jednym a drugim wejściem. Główne
zastosowanie tego typu czujników stanowią sterowniki procesów, gdzie konieczne jest zachowanie równowagi
ciśnień pomiędzy dwoma ośrodkami. Działanie wszystkich kolejnych podtypów czujników opiera się na tej
samej zasadzie – różnice polegają jedynie na liczbie dostępnych portów. Przykładowo czujniki atmosferyczne
mierzą różnicę ciśnienia pomiędzy aktualnym ciśnieniem otoczenia a ciśnieniem gazów doprowadzonych do
portu wejściowego czujnika. Oznacza to, że jeden z portów jest stale otwarty. Czujniki te mają zastosowanie
tam, gdzie istotna jest kontrola stosunku ciśnienia w jednym ośrodku, do ciśnienia otoczenia – tak jak np. w
oponach samochodowych.
Kolejną grupa czujników różni się niewiele od poprzedniej. Są nimi sensory posiadające jeden z portów na stałe
przyłożony do zamkniętej komory, w której utrzymywane jest ciśnienie referencyjne, niezależne od warunków
panujących w otoczeniu. Czujniki te stosuje się głównie w precyzyjnych barometrach, gdyż ich największa
czułość przypada na wartości nieco większe lub mniejsze niż ciśnienie referencyjne. Istnieją również czujniki
bezwzględne, dla których punktem odniesienia jest komora próżniowa podłączona na stałe do jednego z
portów. Nadają się one do pomiarów szerokiego zakresu ciśnień i są często stosowane w wysokościomierzach.
Ostatni rodzaj czujników piezoelektrycznych to mierniki próżni. Ich interfejs wejściowy jest podobny jak w
przypadku czujników atmosferycznych, ale są one przystosowane do pomiarów bardzo niskich ciśnień. Główne
zastosowanie tego typu czujników polega na badaniu jakości próżni wytworzonej w przypadku różnych
procesów technologicznych.http://elektronikab2b.pl
27
Piezo-Resistive based sensors such as the Kavlico P4000
and P250 use welded oil filled headers with stainless steel
isolation diaphragms to protect the sense technology.
(Figure 3) is a cross section of the pressure media interface
for that type of product. The sense element is a high
pressure 3,000 to 6,000 PSI piezo-resistive silicon MEMS
device (PRT). The PRT device consists of 4 resistors
connected in a Wheatstone Bridge configuration. It is
mounted on a header
with glass feed-throughs for the external connection to the
leads of the silicon chip. The header is welded into a stainless
steel housing with an isolation diaphragm. The header
structure is filled with silicon oil and then sealed. As pressure
is applied against the diaphragm, it is transmitted to the
element by the incompressible oil.
http://www.hydraulicsonline.net/applicationarticles.html
28
PORADY DOTYCZĄCE INSTALACJI PRZETWORNIKÓW CIŚNIENIA
O sposobie instalacji przetwornika ciśnienia decydują głównie: specyfika aplikacji oraz wskazówki producenta.
Ponadto dostęp do urządzenia nie powinien być utrudniony, a jego odłączanie oraz przyłączanie w celu
kalibracji, konserwacji, naprawy lub wymiany musi być bezpieczne dla personelu i nie może zakłócać
monitorowanego procesu.
Aby to uzyskać, zwykle korzysta się z rur rozgałęźnych oraz zaworów, które są dostępne w komplecie z
przetwornikiem lub oddzielnie. Dużym ułatwieniem jest też budowa modułowa. Można wówczas sprawnie,
szybko oraz tanio wymienić popsuty moduł, zamiast całego urządzenia. Przetworników ciśnienia nie należy
montować tam, gdzie mogą być narażone na silne wibracje i uderzenia.
Częstą przyczyną problemów w ich funkcjonowaniu są też błędy popełnione na etapie ich przyłączania do
mierzonego medium za pośrednictwem przewodów impulsowych. Aby uniknąć komplikacji, doprowadzenia te
powinny być jak najkrótsze i bez ostrych załamań. Muszą też mieć odpowiedni przekrój oraz nachylenie.
Ponadto w instalacjach z cieczą lub parą, która może ulec kondensacji, przewody impulsowe należy prowadzić w
dół - do przetwornika zamontowanego poniżej punktu pomiarowego. Przyrządy mierzące ciśnienie gazu trzeba z
kolei montować powyżej miejsca poboru ciśnienia. Zapobiega to zatykaniu się przewodów skroplinami oraz
powietrzem. Rurki impulsowe powinny być też wyposażone w mechanizmy do odpowietrzania i odskraplania.
Przewody doprowadzające medium do obu portów przetworników różnicowych muszą mieć taką samą
temperaturę. Pod wpływem przyciągania ziemskiego membrana czujnika ugina się nieznacznie. Po obróceniu o
360° wygięcie ma inny zwrot, co wpływa na wartość offsetu. Dlatego przetworniki ciśnienia najlepiej montować
w tej samej pozycji, w której zostały skalibrowane. Jeżeli nie jest to możliwe, po zainstalowaniu offset trzeba
skorygować.
http://automatykab2b.pl