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:

  1. Szenzor egység (nyomást, villamos/mechanikai jelé alakítja)
  2. Villamos jelfeldolgozó egység (A nem szabványos mért villamos jelet –pl: ellenállás, szabványos ipari jellé alakítja – 4..20mA, Profibus DP. stb.)
  3. Helyi kijelző egység (opcionálisan helyi kijelzővel szerelt egységek)
  4. 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.

 Kapacitiv_nyomasmeres

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:

 induktív nyomásmérő

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.