Kompendium przemysłowych przetworników ciśnienia

Na rysunku 1 przedstawiono najprostszy przyrząd do pomiaru ciśnienia - manometr cieczowy dwuramienny. Przetwornik ten składa się ze szklanej rury w kształcie litery U, częściowo wypełnionej płynem o znanej gęstości - na przykład wodą, olejem lub rtęcią. Poziomy cieczy w obu ramionach manometru zmieniają się proporcjonalnie do różnicy ciśnień na ich końcach. Odmianą przetworników cieczowych są manometry z ramieniem pochyłym (rys. 2). Ich zaletą jest duża czułość, dlatego są używane do pomiaru małych ciśnień.

PRZETWORNIKI MECHANICZNE

W przemyśle częściej wykorzystywane są przyrządy, w których elementem pomiarowym są mieszki, membrany lub rurki Bourdona (rys. 3). Pod wpływem przyłożonego ciśnienia te pierwsze rozciągają się, z kolei membrany wyginają się na zewnątrz. W rurce Bourdona, która jest ciasno zwinięta w okrąg w obudowie manometru zwiększa się natomiast pole przekroju poprzecznego.

W rezultacie przewód pomiarowy rozwija się. Mieszki, membrany oraz rurki Bourdona połączone są ze wskazówką manometru. Kiedy ich kształt ulega zmianie, wskazówka obraca się po tarczy ze skalą, na której można odczytać wynik pomiaru. Niektórzy producenci (na przykład Wika) oferują również manometry tego typu z elektrycznym sygnałem wyjściowym.

Rys. 1. Manometr cieczowy dwuramienny

Rys. 2. Manometr cieczowy z pochyłą rurką

Oddzielną grupę stanowią elektroniczne przetworniki ciśnienia, w których na skutek przyłożonego ciśnienia zmieniają się parametry elektryczne (na przykład rezystancja, pojemność) elementu pomiarowego. Tym ostatnim najczęściej są czujniki tensometryczne, piezorezystancyjne, pojemnościowe oraz piezoelektryczne.

CZUJNIKI TENSOMETRYCZNE

Rys. 3. Elementem pomiarowym w manometrach mechanicznych są a) mieszki, b) membrany lub c) rurki Bourdona

W sensorach tensometrycznych wykorzystywane jest zjawisko zmiany rezystancji R przewodnika w wyniku zmiany jego wymiarów. Z zależności R=ρ·(l/S), gdzie ρ to rezystywność materiału, l - długość, a S - pole przekroju poprzecznego przewodnika, wynika, że im jest on węższy i dłuższy, tym ma większą rezystancję.

Jeżeli natomiast metal jest ściskany, jego opór elektryczny maleje. Do pomiaru ciśnienia używane są zwykle cztery sensory tensometryczne tworzące mostek pomiarowy (Wheat stone’a). Czujniki te są mocowane na membranie, która pod naporem mierzonego medium ugina się. Powoduje to również odkształcenie czujników i zmianę ich rezystancji (rys. 4).

Wartość napięcia wyjściowego mostka jest wówczas proporcjonalna do ciśnienia działającego na membranę. Czujniki tensometryczne mogą być wykonywane w technologii cienko- lub grubowarstwowej. Ich zaletą jest odporność na uderzenia oraz wibracje, natomiast wadą zależność czułości i dokładności pomiaru odpowiednio od sposobu rozmieszczenia tensometrów na membranie oraz jakości ich przymocowania.

SENSORY PIEZOREZYSTANCYJNE

Rys. 4. Ugięcie membrany powoduje ściskanie i rozciąganie przymocowanych do niej tensometrów

Zasada działania czujników piezorezystancyjnych jest podobna - wydłużenie lub ściśnięcie elementu pomiarowego wpływa na jego rezystancję. Ponieważ są one wykonywane z półprzewodników, przyczyną tego jest przede wszystkim zmniejszenie lub zwiększenie rezystywności. W materiałach takich jak krzem jest to zmiana nawet kilkaset razy większa niż w wyniku zmiany długości i przekroju poprzecznego.

Dzięki temu czujniki piezorezystancyjne mogą być używane do pomiaru bardzo małych ciśnień (rzędu pojedynczych milibarów). Z drugiej strony wymagają one kompensacji temperaturowej, mogą też łatwo ulec uszkodzeniu w wyniku kontaktu z mierzonym medium. Dlatego w ich konstrukcji stosowane są specjalne rozwiązania.

Sensory piezorezystancyjne realizowane są jako mikrostruktury w układzie mostka pomiarowego zintegrowane z krzemową membraną. Tę ostatnią zamyka się w hermetycznej obudowie. Całość umieszczona jest w kolejnej obudowie na przykład ze stali szlachetnej, od strony mierzonego medium zamkniętej drugą membraną. Wolna przestrzeń między czujnikiem a zewnętrzną membraną jest wypełniona cieczą manometryczną.

Zwykle jest to olej syntetyczny (rys. 5). Dzięki takiej budowie kontakt z mierzonym medium ma wyłącznie membrana zewnętrzna, która uginając się, pośrednio przez olej wywiera ciśnienie na membranę czujnika. Ponieważ ciecz manometryczna charakteryzuje się określoną rozszerzalnością cieplną, może w pewnych warunkach fałszować wyniki pomiaru. Zapobiega się temu, ograniczając do minimum wolną przestrzeń między membranami.