CZUJNIKI POJEMNOŚCIOWE I PIEZOELEKTRYCZNE

Rys. 5. Wolna przestrzeń między czujnikiem piezorezystancyjnym a zewnętrzną membraną jest wypełniona cieczą manometryczną

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·ε_R·(S/D), gdzie ε₀ to przenikalność elektryczna próżni, ε_R - 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.

Ciśnienie - definicja, jednostki, klasyfikacja W zależności od przyjętego punktu referencyjnego ciśnienie może być mierzone jako bezwzględne, względne lub różnicowe (rys. 6). Dla pierwszej wielkości odniesieniem jest próżnia idealna o ciśnieniu 0. Ciśnienie względne jest z kolei wyznaczane w odniesieniu do lokalnego ciśnienia atmosferycznego. To ostatnie wynosi około 1 bara na poziomie morza i maleje wraz ze wzrostem wysokości. Rys. 6. Ciśnienia bezwzględne i względne wyznaczane są względem innej wartości odniesienia Rys. 7. Realizacja pomiaru ciśnienia różnicowego Ciśnienie atmosferyczne zależy również od warunków pogodowych. Z kolei ciśnienie różnicowe jest miarą różnicy dwóch ciśnień doprowadzonych do wejść przetwornika (rys. 7). Jeżeli jedna strona przyrządu zostanie połączona z komorą próżniową, można zmierzyć ciśnienie bezwzględne.

PRZETWORNIKI INTELIGENTNE ORAZ ZAKRES POMIAROWY

W przypadku przetworników elektronicznych można wybierać między czujnikami z wyjściem analogowym (pętlą prądową 4...20 mA albo sygnałem napięciowym 0...10 V lub 0...5 V) a sensorami inteligentnymi z wyjściem cyfrowym. Zaletą tych drugich jest wstępna obróbka wyników pomiarów w przetworniku. Sygnał elektryczny z czujnika jest bowiem najpierw przetwarzany na sygnał cyfrowy w przetworniku A/C.

Następnie w mikrokontrolerze wykonywane są niezbędne obliczenia - na przykład związane ze skompensowaniem wpływu temperatury. Ponadto zwykle przetworniki takie są wyposażane w przemysłowe interfejsy komunikacyjne. Parametrem sprawdzanym w dalszej kolejności jest zakres pomiarowy. Określa on minimalną oraz maksymalną wartość ciśnienia, którą można zmierzyć danym przyrządem z określoną dokładnością.

W pewnym zakresie, tzw. dopuszczalnego przeciążenia, poza tym przedziałem błąd pomiarowy będzie większy, jednak sensor wciąż będzie działał poprawnie. Po przekroczeniu tzw. ciśnienia niszczącego przyrząd może natomiast ulec nieodwracalnemu uszkodzeniu.

Nie zaleca się korzystania z przetworników o zbyt dużym zakresie pomiarowym w stosunku do potrzeb, ponieważ dokładność pomiaru oraz zmiana sygnału wyjściowego czujnika będą małe. Równocześnie zakres pomiarowy nie powinien być zbyt wąski, bo inaczej przyrząd może się łatwo zepsuć.

Wykrywanie przeciążenia podnośników Rys. 8. Im większą wartość ma F2, tym większe jest ciśnienie cieczy Przetworniki ciśnienia używane są w systemach sterowania maszynami hydraulicznymi, na przykład do wykrywania przeciążenia podnośników. Siła F1 wytwarza ciśnienie, które wywiera na podnoszony ładunek siłę F2 (rys. 8). Im większa masa podnoszonego towaru, tym większa siła wymagana jest do jego udźwignięcia. Wówczas odpowiednio rośnie również ciśnienie cieczy hydraulicznej. Jeżeli ładunek będzie zbyt ciężki ciśnienie to przekroczy wartość graniczną. System sterowania unieruchomi wówczas podnośnik, zapobiegając jego uszkodzeniu.

WPŁYW ZMIAN TEMPERATURY I RODZAJU MEDIUM

Pod wpływem zmian temperatury również mogą zmieniać się właściwości materiałów, z których wykonane są elementy konstrukcyjne przyrządów pomiarowych. Przykładowo części z tworzyw sztucznych i uszczelnienia w wyniku długotrwałego oddziaływania wysokiej lub niskiej temperatury szybciej się zużywają i tracą sprężystość.

Aby uniknąć uszkodzenia lub zniszczenia czujnika, należy wybierając go sprawdzić, czy zakresy temperatur mierzonego medium oraz otoczenia w czasie pracy i przechowywania przyrządu odpowiadają wymaganiom aplikacji. W przemyśle mierzone może być ciśnienie rozmaitych mediów, na przykład czynników chłodniczych w systemach chłodzenia maszyn, oleju hydraulicznego w maszynach hydraulicznych, sprężonego powietrza w maszynach pneumatycznych oraz różnych chemikaliów.

Właściwości chemiczne i fizyczne mierzonego płynu mogą wpłynąć na te elementy czujnika, z którymi ma on bezpośredni kontakt. Jeżeli przykładowo medium będzie reagowało z materiałem membrany w wyniku jej korozji, może zmienić się charakterystyka pomiarowa czujnika. Z czasem też mierzony płyn z pewnością wniknie do wnętrza przyrządu, powodując dalsze zniszczenia.

Dlatego należy dopilnować, by czujnik nie był używany do pomiaru innych mediów niż te, które wymieniono w karcie katalogowej jako dopuszczalne. Aby zwiększyć zakres mierzalnych mediów, stosowane są różne rozwiązania konstrukcyjne. Przykładowo membrany wykonywane są ze stali nierdzewnej pokrytej powłoką ochronną (z tworzywa sztucznego, metali szlachetnych lub materiałów ceramicznych), tytanu, stopów niklu, molibdenu lub kobaltu.

W przetwornikach do pomiarów mediów o dużej lepkości lub tworzących osady, które mogą zatykać czujnik stosowane są z kolei membrany podwójne, jak te w przypadku czujników piezorezystancyjnych (rys. 5). W przyrządach do pomiaru ciśnienia tlenu nie można natomiast używać olejów i smarów.

Z kolei acetylen tworzy z miedzią związki wybuchowe (na przykład acetylenek miedzi). Elementy przetwornika, które mogą mieć styczność z acetylenem, mogą być zatem zrobione wyłącznie ze stopów miedzi o jej zawartości poniżej 70%.

Pomiary poziomu cieczy w zbiorniku Rys. 9. Przetwornik ciśnienia mierzy poziom napełnienia zbiornika Ciśnienie wytwarzane przez słup cieczy jest opisywane zależnością P=ρ·g·h, gdzie ρ to gęstość cieczy, g - przyspieszenie ziemskie, natomiast h - wysokość słupa. Przy założeniu, że gęstość nie zmienia się mierząc ciśnienie cieczy, można obliczyć jej poziom. Przetworniki ciśnienia są używane m.in. do monitorowania wypełnienia zbiorników. Gdy ciśnienie w zasobniku spada poniżej określonej wartości, system sterowania uruchamia pompę tłoczącą ciecz. W tym zastosowaniu wykorzystywane są zanurzalne sondy poziomu lub przetworniki montowane na zewnątrz zbiornika. Przykład realizacji układu pomiarowego z przetwornikiem różnicowym przedstawiono na rysunku. Gdy poziom cieczy rośnie, różnica ciśnień między portami czujnika również wzrasta. Jeżeli zbiornik nie jest odpowietrzony, wynik pomiaru należy skorygować o ciśnienie wywierane na powierzchnię cieczy.