Датчик давления

Передатчик давления

Датчик давления принадлежит к группе манометров , который в качестве первого элемента измерительной цепи , физическая величина -давления (= сила на поверхность ) в электрической мощности в качестве меры давления формования . Единица СИ для давления является Паскаль с единичным символом Па. В соответствии с DIN 1301 , на панели , панели блока символов, также допускается. Датчики давления доступны для измерения стационарного давления, перепада давления или колебаний давления вплоть до звукового давления .

Типы датчиков давления

В зависимости от метода измерения на рынке представлены различные датчики давления, такие как:

  • Датчики абсолютного давления : этот тип датчика связывает свое измерение давления с вакуумом с давлением почти 0 бар.
    • Датчики барометрического давления: Датчик абсолютного давления этого типа специально разработан для диапазона давления 0–1,3 бар и измеряет атмосферное давление.
  • Датчики перепада давления: этот тип датчика измеряет разницу давления между двумя измерительными камерами, в которых может преобладать разное давление. Изменения давления, влияющие на обе измерительные камеры, не регистрируются.
  • Двунаправленные датчики перепада давления: как и датчики перепада давления, этот тип измеряет перепад давления, существующий в двух камерах. Особенностью этого является то, что измерительная мембрана может изгибаться в обоих направлениях, отсюда и термин «двунаправленная».
  • Датчики относительного давления : этот тип аналогичен датчику дифференциального давления . Относительное давление по отношению к атмосфере (атмосферное давление воздуха) измеряется в качестве эталона.

Производители, особенно в англоязычных странах, называют датчики абсолютного давления «абсолютными» или «а». Датчики давления, предназначенные для измерения давления относительно атмосферного, называются «манометрическими» или «g». Далее проводится различие между замкнутой (и, таким образом, структурно герметичной) атмосферой, например, 1013 мбар (герметичный манометр) и измерением относительно фактически существующего атмосферного давления. В последних упомянутых датчиках давления атмосферная камера обычно связана с атмосферным давлением через небольшое отверстие.

Давление может быть измерено в газообразных и жидких средах, а также в твердых телах в качестве компонента, передающего силу.

Материалы сенсора

В качестве сенсорных материалов используются кремний , кварц или металлы . С помощью полупроводниковых технологий теперь также можно наносить тонкие пьезоэлектрические пленки непосредственно на измерительные тела. В основном это оксид цинка (ZnO) или нитрид алюминия (AlN).

Монолитные датчики давления состоят только из одного материала, например Б. Кварц; Помимо эластичного основного материала, иногда используются тензодатчики .

Эффекты физических измерений

Для записи измеряемой величины используются различные физические эффекты измерения . Поэтому датчики давления делятся на следующие типы:

Пьезорезистивный датчик давления

Для датчиков давления пьезорезистивных, либо металлические деформаций датчиков или чувствительные к давлению используются полупроводниковые чипы. Материалы, используемые для измерения давления, сильно зависят от температуры, но поскольку это влияние одинаково для всех сопротивлений, оно может быть неэффективным из-за электрической цепи, создающей разницу . Распространены следующие сенсорные технологии:

Керамические толстопленочные сенсоры изготавливаются из оксида алюминия . Основание корпуса представляет собой массивное кольцо, гранью которого является мембрана. На обратной стороне мембраны - стороне, противоположной давлению - прикреплены тензодатчики и пригнаны с использованием процесса трафаретной печати . Керамика из оксида алюминия почти идеально эластична до предела прочности. Керамические толстопленочные датчики обычно имеют отличное соотношение цены и качества и устойчивы ко многим химическим веществам.

Металлические тонкопленочные сенсоры состоят из круглой кольцевой мембраны из нержавеющей стали. Проводящий материал для тензодатчиков наносится на мембрану посредством осаждения из паровой фазы, а затем структуры подвергаются фотолитографическому травлению. Полученные тензодатчики тоньше 1 мкм. Датчики относительно небольшие, подходят для приложений с высоким давлением и чрезвычайно устойчивы к вибрации.

Кремниевые датчики давления имеют кремниевую мембрану и диффузионные резисторы, зависимые от деформации (DMS).

Пьезорезистивные кремниевые датчики работают по тому же принципу, что и металлические тензодатчики. Однако измеримый эффект основан не на изменении сопротивления, а на изменении структуры кристаллической решетки и, следовательно, подвижности электронов. Фактически сенсорный элемент представляет собой кремниевый чип размером несколько миллиметров, который прикреплен к разъему TO . Коллектор находится в круглой металлической капсуле, закрытой металлической мембраной. Внутренняя часть заполнена маслом, которое передает давление с мембраны на чип. Измерительные ячейки очень разнообразны по диапазону давления и размеру. Кроме того, они особенно устойчивы к перегрузкам и, благодаря соответствующим материалам мембран, могут использоваться для многих сред.

Пьезоэлектрический датчик давления

В пьезоэлектрическом датчике электрическое напряжение генерируется в кристалле посредством давления через разделение зарядов. Это называется пьезоэлектрическим эффектом . Давление сдвигает ионы внутри кристалла, создавая электрический заряд, пропорциональный силе на поверхности . Заряд преобразуется в пропорциональное электрическое напряжение усилителем заряда . Прямое измерение напряжения невозможно, так как генерируемый небольшой заряд должен быть очень хорошо изолирован и не должно допускаться изменение электрической емкости . Любое давление может быть установлено в качестве нулевой точки усилителя заряда путем получения (короткого замыкания) заряда; это позволяет напрямую измерить изменения давления.

Пьезоэлектрические датчики в основном измеряют только силы. Если датчик будет использоваться в технике измерения давления, давление сначала необходимо пропорционально преобразовать в силу через мембрану.

Преимущества пьезоэлектрических датчиков:

  • нечувствителен к высоким температурам
  • не требуется внешний источник питания
  • высокая чувствительность
  • механически очень жесткий, что означает лишь незначительные собственные колебания или постколебательные эффекты
  • подходит для колебаний давления на высоких частотах до> 100 кГц.

Недостатки пьезоэлектрических датчиков:

  • Не может использоваться без усилителя заряда
  • Не может использоваться для статических измерений, таких как уровень воды или давление воздуха, потому что даже при максимально возможной изоляции фактически постоянный заряд стекает в течение нескольких часов.

Датчики давления в диапазоне вакуума

Здесь также делается ссылка на:

  • Вакуумметр теплопроводности по Пирани, диапазон измерения около 100… 0,1 Па
  • Ионизационный вакуумметр с холодным катодом по Пеннингу, диапазон измерения ок. 10-1 ... 10-5 Па
  • Ионизационный измеритель вакуума с горячим катодом по Байярду-Альперту, диапазон измерения примерно 10-1 ... 10-10 Па

Частотный аналоговый датчик давления

Обычно это пьезорезистивный датчик давления, который измеряет давление с помощью тензодатчиков и расширяется кольцевым генератором с точки зрения схемы . При изменении давления изменяется сопротивление тензодатчиков и расстраивается частота кольцевого генератора. Выходная частота прямо пропорциональна приложенному давлению.

Датчик давления с элементом Холла

Он работает в соответствии с эффектом Холла , при котором магнитное поле вокруг элемента Холла изменяется при приложении давления.

Емкостной датчик давления

Емкостные датчики давления содержат два конденсатора, рассеянные в кремниевом кристалле . При приложении давления расстояния между мембраной и двумя обкладками конденсатора, противоположными с обеих сторон, и, таким образом, емкости конденсаторов изменяются в противоположных направлениях. Обычно конденсаторы являются частью внутреннего усилителя, выходной сигнал которого зависит от разницы в емкостях.

Индуктивный датчик давления

Индуктивные датчики давления работают с индуктивным датчиком перемещения, который соединен с мембраной. Изменения давления создают силу на мембране и перемещают ее. В результате в двух катушках положение железного якоря изменяется в противоположных направлениях: в одной индуктивность увеличивается, а в другой - уменьшается. Разницу можно очень точно определить электрически. Эту схему также можно заменить дифференциальным трансформатором .

Больше датчиков

Для обнаружения небольших колебаний давления , таких как звуковое давление , дальнейшие эффекты измерения и их применение в датчиках микрофона представлены в соответствующей основной статье под заголовком «Принципы преобразователя» .

Имеющиеся в продаже датчики давления

Датчик давления воздуха
Цифровой датчик давления воздуха, 5 × 5 × 1,2 мм³

Датчики, доступные на рынке, излучают стандартизированный электрический сигнал, который может быть легко обработан последующим устройством (например, DDC ). Аналоговые сигналы , блок могут 0 ... 10 В , 0,5 ... 4,5 В крысе или 4 ... 20 м быть; есть также стандартизованные цифровые интерфейсы, такие как I²C или CAN bus . Эти датчики давления представляют собой пассивные компоненты, которым для обработки сигнала требуется источник питания. В особенности датчиков может быть линейной или соответствуют экспоненциальной функции; Переменные возмущения (например, температура) должны быть скомпенсированы, а характеристики соответствующим образом линеаризованы. Поэтому сегодня различают:

  • некомпенсированные датчики давления (например, обычная мостовая схема, пьезорезистивный датчик давления , микросистемная техника )
  • Аналоговые, но откалиброванные датчики (например, откалиброванная мостовая схема, пьезорезистивный датчик давления, микросистемная техника)
  • цифровые, калиброванные и линеаризованные, а также датчики давления с температурной компенсацией (например, калиброванная мостовая схема в сочетании с аналого-цифровым преобразователем и памятью параметров, пьезорезистивный датчик давления, микросистемная технология)

Ограничения приложений

Датчики давления чувствительны к перегрузкам. Если диапазон измерения превышен, датчик может быть легко поврежден, в зависимости от используемой технологии. Для получения правильных измеренных значений необходимо также учитывать правильное положение установки датчика. Для датчиков, которые измеряют жидкости, убедитесь, что в линии датчика нет воздуха. Часто необходимо отделить (агрессивную) среду от самого датчика давления, чтобы защитить датчики давления, которые также являются химически чувствительными, от коррозии или загрязнения.

веб ссылки

Индивидуальные доказательства

  1. ↑ JUMO: JUMO Campus - Электронная технология измерения давления. Проверено 3 сентября 2018 года .