1. Ce este presiunea?

Presiunea este definită ca forță pe unitatea de suprafață pe care un fluid o exercită asupra împrejurimilor. Presiunea P este o funcție de forța F și aria A:

P = F/A

Unitatea SI pentru presiune este pascal (N/m²), dar alte unități comune de presiune includ kilograme per inch pătrați (psi), atmosferă (atm), bari, inci de mercur (in Hg), milimetri de mercur (mm Hg) și torr.

O măsurare a presiunii poate fi descrisă ca fiind statică sau dinamică. Presiunea în cazurile fără mișcare este o presiune statică. Exemple de presiune statică includ presiunea aerului în interiorul unui balon sau a apei în interiorul unui bazin. Adesea, mișcarea unui fluid schimbă forța aplicată în împrejurimile sale. De exemplu, spuneți că presiunea apei în furtun cu duza închisă este de 40 de pounds per square inch (forță pe unitate de suprafață). Dacă deschideți duza, presiunea scade la o valoare mai mică pe măsură ce vărsați apă. O măsurare atentă a presiunii trebuie să ia în considerare circumstanțele în care este făcută. Mulți factori, incluzând curgerea, compresibilitatea fluidului și forțele externe pot afecta presiunea.

2. Metode de măsurare a presiunii

O măsurare a presiunii poate fi descrisă în continuare prin tipul de măsurare efectuat. Cele trei metode de măsurare a presiunii sunt absolută, gauge și diferențială. Presiunea absolută se referă la presiunea într-un vid, în timp ce presiunile diferențiale și gauge se raportează la o altă presiune, cum ar fi presiunea atmosferică ambientală sau presiunea într-un vas adiacent.

Figura 1. Scheme de senzor de presiune pentru diferite metode de măsurare

Presiune absolută

Metoda de măsurare absolută este raportată la 0 Pa, presiunea statică în vid. Presiunea măsurată este presiunea atmosferică plus presiunea de interes. Prin urmare, măsurarea absolută a presiunii include efectele presiunii atmosferice. Acest tip de măsurare este potrivit pentru presiuni atmosferice, cum ar fi cele utilizate în altimetre sau presiuni în vid. Adesea, abreviațiile Paa (Pascal absolut) sau psia (kilograme per inch pătrat absolut) sunt folosite pentru a descrie presiunea absolută.

Gauge Pressure

Gauge pressure este măsurată în raport cu presiunea atmosferică ambiantă. Aceasta înseamnă că atât referința cât și presiunea de interes sunt afectate de presiunea atmosferică. Prin urmare, măsurarea presiunii gauge exclude efectele presiunii atmosferice. Aceste tipuri de măsurători includ măsurătorile presiunii în pneuri și ale tensiunii arteriale. Similar cu presiunea absolută, abreviațiile Pag (Pascal's gauge) sau psig (pounds per square inch gauge) sunt folosite pentru a descrie Gauge pressure.

Presiune diferențială

Presiunea diferențială este similară cu Gauge pressure; dar, referința este un alt punct de presiune în sistem, mai degrabă decât presiunea atmosferică ambiantă. Puteți utiliza această metodă pentru a menține presiunea relativă între două vase, cum ar fi un rezervor de compresor și o linie de alimentare asociată. De asemenea, abrevierile Pad (Pascal`s differential) sau PSID (pounds per square inch differential) sunt folosite pentru a descrie presiunea diferențială.

3. Cum acționează senzorii de presiune?

Condițiile diferite de măsurare, gamele și materialele utilizate în construcția unui senzor conduc la o varietate de modele de senzori de presiune. Deseori, puteți transforma presiunea într-o formă intermediară, cum ar fi deplasarea, prin detectarea valorii de deforma;ie pe o diafragmă poziționată în linie cu fluidul. Senzorul convertește apoi această deplasare într-o ieșire electrică, cum ar fi tensiunea sau curentul. Având în vedere aria cunoscută a diafragmei, puteți calcula apoi presiunea. Senzorii de presiune sunt ambalați cu o scală care oferă o metodă de transformare la unități de inginerie.

Cele trei tipuri cele mai universale de traductoare de presiune sunt puntea (bazată pe mărci tensometrice) capacitatea variabilă și piezoelectric.

Bazat pe punte

Dintre toți senzorii de presiune, senzorii punții Wheatstone (pe bază de mărci) sunt cei mai obișnuiți, deoarece oferă soluții care satisfac diferite precizii, dimensiuni, rezistență și constrângeri legate de costuri. Senzorii bazați pe punți pot măsura presiunea absolută, gauge sau presiunea diferențială atât în ​​aplicații cu presiune ridicată, cât și în joasă presiune. Ei folosesc o marcă tensometrică pentru depistarea deformării unei diafragme supuse presiunii aplicate.

Figura 2. Secțiunea transversală a unui senzor tipic de presiune bazat pe punte [1]

Atunci când o schimbare a presiunii determină deformarea diafragmei, se produce o schimbare corespunzătoare a rezistenței la nivelul mărcii tensometrice, pe care o puteți măsura cu un sistem DAQ condiționat. Puteți lipi mărcile tensometrice tip folie direct pe o diafragmă sau un element care este conectat mecanic la diafragmă. De asemenea, uneori sunt folosite și mărci tensometrice din silicon. Pentru această metodă, gravați rezistori pe un substrat pe bază de siliciu și folosiți lichid de transmisie pentru a transmite presiunea de la diafragmă la substrat.

Senzori de presiune capacitivi

Un traductor de presiune cu capacitate variabilă măsoară modificarea capacității între o diafragmă metalică și o placă metalică fixă. Capacitatea dintre două plăci metalice se schimbă dacă distanța dintre aceste două plăci se schimbă datorită presiunii aplicate.

Figura 3. Traductor de presiune cu capacitate [2]

Senzori piezoelectrici de presiune

Senzorii piezoelectrici se bazează mai degrabă pe proprietățile electrice ale cristalelor de cuarț decât pe un traductor de punte rezistivă. Aceste cristale generează o sarcină electrică când sunt tensionate. Electrozii transferă sarcina de la cristale la un amplificator încorporat în senzor. Acești senzori nu necesită o sursă externă de excitație, dar sunt susceptibili la șocuri și vibrații.

Figura 4. Traductor piezoelectric de presiune [2]

Senzori de presiune condiționați

Senzorii care includ circuite integrate, cum ar fi amplificatoarele, sunt denumiți senzori amplificați. Aceste tipuri de senzori pot fi construite folosind traductoare pe bază de punte, capacitive sau piezoelectrice. În cazul unui senzor amplificat bazat pe punte, unitatea însăși furnizează rezistorii de completare și amplificarea necesară pentru a măsura presiunea direct cu un dispozitiv DAQ. Deși excitația trebuie încă asigurată, precizia excitației este mai puțin importantă.

Senzori optici de presiune

Măsurarea presiunii cu ajutorul senzorului optic are multe beneficii, inclusiv imunitatea la zgomot și izolarea. Citiți Fundamentele FBG Optical Sensing pentru mai multe informații despre această metodă de măsurare.

4. Cum să alegeți tipul corect de senzor de presiune

Senzorii bazați pe punți sau piezorezistenți sunt cele mai frecvente tipuri de senzori datorită construcției simple și durabilității. Acest lucru se traduce printr-un cost mai mic și le fac ideale pentru sistemele de canale mai multe. În general, se folosesc mărci tensometrice sub formă de folie în aplicații de înaltă presiune (până la 700M Pa). Ele au, de asemenea, o temperatură de funcționare mai ridicată decât mărcile tensometrice siliconate (200° C față de 100° C), dar mărcile tensometrice siliconate oferă avantajul unei capacități mai mari de suprasarcină. Deoarece acestea sunt mai sensibile, se preferă, de asemenea, în aplicații de joasă presiune (~ 2k Pa).

Traductoarele de presiune capacitive și piezoelectrice sunt în general stabili și liniari, dar sunt sensibili la temperaturi ridicate și sunt mult mai complicat de setat decât majoritatea senzorilor de presiune. Senzorii piezoelectrici răspund rapid schimbărilor de presiune. Din acest motiv, ele sunt folosite pentru a efectua măsurători rapide ale presiunii de la evenimente precum explozii. Datorită performanței dinamice superioare, senzorii piezoelectrici sunt cei mai puțin rentabili și trebuie să aveți grijă să vă protejați miezul de cristal sensibil.

Senzorii condiționați sunt de obicei mai scumpi deoarece conțin componente pentru filtrare și amplificarea semnalelor, conductori de excitație și circuitele obișnuite pentru măsurare. Acest lucru este util pentru sistemele cu canale mai puține care nu garantează un sistem dedicat de condiționare a semnalului. Deoarece sistemul de condiționare este integrat, puteți conecta senzorul direct la un dispozitiv DAQ, atâta timp cât furnizați alimentarea senzorului într-un fel. Dacă lucrați cu senzori de presiune, bazați pe punte, necondiționați, hardware-ul dvs. are nevoie de condiționarea semnalului. Verificați documentația senzorului pentru a afla dacă aveți nevoie de componente suplimentare pentru amplificare sau filtrare.

5. Condiționarea semnalului pentru senzorii de presiune

Senzorii de presiune bazați pe punți sunt de departe cei mai cunoscuți senzori de presiune. Trebuie să se ia în considerare câteva elemente de condiționare a semnalului pentru realizarea unui sistem eficient de măsurare a presiunii bazat pe punte. Este posibil să aveți nevoie de una sau mai multe dintre următoarele:

• Excitație pentru alimentarea circuitelor punții Wheatstone

• Teledetecție pentru compensarea erorilor la tensiunea de excitație din firele de legătură lungi

• Amplificarea pentru a crește rezoluția măsurătorilor și îmbunătățirea raportului semnal-zgomot

• Filtrare pentru eliminarea zgomotului extern, de mare frecvență

• Anularea offset-ului pentru a echilibra puntea la ieșire de 0 V atunci când nu se aplică nici o solicitare

• Calibrarea cu șunt pentru a verifica ieșirea punții la o valoare cunoscută, așteptată

Pentru a afla cum să compensați aceste erori și să examinați alte considerente pentru măsurătorile de presiune bazate pe punți, descărcați Ghidul inginerului pentru senzorii precisi măsurători.

Referințe

1. http://sensing.honeywell.com/white-paper-effectivelyusingpressureloadandtorquesensorswithtodaysdataacqusitionsystems-008883-2-en.pdf

2. http://www.sensorsmag.com/sensors/pressure/pressure-measurement-principles-and-practice-969