Sensori di pressione elettrici

Oggi, per misurare la pressione in vari settori dell'industria, vengono utilizzati non solo barometri e aneroidi al mercurio, ma anche vari sensori che differiscono sia per il principio di funzionamento che per i vantaggi e gli svantaggi inerenti a ciascun tipo di tali sensori. L'elettronica moderna consente l'implementazione di sensori di pressione direttamente su base elettrica ed elettronica.

Quindi cosa intendiamo con il termine "sensore di pressione elettrico"? Cosa sono i sensori di pressione elettrici? Come sono organizzati e quali funzioni hanno? Infine, quale sensore di pressione dovresti scegliere in modo che sia più adatto per uno scopo particolare? Lo scopriremo nel corso di questo articolo.

Innanzitutto, definiamo il termine stesso. Un sensore di pressione è un dispositivo i cui parametri di uscita dipendono dalla pressione misurata. Il mezzo di prova può essere un vapore, un liquido o un gas, a seconda dell'applicazione di un particolare sensore.

I sistemi moderni richiedono strumenti di precisione di questo tipo come componenti importanti dei sistemi di automazione per energia, petrolio, gas, alimenti e molti altri settori.I trasduttori di pressione miniaturizzati sono vitali in medicina.

Ciascun sensore elettrico di pressione comprende: un elemento sensibile che serve a trasmettere l'urto al trasduttore primario, un circuito di elaborazione del segnale e un alloggiamento. I sensori di pressione principalmente elettrici sono suddivisi in:

• Resistivo (tensoresistivo);

• piezoelettrico;

• Risonanza piezoelettrica;

• capacitivo;

• Induttivo (magnetico);

• Optoelettronica.

Sensore di pressione resistivo o estensimetrico Si tratta di un dispositivo il cui elemento sensibile modifica la propria resistenza elettrica sotto l'azione di un carico deformante. Gli estensimetri sono montati su una membrana sensibile che si piega sotto pressione e piega gli estensimetri ad essa collegati. La resistenza degli estensimetri cambia e l'entità della corrente nel circuito primario del convertitore cambia di conseguenza.

L'allungamento degli elementi conduttivi di ciascun estensimetro provoca un aumento della lunghezza e una diminuzione della sezione trasversale, con conseguente aumento della resistenza. In compressione è il contrario. Le variazioni relative della resistenza sono misurate in millesimi, quindi gli amplificatori di precisione con ADC vengono utilizzati nei circuiti di elaborazione del segnale. Pertanto, la deformazione viene convertita in una variazione della resistenza elettrica di un semiconduttore o conduttore e quindi in un segnale di tensione.

Gli estensimetri sono solitamente un elemento conduttivo o semiconduttore a zig-zag applicato a una base flessibile che aderisce alla membrana. Il substrato è solitamente costituito da mica, carta o pellicola polimerica e l'elemento conduttivo è una lamina, un filo sottile o un semiconduttore spruzzato sottovuoto su metallo.Il collegamento dell'elemento sensibile dell'estensimetro al circuito di misura viene effettuato tramite piazzole di contatto o fili. Gli estensimetri stessi di solito hanno un'area da 2 a 10 mmq.

Sensori cella di carico ottimo per stimare i livelli di pressione, la resistenza alla compressione e la misurazione del peso.

Il prossimo tipo di sensore di pressione elettrico è piezoelettrico... Qui, l'elemento piezoelettrico funge da elemento sensibile.Un elemento piezoelettrico basato su un piezoelettrico genera un segnale elettrico quando viene deformato, questo è il cosiddetto effetto piezoelettrico diretto. L'elemento piezoelettrico viene posizionato nel mezzo misurato e quindi la corrente nel circuito del trasduttore sarà proporzionale in grandezza alla variazione di pressione in quel mezzo.

Poiché la comparsa dell'effetto piezoelettrico richiede una variazione precisa della pressione piuttosto che una pressione costante, questo tipo di trasduttore di pressione è adatto solo per la misurazione della pressione dinamica. Se la pressione è costante, il processo di deformazione dell'elemento piezoelettrico non si verificherà e la corrente non verrà generata dal piezoelettrico.

I sensori di pressione piezoelettrici sono utilizzati, ad esempio, nei trasduttori di flusso primari dei contatori a vortice per acqua, vapore, gas e altri fluidi omogenei. Tali sensori sono installati a coppie in una tubazione con un'apertura nominale da decine a centinaia di millimetri dietro il corpo del flusso e quindi registrano vortici la cui frequenza e numero sono proporzionali alla portata volumetrica e alla portata.

Considera altri sensori di pressione piezo-risonanti... Nei sensori di pressione piezo-risonanti funziona l'effetto piezoelettrico inverso, in cui il piezoelettrico viene deformato sotto l'azione della tensione applicata, e maggiore è la tensione, maggiore è la deformazione. Il sensore si basa su un risonatore sotto forma di una piastra piezoelettrica, su entrambi i lati del quale sono fissati gli elettrodi.

Quando agli elettrodi viene applicata una tensione alternata, il materiale della piastra vibra, piegandosi in una direzione o nell'altra, e la frequenza delle vibrazioni è uguale alla frequenza della tensione applicata. Tuttavia, se la piastra viene ora deformata applicando ad essa una forza esterna, ad esempio attraverso una membrana sensibile alla pressione, la frequenza delle oscillazioni libere del risonatore cambierà.

Quindi, la frequenza naturale del risonatore rifletterà la quantità di pressione sulla membrana che preme sul risonatore, determinando un cambiamento di frequenza. Ad esempio, si consideri un sensore di pressione assoluta basato sulla risonanza piezoelettrica.

La pressione misurata viene trasmessa alla camera 1 attraverso la connessione 12. La camera 1 è separata da una membrana dalla parte sensibile di misura del dispositivo. Il corpo 2, la base 6 e la membrana 10 sono sigillati insieme per formare una seconda camera sigillata. Nella seconda camera stagna della base 6 sono fissati i supporti 9 e 4, il secondo dei quali è fissato alla base 6 mediante un ponte 3. Il supporto 4 serve per fissare il risonatore sensibile 5. Il risonatore di supporto 8 è fissato dal titolare 9.

Sotto l'azione della pressione misurata, la membrana 10 preme attraverso il manicotto 13 sulla sfera 14, anch'essa fissata nel supporto 4.La sfera 14, a sua volta, preme il risonatore sensibile 5. I fili 7, fissati nella base 6, collegano i risonatori 8 e 5 rispettivamente ai generatori 16 e 17. Per generare un segnale proporzionale all'entità della pressione assoluta, viene utilizzato il circuito 15, che genera un segnale di uscita dalla differenza delle frequenze del risonatore. Il sensore stesso è posto in un termostato attivo 18, che mantiene una temperatura costante di 40°C.

Alcuni dei più semplici sono sensori di pressione capacitivi... I due elettrodi piatti e lo spazio tra loro formano un condensatore. Uno degli elettrodi è una membrana su cui agisce la pressione misurata, che porta a un cambiamento nello spessore dello spazio tra le piastre del condensatore effettivo. È noto che la capacità di un condensatore piatto cambia con una variazione della dimensione del gap per un'area costante delle piastre, quindi, per rilevare anche variazioni di pressione molto piccole, i sensori capacitivi sono molto, molto efficaci.

I sensori di pressione capacitivi di piccole dimensioni consentono la misura della sovrapressione in liquidi, gas, vapore. I sensori di pressione capacitivi sono utili in vari processi industriali che utilizzano sistemi idraulici e pneumatici, nei compressori, nelle pompe, sulle macchine utensili. Il design del sensore è resistente a temperature estreme e vibrazioni, immune da interferenze elettromagnetiche e condizioni ambientali aggressive.

Un altro tipo di sensori di pressione elettrici, lontanamente simili ai sensori capacitivi - induttivi o magnetici... La membrana conduttiva sensibile alla pressione si trova a una certa distanza dal sottile circuito magnetico a forma di W, sul cui nucleo centrale è avvolta la bobina.Un certo traferro è posto tra la membrana e il circuito magnetico.

Quando viene applicata una tensione alla bobina, la corrente al suo interno crea un flusso magnetico che passa sia attraverso il circuito magnetico stesso che attraverso il traferro e attraverso la membrana, chiudendosi. Poiché la permeabilità magnetica nell'intercapedine è circa 1000 volte inferiore a quella del circuito magnetico e della membrana, anche un piccolo cambiamento nello spessore dell'intercapedine porta a un notevole cambiamento nell'induttanza del circuito.

Sotto l'influenza della pressione misurata, il diaframma del sensore si piega e la complessa resistenza della bobina cambia. Il trasduttore converte questo cambiamento in un segnale elettrico. La parte di misura del convertitore è realizzata secondo il circuito a ponte, dove la bobina del sensore è inclusa in uno dei bracci. Utilizzando un ADC, il segnale proveniente dalla parte di misura viene convertito in un segnale elettrico proporzionale alla pressione misurata.

L'ultimo tipo di sensore di pressione che esamineremo sono i sensori optoelettronici... Sono abbastanza semplici da rilevare la pressione, hanno un'alta risoluzione, hanno un'alta sensibilità e sono termicamente stabili. Operando sulla base dell'interferenza della luce, utilizzando un interferometro Fabry-Perot per misurare piccoli spostamenti, questi sensori sono particolarmente promettenti. Un cristallo convertitore ottico con un'apertura, un LED e un rilevatore costituito da tre fotodiodi sono le parti principali di tale sensore.

Filtri ottici Fabi-Perot con una piccola differenza di spessore sono fissati a due fotodiodi. Questi filtri sono specchi riflettenti in silicio dalla superficie frontale ricoperta da uno strato di ossido di silicio, sulla cui superficie è depositato un sottile strato di alluminio.

Il trasduttore ottico è simile a un sensore di pressione capacitivo, il diaframma formato dall'incisione in un substrato di silicio monocristallino è ricoperto da un sottile strato di metallo. Anche la parte inferiore della lastra di vetro ha un rivestimento metallico. Tra la lastra di vetro e il substrato di silicio è presente uno spazio di larghezza w, ottenuto utilizzando due distanziatori.

Due strati di metallo formano un interferometro Fabia-Perot con un traferro variabile w, che comprende: uno specchio mobile situato sulla membrana, che cambia posizione al variare della pressione, e uno specchio traslucido stazionario parallelo ad esso su una lastra di vetro.

Su questa base, FISO Technologies produce trasduttori di pressione sensibili al microscopio con un diametro di soli 0,55 mm che passano facilmente attraverso la cruna dell'ago. Con l'ausilio di un catetere, nel volume studiato viene inserito un mini-sensore, all'interno del quale viene misurata la pressione.

La fibra ottica è collegata ad un sensore intelligente, nel quale, sotto il controllo di un microprocessore, viene accesa una sorgente di luce monocromatica introdotta nella fibra, viene misurata l'intensità del flusso luminoso retroriflesso, la pressione esterna sulla sensore viene calcolato dai dati di calibrazione e visualizzato sul display . In medicina, ad esempio, tali sensori vengono utilizzati per monitorare la pressione intracranica, per misurare la pressione sanguigna nelle arterie polmonari, che non possono essere raggiunte in altro modo.