Bosim sensori - Pressure sensor

Raqamli havo bosimi sensori

Miniatyura raqamli barometrik bosim sensori

A bosim sensori uchun moslama bosimni o'lchash ning gazlar yoki suyuqliklar. Bosim suyuqlikning kengayishini to'xtatish uchun zarur bo'lgan kuchning ifodasidir va odatda maydon birligi uchun kuch bilan ifodalanadi. Bosim sensori odatda a vazifasini bajaradi transduser; u signalni a sifatida ishlab chiqaradi funktsiya qo'yilgan bosim. Ushbu maqolaning maqsadlari uchun bunday signal elektr hisoblanadi.

Bosim sezgichlari minglab kundalik dasturlarda boshqarish va nazorat qilish uchun ishlatiladi. Bosim sezgichlari suyuqlik yoki gaz oqimi, tezlik, boshqa o'zgaruvchilarni bilvosita o'lchash uchun ham ishlatilishi mumkin. suv darajasi va balandlik. Bosim sezgichlarini muqobil ravishda chaqirish mumkin bosim o'tkazgichlari, bosim o'tkazgichlari, bosim yuboruvchilar, bosim ko'rsatkichlari, piezometrlar va manometrlar, boshqa ismlar qatorida.

Bosim sezgichlari texnologiyasi, dizayni, ishlashi, dasturga yaroqliligi va narxi jihatidan keskin farq qilishi mumkin. Konservativ taxminlarga ko'ra, dunyo bo'ylab 50 dan ortiq texnologiyalar va kamida 300 ta bosim sezgichlarini ishlab chiqaruvchi kompaniyalar bo'lishi mumkin.

Bosimning juda yuqori tezlikda o'zgarishini ushlab turish uchun dinamik rejimda o'lchash uchun mo'ljallangan bosim sezgichlari toifasi ham mavjud. Ushbu turdagi sensorlar uchun misollar dvigatel tsilindrida yoki gaz turbinasida yonish bosimini o'lchashda bo'lishi mumkin. Ushbu sensorlar odatda ishlab chiqarilmaydi pyezoelektrik kvarts kabi materiallar.

Ba'zi bosim sezgichlari bosim o'tkazgichlari, ma'lum bir bosim ostida yoqiladi yoki o'chiriladi. Masalan, suv nasosini bosim o'tkazgichi yordamida boshqarish mumkin, shunda u tizimdan suv chiqarilganda boshlanadi va suv omboridagi bosimni pasaytiradi.

Bosimni o'lchash turlari

kremniy piezoresistiv bosim sezgichlari

Bosim sezgichlarini ular o'lchaydigan bosim diapazonlari, ish haroratining diapazoni va eng muhimi ular o'lchaydigan bosim turi bo'yicha tasniflash mumkin. Bosim sezgichlari maqsadlariga ko'ra har xil nomlanadi, ammo bir xil texnologiya turli nomlar ostida ishlatilishi mumkin.

Mutlaq bosim sensori

Ushbu sensor bosimni nisbatan o'lchaydi mukammal vakuum. Mutlaq bosim sezgichlari doimiy ma'lumotnoma talab qilinadigan dasturlarda, masalan, monitoring kabi yuqori samarali sanoat dasturlarida qo'llaniladi vakuum nasoslari, suyuqlik bosimini o'lchash, sanoat qadoqlash, sanoat jarayonini boshqarish va aviatsiya tekshirish. ^[1]

Bosim sensori

Ushbu sensor bosimni nisbatan o'lchaydi atmosfera bosimi. Qopqog'i plastik bosim o'lchagichi o'lchov bosimini o'lchashga misoldir; u nolni ko'rsatganda, u o'lchagan bosim atrof-muhit bosimi bilan bir xil bo'ladi.

Vakuum bosim sensori

Ushbu atama chalkashlikka olib kelishi mumkin. U past bosim va atmosfera bosimi o'rtasidagi farqni ko'rsatadigan atmosfera bosimi ostidagi bosimlarni o'lchaydigan sensorni tavsiflash uchun ishlatilishi mumkin, ammo vakuumga nisbatan mutlaq bosimni o'lchaydigan sensorni tavsiflash uchun ham foydalanish mumkin.

Differentsial bosim sensori

Ushbu sensor ikkita bosim orasidagi farqni o'lchaydi, biri datchikning har ikki tomoniga ulangan. Differentsial bosim sezgichlari bosimning pasayishi kabi ko'plab xususiyatlarni o'lchash uchun ishlatiladi yog 'filtrlari yoki havo filtrlari, suyuqlik darajasi (suyuqlik ustidagi va ostidagi bosimni taqqoslash yo'li bilan) yoki oqim tezligi (cheklash bo'yicha bosim o'zgarishini o'lchash yo'li bilan). Texnik jihatdan aytganda, aksariyat bosim sezgichlari haqiqatan ham differentsial bosim sezgichlari; Masalan, o'lchov bosimi sensori shunchaki differentsial bosim sensori bo'lib, uning bir tomoni atrof muhitga ochiq.

Muhrlangan bosim sensori

Ushbu datchik bosim o'lchagichiga o'xshaydi, faqat u bosimni atrofdagi atmosfera bosimiga emas, balki ba'zi bir belgilangan bosimga nisbatan o'lchaydi (bu joy va ob-havoga qarab o'zgaradi).

Bosimni sezish texnologiyasi

Silikon bosim sensori chipining old va orqa tomoni. Old tomondan o'yilgan depressiyaga e'tibor bering; sezgir joy juda nozik. Orqa tomonda elektron va yuqori va pastki to'rtburchaklar aloqa maydonchalari ko'rsatilgan. Hajmi: 4x4 mm.

Analog bosim sezgichlarining ikkita asosiy toifasi mavjud,

Majburiy kollektor turlariUshbu turdagi elektron bosim sezgichlari odatda kuch (kollektor) dan foydalanadi (masalan, diafragma, piston, burdon naychasi yoki körük) maydon (bosim) bo'yicha qo'llaniladigan kuch tufayli kuchlanishni (yoki burilishni) o'lchash uchun.

Piezoresistiv kuchlanish ko'rsatkichi

Dan foydalanadi piezoresistiv bog'langan yoki hosil bo'lgan ta'sir bosim o'lchagichlari qo'llaniladigan bosim tufayli kuchlanishni aniqlash uchun, bosim materialning deformatsiyalanishi bilan qarshilik kuchayadi. Texnologiyalarning keng tarqalgan turlari: kremniy (monokristalli), polilisilikon yupqa plyonka, bog'langan metall plyonka, qalin plyonka, Sapphire silikon va Sputtered Thin Film. Odatda, kuchlanish o'lchagichlari birlashtirilib, a hosil bo'ladi Wheatstone ko'prigi datchikning chiqishini maksimal darajada oshirish va xatolarga nisbatan sezgirlikni kamaytirish uchun elektron. Bu umumiy bosimni o'lchash uchun eng ko'p ishlatiladigan sezgir texnologiya.

Imkoniyatli

Qo'llaniladigan bosim tufayli kuchlanishni aniqlash uchun o'zgaruvchan kondansatör yaratish uchun diafragma va bosim bo'shlig'idan foydalanadi, bosim diafragmani deformatsiya qilganda sig'im pasayadi. Umumiy texnologiyalar metall, keramika va silikon diafragmalardan foydalanadi.

Elektromagnit

O'zgarishlar yordamida diafragmaning siljishini o'lchaydi induktivlik (noilojlik), LVDT, Zal effekti, yoki tomonidan oqim oqimi tamoyil.

Pyezoelektrik

Dan foydalanadi pyezoelektrik bosim tufayli sezgirlik mexanizmiga tushadigan yukni o'lchash uchun kvarts kabi ba'zi materiallarda ta'sir. Ushbu texnologiya odatda yuqori dinamik bosimlarni o'lchash uchun ishlatiladi. Asosiy printsip dinamik bo'lgani uchun piezoelektrik datchiklar yordamida statik bosimlarni o'lchash mumkin emas.

Strain-gauge

Bosim o'lchagichga asoslangan bosim sezgichlari, shuningdek, bosimga sezgir elementni ishlatadi, bu erda metall kuchlanish o'lchagichlari yopishtiriladi yoki yupqa plyonkali plyonkalar püskürtme bilan qo'llaniladi. Ushbu o'lchov elementi diafragma bo'lishi mumkin yoki metall plyonka o'lchagichlari uchun quti turidagi o'lchov korpuslaridan ham foydalanish mumkin. Ushbu monolitik konserva dizaynining katta afzalliklari yaxshilangan qat'iylik va 15000 bargacha bo'lgan eng yuqori bosimni o'lchash qobiliyatidir. Elektr aloqasi odatda Wheatstone ko'prigi orqali amalga oshiriladi, bu signalni yaxshi kuchayishiga va aniq va doimiy o'lchov natijalariga imkon beradi.^[2]

Optik

Amaldagi bosim tufayli kuchlanishni aniqlash uchun optik tolaning fizik o'zgarishini qo'llash usullariga kiritilgan. Ushbu turdagi keng tarqalgan misollardan foydalaniladi Fiber Bragg Gratings. Ushbu texnologiya o'lchov uzoq masofada, yuqori harorat ostida bo'lishi yoki elektromagnit parazitga qarshi immunitetga ega texnologiyalardan foydalanishi mumkin bo'lgan qiyin dasturlarda qo'llaniladi. Boshqa o'xshash texnikada qatlamlarda qurilgan elastik plyonka qo'llaniladi, ular qo'llaniladigan bosim (kuchlanish) bo'yicha aks ettirilgan to'lqin uzunliklarini o'zgartirishi mumkin.^[3]

Potansiyometrik

Qo'llaniladigan bosim natijasida kelib chiqadigan kuchlanishni aniqlash uchun rezistent mexanizm bo'ylab artgichning harakatidan foydalanadi.

Kuchni muvozanatlash

Kuchli muvozanatlashtirilgan birlashtirilgan kvarts burdon trubkasi bosim sensori, armatura o'rnatilishi kerak bo'lgan oyna mavjud emas.

Kuchli muvozanatlashgan birlashtirilgan kvarts burdon naychalari spirali burdon naychasidan foydalanib, oynani o'z ichiga olgan burilish armaturasiga kuch ishlatadi, oynaning yorug'lik nurining aksi burchakning siljishini sezadi va oqim kuchini muvozanatlash uchun armatura ustidagi elektromagnitlarga qo'llaniladi. naychadan va burchakli siljishni nolga etkazing, sariqlarga qo'llaniladigan oqim o'lchov sifatida ishlatiladi. Kvarsning juda barqaror va takrorlanadigan mexanik va issiqlik xususiyatlari va ko'p bo'lmagan chiziqli ta'sirlarni bartaraf etuvchi kuch muvozanati tufayli ushbu sensorlar taxminan 1 ga to'g'ri kelishi mumkin.PPM to'liq hajmdagi.^[4] Qo'lda yasalgan va ushbu datchiklarni qurish uchun mutaxassislarning mahoratini talab qiladigan juda yaxshi birlashtirilgan kvarts konstruktsiyalari tufayli odatda ilmiy va kalibrlash maqsadlari bilan cheklanadi. Kuchni muvozanatlashtirmaydigan datchiklar aniqligi pastroq va burchakning siljishini o'qishni kuchni muvozanatlashtiruvchi o'lchov bilan bir xil aniqlikda bajarish mumkin emas, ammo kattaligi kattaroqligi sababli ularni qurish osonroq.

Boshqa turlari

Ushbu turdagi elektron bosim sezgichlari gaz yoki suyuqlik bosimini aniqlash uchun boshqa xususiyatlardan (masalan, zichlik) foydalanadi.

Rezonans

O'zgarishlardan foydalanadi rezonans chastotasi bosimni keltirib chiqaradigan stressni yoki gaz zichligining o'zgarishini o'lchash uchun sezgir mexanizmda. Ushbu texnologiya yuqoridagi toifadagi kabi kuch yig'uvchi bilan birgalikda ishlatilishi mumkin. Shu bilan bir qatorda, rezonansli texnologiya rezonanslashuvchi elementning o'zi muhitga ta'sir qilishi mumkin, bunda rezonans chastotasi muhit zichligiga bog'liq. Datchiklar tebranish simidan, tebranish tsilindrlaridan, kvarts va kremniy MEMS dan tayyorlangan. Odatda, ushbu texnologiya vaqt o'tishi bilan juda barqaror ko'rsatkichlarni taqdim etadi.

Bosim sensori, rezonans kvarts kristali kuchlanish o'lchagichi bilan burdon naychasi kuch yig'uvchi - bu kritik sensor DART.^[5] DART aniqlaydi tsunami ochiq okean tubidan to'lqinlar. Bir necha kilometr chuqurlikda bosimni o'lchashda taxminan 1 mm suv bosimiga ega.^[6]

Issiqlik

O'zgarishlardan foydalanadi issiqlik o'tkazuvchanligi bosimni o'lchash uchun zichlik o'zgarishi tufayli gazning. Ushbu turdagi keng tarqalgan misol Pirani o'lchagichi.

Ionlash

Bosimni o'lchash uchun zichlik o'zgarishi sababli o'zgarib turadigan zaryadlangan gaz zarralari (ionlari) oqimini o'lchaydi. Umumiy misollar - Issiq va Sovuq katod o'lchov asboblari.

Ilovalar

Sanoat simsiz bosim sensori

Bosim sezgichlari uchun ko'plab dasturlar mavjud:

Bosimni aniqlash

Bu erda qiziqishni o'lchash bosim, sifatida ko'rsatilgan kuch maydon birligiga. Bu ob-havo asboblarida, samolyotlarda, avtoulovlarda va bosimning funktsional imkoniyatlariga ega bo'lgan boshqa texnikalarda foydalidir.

Balandlikni sezish

Bu samolyotlarda, raketalarda, sun'iy yo'ldoshlarda, ob-havo sharlarida va boshqa ko'plab dasturlarda foydalidir. Ushbu dasturlarning barchasi bosimning balandlikka nisbatan o'zgarishi o'rtasidagi bog'liqlikdan foydalanadi. Ushbu munosabatlar quyidagi tenglama bilan boshqariladi:^[7]

{ displaystyle h = (1- (P / P _ { mathrm {ref}}) ^ {0.190284}) times 145366.45 mathrm {ft}}

Ushbu tenglama an uchun kalibrlangan balandlik o'lchagich, 110000 metrgacha 36.090 futgacha. Ushbu diapazondan tashqarida har bir bosim sensori uchun har xil hisoblanishi mumkin bo'lgan xatolik yuzaga keladi. Ushbu xato hisob-kitoblari harorat ko'tarilishi natijasida paydo bo'ladigan xatoga ta'sir qiladi.

Barometrik bosim sezgichlari balandligi 1 metrdan kam bo'lishi mumkin, bu GPS tizimlariga qaraganda ancha yaxshi (taxminan 20 metr balandlikda). Navigatsiya dasturlarida balandlik o'lchagichlari avtomobil navigatsiyasi uchun yig'ilgan yo'l sathlari va piyodalar navigatsiyasi uchun binolardagi qavat sathlarini ajratish uchun ishlatiladi.

Oqimlarni aniqlash

Bu bilan birgalikda bosim sezgichlaridan foydalanish venturi effekti oqimni o'lchash uchun. Differentsial bosim venturi naychasining boshqa teshiklari bo'lgan ikkita segmenti o'rtasida o'lchanadi. Ikkala segment o'rtasidagi bosim farqi venturi trubkasi orqali oqim tezligiga to'g'ridan-to'g'ri proportsionaldir. Past bosim sensori deyarli har doim talab qilinadi, chunki bosim farqi nisbatan kichik.

Darajani / chuqurlikni aniqlash

Suyuqlik darajasini hisoblash uchun bosim sensori ham ishlatilishi mumkin. Ushbu usul odatda suv osti tanasining chuqurligini (masalan, g'avvos yoki suvosti kemasi) yoki idishda (suv minorasida) tarkibidagi narsalarni o'lchash uchun ishlatiladi. Ko'pgina amaliy maqsadlar uchun suyuqlik darajasi bosim bilan to'g'ridan-to'g'ri proportsionaldir. Tarkibi atmosfera bosimi ostida bo'lgan toza suv bo'lsa, 1psi = 27,7 inH20 / 1Pa = 9,81 mmH20. Bunday o'lchov uchun asosiy tenglama

{ displaystyle P = rho gh}

qayerda P = bosim, r = suyuqlikning zichligi, g = standart tortishish, h = suyuqlik ustunining bosim sensori ustidagi balandligi

Oqish sinovlari

Tizim qochqinligi sababli bosimning pasayishini sezish uchun bosim sensori ishlatilishi mumkin. Bu odatda differentsial bosim yordamida ma'lum bo'lgan qochqinni taqqoslash yoki vaqt o'tishi bilan bosim o'zgarishini o'lchash uchun bosim sensori yordamida amalga oshiriladi.

Transduserning chiqishini nisbati bo'yicha tuzatish

Sozlangan piezoresistiv transduserlar Wheatstone ko'priklari ko'pincha nafaqat o'lchanadigan bosimga, balki transduserning besleme zo'riqishida ham nisbati bo'yicha xatti-harakatlarni namoyish etadi.

{ displaystyle V _ { mathrm {out}} = {P times K times Vs _ { mathrm {actual}} over Vs _ { mathrm {ideal}}}}

qaerda:

${ displaystyle V _ { mathrm {out}}}$ - transduserning chiqish kuchlanishi.

${ displaystyle P}$ haqiqiy o'lchangan bosimdir.

${ displaystyle K}$ har bir bosim uchun voltaj birliklarida nominal transduser shkalasi koeffitsienti (ideal transduser ta'minot kuchlanishi berilgan).

${ displaystyle Vs _ { mathrm {actual}}}$ haqiqiy transduser ta'minot kuchlanishi.

${ displaystyle Vs _ { mathrm {ideal}}}$ ideal transduser ta'minot kuchlanishi.

Ushbu xatti-harakatni ko'rsatadigan transduserlardan o'lchovlarni to'g'rilash uchun haqiqiy transduser ta'minot kuchlanishi va chiqish voltajini o'lchash va ushbu xatti-harakatning chiqish signaliga teskari konvertatsiyasini qo'llash kerak:

{ displaystyle P = {V _ { mathrm {out}} times Vs _ { mathrm {ideal}} over K times Vs _ { mathrm {actual}}}}

Izoh: Uatstoun ko'prigi sifatida tuzilgan transduserlarda tez-tez uchraydigan umumiy rejim signallari ushbu tahlilda hisobga olinmaydi.

Shuningdek qarang

Adabiyotlar

^ Taskos, Nikolaos (2020-09-16). "Bosimni sezish 101 - mutlaq, o'lchov, differentsial va muhrlangan bosim". ES tizimlari. Olingan 2020-09-16.
^ "Bosim sensori nima?". HBM. Olingan 2018-05-09.
^ Elastik gologramma 'sahifalari 113-117, Proc. IGC 2010, ISBN 978-0-9566139-1-2 Bu yerga: http://www.dspace.cam.ac.uk/handle/1810/225960
^ [https://www.researchgate.net/publication/230966593_Characterization_of_quartz_Bourdon-type_high-pressure_transducers
^ Milburn, Xyu. "NOAA DART II tavsifi va oshkor etilishi" (PDF). noaa.gov. NOAA, AQSh hukumati. Olingan 4 aprel 2020.
^ Eble, M. C .; Gonsales, F. I. "Tinch okeanning shimoli-sharqida chuqurlikdagi pastki bosimni o'lchash" (PDF). noaa.gov. NOAA, AQSh hukumati. Olingan 4 aprel 2020.
^ http://www.wrh.noaa.gov/slc/projects/wxcalc/formulas/pressureAltitude.pdf Arxivlandi 2017-07-03 da Orqaga qaytish mashinasi Milliy Okean va Atmosfera assotsiatsiyasi

[1] Taskos, Nikolaos (2020-09-16). "Bosimni sezish 101 - mutlaq, o'lchov, differentsial va muhrlangan bosim". ES tizimlari. Olingan 2020-09-16.

[2] "Bosim sensori nima?". HBM. Olingan 2018-05-09.

[3] Elastik gologramma 'sahifalari 113-117, Proc. IGC 2010, ISBN 978-0-9566139-1-2 Bu yerga: http://www.dspace.cam.ac.uk/handle/1810/225960

[4] [https://www.researchgate.net/publication/230966593_Characterization_of_quartz_Bourdon-type_high-pressure_transducers

[5] Milburn, Xyu. "NOAA DART II tavsifi va oshkor etilishi" (PDF). noaa.gov. NOAA, AQSh hukumati. Olingan 4 aprel 2020.

[6] Eble, M. C .; Gonsales, F. I. "Tinch okeanning shimoli-sharqida chuqurlikdagi pastki bosimni o'lchash" (PDF). noaa.gov. NOAA, AQSh hukumati. Olingan 4 aprel 2020.

[7] ttp://www.wrh.noaa.gov/slc/projects/wxcalc/formulas/pressureAltitude.pdf Arxivlandi 2017-07-03 da Orqaga qaytish mashinasi Milliy Okean va Atmosfera assotsiatsiyasi

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]