Ciśnienie cieczy, gazów i pary należy do najczęściej mierzonych wielkości fizycznych w przemyśle chemicznym, spożywczym, energetyce, ciepłownictwie, układach wentylacji i klimatyzacji, w instalacjach wodno-kanalizacyjnych, a także we wszelkiego rodzaju zbiornikach i rurociągach. Pomiar ciśnienia jest jednak niezbędny także do prawidłowego funkcjonowania układów hydraulicznych, automatyki i wielu różnych maszyn, a także pojazdów. Co istotne, pomiar ciśnienia może być także wykorzystany do pomiaru poziomu napełnienia, objętości, gęstości albo natężenia przepływu we wszystkich procesach technologicznych.

Czujniki mechaniczne vs elektroniczne 

W zastosowaniach przemysłowych można spotkać zarówno mechaniczne, jak i elektroniczne przyrządy do pomiaru ciśnień. W tych pierwszych ciśnienie oddziałuje na element sprężysty czujnika (np. mieszek, membranę lub rurkę Bourdona), który się odkształca lub przemieszcza. Na podstawie tej zmiany odczytywany jest wynik pomiaru.

W bardziej zaawansowanych, zautomatyzowanych aplikacjach przemysłowych popularność zyskują jednak elektroniczne urządzenia pomiarowe, w których najważniejszymi elementami są czujnik i przetwornik ciśnienia wraz z podłączonym miernikiem. Na skutek ciśnienia, które oddziałuje na czujnik, i zmian parametrów elektrycznych wytwarzany i przesyłany do urządzenia odbiorczego jest sygnał analogowy lub cyfrowy.

W tej grupie znajdziemy zarówno proste urządzenia (np. presostaty i przetworniki analogowe), jak i rozwiązania o bardziej skomplikowanej budowie – w których za pomiar odpowiadają czujniki tensometryczne, piezorezystancyjne, pojemnościowe, piezoelektryczne, rezonansowe, indukcyjne, optyczne i optoelektroniczne. Wybór odpowiedniego przetwornika będzie zależeć od konkretnych potrzeb pomiarowych.

Przetworniki tensometryczne

W tego typu czujnikach do pomiaru ciśnienia wykorzystano zjawisko zmiany rezystancji (drut oporowy na skutek przyłożonej siły ulega odkształceniu, co wpływa właśnie na wartość rezystancji). Do pomiaru ciśnienia używane są zwykle cztery sensory tensometryczne, które tworzą mostek pomiarowy, zwany mostkiem Wheatstone’a. Czujniki mocowane są na membranie, która pod naporem mierzonego medium się ugina, co powoduje odkształcenie czujników i zmianę ich rezystancji. 

Mierzone napięcie nierównowagi mostka jest proporcjonalne do odkształcenia membrany czujnika i do zmiany ciśnienia, które działa na membranę. Zaletą tego typu czujników jest odporność na uderzenia i wibracje, natomiast wadą – zależność dokładności pomiaru od sposobu ich rozmieszczenia i przytwierdzenia na powierzchni membrany. Maksymalny zakres mierzonych ciśnień dla tego typu czujników to nawet 1000 barów.

Czujniki piezorezystancyjne

Podobnie jak w przypadku tensometrów także w czujnikach piezorezystancyjnych mierzona jest rezystancja. Zamiast drutu oporowego stosuje się jednak membranę, która jest wykonana z krzemu o grubości rzędu kilku mikrometrów z wbudowanymi rezystorami.

W piezorezystancyjnym czujniku ciśnienia cienka membrana krzemowa ugina się pod wpływem oddziaływania ciśnienia. W ugiętej membranie powstają naprężenia rozciągająco-ściskające i w obszarze tych naprężeń umieszczone są piezorezystory, połączone w układ mostka Wheatstone’a. Zmiany rezystancji zależą od wielkości odkształcenia membrany, a więc od ciśnienia. Najczęściej stosuje się dwa piezorezystory równoległe i dwa prostopadłe do krawędzi membrany.

MOŻE ZAINTERESUJE CIĘ TAKŻE

Produkty

Pomiary ciśnienia rodem z przyszłości – przetworniki z Heartbeat Technology

Gdyby przyjrzeć się zmianom, jakie zaszły w typowym zakładzie produkcyjnym z branży chemicznej w ostatnich latach, bez trudu da się zauważyć, że wyraźnie wzrosła liczba urządzeń w obszarach krytycznych dla bezpieczeństwa. Coraz ostrzejsze są też wymagania, jakie stawia się czujnikom montowanym w takich zakładach. Jedną z bardziej interesujących innowacji jest możliwość wydłużenia odstępów między kalibracjami oraz aktywne zarządzanie ryzykiem awarii.

Czujniki piezorezystancyjne są znacznie dokładniejsze od tensometrycznych, mają większą stabilność długoterminową i czułość. Umożliwiają też pomiar bardzo małych zakresów ciśnienia – rzędu milibarów. Na ich dokładność znacząco wpływa jednak temperatura, poza tym są mało odporne na wstrząsy i wibracje. Maksymalny zakres mierzonych ciśnień dla tego typu czujników to 16 barów.

Czujniki pojemnościowe

Czujniki pojemnościowe składają się z cienkiej membrany, która znajduje się między okładzinami, tworząc w ten sposób kondensator. Z jednej strony na membranę działa ciśnienie odniesienia (np. barometryczne), a z drugiej – ciśnienie mierzone. Pod wpływem zmiany ciśnienia membrana się ugina, powodując zmianę pojemności kondensatora, co z kolei wpływa na zmianę napięcia wyjściowego.

Dla ochrony przed niekorzystnym wpływem warunków środowiskowych czujnik umieszcza się w szczelnej obudowie ze stali nierdzewnej, wypełnionej substancją nieprzewodzącą. Obudowa wyposażona jest w membranę o grubości rzędu mikrometrów, która ma bezpośredni kontakt z mierzonym medium.

Czujniki pojemnościowe wyróżniają się dużą czułością, więc mogą być używane do pomiaru małych ciśnień. Jednocześnie zakres pomiarów jest bardzo szeroki, są stabilne i dokładne. Maksymalny zakres mierzonych ciśnień dla tego typu czujników to 100 barów.

Czujniki piezoelektryczne

W tego typu czujnikach do pomiaru ciśnienia wykorzystuje się zjawisko piezoelektryczne. Pod wpływem ciśnienia, które oddziałuje na czujnik, na ściankach czujnika wykonanych z półprzewodnika (np. kwarcu) wytwarzane są ładunki elektryczne – na ich podstawie mierzona jest wielkość ciśnienia. Sensory piezoelektryczne mają dość ograniczone zastosowanie, jednak są dużo odporniejsze od innych czujników na wstrząsy, wibracje i zmianę temperatur.