Projektowanie systemów pomiarowych

05

Pomiary wybranych wielkości fizycznych

(siła, ciśnienie)

1

Fruit Fly Flight Behavior Characterization Using MEMS Force Sensors http://www.msrl.ethz.ch

2

3

Konstrukcja tensometrycznego czujnika siły (przykład)

https://www.tekscan.com

Advantages of a Typical Load Cell

•Very accurate (<0.1% of full scale)

•Readily available

•Calibrated by manufacturer

Disadvantages of a Typical Load Cell

•Bulky in size and rigid construction

•Costly signal conditioning electronics

•Not a good solution for OEM/Design-in

applications

4

Przetwornik siły U3 firmy HBMPrzetwornik siły U3 firmy HBM

5

The popular "pancake" style load cell, as shown in Figure 6c, isconfigured to operate in shear, offering a very low profile in adesign that is easily environmentally sealed and is largely insensitiveto off-axis loads. Generally, pancake style shear web load cells areavailable in the 1,000 lbf and higher load ranges.

http://www.sensorland.com/

6

http://www.sensorland.com/

7https://learn.sparkfun.com

8

F F

F F

Zasada działania

przetworników wagi i

przetworników siły

Zasada działania

przetworników wagi i

przetworników siły

Lokalizacja tensometrów w różnych czujnikach siły firmy HBM

9Pomiary ciśnienia

10

Rodzaje czujników

Najczęściej czujniki ciśnienia klasyfikuje się ze względu na rodzaj mierzonego medium (może nim być gaz lub

ciecz), technologię wykonania (mechaniczne, półprzewodnikowe), zakres ciśnienia wejściowego itp. Czujnik

może mierzyć ciśnienie bezwzględne (absolutne), względne (różnicowe) lub nadciśnienie. Pierwsze czujniki

ciśnienia były typu mechanicznego. Ciśnienie działało na membranę lub mieszek i ich odkształcenie

powodowało przesunięcie układu dźwigni sterującej moment obrotowy. Ten indukował w przetworniku

zmienne napięcie, które po wyprostowaniu i wzmocnieniu dawało prądowy sygnał wyjściowy proporcjonalny

do siły, a tym samym ciśnienia. Inne rozwiązania wykorzystywały np. przesunięcie rdzenia cewki i zmianę jej

indukcyjności, co wpływało na zmianę częstotliwości generatora. Urządzenia tego typu były dużych rozmiarów,

wymagały też precyzyjnej kalibracji i okresowej konserwacji. Współcześnie główny udział w rynku mają sensory

półprzewodnikowe. Dwa główne rodzaje omawianych przyrządów to pojemnościowe i piezorezystancyjne

czujniki ciśnienia

11

There Are Five Basic Types (podział według HONEYWELL):

Gage pressure sensors - With gage sensors, pressure readings are referenced to the atmosphere. That is,

zero output is at atmospheric pressure. You use this type of sensor when you need to measure both vacuum

(negative output) and pressure (positive output).

Vacuum pressure sensors - A vacuum sensor's output is zero at atmospheric pressure, like the gage sensor,

but the output increases as vacuum increases. You calibrate vacuum sensors so their output becomes more

positive as the pressure becomes more negative.

Differential pressure sensors - This type of sensor has two pressure ports, as shown in Figure 1, and senses

the difference in pressure between the two ports. You can use differential pressure sensors to measure the

pressure of liquids or gasses.

Absolute pressure sensors - The reference for this type of sensor is full vacuum. That is, the output is zero at

full vacuum. Note that there is no polarity change when the input pressure changes from vacuum to pressure

above atmosphere.

Barometric pressure sensors - Barometric pressure sensors are absolute pressure sensors with a limited

range. Usually, the output of these sensors is expressed as "inches of Mercury (Hg)," and the output ranges

are 16-32 inch HgA or 26-32 inch Hg with zero output at the low number. A standard "absolute" sensor may

be used over 0-30 in HgA range, but the limited range offers more resolution, especially with a voltage output

for the typically small barometric pressure changes. You may use several different types of pressure

transducers in a typical engine test stand.

https://measurementsensors.honeywell.com/techresources/appnotes/Pages/choosing_pressure_sensors.aspx

12https://measurementsensors.honeywell.com/techresources/appnotes/Pages/choosing_pressure_sensors.aspx

Gage Pressure Sensors:

Engine oil pressure - To ensure lubrication system integrity, you often want to correlate oil pressure with time and

crankshaft position.

Coolant pressure - Coolant pressure is a measure of how well the cooling system is working.

Fuel pressure - You measure fuel pressure during fuel pump and pressure regulator tests.

Cylinder compression (cold test) - To measure this parameter, you insert a gage sensor into each cylinder's spark plug

hole. By correlating cylinder pressure with cranking torque, crank angle and timing, you can detect piston ring, valve or crank

problems.

Pressure decay - By measuring how quickly the pressure decays inside a pressurized cavity, you can detect damaged or

missing gaskets and O-rings, emission valve problems, and other leaks. You also can use a differential pressure sensor to

measure pressure decay.

Vacuum Pressure Sensors: Manifold vacuum - This is the most common use for vacuum sensors in engine testing. For this

measurement, you calibrate the output to be in either inches of mercury, Hg or psiv (psi, vacuum).

Differential Pressure Sensors:Fluid flow - Using a precision calibrated orifice or Venturi tube, and measuring the differential pressure across the orifice,

you can measure intake airflow or engine coolant flow. The advantage of using a differential pressure sensor for this

measurement instead of two gage sensors is that accuracy is always specified as a percentage of the sensor's full-scale

reading. By using a differential pressure sensor, the full-scale reading can be much smaller, thereby reducing measurement

error.

Dry airflow - You need to measure dry airflow when testing engine-block oil ports. You can correlate the back pressure

with crankshaft position to find missing main bearings or plugged oil cavities.

Metody elektryczne pomiaru ciśnienia wykorzystują zależności odkształcenia elementu sprężystego od

wartości mierzonego ciśnienia. Pomiarowym elementem sprężystym są różnego rodzaju membrany

ulegające odkształceniu pod działaniem różnicy ciśnień. Stopień odkształcenia membrany świadczy o

wartości ciśnienia. Do pomiaru odkształcenia stosuje się opisane już czujniki indukcyjne, pojemnościowe

lub tensometry. Czujniki indukcyjne i pojemnościowe mogą reagować na liniowe przemieszczenie

membrany, natomiast tensometry naklejone na membranę mierzą odkształcenia powierzchniowe.

Czujniki tensometryczne lub piezorezystancyjne wykorzystują zjawisko zmiany rezystancji metalu lub

półprzewodnika pod wpływem odkształcenia. Czułość tensometrów półprzewodnikowych jest około 2

rzędy większa od metalowych. Pośrednio tensometry mogą być zastosowane do pomiaru siły, momentu,

naprężenia, masy, ciśnienia. Tradycyjne konstrukcje przetworników tych wielkości wymagają klejenia

tensometrów na sprężystym podłożu, natomiast wiele rodzajów współczesnych mikroczujników

wytwarza się w technologii MEMS, a same czujniki piezorezystancyjne są tu implantowane bezpośrednio

na powierzchni przez domieszkowanie krzemu (np. w piezorezystancyjnych czujnikach ciśnienia).

13http://www.zpss.aei.polsl.pl

14

A four-resistor network in a Wheatstone-bridge arrangement is applied to a machined stainless-steel button.

The thin steel button bulges under pressure, changing the resistance and unbalancing the bridge, producing

an output voltage. An advantage of the thin-film sensor is that stainless steel is the only material touching

the refrigerant.

http://machinedesign.com/sensors

A stainless steel piece is hollowed out to provide a thin

diaphragm and materials are deposited on the top of

that piece of steel. Resistors are implanted into the thin

film in a Wheatstone Bridge arrangement and the

pressure

applied to the hollowed out side of the steel is

transferred to those resistors, upsetting the bridge. The

thin film elements are welded into stainless steel

housings and appropriate signal conditioning is added to

complete the sensor construction. It is not uncommon to

find thin film elements rated as high as 20,000 PSI

http://www.hydraulicsonline.net/applicationarticles.html

Pomiary ciśnienia – tensometr do instalowania na membranach (firma HBM)

15

16

http://www.trafag.com

Proces produkcyjny nowoczesnego czujnika

ciśnienia firmy TRAFAG

17

Tensometryczny czujnik ciśnienia Burster Typ 820

18

http://www.hydraulicsonline.net/applicationarticles.html

19

Pewne rozwiązanie –

„pętla prądowa”

20

CZUJNIKI POJEMNOŚCIOWE

W czujnikach pojemnościowych membrana pomiarowa pokryta jest warstwą materiału przewodzącego lub

w postaci metalowej płytki stanowi jedną z okładzin kondensatora. Gdy się ugina pod wpływem przyłożonego

ciśnienia, odległość między nią a elektrodą nieruchomą maleje. Powoduje to wzrost pojemności C

kondensatora zgodnie z zależnością C = ε0·εR·(S/D), gdzie ε0 to przenikalność elektryczna próżni, εR -

przenikalność elektryczna izolatora między okładkami, S - pole powierzchni elektrody, a D - odległość między

okładkami.

Pojemnościowe sensory charakteryzuje duża czułość, dzięki czemu są one używane do pomiaru małych

ciśnień (rzędu pojedynczych milibarów). Inne ich zalety to duża wytrzymałość na przeciążenie oraz większa

stabilność długoterminowa w porównaniu do czujników tensometrycznych i piezorezystancyjnych.

W czujnikach piezoelektrycznych pod wpływem przyłożonego ciśnienia na powierzchni elementu

pomiarowego wykonanego na przykład z kwarcu pojawiają się ładunki elektryczne. Zakres zastosowania

sensorów tego typu jest niestety ograniczony.

Charakteryzuje je za to większa odporność na

temperaturę, wibracje i uderzenia w porównaniu do

innych typów czujników. Wybierając przetwornik

ciśnienia, porównać należy wiele parametrów oraz

rozwiązań konstrukcyjnych różnych modeli przyrządów

pod kątem wymagań danej aplikacji.

http://automatykab2b.pl/

21

Pojemnościowy czujnik ciśnienia

cd. – inny opis

Metody wykonywania czujników i ich zasada działania jest różna dla różnych technologii stosowanych na

różne zakresy ciśnień.

Na powierzchni elastycznej membrany, która wybrzusza się pod wpływem ciśnienia w komorze napylona

jest elektroda, która pod wpływem ugięcia zmienia swoją odległość od drugiej, zamontowanej na stałe

elektrody i tym samym zmienia się pojemność tak zbudowanego kondensatora.

Zmiana pojemności jest proporcjonalna do panującego ciśnienia. Jeżeli z drugiej strony podamy inne

ciśnienie względem którego chcemy dokonać pomiaru to wynik będzie różnicą pomiędzy tymi ciśnieniami.

Taki czujnik zawiera już w swojej strukturze odpowiednią elektronikę, dzięki której mamy na wyjściu sygnał

napięciowy proporcjonalny do ciśnienia.

http://www.portalnaukowy.edu.pl

22

Nie bez powodu czujniki ciśnienia bazujące na zjawisku piezoelektrycznym są bardzo popularne. Modele,

które są obecnie dostępne na rynku, charakteryzują się niewielkimi rozmiarami, niewielką histerezą i

względnie niską ceną, rozpoczynającą się od 10 dolarów za sztukę, która w przypadku egzemplarzy o

najwyższych parametrach sięga tysiąca dolarów. Czujniki z sensorami piezoelektrycznymi są mało podatne na

zmiany związane z ich starzeniem się, a fakt, że bezpośrednio przetwarzają ciśnienie na napięcie sprawia, że

są bardzo precyzyjne, a jednocześnie łatwe w aplikacji. Ich zakres pomiarowy sięga przy tym, w zależności od

przeznaczenia danego modelu czujnika, od ułamków paskala do setek megapaskali, co odpowiada stosunkowi

sygnał-szum równemu około 120dB.

Ponieważ czujniki z sensorami piezoelektrycznymi reagują również na zmiany ciśnienia o częstotliwości do

100kHz, są najszybszymi z dostępnych obecnie na rynku czujników tego typu. W praktyce czujniki ciśnienia

stosuje się w pomiarach w procesach przemysłowych, pomiarach akustycznych, zliczaniu przejeżdżających

przez autostradę samochodów, badaniach eksplozji bomb, a nawet podczas prób z silnikami rakietowymi!

Czujniki wykorzystujące efekt piezoelektryczny http://elektronikab2b.pl

23

http://elektronikab2b.pl

Wszystkie czujniki piezoelektryczne bazują na zjawisku polegającym na powstawaniu potencjału elektrycznego

wewnątrz kryształów amorficznych lub w niektórych polimerach wraz ze zmianami ich naprężeń. Należy

podkreślić, że zgromadzony ładunek upływa poprzez wyprowadzenia czujnika i po pewnym czasie utrzymywania

się stałego ciśnienia zanika. W związku z tym sensory piezoelektryczne nie nadają się do pomiarów ciśnienia

statycznego – mają one zastosowanie jedynie tam, gdzie dynamika zmian mierzonego ośrodka jest większa niż

szybkość spadku napięcia w krysztale.

Kluczowym elementem czujnika jest zazwyczaj krzemowa belka o grubości od kilku do kilkudziesięciu

mikrometrów, która jest oparta z każdej strony o sztywną obudowę. Odpowiednio wyprofilowane i szczelne

doprowadzenia służą jako interfejsy wejściowe czujnika. Podłączane są one do ośrodków, które wywierają

niejednakowy nacisk na krystaliczną belkę, powodując naprężenia w strukturze kryształu. Mikroskopijna

konstrukcja piezoelektrycznego przetwornika kwalifikuje całe urządzenie do grupy układów MEMS ( Micro

Electro-Mechanical Systems).

Z kolei przeznaczenie danego czujnika określane jest przez jego obudowę, a co za tym idzie – przez rozmiar.

Dostępne na rynku sensory można przy tym podzielić na pięć kategorii: różnicowe, atmosferyczne, czujniki o

stałym ciśnieniu odniesienia, czujniki bezwzględne i mierniki próżni.

24

Przekrój przez piezoelektryczny

czujnik ciśnienia z kompensacją

przyśpieszenia

http://elektronikab2b.pl

25

Piezoelectric pressure sensors are available in various shapes and thread configurations to allow suitable

mounting for various types of pressure measurements. Quartz crystals are used in most sensors to ensure

stable, repeatable operation. The quartz crystals are usually preloaded in the housings to ensure good

linearity. Tourmaline, another stable naturally piezoelectric crystal, may be used in PCB sensors where

volumetric sensitivity is required. Figure 1 is a general purpose pressure sensor with built-in electronics.

https://www.pcb.com/techsupport/tech_pres

26

Czujniki różnicowe mają dwa porty wejściowe, do których podłączane są odseparowane od siebie ośrodki o

określonych ciśnieniach. Wynikiem pomiaru jest różnica ciśnień pomiędzy jednym a drugim wejściem. Główne

zastosowanie tego typu czujników stanowią sterowniki procesów, gdzie konieczne jest zachowanie równowagi

ciśnień pomiędzy dwoma ośrodkami. Działanie wszystkich kolejnych podtypów czujników opiera się na tej

samej zasadzie – różnice polegają jedynie na liczbie dostępnych portów. Przykładowo czujniki atmosferyczne

mierzą różnicę ciśnienia pomiędzy aktualnym ciśnieniem otoczenia a ciśnieniem gazów doprowadzonych do

portu wejściowego czujnika. Oznacza to, że jeden z portów jest stale otwarty. Czujniki te mają zastosowanie

tam, gdzie istotna jest kontrola stosunku ciśnienia w jednym ośrodku, do ciśnienia otoczenia – tak jak np. w

oponach samochodowych.

Kolejną grupa czujników różni się niewiele od poprzedniej. Są nimi sensory posiadające jeden z portów na stałe

przyłożony do zamkniętej komory, w której utrzymywane jest ciśnienie referencyjne, niezależne od warunków

panujących w otoczeniu. Czujniki te stosuje się głównie w precyzyjnych barometrach, gdyż ich największa

czułość przypada na wartości nieco większe lub mniejsze niż ciśnienie referencyjne. Istnieją również czujniki

bezwzględne, dla których punktem odniesienia jest komora próżniowa podłączona na stałe do jednego z

portów. Nadają się one do pomiarów szerokiego zakresu ciśnień i są często stosowane w wysokościomierzach.

Ostatni rodzaj czujników piezoelektrycznych to mierniki próżni. Ich interfejs wejściowy jest podobny jak w

przypadku czujników atmosferycznych, ale są one przystosowane do pomiarów bardzo niskich ciśnień. Główne

zastosowanie tego typu czujników polega na badaniu jakości próżni wytworzonej w przypadku różnych

procesów technologicznych.http://elektronikab2b.pl

27

Piezo-Resistive based sensors such as the Kavlico P4000

and P250 use welded oil filled headers with stainless steel

isolation diaphragms to protect the sense technology.

(Figure 3) is a cross section of the pressure media interface

for that type of product. The sense element is a high

pressure 3,000 to 6,000 PSI piezo-resistive silicon MEMS

device (PRT). The PRT device consists of 4 resistors

connected in a Wheatstone Bridge configuration. It is

mounted on a header

with glass feed-throughs for the external connection to the

leads of the silicon chip. The header is welded into a stainless

steel housing with an isolation diaphragm. The header

structure is filled with silicon oil and then sealed. As pressure

is applied against the diaphragm, it is transmitted to the

element by the incompressible oil.

http://www.hydraulicsonline.net/applicationarticles.html

28

PORADY DOTYCZĄCE INSTALACJI PRZETWORNIKÓW CIŚNIENIA

O sposobie instalacji przetwornika ciśnienia decydują głównie: specyfika aplikacji oraz wskazówki producenta.

Ponadto dostęp do urządzenia nie powinien być utrudniony, a jego odłączanie oraz przyłączanie w celu

kalibracji, konserwacji, naprawy lub wymiany musi być bezpieczne dla personelu i nie może zakłócać

monitorowanego procesu.

Aby to uzyskać, zwykle korzysta się z rur rozgałęźnych oraz zaworów, które są dostępne w komplecie z

przetwornikiem lub oddzielnie. Dużym ułatwieniem jest też budowa modułowa. Można wówczas sprawnie,

szybko oraz tanio wymienić popsuty moduł, zamiast całego urządzenia. Przetworników ciśnienia nie należy

montować tam, gdzie mogą być narażone na silne wibracje i uderzenia.

Częstą przyczyną problemów w ich funkcjonowaniu są też błędy popełnione na etapie ich przyłączania do

mierzonego medium za pośrednictwem przewodów impulsowych. Aby uniknąć komplikacji, doprowadzenia te

powinny być jak najkrótsze i bez ostrych załamań. Muszą też mieć odpowiedni przekrój oraz nachylenie.

Ponadto w instalacjach z cieczą lub parą, która może ulec kondensacji, przewody impulsowe należy prowadzić w

dół - do przetwornika zamontowanego poniżej punktu pomiarowego. Przyrządy mierzące ciśnienie gazu trzeba z

kolei montować powyżej miejsca poboru ciśnienia. Zapobiega to zatykaniu się przewodów skroplinami oraz

powietrzem. Rurki impulsowe powinny być też wyposażone w mechanizmy do odpowietrzania i odskraplania.

Przewody doprowadzające medium do obu portów przetworników różnicowych muszą mieć taką samą

temperaturę. Pod wpływem przyciągania ziemskiego membrana czujnika ugina się nieznacznie. Po obróceniu o

360° wygięcie ma inny zwrot, co wpływa na wartość offsetu. Dlatego przetworniki ciśnienia najlepiej montować

w tej samej pozycji, w której zostały skalibrowane. Jeżeli nie jest to możliwe, po zainstalowaniu offset trzeba

skorygować.

http://automatykab2b.pl

29

Czujnik dedykowany wysoko ciśnieniowym układom wtryskowym common-rail

http://www.wtryskiwacz.com

Pomiary ciśnienia – inne metody

Czujniki światłowodowe (odbiciowy i przesłonowy)30