Senzori seminarski

UNIVERZITET U ISTOČNOM SARAJEVUELEKTROTEHNIČKI FAKULTET

SENZORI PRITISKA

SEMINARSKI RAD

Odsjek: Automatika i elektronikaPredmet: Specijalni senzori i industrijska mjerenja

Student:Aleksandra Radovanović, 903

Mentor:Doc. dr Slobodan Lubura

Istočno Sarajevo, septembar 2012.

Naslov rada ili poglavlja

SADRŽAJ:

SADRŽAJ:...........................................................................................................................................1

1 UVOD...........................................................................................................................................2

2 MJERENJE PRITISKA................................................................................................................2

2.1 Hidrostatički pritisak.............................................................................................................2

2.2 Specifična težina....................................................................................................................3

2.3 Mjerne jedinice......................................................................................................................4

2.4 Sila potiska.............................................................................................................................6

3 MJERNI INSTRUMENTI............................................................................................................7

3.1 Manometri..............................................................................................................................7

3.2 Dijafragme, kapsule i mjehovi...............................................................................................8

3.3 Burdonove cijevi..................................................................................................................11

3.4 Ostali senzori pritiska..........................................................................................................12

3.5 Vakuumski instrumenti........................................................................................................13

4 ANALIZA PRIMJENE...............................................................................................................13

4.1 Izbor senzora pritiska...........................................................................................................13

4.2 Ugradnja senzora.................................................................................................................15

4.3 Baždarenje (kalibracija).......................................................................................................15

5 Zaključak.....................................................................................................................................16

6 Literatura.....................................................................................................................................18

Ime autora 2

Senzori nivoa

1 UVODPritisak je sila na jediničnu površinu koju vrši tečnost ili gas na (podlogu, svoju okolinu)

posudu u kojoj se nalaze, kao što je sila ili pritisak atmosfere na površinu Zemlje, i sila kojom tečnost djeluje na dno i zidove posude u kojoj se nalazi. Pritisak nije samo bitan parametar za kontrolu procesa, već je i indirektan pokazatelj za mnoge druge parametre. Nije bitno samo odabrati pravi uređaj za zahtjevani opseg i preciznost mjerenja pritiska, nego uređaj mora da bude otporan na zagađenost i interakciju sa tečnošću koja se mjeri. Kako tehnologija napreduje, nove i poboljšane metode za precizno mjerenje pritiska koje se konstantno razvijaju.

2 MJERENJE PRITISKAJedinični pritisak je mjera sile koja djeluje na jediničnu površinu. Najčešće se izražava u

kilogramima po kvadratnom inču (psi) ili ponekad u kilogramima po kvadratnom metru (psf) u engleskim jedinicama, ili u Paskalima (Pa) u metričkim jedinicama, što je sila u Njutnima po kvadratnom metru (N/m2).

Pritisak= silapovršina

(1)

Primjer 1.

Tečnost u posudi ima ukupnu težinu od 152 kN, a posuda ima dno površine 8.9 m2. Koliki je pritisak na dno posude?

Pritisak=1528.9

kPa=17.1 kPa

2.1 Hidrostatički pritisak

Pritisak na određenoj dubini u tečnosti naziva se hidrostatički pritisak. Pritisak se povećava sa povećavanjem dubine tečnosti. Ovo povećanje nastaje zbog težine tečnosti iznad mjerne tačke. Pritisak p je dat kao:

p=γh(2)

gdje je γ specifična težina (lb/ft3 u engleskim jedinicama ili N/m3 u SI jedinicama), a h je rastojanje od podloge u odgovarajućim jedinicama (npr. ft, in, cm ili m).

Primjer 2.

Kolika je dubina u jezeru, ako je pritisak 0.1 MPa?

Dubina=0.1 MPa ÷ 9.8 Nm3 =10.2 m

Pritisak na datoj dubini u tečnosti ne zavisi od oblika posude i zapremine tečnosti u posudi. Ovo je poznato kao Hidrostatički paradoks. Vrijednost pritiska je posljedica dubine i gustine.

Aleksandra Radovanović 3

Senzori nivoa

Ukupni pritisak ili sila na zidove posude zavisi od njenog oblika, ali na određenoj dubini pritisak je dat sa (2).

Primjer 3.

Koliki je pritisak na bazu vodenog tornja čija je površina 35 m ?

p=9.8 kNm3 ×35 m=343 kPa

2.2 Specifična težina

Specifična gravitacija (SG) tečnosti ili čvrstog tijela je definisana kao gustina materijala podijeljena sa gustinom vode. SG se može takođe definisati kao specifična težina materijala podijeljena sa specifičnom težinom vode na određenoj temperaturi. Specifična težina i specifična gravitacija za neke uobičajene materijale date su u Tabeli 1. Specifična gravitacija gasa je njegova gustina (ili specifična težina) podijeljena sa gustinom ( ili specifičnom težinom) vazduha na 60℉ i jediničnom atmosferskom pritisku (14.7 psia). U SI sistemu, gustina u gramima po kubnom centimetru ili megagramima po kubnom metru i SG imaju istu vrijednost. Obje, i specifična težina i gustina su temperaturno zavisni parametri, tako da temperatura može biti određena kada se ovi parametri izmjere. SG je bezdimenzionalna veličina, jer je odnos.

TemperaturaSpecifična težina

lb/ft3kN /m3 Specifična gravitacija

Aceton 60℉ 49.4 7.74 0.79

Alkohol (Etil) 68℉ 49.4 7.74 0.79

Glicerin 32℉ 78.6 12.4 1.26

Živa 60℉ 846.3 133 13.56

Čelik 490 76.93 7.85

Voda 39.2℉ 62.43 9.8 1.0

Faktori konverzije: 1/ft3=0.028 m3;1 lb=4.448 N ,1lb / ft3=0.157 kN /m3 ;

Tabela 1. Specifične težine i specifične gravitacije nekih uobičajenih materijala

Primjer 4.

Kolika je specifična gravitacija glicerina, ako je specifična težina glicerina 12.4 kN/m3?

SG=12.4 ÷ 9.8=1.26


Senzori nivoa

2.3 Mjerne jedinice

Mnogi industrijski procesi odvijaju se na pritiscima koji su određeni u odnosu na atmosferski pritisak i poznati su kao mjerni pritisci. Ostali procesi rade na pritiscima određenih prema vakuumu, i mogu se nazvati negativnim mjernim pritiscima.

Atmosferski pritisak nije fiksna vrijednost, i zavisi od faktora kao što su vlažnost, nadmorska visina, temperatura itd. Sledeći termini postoje kada se razmatraju atmosferske konstante:

1. Atmosferski pritisak se mjeri u funtama po kvadratnom inču (psi), u engleskom sistemu jedinica.

2. Atmosferski pritisak se mjeri u Paskalima ( Pa ili N/m2)u SI sistemu.3. Atmosferski pritisak može se odrediti u inčima ili centimetrima vode.4. Atmosferski pritisak se može odrediti u inčima ili milimetrima žive.5. Atmosfera (atm) je ekvivalentna pritisku u atmosferama.6. 1 torr=1 mm žive, u metričkom sistemu jedinica.7. 1 bar (1.013 atm)=100 kPa,u metričkom sistemu jedinica.

Tabela 2. Konverziju između različitih jedinica za mjerenje pritiska.

Voda

¿¿ cm¿

Ž iva¿∗¿ ¿

mm inkPa psi

1 psi 27.7 70.3 51.7 2.04 6.895 1

1 psf 0.19 0.488 0.359 0.014 0.048 0.007

1 kPa 4.015 10.2 7.5 0.295 1 0.145

1 atm 407.2 1034 761 29.96 101.3 14.7

1 torr 0.535 1.36 1 0.04 0.133 0.019

1 milibar 0.401 1.02 0.75 0.029 0.1 0.014

# na 39℉ , * na 4℃, ** na 0℃Tabela 2. Konverzije pritiska

Primjer 5.

Koliki pritisak izražen u psi odgovara 98.5 kPa?

p=98.5 kPa(6.895 kPapsi )= 98.5

6.895 psi=14.3 psi

Sledećih šest uslova se uobičajeno primjenjuju za mjerenje pritiska:


Senzori nivoa

1. Totalni vakuum je nulti pritisak ili nedostatak pritiska, kao što je slučaju u svemiru i veoma je teško postići to u praksi. Vakuum pumpe su jedine koje se mogu porediti sa pravim vakuumom.

2. Atmosferski pritisak je pritisak na povšinu Zemlje, koji postoji zbog težine gasova u Zemljinoj atmosferi (14.7 psi ili 101.36 kPa apsolutno). Pritisak opada sa porastom nadmorske visine. Npr., na visini od 5000 ft, opada na oko 12.2 psi (84.122 kPa).

3. Apsolutni pritisak je pritisak mjeren u odnosu na vakuum, i izražava se u psia ili kPa(a). Primjetimo da koristimo a i g kada ukazujemo na apsolutni ili mjerni pritisak.

4. Mjerni pritisak je pritisak mjeren u odnosu na atmosferski pritisak, i obično se izražava i psig ili kPa(g). Slika 1. prikazuje grafički odnos između atmosferskog, mjernog i apsolutnog pritiska.

5. Vakuum je pritisak mjeren između totalnog vakuuma i normalnog atmosferskog pritiska.Pritisak manji od atmosferskog često se naziva "negativni pritisak" i ukazuje na vrijednost ispod atmosferskog pritiska. Kao primjer, -5 psig odgovara 9.7 psia.

6. Diferencijalni pritisak je pritisak mjeren u odnosu na drugi pritisak, i izražava se kao razlika između dvije vrijednosti pritiska. Ovo predstavlja dvije tačke u sistemu pritiska ili protoka, naziva "delta p", ili ∆ p .

Slika 1. Ilustracija mjernog pritiska u odnosu na apsolutni pritisakPrimjer 6.Atmosferski pritisak je 14.5 psi. Ako je apsolutni pritisak 2865.6 psfa, koliki je mjerni

pritisak?

Mjerni pritisak=2865.6 psfa144

−14.5 psi=19.9 psia−14.5 psi=5.4 psig

Primjer 7.Koliki je mjerni pritisak u (a) kPa, i (b) N/cm2, na rastojanju 5.5 ft ispod površine vodenog

tornja?(a) p=9.8 (5.5 × 3.28 ) kPa=9.8 ×1.68 kPa=16.4 kPa(g)


Senzori nivoa

(b) p=16.4 Nm2 =

16.410000

Ncm2 =1.64 × 10−3 N

cm2 (g)

Pritisak u ovom slučaju je mjerni pritisak (tj. kPa (g)). Da bi se dobio ukupan pritisak, atmosferski pritisak semora uzeti u obzir. Ukupni (apsolutni) pritisak u ovom slučaju je 9.8+101.3=111.1 kPa (a). Oznake g i a se trebaju koristiti kada je to moguće, da bi se izbjegla zabuna. U slučaju psi i psf, oni postaju psig ili psfg, ili psia i psfa. U slučaju kPa, koristimo kPa (a) ili kPa (g), respektivno. Takođe, treba napomenuti da ako se koristi glicerin umjesto vode, pritisak će biti 1.26 puta veći, jer je njegova specifična težina 1.26.

2.4 Sila potiska

Sila potiska je sila usmjerena na gore, koja djeluje na objekat koji je uronjen ili lebdi na površini tečnosti. Težina objekta je manja nego u vazduhu, i proporcionalna je težini tijelom istisnute tečnosti. Sila naviše koja djelujena objekat uzrokuje smanjenje težine, naziva se sila potiska i data je kao:

B=γV (3)

gdje je B sila potiska u funtama, γ specifična težina u funtama po kubnom metru, a V je zapremina istisnute tečnosti po kubnom metru. Ako radimo u SI sistemu jedinica, onda je B u Njutnima, γ je u Njutnima po kubnom metru, a V je u kubnim metrima.

Na slici 2. predmeti a,b,c i d su iste veličine, i sile potiska na a i c su iste, iako se nalaze na različitim dubinama. Ne postoji sila potiska na predmet d, jer tečnost ne može dospjeti ispod njega. Plovna sila na b je polovina plovne sile na a i c, jer je samo polovina predmeta uronjena u tečnost.

Slika 2. Uronjeni objekti koji demonstriraju silu potiska

Primjer 8.

Kolika je sila potiska koja djeluje na plastičnu kocku stranica 2.5 m, ako su tri četvrtine kocke uronjene u vodu?

B=9.8 kNm3 ×2.5 m× 2.5 m×2.5 m × 3

4=114.8 N

Primjer 9.

Kolika je prividna težina komada drveta zapremine 3.7 m3 potpuno uronjenog u aceton?

Usvojimo da je specifična težina drveta 8.5 kNm3 .


Senzori nivoa

Težina drveta u vazduhu¿3.7 ×8.5 kN=31.45 kN

Sila potiska na drvo¿3.7 ×7.74 kN=28.64 kN

Prividna težina¿31.45−28.640=2.81 kN (287 kg )

Paskalov zakon kaže da pritisak primjenjen na zatvorenu tečnost ili gas, prenosi se na sve dijelove tečnosti/gasa i zidove posude. Ovo je pokazano pomoću hidraulične prese na slici 3. Sila F s koja djeluje na mali klip (zanemarimo trenje) će vršiti pritisak na tečnost dat izrazom:

p=F s

A s(4)

gdje je A s poprečni presjek manjeg klipa. Pošto se pritisak prenosi kroz tečnost na drugi cilindar, u skladu sa Paskalovim zakonom, sila na veći klip (F l¿ će biti :

F l=p A l(5)

Može se vidjeti da je sila F l uvećana za odnos površina klipova. Ovaj princip se intenzivno koristi kod dizalica, hidraulične prese itd.

Primjer 10.

Na slici 3. ako je površina malog klipa A s 8.2 ¿2, a površina velikog klipa Al je 2.3 ft3 , kolika je sila F l na veliki klip, ako je sila F s na mali klip 25N ?

Slika 3. Dijagram hidraulične prese

Sila F l na klip=25 N × 2.3 ×1448.2

=1009.7 N=1.009 kN

3 MJERNI INSTRUMENTINekoliko tipova instrumenata je dostupno za mjerenje pritiska, ovi instrumenti mogu biti

podijeljeni u dvije grupe: uređaji za mjerenje pritiska i uređaji za mjerenje vakuuma. U-cijevi manometri su zamijenjeni sa manjim i robusnijim uređajima, kao što je silicijumska dijafragma. Uređaji za mjerenje vakuuma zahtijevaju specijalne tehnike za mjerenje veoma niskog pritiska.

3.1 Manometri

Manometri su dobri primjeri instrumenata za mjerenje pritiska, iako nisu tako često u upotrebi kao prije, zbog razvoja senzora pritiska koji su manji, robusniji i lakši za upotrebu.


Senzori nivoa

U-cijevi manometri se sastoje od staklenih cijevi u obliku slova "U", djelimično ispunjenih tečnošću. Kada postoje jednaki pritisci u obje strane cijevi, nivoi tečnosti će odgovarati nultom položaju na skali, kao što je prikazano na slici 4. (a). Skala je podijeljenana jedinice pritiska. Kada je primjenjen veći pritisak u jednom dijelu U-cijevi, tečnost se podiže naviše u dijelu cijevi u kojem je niži pritisak, tako da razlika u visini ova dva nivoa tečnosti kompenzuje razliku u pritiscima. Razlika pritisaka je data izrazom :

PR−PL=γ × razlikau visini dva nivoatečnosti(7)

gdje je γ specifična težina tečnosti u manometru.

Slika 4. Jednostavni manometar U-cijev, (a) bez razlike u pritiscima i (b) viši pritisak u lijevom dijelu cijevi

Primjer 11.

Tečnost u manometru ima specifičnu težinu 8.5 kNm3 . Ako se nivo tečnosti podigne za 83cm

naviše u dijelu cijevi sa višim pritiskom, kolika je razlika u pritiscima ?

∆ p=γ ∆ h=8.5× 83100

kPa=7.05 kPa

Primjer 12.

Kolika je gustina tečnosti u manometru, ako je nivo tečnosti u cijevi manometra 1.35 m, a razlika pritisaka u cijevi je 7.85 kPa?

γ= ph=7.85 kPa

1.35 m×

Nm2

9.8 Nm3

kg /m3=0.59 Mg/m3

3.2 Dijafragme, kapsule i mjehovi

Manometri su velika grupa senzora koji mjere pritisak u odnosu na atmosferski pritisak. Mjerni senzori su najčešće uređaji koji mijenjaju svoj oblik kada se primjeni pritisak. Ovi uređaji uključuju dijafragme, kapsule, mjehove u Burdonove cijevi.


Senzori nivoa

Dijafragma se sastoji od tankog sloja materijala na krutom okviru, kao što je prikazano na slici 5. (a). Pritisak se može primjeniti sa jedne strane dijafragme za detekciju mjerenja, sa drugim ulaznim portom koji se ostavlja otvorenim vazduhu. Pritisak se može primjeniti sa obje strane dijafragme za detekciju razlike u pritiscima, a mjerenje apsolutnog pritiska može se postići ako se vakuum nalazi sa jedne strane dijafragme. Širok dijapazon materijala može da se koristi za senzorski sloj: od gume do plastike za niske pritiske, silicijum za srednje pritiske i nehrđajući čelik za visoke pritiske.

Kada se pritisak primjeni na dijafragmu, sloj materijala se krivi ili postaje blago sferičan, što može da se izmjeri koristeći mjerno opterećenje, piezoelektrik, ili tehnike zasnovane na promjeni kapacitivnosti. Starije metode uključuju mnoštvo magnetnih i karbonskih uređaja. Na prikazanom uređaju, položaj dijafragme se mjeri korištenjem kapacitivnih tehnika, i mjerenje se može izvršiti pomoću AC mosta ili pomoću impulsno-okidnih tehnika. Ove tehnike su veoma precizne, dobija se odlična linearna zavisnost pritiska i amplitude izlaznog napona.

Silicijumske dijafragme su danas u svakodnevnoj upotrebi. Pošto je silicijum poluprovodnik, piezo otporno mjerno opterećenje i elektronski pojačavač mogu biti integrisani na površini silicijumske strukture, kao što je prikazano na slici 5. (b).

Slika 5. Poprečni presjek (a) kapacitivnog senzora, (b) mikrominijaturnog silicijumskog senzora pritiska

Ovi uređaji imaju ugrađenu temperaturnu kompenzaciju za mjerna opterećenja i pojačavače, visoku osjetljivost, daju visok izlazni napon (5V FSD). Malih su dimenzija, precizni (<2% FSD), pouzdani, imaju dobar opseg radnih temperatura (-50° do 120℃ ), niske cijene, mogu da izdrže visoka preopterećenja, dugovječni su i otporni na mnoge hemikalije. Komercijalno napravljeni uređaji su na raspolaganju za mjerni, diferencijalni i apsolutni pritisak i mjere do 200 psi (1.5 MPa). Ovaj opseg se može proširiti korištenjem dijafragmi od nehrđajućeg čelika do 10000 psi (70 MPa).

Poprečni presjek prikazan na slici 7.5 (b) je presjek diferencijalnog silicijumskog čipa (mikrominijaturnog senzora). Dimenzije senzora su veoma male, i pakovan je u plastičnu kutiju (0.2 u širinu × 0.6 u prečniku, približno). Senzor ima široku primjenu u industriji, za mjerenje pritiska kod automobila (npr. višestruki vazdušni pritisak, barometarski pritisak vazduha, ulja, mijenjači, nedostatak tečnosti, servo sistemi, pritisak guma, i mnoge druge primjene kao što su monitori krvnog pritiska).


Senzori nivoa

Kapsule su dijafragme spojene zadnjim stranama. Pritisak može biti primenjen na prostor između dijafragmi, primoravajući ih da odvojeno mjere mjerni pritisak. Razdvajanje dijafragmi može mehanički da se spoji sa mjernim uređajem. Ugibanje kapsule zavisi od njenog prečnika, debljine materijala i elastičnosti. Materijali koji se koriste su fosfor bronza, nehrđajući čelik, gvožđe i legure nikla. Mjerni opseg pritiska instrumenta koristeći ove materijale može dostići i 50 psi (350kPa). Kapsule se mogu spojiti kako bi se povećala osjetljivost i mehanička pokretljivost, ili kao što je prikazano na slici 6., mogu biti povezane kao dva odvojena uređaja, tako da mogu mjeriti diferencijalni pritisak. Mjerni sistem koristi tehniku zatvorene petlje za konvertovanje kretanja ruke (pritiska) u električni signal, i da ga održi u njegovom neutralnom položaju u sistemu ravnoteže sila.

Kada se pritisak promjeni , kretanje ruke se detektuje linearnim promjenjljivim diferencijalnim tranformatorom (eng. Linear Variable Differential Transformer – LVDT), ili nekom drugom vrstom senzora pozicije. Signal se pojačava i upravlja elektromagnetom da vrati ruku u neutralni položaj. Struja koja je potrebna da upravlja elektromagnetom je tada proporcionalna primjenjenom pritisku, i amplituda izlaznog signala je proporcionalna struji elektromagneta. Prednost sistema kontrole zatvorene petlje je u tome što je skoro svaka nelinearnost u mehaničkom sistemu praktično eliminisana.

Slika 6. Kapsula-diferencijalni senzor pritiska sa elektronskom kontrolom zatvorene petlje

Ovakvo podešavanje omogućuje izlaz visokog nivoa, visoke rezolucije, dobre preciznosti i stabilnosti. Struja elektromagneta može biti promjenjljive amplitude (dc) ili širinsko-impulsno modulisana struja koja se lako može konvertovati u digitalni signal.

Mjehovi su slični kapsulama, osim što dijafragme nisu direktno spojene već su odvojene valovitom ili spiralnom cijevi, kao što je prikazano na slici 7.


Senzori nivoa

Slika 7. Mjeh za mjerenje razlike pritisaka (P1−P2) za direktno očitanje sa skale

Kada se pritisak primjeni na mjehove, oni se izdužuju istezanjem spirale, a ne krajeva dijafragme. Materijali koji se koriste za senzore pritiska tipa mjeha su identični onima koji se koriste za kapsule, dajući opseg pritiska za mjehove do 800 psi (5 MPa). Ovi uređaji se mogu koristiti za mjerenje apsolutnog, mjernog i diferencijalnog pritiska.

Diferencijalna mjerenja se mogu izvršiti mehaničkim povezivanjem dva mjeha koji su okrenuti suprotno jedan prema drugom, kada djeluje pritisak kao što je prikazano na slici 7. Kada pritisci P1 i P2 djeluju na mjehove, dobija se skala za očitanje razlike. P2 može biti atmosferski pritisak ako se mjeri mjerni pritisak. Mjehovi su najosjetljiviji, mehanički uređaji za mjerenje niskog pritiska (tj. od 0.5 do 210 kPa).

3.3 Burdonove cijevi

Burdonove cijevi su šuplje, spljoštene ili ovalnog poprečnog presjeka, napravljene od berilijuma, bakra ili čelika, kao što je prikazano na slici 8. (a). Spljoštena cijev se oblikuje u tri četvrtine kruga, kao što je prikazano na slici 8. (b).

Slika 8. (a) Poprečni presjek Burdonove cijevi, (b) mjerenje pritiska Burdonovom cijevi

Princip rada je da spoljašna ivica poprečnog presjeka ima veću površinu nego unutrašnji dio. Kada se primjeni pritisak, ukupna primjenjena sila na spoljašnu ivicu je porporcionalno veća zbog veće površine i dijametar kruga se povećava. Zidovi cijevi su debljine između 0.01 i 0.05. Cijevi su


Senzori nivoa

pričvršćene na jednom kraju. Kada se primjeni pritisak na cijev, ona pokušava da se ispravi, i na taj način kraj cijevi se kreće. Ovo kretanje se može mehanički povezati sa pokazivačem , koji će pokazati pritisak kao liniju u vidnom polju indikatora, ili se može povezati sa potenciometrom, koji će dati vrijednost otpora proporcionalnu nekom električnom signalu. Burdonova cijev datira iz 1840. godine. To je pouzdan, jeftin i jedan od mjerača pritiska najopštije namjene.

Burdonove cijevi mogu da izdrže preopterećenja i do 40% njihovog deklarisanog maksimalnog opterećenja, ali ako je preopterećena može zahtijevati rekalibraciju. Burdonova cijev se najčešće koristi za mjerenje pozitivnih mjernih pritisaka, ali se takođe može koristiti i za mjerenje negativnih mjernih pritisaka. Ako se pritisak Burdonovu cijev opada, prečnik cijevi se smanjuje. Ovo kretanje cijevi se može povezati sa pokazivačem kako bi se napravio manometar za vakuum. Burdonove cijevi mogu imati mjerni opseg pritiska i do 10 000 psi (70 MPa).

Burdonove cijevi se takođe mogu oblikovati u spiralne ili uvijene (helikoidne) oblike kako bi se povećao njihov mjerni opseg. Slika 9. (a) prikazuje Burdonovu cijev oblikovanu kao spiralu, a slika 9. (b) prikazuje cijev kao uvijeni manometar. Burdonove cijevi spiralnog oblika su osjetljivije od Burdonovih cijevi kružnog oblika, i proširuju niži kraj opsega sa 3.5 kPa na 80 kPa.

Slika 9. Burdonove cijevi kao mjerači pritiska: (a) spiralna i (b) uvijena cijev

3.4 Ostali senzori pritiska

Barometri se koriste za mjerenje atmosferskog pritiska. Jednostavni manometar sastoji se od žive u staklenom barometru , koji se sada rijetko koristi zbog svoje krhkosti i toksičnosti žive. Aneroidni barometar (bez tečnosti) je najpogodniji za direktna očitanja (npr. mjehovi na slici 7. ili uvijene Burdonove cijevi na slici 9. (b)),a senzori apsolutnog pritiska u čvrstom stanju je najpogodniji za dobijanje električnog signala na izlazu.

Piezoelektrični senzor pritiska prikazan je na slici 10. Piezoelektrični kristali stvaraju napon između svojih krajeva kada se sila ili pritisak primjeni na kristal. Ovaj napon može biti pojačan, i uređaj se koristi kao senzor pritiska. Da bi kompenzovali silu koja nastaje zbog težine dijafragme kaga se senzor kreće ili se mijenja njegova brzina kretanja (npr. ako je prisutna vibracija, seizmička težina ili masa se koristi ponekad na drugoj strani piezoelektričnog kristala dijafragme.


Senzori nivoa

Slika 10. Poprečni presjek piezoelektričnog senzora

Piezoelektrični uređaji imaju dobru osjetljivost, širok opseg radne temperature (do 300℃), i dobar frekventni odziv (do 100 kHz), ali nisu pogodni za nisko frekvencije (manje od 5 Hz)ili za dc procese, zbog ofseta i drifta uzrokovanih promjenama temperature (piezoelektrični efekat). Piezoelektrični uređaji su pogodniji za dinamička nego za statička mjerenja.

3.5 Vakuumski instrumenti

Vakuumski instrumenti se koriste za mjerenje pritisaka manjih od atmosferskog pritiska. Burdonove cijevi, dijafragme i mjehovi mogu se koristiti kao manometri za vakuum, ali oni mjere negativni pritisak u odnosu na atmosferski pritisak. Silicijumski mjerač apsolutnog pritiska ima ugrađenu referencu za nizak pritisak, tako da su kalibrisani za mjerenje apsolutnih pritisaka. Konvencionalni uređai mogu da se koriste za mjerenje do 20 torr (5 kPa), i ovaj opseg može biti proširen približno do 1 torr sa posebnim uređajima za očitanje.

Jonski manometri mogu da se koriste za mjerenje pritiska od 10 do približno 20 atm. Gas se jonizuje snopom elektrona između dvije elektrode u gasu. Struja je proporcionalna broju jona po jedinici zapremine. Jonski manometar je prikazan na slici 11.(a).

Slika 11. Vakuumski mjerači pritiska: (a) jonski manometri i (b) Piranijev manometar

Piranijev manometar prikazan je na slici 11. (b). Sa posebnim podešavanjima i termoparovima, Piranijev manometar može mjeriti pritisak vakuuma do približno 1 torr (10-30 atm). Ove tehnike se zasnivaju na zavisnosti toplotne provodljivosti od zračenja grijača, i broja molekula gasa po jedinici zapremine u dijelu niskog pritiska, što određuje pritisak.


Senzori nivoa

McLeod-ov manometar je uređaj podešen da mjeri nizak pritisak (1 torr). Ovaj uređaj sabija gas niskog pritiska na nivo na kojem može da se izmjeri. Promjena zapremine i pritiska gasa može da se iskoristi za izračunavanje originalnog pritiska gasa, obezbjeđujući da se gas ne kondenzuje.

4 ANALIZA PRIMJENETokom ugradnje senzora pritiska, treba voditi računa da se za datu primjenu izabere

odgovarajuću senzor. Ovaj odjeljak daje poređenje karakteristika različitih tipova senzora pritiska, analizu ugradnje i kalibraciju.

4.1 Izbor senzora pritiska

Uređaji za očitanje pritiska biraju se prema mjernom opsegu pritiska, zahtjevima preopterećenja, tačnosti, opsegu radne temperature, električnoj signalizaciji i vremenu odziva. Za neke primjene postoje i drugi potrebni uslovi. Parametri kao što su histerezis i stabilnost trebaju biti sadržani u specifikacijama proizvođača. Za većinu industrijskih primjena koje uključuju mjerenje pozitivnih pritisaka, Burdonova cijev je dobar izbor za direktna vizuelna očitanja, i silicijumski senzori pritiska za proizvodnju električnih signala. Oba tipa uređaja imaju komercijalno dostupne senzore za mjerenje od 5 psi FSD do 10 000 psi (70 MPa) FSD. Tabela 3. Daje poređenje ova dva tipa uređaja.

Uređaj Maksimum opsega pritiska, psi (MPa) Tačnost, FSD Vrijeme odziva,

sekunda Preopterećenje

Burdonova cijev

(nehrđajući čelik)10 000 (70) 1% 1 40%

Silicijumski senzor sa dijafragmom od nehrđajućeg čelika

10 000 (70) 1% 1×10−3 400%

Tabela 3. Poređenje Burdonove cijevi i silicijumskog senzora

UređajOpseg pritiska,

psi (MPa)Temperaturni

opseg Tačnost ∓

U-cijev manometar 0.1-120(0.7 kPa-1 MPa) sobna temperatura 0.02 in

Dijafragma 0.5-400 (3.5kPa- 0.28 MPa) 90℃ maksimum 0.1% FSD

Čvrsta dijafragma 0.2-200 (1.4 kPa- 0.14 MPa) -50° do +120℃ 1.0 % FSD

Dijafragma od nehrđajućeg čelika

20-10000 (140 kPa- 70 Mpa) -50° do +120℃ 1.0 % FSD

Kapsula 0.5-50 (3.5 kPa-0.031 MPa) 90℃ maksimum 0.1% FSD


Senzori nivoa

Mjeh 0.1-800 (0.7 kPa-0.5 MPa) 90℃ maksimum 0.1% FSD

Burdonova cijev 0.5-10000 (3.5 kPa-70 MPa) 90℃ maksimum 0.1% FSD

Sprialna Burdonova cijev 0.01-4000 (70 kPa-25 MPa) 90℃ maksimum 0.1% FSD

Uvijena Burdonova cijev 0.02-8000 (140 kPa-50 MPa) 90℃ maksimum 0.1% FSD

Piezoelektik od nehrđajućeg čelika

20- 10000 (140 kPa-70 MPa) -270° do +200℃ 1.0 % FSD

Tabela 4. Približni opsezi pritiska za senzore pritiska

Tabela 4. prikazuje radni opseg za nekoliko tipova senzora pritiska. Prikazabi opseg je pun opseg, i može uključivati nekoliko uređaja napravljenih od različitih vrsta materijala. Navedena tačnost može biti netačna, jer to zavisi od opsega uređaja. Date vrijenosti su uobičajene, i mogu biti prevaziđene sa novim materijalima i dostignućima u tehnologiji.


Senzori nivoa

4.2 Ugradnja senzora

Sledeće treba uzeti u obzir prilikom ugradnje uređaja za mjerenej pritiska:

1. Udaljenost između senzora i izvora treba svesti na minimum.2. Senzori trebaju biti povezani preko ventila radi lakše zamjene.3. Uređaji za zaštitu od prekoračenja opsega trebaju biti sadržani u senzoru.4. Da bi se eliminisale greške zbog zarobljene tečnosti prilikom mjerenja pritiska tečnosti ,

senzor treba da se nalazi iznad izvora.5. Da bi se eliminisale greške zbog zarobljene tečnosti prilikom mjerenja pritiska gasa ,

senzor treba da se nalazi ispod izvora.6. Kada se mjeri pritisak tečnosti ili gasova koji uzorkuju nastanak korozije, inertan medij

je potreban između senzora i izvora, ili senzor mora biti otporan na koroziju.7. Težina tečnosti u povezanom nizu uređaja za mjerenje pritiska tečnosti, koja se nalazi

iznad ili ispod izvora, izazvaće greške na nuli, i korekcija se mora napraviti podešavanjem nule, ili na neki drugi način kompenzovati u sistemu za mjerenje.

8. Otpornost i kapacitivnost mogu da se dodaju električnom kolu da bi se smanjile fluktuacije pritiska i nestabilna očitanja.

4.3 Baždarenje (kalibracija)

Uređaji za mjerenje pritiska se baždare u fabrici. U slučaju kada je senzor sumnjiv i zahtjeva ponovno baždarenje, senzor može biti vraćen u fabriku za baždarenje, ili se može uporediti sa poznatom referencom. Uređaji za mjerenje niskog pritiska mogu biti baždareni u odnosu na manometar tečnosti. Uređaj za mjerenje visokog pritiska može se baždariti sa balastim ispitivačem, koristeći tegove na klipu da precizno prikaže visoke pritiske. Standardi za precizno baždarenje mogu se dobiti od Nacionalnog instituta za standarde i tehnologiju, koji takođe može da izvrši ponovno baždarenje standarda.


Senzori nivoa

5 ZaključakPritisak se može mjeriti u engleskim ili SI jedinicama. Pritisci mogu biti standardizovani

prema atmosferskom pritisku, kada se nazivaju mjernim pritiscima, ili standardizovani prema vakuumu, kada se nazivaju apsolutnim pritiscima. Hidrostatički pritisak je pritisak na određenoj dubini u tečnosti koji nastaje zbog težine tečnosti koja se nalazi iznad mjerne tačke, što je određeno gustinom ili specifičnom težinom. Slično tome, kada se objekat nalazi u tečnosti, na objekat djeluje sila koja je proporconalna težini istisnute tečnosti.

Brojni instrumeni za mjerenje pritiska su dostupni, kao što su Burdonove cijevi i mjehovi, iako su neki stariji tipovi uređaja, kao što su U-cijevi manometri, zamijenjeni manjim, lakšim za upotrebu i manje krhkim uređajima, kao što su silicijumski senzori pritiska. Svi senzori mogu se podesiti za mjerenje apsolutnog, diferencijalnog ili mjernog pritiska. Međutim, za mjerenje veoma niskih pritisaka koji su bliski vakuumu, potrebni su specijalni uređaji kao što su jonski i Piranijevi manometri.

Pritisak se često koristi kao indirektna mjera drugih fizičkih veličina. Potrebno je pažljivo ugraditi senzore, kako se ne bi uvele greške prilikom same ugradnje. Izbor manometra zavisi od zahtjeva primjene. Lista karakteristika je data uz mjere opreza, koje treba primjeniti prilikom ugradnje manometra.


Senzori nivoa

6 Definicije Apsolutni pritisak je pritisak mjeren u odnosu na vakuum, i izražava se u psia ili kPa(a). Atmosferski pritisak je pritisak na površini Zemlje koji nastaje usljed težine gasova u

Zemljinoj atmosferi, i obično se označava nadmorskom visinom sa 14.7 psi ili 101.36 kPa. Gustina (ρ) je masa po jedinici zapremine materijala (npr. lb/ft3, ili kg/m3). Diferencijalni pritisak je pritisak mjeren u odnosu na neki drugi pritisak. Dinamički pritisak je pritisak tečnosti ili gasa, kada djeluju na podlogu ili neki drugi objekat

zbog svog kretanja ili protoka. Mjerni pritisak je pritisak mjeren i odnosu na atmosferski pritisak, i obično se izražava u

psig ili kPa(g). Ukupni pritisak je suma statičkog i dinamičkog pritiska na podlogu ili objekat. Specifična gravitacija (SG) tečnosti ili čvrstih tijela je odnos gustine (ili specifične težine)

materijala i gustine (ili specifične težine) vode na određenoj temperaturi. Specifična gravitacija gasa je njegova gustina (ili specifična težina) podijeljena sa gustinom (ili specifičnom težinom) vazduha na 60℉ i jediničnom atmosferskom pritisku (14.7 psia). U SI sistemu, gustina u gramima po kubnom centimetru ili megagramima po kubnom metru i specifična gravitacija imaju istu vrijednost.

Specifična težina (γ) je težina po jedinici zapremine materijala (npr. lb/ft3, ili N/m3). Statički pritisak je pritisak tečnosti ili gasa u stacionarnom stanju ili kada se ne kreće. Totalni vakuum je nulti pritisak ili nedostatak pritiska, kao što je u svemiru. Vakuum je mjera pritiska izmjerena između totalnog vakuuma i normalnog atmosferskog

pritiska.


Senzori nivoa

7 Literatura[1] Introduction to Instrumentation, Sensors, and Process Control – William C. Dunn


Documents

Senzori seminarski