UNIVERZITET U BEOGRADU

TEHNOLOŠKO-METALURŠKI FAKULTET

Seminarski rad iz predmeta

Savremena merenja u tehnologiji

Pritisak

Studenti: Predavač:

Tanja Simeunović, 118/17 doc. dr Miloš Petrović

Teodora Tomić, 253/17

Ivana Jaćimovski, 258/17

Jovana Smiljanić, 268/17

Beograd, 20.11.2019.

2

Sadržaj

1. Uvod..............................................................................................................3

2.Merenje pritiska..............................................................................................5

3.Pretvarači.......................................................................................................5

3.1. Kalibrisanje......................................................................................6

3.2. Senzori.............................................................................................6

3.2.1.Princip rada senzora...........................................................7

4.Električni pretvarači........................................................................................7

4.1.Kapacitivni električni pretvarači........................................................7

4.2. Piezoelektrični pretvarači.................................................................8

4.3.Piezorezistivni pretvarači..................................................................9

4.4.Pretvarači sa mernim trakama........................................................10

5.Literatura......................................................................................................12

3

1. Uvod

Pritisak je makroskopska skalarna veličina i predstavlja količnik sile koja deluje

normalno na zid i date površine. Osnovna jedinica je Paskal. Paskal se predstavlja

kao intezitet sile od jednog Njutna po jednom metru kvadratnom. [1]

Slika 1. Slikovit prikaz pritiska [1]

(1)

(2)

Vrste pritiska:

1. Apsolutni pritisak je pritisak koji se meri u odnosu na pritisak koji je jednak

(apsolutnoj) nuli.

2. Atmosferski pritisak je pritisak kojim vazdušni omotači deluje na Zemljinu

površinu i sva tela na njoj. Zavisi od nadmorske visine1, temperature i vlage.

Na nivou mora (0) atmosferski pritisak je jednak 101,325 kPa.

3. Manometarski pritisak koji se često naziva i hidrostatički ili samo pritisak

predstavlja razliku apsolutnog i atmosferskog pritiska.

4. Vakuum je stanje u kome je pritisak nula, a isti naziv se koristi za merenje

niskih pritisaka manjih od 100 Pa.

5. Diferencijalni pritisak je razlika između pritiska u dve merne tačke. Koristi se

kao indikator padova pritiska na nekoj opremi ili njenoj komponenti.

1 Nadmorska visina je visina neke tačke na Zemlji u odnosu na referentnu površ geoida. Geoid je ekvipotencijalna površ na koju je u svakoj njenoj tački pravac sile teže normalan.

4

Slika 2. Oblasti tehničkog merenja pritiska [4]

5

2. Merenje pritiska

Razlikujemo tri kategorije merenja pritiska:

1. Merenje apsolutnog pritiska,

2. Merenje atmosferskog pritiska (barometarskog),

3. Merenje diferencijalnog pritiska.

Slika 3. Struktura uređaja za merenje pritiska [2]

3. Pretvarači

Svaki uređaj koji može da pretvori energiju iz jednog oblika u drugi naziva se

pretvarač. Pretvarač pritiska konvertuje primenjeni pritisak u merljivi električni signal

koji je linearan i odgovara pritisku koji je primenjen. Sastoji se od dva dela –

elastičnog materijala koji se usled pritiska deformiše i električnog uređaja koji

detektuje pritiskom izazvanu deformaciju materijala i prevodi je u električni signal koji

može dalje da se koristi. Često se pretvarači prave sa ugrađenom elektronikom i

memorijom, zbog čega su u stanju da sami zapisuju rezultate merenja. [2]

Slika 4. Šematski prikaz principa rada pretvarača [7]

6

3.1. Kalibrisanje

Neophodno je kalibrisati pretvarače pritiska. Za kalibraciju se najčešće koriste

radni etaloni - pretvarači koji imaju 3 do 5 puta veću tačnost od onih koji se kalibrišu.

Potrebno je redovno štelovati i ove radne etalone. [3]

3.2. Senzori

Upravo je senzor deo pretvarača koji reaguje na promenu fizičke veličine i

pretvara je u oblik koji može jednostavnije da se meri.

Slika 5. Šematski prikaz senzorskih uređaja [2]

Oni mogu da se podele na dva osnovna načina:

1. prema sredini u kojoj se koriste:

senzori za industrijska merenja

senzori za laboratorijska merenja.

2. prema principu rada:

senzori za deformaciju

senzori za pomeraje.

7

3.2.1. Princip rada senzora

Različiti uslovi merenja, opsezi i materijali korišćeni u izradi senzora dovode

do mogućnosti konstrukcije njegovih različitih oblika. Često se pritisak konvertuje do

neke posredničke veličine, kao što je pomeraj, detektovanjem stepena izvijanja

membrane. Senzor potom pretvara ovaj pomeraj u izlazni signal električne prirode,

kao što su napon ili struja. [6]

4. Električni pretvarači

Električni pretvarač omogućava ulaz neelektričnog signala koji se dalje u

pretvaraču konvertuje i iz njega izlazi kao električni signal.

Svi pretvarači pritiska sa električnim izlazom se mogu podeliti u dve kategorije:

1. Aktivni - koriste energiju pritiska koji se meri i putem piezoelektričnog elementa, pretvaraju pritisak u naponski izlaz. Koriste se samo za merenje promene pritisaka - najviše u mikrofonima i geofonima (primena u vodovodu).

2. Pasivni (zahtevaju spoljno napajanje) - uglavnom se svode na kombinaciju mehaničkih manometara sa elastičnom membranom i pretvarača pomeranja membrane u elektro izlaz.

Primeri električnih pretvarača: induktivni, kapacitivni, piezoelektrični, sa mernim trakama, mostni, itd.

4.1. Kapacitivni električni pretvarači

Kapacitivni pretvarač meri promenu kapacitivnosti između metalne membrane

i fiksirane metalne pločice. Kapacitivnost između dve metalne pločice menja se sa

promenom rastojanja između pločica prouzrokovanom primenom pritiskom.

Kao deformacioni element koristi se metalna ili silikonska membrana koja ima ulogu

jedne od elektroda kondenzatora. Drugu elektrodu najčešće čini metalni sloj koji se

nanosi na keramičku ili staklenu podlogu. Sa jedne strane membrane je priključak za

mereni pritisak, a sa druge strane je izolovana komora sa referentnim vakuumom.

Pod dejstvom pritiska dolazi do ugibanja membrane, čime se menja zapremina

dielektričnog prostora između elektroda a time I do promene kapacitivnosti. Promena

kapaciteta u zavisnosti od pritiska najčešće se detektuje pomoću mosta koji daje

amplitudni modulisani izlazni signal. U tom slučaju neophodna je demodulacija da bi

8

se dobio odgovarajući izlazni jednosmerni signal - strujni ili naponski, koji prenosi

informaciju o pritisku. [2]

Slika 6. Kapacitivni pretvarač [2]

Slika 7. Šema principa rada kapacitivnih pretvarača [7]

4.2. Piezoelektrični pretvarači

Piezoelektrični pretvarači pritiska se koriste za merenje brzo promenljivog

pritiska. Membrana i drugi elementi, koji su u kontaktu sa piezoelektričnim

elementom, pri ubrzanom kretanju deluju inercijalnim silama na pločicu izazivajući

signal smetnje.

Rad piezoelektričnih senzora se oslanja na električne osobine kristala kvarca. [4]

Srce sistema je silicijumska pločica, kroz čiju su specijalno pripremljenu gornju

površinu difundirana četiri električna otpora formiranih u itstonovom mostu.

Dejstvom pritiska na silicijumsku pločicu dolazi do tzv. piezootpornog efekta. Do

značajne promene specifične električne otpornosti materijala pločice, a time i do

promene vrednosti otpora difundiranih u pločicu kod svih kristalnih materijala dolazi

9

zbog promenljive pokretljivosti elektrona u kristalnoj rešetki pod dejstvom sile. o

omogućava da dimenzije senzora budu male, a takođe je moguće meriti i veoma

male opsege pritiska (reda desetak milibara).

Piezoelektrični efekat je vezan za pojavu naelektrisanja na površini kristala

kada se elastično deformiše duž specifičnih površina. ako se stvara električni

potencijal. Pomoću piezoelektričnih kristala naprezanja se prevode u električne

signale koji su proprocionalni pritisku. Najvažniji kristali koji imaju peizoelektrične

osobine su kvarc, barijum-titanat, turmalin…

Slika 8. Šema principa rada piezoelektričnih pretvarača [7]

Slika 9. Primer piezoelektričnog pretvarača

4.3. Piezorezistivni pretvarači

Piezorezistivni materijali su oni materijali koji menjaju specifičnu električnu

otpornost kada su izloženi mehaničkom naponu i deformaciji. Metali su donekle

10

piezorezistivni, međutim većina pretvarača pritiska radi sa poluprovodnim

silikonima.

Piezorezistivni pretvarači pritiska menjaju otpornost u odnosu na spoljnu

pobudu, u ovom slučaju pritisak. Otpor je uglavnom linearizovan – duplo veći

pritisak izaziva duplo veću promenu otpora.

Ovi pretvarači se sastoje od nekoliko tankih silikonskih pločica ugrađenih

između zaštitnih površina. Pri delovanju spoljašnje sile, dolazi do ugibanja pločica,

što izaziva smanjenje električne otpornosti. Zaštitne površine su uglavnom vezane

za Vitstonov most, koji detektuje promenu otpornosti koja je zapravo ekvivalentna

promeni pritiska. [8]

Do određene vrednosti sile silikonska pločica se ponaša kao izolator, da bi

nakon prelaska te vrednosti, pretvarač dosta brzo stigao u zasićenje i ponašao se

kao provodnik konstantne otpornosti.

4.4. Pretvarači sa mernim trakama

Kada se koristi pretvarač pritiska sa membranom, deformacija membrane se

meri pomoću četiri merne trake, čime se dobija pun itstonov most i maksimalna

osetljivost sistema.

Princip rada merne trake zasniva se na promeni otpornosti provodnika pri

njenom istezanju. rake se, pomoću lepkova pričvršćuju na površinu objekta merenja

ili na elastični merni element. Deformacije koje nastaju na objektu, jednake su

deformaciji trake. Merna traka reaguje samo na deformacije u pravcu dužine, jer je

uzdužni presek mnogo veći od poprečnog preseka. Zbog toga, lepak, kojim je traka

pričvršćena za podlogu, može u punoj meri da prenese deformaciju po dužini.

Otpornost provodnika zavisi od njegovih dimenzija i specifične otpornosti materijala

od koga je izrađen.

Sa druge strane, Vitstonov most je pogodan za merenje malih promena jedne

od četiri vrednosti otpornosti, a samim tim i za određivanje promene otpornosti merne

trake. Merenjem promene otpornosti može da se odredi promena deformacije na

posmatranom mestu objekta merenja. Četiri grane mosta stvaraju se otpornicima od

R1 do R4. Ako se na tačke 2 i 3 – ("napojna dijagonala"), dovede poznat napon Uu,

tada se između tačaka 1 i 4 ("merna dijagonala"), formira izlazni napon mosta Ui ,

11

čija vrednost zavisi od odnosa otpornosti R1 /R2 i R4 /R3. Most sa sve četiri aktivne

merne trake naziva se puni most. [3]

Slika 10. Šematski prikaz rada pretvarača sa mernim trakama [7]

Slika 11. Merne trake [7]

12

5. Literatura

1. https://www.df.uns.ac.rs/files/200/veronika___erfi_-_diplomski_rad_(d-

514).pdf (30.10.2019.)

2. Nermina Zaimović-Uzunović (2006) Mjerna tehnika, Univerzitet u Zenici,

Zenica

3. http://hikom.grf.bg.ac.rs/stari-

sajt/web_stranice/KatZaHidr/Predmeti/Merenja/Literatura/Skripta/Tekst/Me

renjePritiska.html#tth_sEc6.1 (10.11.2019.)

4. Mladen Popović (2004) Senzori i merenja, četvrto izdanje, Zavod za

udžbenike i nastavna sredstva, Srpsko Sarajevo

5. https://www.slideshare.net/tensazangecu/merenje-pritrska

6. https://www.ni.com/en-rs/innovations/white-papers/11/pressure-

measurement-overview.html (11.11.2019.)

7. http://telekomunikacije.etf.bg.ac.rs/predmeti/ef2em/merenja_12.pdf

(10.11.2019.)

8. https://sciencing.com/piezoresistive-pressure-sensors-work-4609318.html

(19.11.2019.)