W dziedzinie automatyki przemysłowej i kontroli procesów kluczową rolę odgrywają przetworniki procesowe. Urządzenia te są odpowiedzialne za dokładny pomiar różnych zmiennych procesowych, takich jak ciśnienie, temperatura, przepływ i poziom, a następnie przekształcanie tych pomiarów na sygnały elektryczne, które można łatwo przesłać do systemów sterowania. Sercem każdego przetwornika procesowego jest element czujnikowy, będący kluczowym elementem bezpośrednio oddziałującym ze zmienną procesową i inicjującym proces pomiarowy. Na tym blogu, jako dostawca przetworników procesowych, będę zagłębiać się w różne materiały stosowane do elementów czujnikowych w przetwornikach procesowych i ich charakterystykę.
Materiały piezoelektryczne
Materiały piezoelektryczne są popularnym wyborem na elementy czujnikowe w przetwornikach ciśnienia, zwłaszcza tych stosowanych w dynamicznych pomiarach ciśnienia. Materiały te mają wyjątkową właściwość wytwarzania ładunku elektrycznego pod wpływem naprężeń mechanicznych lub ciśnienia. Zjawisko to znane jest jako efekt piezoelektryczny.
Jednym z najczęściej stosowanych materiałów piezoelektrycznych jest kwarc. Kwarc jest materiałem krystalicznym, który wykazuje doskonałe właściwości piezoelektryczne, wysoką stabilność i niską histerezę. Jest odporny na wysokie temperatury i ciśnienia, dzięki czemu nadaje się do szerokiego zakresu zastosowań przemysłowych. Na przykład w przemyśle motoryzacyjnym czujniki ciśnienia na bazie kwarcu stosuje się do pomiaru ciśnienia w cylindrach silnika, układach wtrysku paliwa i systemach monitorowania ciśnienia w oponach.
Innym materiałem piezoelektrycznym jest tytanian cyrkonu ołowiu (PZT). PZT jest materiałem ceramicznym, który charakteryzuje się wysokim współczynnikiem piezoelektrycznym, co oznacza, że przy zadanym naprężeniu mechanicznym może wygenerować stosunkowo duży ładunek elektryczny. Dzięki temu czujniki PZT są bardzo czułe i nadają się do zastosowań, w których należy wykryć niewielkie zmiany ciśnienia, np. w urządzeniach medycznych i zastosowaniach lotniczych.
Materiały do tensometrów
Tensometry to kolejny typ elementów czujnikowych powszechnie stosowanych w przetwornikach ciśnienia. Tensometr to urządzenie mierzące odkształcenie lub odkształcenie obiektu poddawanego działaniu siły lub ciśnienia. Tensometr składa się z cienkiego drutu lub folii, która jest przyklejona do powierzchni mierzonego obiektu. Kiedy przedmiot ulega odkształceniu, odkształca się również drut lub folia, co powoduje zmianę jego rezystancji elektrycznej. Mierząc zmianę oporu, można określić odkształcenie, a tym samym ciśnienie.
Najpopularniejszym materiałem używanym do produkcji tensometrów jest metal, w szczególności konstantan. Constantan to stop miedzi i niklu o wysokiej rezystywności i niskim współczynniku temperaturowym oporu. Oznacza to, że jego rezystancja zmienia się liniowo wraz z odkształceniem i jest stosunkowo niewrażliwa na zmiany temperatury. Tensometry Constantan są szeroko stosowane w przemysłowych przetwornikach ciśnienia ze względu na ich wysoką dokładność, stabilność i niezawodność.
Oprócz tensometrów metalowych w niektórych zastosowaniach stosowane są również tensometry półprzewodnikowe. Tensometry półprzewodnikowe są wykonane z materiałów takich jak krzem czy german i mają znacznie wyższą czułość niż tensometry metalowe. Są jednak również bardziej wrażliwe na zmiany temperatury i mają niższą liniowość, co może ograniczać ich dokładność w niektórych zastosowaniach.
Materiały pojemnościowe
Pojemnościowe elementy czujnikowe działają w oparciu o zasadę pojemności, czyli zdolność kondensatora do gromadzenia ładunku elektrycznego. Kondensator składa się z dwóch płytek przewodzących oddzielonych materiałem dielektrycznym. Kiedy zmienia się odległość między płytkami lub stała dielektryczna materiału między płytami, zmienia się również pojemność kondensatora.
W pojemnościowym przetworniku ciśnienia elementem czujnikowym jest kondensator, którego pojemność zmienia się w odpowiedzi na mierzone ciśnienie. Najpopularniejszym materiałem stosowanym na dielektryk w pojemnościowych czujnikach ciśnienia jest cienka warstwa dwutlenku krzemu lub azotku krzemu. Materiały te mają wysoką stałą dielektryczną i doskonałe właściwości mechaniczne, dzięki czemu nadają się do stosowania w zastosowaniach wysokociśnieniowych.
Pojemnościowe czujniki ciśnienia mają kilka zalet w porównaniu z innymi typami czujników ciśnienia. Są bardzo czułe, mają szeroki zakres pomiarowy i są stosunkowo niewrażliwe na zmiany temperatury. Charakteryzują się również krótkim czasem reakcji, co czyni je odpowiednimi do zastosowań, w których należy wykryć szybkie zmiany ciśnienia, takich jak pomiar przepływu i kontrola procesu. Więcej informacji na temat naszych pojemnościowych przetworników ciśnienia można znaleźć na naszej stronieMetalowy pojemnościowy przetwornik różnicy ciśnieństrona.
Materiały optyczne
Optyczne elementy czujnikowe to stosunkowo nowy rodzaj technologii czujnikowej, która jest coraz częściej stosowana w przetwornikach procesowych. Czujniki optyczne działają na zasadzie pomiaru zmiany właściwości optycznych, takich jak natężenie, długość fali lub faza światła, w odpowiedzi na mierzoną zmienną procesową.
Jednym z najpowszechniejszych typów optycznych czujników ciśnienia są światłowodowe czujniki ciśnienia. Światłowodowe czujniki ciśnienia wykorzystują kabel światłowodowy jako element czujnikowy. Kabel światłowodowy pokryty jest cienką warstwą materiału, który zmienia swój współczynnik załamania światła pod wpływem nacisku. Kiedy światło przechodzi przez kabel światłowodowy, zmiana współczynnika załamania światła powoduje zmianę fazy lub natężenia światła, które można zmierzyć i wykorzystać do określenia ciśnienia.
Czujniki optyczne mają kilka zalet w porównaniu z tradycyjnymi czujnikami elektrycznymi. Są odporne na zakłócenia elektromagnetyczne, mają wysoką czułość i mogą być stosowane w trudnych warunkach, w których czujniki elektryczne mogą nie być odpowiednie. Mają też niewielkie rozmiary i można je łatwo zintegrować z innymi urządzeniami. Jednakże czujniki optyczne są na ogół droższe niż inne typy czujników i wymagają bardziej złożonych technik przetwarzania sygnału.
Dobór materiałów na elementy czujnikowe
Wybór materiału elementu pomiarowego przetwornika procesowego zależy od kilku czynników, w tym rodzaju mierzonej zmiennej procesowej, zakresu pomiaru, wymaganej dokładności, warunków środowiskowych i kosztu.
Na przykład, jeśli zmienną procesową jest ciśnienie, a aplikacja wymaga dużej dokładności i stabilności, najlepszym wyborem może być tensometr lub czujnik pojemnościowy wykonany z wysokiej jakości materiału, takiego jak konstantan lub dwutlenek krzemu. Z drugiej strony, jeśli aplikacja wymaga szybkiego czasu reakcji i wysokiej czułości, bardziej odpowiedni może być element czujnikowy piezoelektryczny lub optyczny.
Ponadto przy wyborze materiału elementu czujnikowego należy wziąć pod uwagę warunki środowiskowe, takie jak temperatura, ciśnienie, wilgotność i narażenie na działanie środków chemicznych. Na przykład, jeśli aplikacja odbywa się w środowisku o wysokiej temperaturze, może być wymagany materiał odporny na wysokie temperatury, taki jak kwarc lub węglik krzemu.
Wniosek
Element czujnikowy jest sercem przetwornika procesowego, a wybór materiału elementu czujnikowego ma znaczący wpływ na wydajność i dokładność przetwornika. Jako dostawca przetworników procesowych oferujemy szeroką gamę przetworników z różnymi materiałami elementów czujnikowych, aby sprostać różnorodnym potrzebom naszych klientów. Niezależnie od tego, czy potrzebujeszPrzetwornik ciśnienia bezwzględnego / względnegodo pomiaru ciśnienia absolutnego lub względnego lub metalowy pojemnościowy przetwornik różnicy ciśnień do pomiaru różnicy ciśnień, mamy dla Ciebie odpowiednie rozwiązanie.
Jeśli są Państwo zainteresowani naszymi przetwornikami procesowymi lub mają Państwo jakiekolwiek pytania dotyczące materiałów na elementy czujnikowe lub innych aspektów naszych produktów, prosimy o kontakt w celu szczegółowej dyskusji i negocjacji w sprawie zamówienia. Dokładamy wszelkich starań, aby zapewnić Państwu produkty wysokiej jakości i doskonałą obsługę klienta.
Referencje
- Doebelin, EO (2003). Systemy pomiarowe: zastosowanie i projektowanie. McGraw-Hill.
- Kao, GK (2009). Światłowody: zasady i zastosowania . Wiley’a.
- Norton, HN (2006). Podręcznik przetworników. Elsevier.
