Wie misst Druck mit Drucksensoren - National Instruments
Erfahren Sie, wie Druck mit Drucksensoren zu messen. Verstehen Sie die Arten von Sensoren zur Verfügung und die entsprechende Hardware zur genauen Druckmessungen zu nehmen.
Inhaltsverzeichnis
1. Was ist Druck?
Druck wird als Kraft pro Flächeneinheit definiert, die eine Flüssigkeit auf die Umgebung ausübt. [1] Beispielsweise Druck, P, ist eine Funktion der Kraft, F, und die Fläche, A.
Die SI-Einheit für den Druck ist der Pascal (N / m2), aber auch andere gemeinsame Druckeinheiten umfassen Pfund pro Quadratzoll (PSI), Atmosphären (atm), Stäbe, Zoll Quecksilber (Hg) und Millimeter Quecksilbersäule (mm Hg).
Eine Druckmessung kann entweder statisch oder dynamisch beschrieben. Der Druck in Fällen, in denen keine Bewegung stattfindet, wird als statischer Druck bezeichnet. Beispiele für den statischen Druck umfassen, den Druck der Luft innerhalb eines Ballons oder Wasser in einem Becken. Oft ändert sich die Bewegung einer Flüssigkeit die Kraft auf die Umgebung angewendet. Ein solche Druckmessung wird als dynamische Druckmessung bekannt. Zum Beispiel würde der Druck innerhalb eines Ballons oder am Boden eines Wasserbeckens, wie Luft ändern wird aus dem Ballon lassen oder als Wasser aus dem Becken gegossen.
Kopfdruck (oder Druckkopf) misst den statischen Druck einer Flüssigkeit in einem Tank oder ein Rohr. Kopfdruck, P, ist eine Funktion allein von der Höhe der Flüssigkeit, h und Wichte, w, der Flüssigkeit gemessen wird, wie in Abbildung 1 dargestellt.
Abbildung 1. Leiter Druckmessung
Der Druck auf einem Schwimm Taucher im Meer würde die Tiefe durch das Gewicht des Ozeans (64 Pfund pro Kubikfuß) multipliziert Taucher sein. Ein Taucher tauchen 33 Meter ins Meer würde 2112 Pfund Wasser auf jedem Quadratfuß seines Körpers haben. Das entspricht 14,7 PSI. Interessanterweise ist der atmosphärische Druck der Luft auf Meereshöhe auch 14,7 PSI oder 1 atm. So, 33 Meter Wasser erzeugen so viel Druck wie 5 Meilen von Luft! Der Gesamtdruck auf einem Taucher 33 Fuß tiefer Ozean würde der kombinierte Druck, der durch das Gewicht der Luft verursacht wird, und das Wasser, die 29,4 PSI oder 2 atm wäre.
Abbildung 2. Absolutdrucksensor [3]
Abbildung 4. Differenzdrucksensor [3]
2. Der Drucksensor
Wegen der großen Vielzahl von Bedingungen, Bereichen und Materialien, bei denen Druck gemessen werden muss, gibt es viele verschiedene Arten von Drucksensor-Design. Druck kann oft zu einem gewissen Zwischenform überführt werden, wie beispielsweise Verschiebung. Der Sensor wandelt diese Verschiebung in ein elektrisches Ausgangssignal, wie beispielsweise Spannung oder Strom. Die drei Arten von universellen Druckmeßwandler dieser Form sind die Dehnungsmessstreifen, mit variabler Kapazität, und piezoelektrische.
Die Kapazität zwischen zwei Metallplatten ändert sich, wenn der Abstand zwischen diesen beiden Platten verändert. Ein variable Kapazitäts-Druckwandler (5), misst die Änderung der Kapazität zwischen einer Metallmembran und einer festen Metallplatte. Diese Drucksensoren sind in der Regel sehr stabil und linear, sondern sind empfindlich gegenüber hohen Temperaturen und sind komplizierter zu installieren, als die meisten Drucksensoren.
Abbildung 5. kapazitive Druckwandler [4]
Piezoelektrische Druckwandler (6) nutzen die elektrischen Eigenschaften von natürlich vorkommenden Kristallen wie Quarz. Diese Kristalle erzeugen eine elektrische Ladung, wenn sie angespannt sind. Piezoelektrische Drucksensoren erfordern keine externe Anregungsquelle und sind sehr robust. Die Sensoren jedoch tun Ladungsverstärkungsschaltungen erfordern und sehr anfällig gegen Erschütterungen und Vibrationen.
Abbildung 6. Piezoelektrischer Druckaufnehmer [4]
Eine häufige Ursache für Sensorfehler bei der Druckmessung Anwendungen sind dynamisch Auswirkungen, die in dem Sensor Überlastung führt. Ein klassisches Beispiel einen Drucksensor, der Überlastung wird als Wasserschlagphänomen bekannt. Dies geschieht, wenn ein sich schnell bewegender Flüssigkeit plötzlich durch das Schließen eines Ventils gestoppt wird. Die Flüssigkeit hat Schwung, die plötzlich verhaftet, der eine Minute bewirkt des Schiffs Dehnung in dem das Fluid gezwungen wird. Dieses Dehnen erzeugt eine Druckspitze, die einen Drucksensor beschädigen. Um die Auswirkungen von „Wasserschlag“ zu reduzieren, Sensoren sind oft mit einem Snubber zwischen dem Sensor und der Druckleitung angebracht ist. Eine Snubber ist normalerweise ein Siebfilter oder gesintertes Material, das durch unter Druck stehenden Fluid ermöglicht, aber erlaubt es nicht, große Mengen an Flüssigkeit durch und verhindert somit Druckspitzen im Fall eines Wasserschlages. Ein Dämpfer ist eine gute Wahl, um Ihren Sensor in bestimmten Anwendungen zu schützen, aber in vielen Tests der Spitzenaufpralldruck ist der Bereich von Interesse. In einem solchen Fall würden Sie einen Drucksensor auszuwählen, der nicht Überprotektion enthält. [3]
3. Druckmessung
Wie oben beschrieben, ist der natürliche Ausgang eines Druckwandlers eine Spannung. Die meisten Dehnungs basierend Druckaufnehmern ausgibt eine kleine Spannung mV. Dieses kleine Signal erfordert mehrere Signalaufbereitungs-Überlegungen, die im nächsten Abschnitt erläutert werden. Zusätzlich viele Drucksensoren ausgegeben ein 0-5 V-Signal oder 4-20 mA Stromanlage. Beide Ausgangssignale werden über den Arbeitsbereich des Wandlers linear. Beispielsweise beide 0 V und 4 mA entspricht eine 0 Druckmessung. In ähnlicher Weise 5 Volt und 20 mA entsprechen Skalenendwerts Kapazität oder den maximalen Druck der Transducer messen kann. Die 0-5 V und 4-20 mA-Signale können leicht von National Instruments Multifunktionsdatenerfassung (DAQ) Hardware gemessen werden.
4. Signalkonditionierung Druck messen
Wie bei jedem anderen Brücke basierenden Sensor, gibt es mehr Signalaufbereitungs- Überlegungen, um den Druck genau zu messen. Es ist wichtig, folgendes zu beachten:
- Brückenergänzungs-
- Erregung
- Fernerkundung
- Verstärkung
- Filtering
- ausgleichen
- Shuntkalibrierung
Sobald Sie eine messbare Spannungssignal erhalten haben, muß das Signal an tatsächlichen Druckeinheiten umgewandelt werden. Drucksensoren im Allgemeinen eine lineare Antwort über ihren Betriebsbereich erzeugen, so Linearisierung ist oft unnötig, aber Sie werden einige Hardware oder Software, um die Ausgangsspannung des Sensors in eine Druckmessung zu konvertieren. Die Umrechnungsformel werden Sie ab, die Sie auf dem Sensortyp verwenden verwenden, und wird vom Sensorhersteller zur Verfügung gestellt werden. Eine typische Umwandlungsformel ist eine Funktion der Anregungsspannung, Skalenendwert Kapazität des Sensors und ein Kalibrierungsfaktor ist.
Zum Beispiel kann ein Druckwandler mit einer Skalenendwert Kapazität von 10.000 psi und einem Kalibrierungsfaktor von 3 mV / V und gegebener einer Anregungsspannung von 10 V DC eine gemessenen Spannung von 15 mV erzeugt, würde der gemessene Druck 5000 psi sein.
5. Referenzen
6. Nächste Schritte
Sehen Sie sich die 13-minütige Einführung in die Datenerfassung, die Grundlagen der Erfassung, Analyse und Visualisierung von Daten zu lernen - von Sensoren wie Druck - den PC.