Przetworniki odległości i ciśnienia

Do przekształcania wielkości fizycznych na inne wielkości fizyczne według określonych zależności wykorzystuje się przetworniki pomiarowe. Wśród urządzeń przemysłowych tego typu, najczęściej spotykamy się z przetwornikami na wartości elektryczne, takie jak napięcie lub natężenie prądu. W układach z czujnikami, przetworniki pozwalają na zwiększenie mocy przekształconego sygnału w celu ułatwienia przetwarzania go w dalszych procesach przemysłowych.

Przetworniki odległości najczęściej przetwarza siłę lub prędkość obrotową na odpowiedni sygnał wyjściowy w postaci analogowej lub cyfrowej.
Przetworniki ciśnienia służą do pomiaru ciśnienia gazów lub cieczy, który przetwarza na proporcjonalny sygnał wyjściowy.

W poniższym artykule, przybliżymy Państwu zasadę działania oraz rodzaje konkretnych rozwiązań przetworników odległości i ciśnienia.

Zasada działania przetworników odległości i ciśnienia

• Przetworniki odległości

Zasada działania przetworników odległości polega na wysyłaniu pewnego rodzaju sygnału np. laserowego, podczerwonej diody LED, fal ultradźwiękowych, lub informacji o ruchu i pozycji badanego obiektu za pomocą przytwierdzonej do niego linki. Następnie, na podstawie informacji o sygnale powracającym do przetwornika lub zmianie pozycji obiektu badanego, zostaje wygenerowany odpowiedni sygnał wyjściowy z elementu przetwornika. Informacja ta może dotyczyć intensywności powracającego sygnału, czasu potrzebnego na powrót sygnału, ruchu wygenerowanego na elemencie przetwornika itp. Wiele urządzeń ma dodatkowe podzespoły, które odpowiednio wzmacniają dany sygnał, aby w prosty sposób można było nad nim pracować w dalszej części procesów przemysłowych.

• Przetwornik ciśnienia

Najczęściej spotykane konstrukcje przetworników ciśnienia zawierają kolektor siły, taki jak elastyczna membrana oraz element przewodzący. Taki element wykorzystuje zależną metodę rezystancyjną, pojemnościową lub indukcyjną do generowania sygnału elektrycznego. Rodzaj metody pomiaru będzie określone przez komponenty użyte do budowy przetwornika.

Przetworniki ciśnienia wykorzystują tensometry do pomiaru działającej na nie siły. Tensometry ulegają odkształceniu, a to powoduje zmianę wytwarzanego przez nie napięcia. Pomiar ciśnienia jest oparty na stopniu zmiany napięcia.

Istnieją również zaawansowane wersje przetworników ciśnienia, które zamiast tensometrów wykorzystują czujniki pojemnościowe lub piezoelektryczne. Są one wybierane w oparciu o zakres, środowisko pracy i precyzję wymaganą od czujnika ciśnienia.

Rodzaje przetworników dostępnych na rynku

Rodzaj przetwornika zależy od tego, jaki sygnał rejestruje np. odległość za pomocą odbitego światła oraz ruch za pomocą linki w przypadku przetworników odległości , albo rodzaju ciśnienia, jakie jest mierzone w przypadku przetworników ciśnienia. Dodatkowym czynnikiem wpływającym na rodzaj może być również sygnał wyjściowy przetwornika np. napięcie prądu, natężenie prądu lub wartość cyfrowa. W zależności od wymienionych  czynników, przetwornik może różnić się swoją budową wewnętrzną.

Przykłady przetworników odległości

Istnieje wiele unikalnych opcji do wyboru w przypadku przetworników odległości. Skupiamy się przede wszystkim na trzech odmianach czujników odległości:

• Przetworniki odległości w oparciu o diody podczerwone LED działają na zasadzie triangulacji, mierząc odległość na podstawie kąta odbitej wiązki. Promień światła podczerwonego emitowanego przez diodę odbija się od obserwowanego obiektu pod pewnym kątem. Odbity promień zostaję odczytany przez detektor przetwornika w celu przetworzenia zebranych danych na określony sygnał wyjściowy.

Takie rozwiązania cechują się małym rozmiarem, możliwością pracy o każdej porze dnia i nocy oraz zdolnością do pomiaru odległości od obiektów o skomplikowanej powierzchni. Minusami takich aplikacji jest natomiast ograniczony zakres pomiarowy oraz zależność od warunków środowiskowych i np. koloru obiektu pomiarowego.

• Ultradźwiękowe przetworniki odległości wykrywają odległość od obiektów poprzez emisję fal dźwiękowych o wysokiej częstotliwości. Emiter wysyła falę w kierunku obiektu i aktywuje zegar. Fala odbija się od obiektu i zostaje przechwycona przez odbiornik przetwornika, po czym zegar zostaje zatrzymany. Odległość jest obliczana na podstawie prędkości dźwięku i czasu podróży fali o wysokiej częstotliwości.

Zaletami jest transparentność i możliwość pracy z obiektami o dowolnym kolorze. Rozwiązanie nie pobiera tak dużo mocy jak inne aplikacje, ale również posiada ograniczony zakres pomiaru, niską rozdzielczość, brak możliwości pomiaru obiektów o nierównej powierzchni, jak również obiektów, które poruszają się z dużą prędkością.

• Linkowe przetworniki odległości dokonują pomiaru pozycji przy pomocy linki, która zwija się i rozwija na szpuli pomiarowej. Koniec linki mocuje się do obiektu badanego, a jego ruch wpływa na szpulę. Czytnik rotacyjny (potencjometr lub enkoder) przekazuje ruch obrotowy szpuli do odpowiednich podzespołów, które przetwarzają go na sygnał wyjściowy.

Przykłady przetworników ciśnienia

W przypadku przetworników ciśnienia istnieją trzy zdefiniowane wartości do pomiaru ciśnienia. Chociaż istnieją inne typy, takie jak próżnia lub szczelny manometr, wszystkie można zaklasyfikować do tych trzech kategorii. W przypadku typu membranowego, najłatwiej jest rozumieć ciśnienie odniesienia jako ciśnienie wywierane na drugą stronę membrany od mierzonego procesu.

• Przetworniki ciśnienia bezwzględnego mierzą ciśnienie w stosunku do idealnej próżni, wykorzystując zero absolutne jako punkt odniesienia. Przykładem jest przetwornik ciśnienia barometrycznego. Obejmują one również szczelne manometry, w których sygnał został przesunięty w celu dopasowania do ciśnienia manometru w momencie konstruowania.
• Przetworniki ciśnienia manometrycznego mierzą ciśnienie w stosunku do ciśnienia atmosferycznego. Przykładem takiego czujnika jest czujnik ciśnienia w oponach. Obejmuje również czujniki podciśnienia, których sygnały są odwrócone tak, że sygnalizują dodatni wynik, gdy mierzone ciśnienie jest niższe od ciśnienia atmosferycznego.
• Przetworniki ciśnienia różnicowego mierzą różnicę pomiędzy dwoma ciśnieniami po każdej stronie czujnika. Przykładem jest przetwornik ciśnienia cieczy, w którym mierzony jest poziom cieczy powyżej i poniżej.

Zastosowanie przetworników w przemyśle

Aplikacje wykorzystujące przetworniki odległości:

• Automatyka i robotyka;
• Samochody inteligentne;
• Drony i pojazdy bezzałogowe;
• Sprzęt komputerowy;
• Systemy bezpieczeństwa np. alarmy;
• Systemy do kontroli i monitorowania procesów przemysłowych;

Aplikacje wykorzystujące przetworniki ciśnienia:

• Systemy ciśnieniowych silników;
• Linie produkcyjne i montażowe;
• Zbiorniki z materiałem produkcyjnym;
• Systemy sanitarne w przemyśle farmaceutycznym;
• Systemy kontrolne np. wykrywanie wycieków gazów;
• Systemy HVAC.