Inleiding tot dynamische druksensoren

Piëzo-elektrische druksensoren meten dynamische druk. Zij zijn gewoonlijk niet geschikt voor statische drukmetingen. Dynamische drukmetingen zoals turbulentie, explosie, ballistiek en motorverbranding vereisen sensoren met speciale capaciteiten. Deze mogelijkheden omvatten snelle respons, robuustheid, hoge stijfheid, grote bereiken en de mogelijkheid om quasi statische druk te meten. Dit zijn standaard kenmerken van PCB® kwartsdruksensoren.

PCB® produceert twee soorten druksensoren. Charge mode druksensoren genereren een hoge impedantie lading output. ICP® (Integrated Circuit Piezoelectric) voltage mode sensoren hebben ingebouwde micro-elektronische versterkers die het hoge impedantie ladingssignaal omzetten in een lage impedantie spanningsuitgang.

Piëzo-elektrische druksensoren zijn verkrijgbaar in verschillende vormen en schroefdraadconfiguraties om geschikte montage voor verschillende soorten drukmetingen mogelijk te maken. In de meeste sensoren worden kwartskristallen gebruikt voor een stabiele, herhaalbare werking. De kwartskristallen zijn gewoonlijk voorgespannen in de behuizing om een goede lineariteit te waarborgen. Toermalijn, een ander stabiel natuurlijk piëzo-elektrisch kristal, kan in PCB-sensoren worden gebruikt wanneer volumetrische gevoeligheid vereist is. Figuur 1 is een druksensor voor algemeen gebruik met ingebouwde elektronica.

Wanneer op een ICP-druksensor een positieve druk wordt uitgeoefend, levert de sensor een positieve spanning. De polariteit van PCB-laaddruksensoren is omgekeerd: wanneer een positieve druk wordt uitgeoefend, geeft de sensor een negatieve output. Laaduitgangssensoren worden gewoonlijk gebruikt met externe laadversterkers die het signaal omkeren. De resulterende systeemuitgangspolariteit van een ladingsuitgangssensor die met een ladingsversterker wordt gebruikt, produceert een uitgang die gelijk is aan die van een ICP-sensor. Er zijn ook sensoren met omgekeerde polariteit verkrijgbaar.

De meeste PCB-piëzo-elektrische druksensoren zijn geconstrueerd met voorgespannen kwarts kristallen in een stijve behuizing of niet-gespannen toermalijn kristallen. Deze ontwerpen geven de sensoren reactietijden van microseconden en resonantiefrequenties in de honderden kilohertz, met minimale overshoot of ringing.

De mechanische structuur van de druksensor legt een hoge frequentielimiet op. De gevoeligheid begint snel te stijgen naarmate de natuurlijke frequentie van de sensor nadert. De toename van de gevoeligheid wordt geïllustreerd in figuur 2.

In het algemeen is het aanvaardbaar sensoren te gebruiken in een bereik waarin de gevoeligheid minder dan ± 5% afwijkt. De bovengrens van de frequentie ligt bij ongeveer 20% van de resonantiefrequentie van de sensor.

De hoge frequentierespons kan worden beperkt door de aandrijfstroom, de kabellengte en de kabelcapaciteit. Meer gedetailleerde informatie over het aansturen van lange kabels vindt u op de webpagina PCB Driving Long Cables.

De laagfrequente respons van een laaddruksensor wordt bepaald door de laadversterker. De ontlaadtijdconstante (DTC) van de versterker die de lage frequentierespons bepaalt, kan zeer lang of zeer kort zijn, afhankelijk van het gebruikte model laadversterker. Een langere DTC maakt metingen met een lagere frequentie mogelijk. Een kortere DTC beperkt de lage frequentierespons.

De interne weerstands- en capaciteitswaarden bepalen de ontlaadtijdconstante en de lage frequentierespons van ICP®-druksensoren. De ontladingstijdconstante bepaalt de lage frequentierespons, analoog aan de werking van een R-C hoogdoorlaatfilter van de eerste orde. Er moet ook rekening worden gehouden met de DTC van de signaalconditioner. Deze beïnvloedt de laagfrequente respons van het gehele systeem. Raadpleeg het hoofdstuk Laagfrequente respons van ICP® sensoren in de PCB gids Algemene signaalconditionering voor meer gedetailleerde informatie.

De kwartskristallen van een piëzo-elektrische druksensor genereren een lading wanneer er druk wordt uitgeoefend. Hoewel de elektrische isolatieweerstand vrij groot is, lekt de lading uiteindelijk naar nul. De snelheid waarmee de lading teruglekt naar nul is afhankelijk van de elektrische isolatieweerstand.

Bij een ladingsdruksensor met een spanningsversterker wordt de leksnelheid bepaald door de capaciteits- en weerstandswaarden in de sensor, de ruisarme kabel en de externe bronvolger-spanningsversterker. Wanneer een laaddruksensor met een laadversterker wordt gebruikt, wordt de leksnelheid bepaald door de elektrische feedbackweerstand en -condensator in de laadversterker.

De weerstand en capaciteit van het kristal en de ingebouwde elektronica bepalen normaliter de leksnelheid in een ICP®-druksensor.

De uitgangskarakteristiek van piëzo-elektrische druksensorsystemen is die van een AC gekoppeld systeem. Repeterende signalen vervallen totdat er een gelijk gebied boven en onder de oorspronkelijke basislijn is. Naarmate de omvang van de gecontroleerde gebeurtenis fluctueert, blijft de output gestabiliseerd rond de basislijn, waarbij de positieve en negatieve gebieden van de curve gelijk blijven. Figuur 3 geeft een AC-signaal weer dat deze curve volgt.

In dit voorbeeld wordt een uitgangssignaal van 0 tot 2 volt gegenereerd door een AC-gekoppelde druktoepassing met een constante pulsfrequentie van één seconde en één seconde tussen de pulsen. De frequentie blijft constant, maar het signaal neemt snel negatief af totdat het signaal zich centreert rond de oorspronkelijke basislijn (waar gebied A = gebied B). Het piekvermogen blijft gelijk.

Nauwkeurige montage van druksensoren is essentieel voor goede metingen. Controleer altijd de installatietekeningen die in de handleiding bij de sensor worden geleverd, of neem contact op met PCB om gedetailleerde montage-instructies aan te vragen. Gebruik goede bewerkingspraktijken voor het boren en draadsnijden van de montagepoorten, en koppel de sensoren aan volgens de aangegeven waarden. Montage hardware wordt geleverd met PCB sensoren. Verschillende standaard schroefdraadadapters zijn beschikbaar om sommige sensorinstallaties te vereenvoudigen.

Gebruik voor vrije veld straal toepassingen aërodynamisch schone montages om ongewenste reflecties van montagebeugels of statieven te minimaliseren.

De detectiekristallen van veel druksensoren bevinden zich aan het diafragma-uiteinde van de sensor. Zijdelingse belasting van dit deel van de sensor tijdens een drukmeting leidt tot vervorming van het uitgangssignaal.

Het is belangrijk ongebruikelijke spanningen en spanningen bij zijdelingse belasting van het bovendeel van de sensor te vermijden. Een juiste installatie minimaliseert vervormingen in het uitgangssignaal. Oorzaken van zijdelingse belasting van het bovenlichaam zijn: een strakke kabel die haaks op de elektrische connector staat, en het gebruik van een zware adapter met een kabel die aan de kleine elektrische connector is bevestigd in een omgeving met hoge transversale trillingen.

Bij toepassingen zoals explosiemetingen in het vrije veld kan een druksensor in een dunne plaat onderhevig zijn aan spanningen door zijdelingse belasting wanneer de druk de plaat doet buigen. Gebruik een O-ring bevestiging om dit effect te minimaliseren.

Verzonken montage van druksensoren in een plaat of wand is wenselijk om turbulentie te minimaliseren, een holte-effect te voorkomen of een toename van het kamervolume te vermijden. Verzonken montage is wenselijker in toepassingen waar het membraaneinde van de druksensor waarschijnlijk wordt blootgesteld aan excessieve temperaturen of deeltjesinslag. Verzonken montage van druksensoren vermindert het vermogen om hoge frequenties te meten. Het holte-effect van dit type montage verlaagt de resonantiefrequentie van de sensor. Zie voor meer gedetailleerde informatie Inleiding tot luchtdrukmetingen - Deel 2: Aansluiting van de omvormer. Zie figuur 4 voor een typische inbouwmontage. Zie figuur 5 voor een typische inbouwmontage.

De meeste PCB-druksensoren worden geleverd met afdichtingsringen voor verzonken montage. Bepaalde modellen, zoals serie 111, 112 en 113 kunnen worden voorzien van afdichtingsmanchetten voor inbouwmontage. Vraag om afdichtingsmanchetten bij uw bestelling. Bestel voldoende reserve-afdichtingsringen of -hulzen voor toepassingen waarbij de druksensor vaak moet worden verwijderd en opnieuw geïnstalleerd. Voordat u een druksensor opnieuw installeert, moet u controleren of de oude, vervormde afdichtingsring uit het montagegat is verwijderd. Als u PCB® druksensoren gebruikt en u heeft de afdichtingen verloren of verkeerd geplaatst, bel PCB om vervangende afdichtingen aan te vragen als gratis monsters.

PCB heeft verschillende montage-adapters die helpen bij de montage van de druksensor. Druksensoren en adapters met rechte schroefdraad gebruiken een afdichtingsring als drukafdichting. Pijpdraadadapters hebben conische schroefdraad, waardoor de schroefdraad de drukafdichting vormt. Meer gedetailleerde informatie over druksensoradapters en toebehoren vindt u op de PCB-accessoires voor druksensoren webpagina.

Controle over de plaats van het membraan van de druksensor wordt bereikt met een montage met rechte draad/afdichtingsring. Buisdraadbevestigingen maken geen nauwkeurige positionering van de sensordiepte mogelijk, omdat de afdichting wordt bereikt door het geleidelijk aandraaien van de schroefdraad in het conische gat totdat de vereiste schroefdraadverbinding is bereikt. Buisdraad biedt het gemak van een gemakkelijker te bewerken poort dan rechte schroefdraad. Buisdraadbevestigingen zijn zeer geschikt voor sommige algemene toepassingen.

De druk in de autocilinder, de ballistische druk en de druk in het vrije veld zijn voorbeelden van toepassingen waarbij de drukpuls gepaard gaat met een thermische schok. De thermische schok kan de vorm hebben van stralingswarmte, zoals de flits van een explosie, warmte van convectie van hete gassen die over een membraan van een druksensor gaan, of geleidingswarmte van een hete vloeistof.

Vrijwel alle druksensoren zijn gevoelig voor thermische schokken. Wanneer hitte het membraan van een piëzo-elektrische druksensor met kristallen in een buitenbehuizing raakt, kan de hitte een uitzetting van de behuizing rond de interne kristallen veroorzaken. Hoewel kwartskristallen niet erg gevoelig zijn voor thermische schokken, veroorzaakt de uitzetting van de behuizing een vermindering van de voorspankracht op de kristallen, waardoor een negatief signaal ontstaat. Om dit effect te minimaliseren worden verschillende methoden gebruikt.

Bepaalde PCB-kwartsdruksensoren zijn voorzien van interne thermische isolatie om de effecten van thermische schokken te minimaliseren. Sommige modellen zijn voorzien van afgeschermde membranen. Andere modellen, die ontworpen zijn om de frequentierespons te maximaliseren, kunnen een thermische beschermlaag, inbouwmontage of een combinatie daarvan nodig hebben om de thermische schokeffecten te verminderen. Coatings omvatten siliconenvet (kan ook worden gebruikt om een uitsparing te vullen), RTV siliconenrubber, vinyl tape en keramiek. RTV en tape worden gebruikt als ablatieven, terwijl de keramische coating wordt gebruikt om membranen te beschermen tegen corrosieve gassen en het binnendringen van deeltjes.

In sommige PCB-sensoren worden andere kristallen dan kwarts gebruikt. Hoewel het gevoelig is voor thermische schokken, wordt toermalijn gebruikt voor schokbuis- en onderwatersensoren. Bij schokbuismetingen is de duur van de drukmeting meestal zo kort dat een laag vinyltape volstaat om de thermische effecten voor de duur van de meting te vertragen. Bij toepassingen onder water is de warmteoverdracht door het water niet significant.

Thermische schokeffecten houden geen verband met de specificatie van de temperatuurcoëfficiënt van de druksensor. De specificatie van de temperatuurcoëfficiënt heeft betrekking op de verandering in gevoeligheid van de sensor ten opzichte van de statische temperatuur van de sensor. Aangezien de thermische schokeffecten niet gemakkelijk kunnen worden gekwantificeerd, moeten zij worden voorzien en geminimaliseerd door een van de genoemde technieken om betere meetgegevens te verkrijgen.