Comment mesurer la pression avec des capteurs de pression - National Instruments
Apprenez à mesurer la pression avec des capteurs de pression. Comprendre les types de capteurs disponibles et le matériel approprié pour prendre des mesures précises de pression.
Table des matières
1. Quelle est la pression?
La pression est définie comme étant la force par unité de surface que le fluide exerce sur son environnement. [1] Par exemple, la pression, P, est une fonction de la force, F, et de la zone A.
L'unité SI de pression est le Pascal (N / m2), mais d'autres unités communes de pression comprennent livres par pouce carré (PSI), atmosphères (atm), des bars, des pouces de mercure (Hg), et en millimètres de mercure (mm Hg).
Une mesure de la pression peut être décrite comme étant soit statique ou dynamique. La pression dans les cas où aucun mouvement se produit est appelée pression statique. Des exemples de pression statique comprennent la pression de l'air à l'intérieur d'un ballon ou d'eau dans un bassin. Souvent, le mouvement d'un fluide change la force appliquée à son environnement. Une telle mesure de la pression est connue comme la mesure de la pression dynamique. Par exemple, la pression à l'intérieur d'un ballon ou au fond d'un bassin d'eau changerait que l'air est évacué du ballon ou que l'eau est déversée du bassin.
Tête de pression (ou de la pression) mesure la pression statique d'un liquide dans un réservoir ou d'un tuyau. Tête de pression, P, est une fonction uniquement de la hauteur du liquide, h, et la densité de poids, w, du liquide étant mesurée comme indiqué dans la figure 1 ci-dessous.
Figure 1. Tête de mesure de pression
La pression sur une piscine de plongée sous-marine dans l'océan serait la profondeur du plongeur multiplié par le poids de l'océan (64 livres par pied cube). Un plongeur plongée sous-marine 33 pieds dans l'océan aurait 2112 livres d'eau sur chaque pied carré de son corps. Cela se traduit à 14,7 PSI. Chose intéressante, la pression atmosphérique de l'air au niveau de la mer est aussi 14,7 PSI ou 1 atm. Ainsi, 33 pieds d'eau créent autant de pression que 5 miles de l'air! La pression totale sur un plongeur 33 pieds de profondeur océan serait la pression combinée provoquée par le poids de l'air et l'eau, qui serait PSI ou 2 29.4 atm.
Figure 2. Capteur de pression absolue [3]
Figure 4. Capteur de pression différentielle [3]
2. Le capteur de pression
En raison de la grande variété de conditions, des gammes et des matériaux pour lesquels la pression doit être mesurée, il y a beaucoup de différents types de modèles de capteurs de pression. Souvent, la pression peut être converti en une forme intermédiaire, tel que le déplacement. Le capteur convertit ensuite ce déplacement en un signal électrique de sortie telles que la tension ou de courant. Les trois types les plus universels de transducteurs de pression de cette forme sont la jauge de contrainte, à capacité variable, et piézoélectrique.
La capacité entre deux plaques de métaux modifications si la distance entre ces deux changements plaques. Un transducteur de pression à capacité variable (figure 5), mesure la variation de capacité entre une membrane métallique et une plaque métallique fixée. Ces capteurs de pression sont généralement très stables et linéaires, mais sont sensibles à des températures élevées et sont plus difficiles à mettre en place que la plupart des capteurs de pression.
Figure 5. Capacité Capteur de pression [4]
transducteur de pression piézo-électrique (figure 6) de tirer parti des propriétés électriques des cristaux naturels tels que le quartz. Ces cristaux génèrent une charge électrique lorsqu'ils sont tendues. capteurs de pression piézoélectriques ne nécessitent pas une source d'excitation externe et sont très robustes. Les capteurs cependant, nécessitent un circuit d'amplification de charge et très sensible aux chocs et aux vibrations.
Figure 6. Capteur de pression piézoélectrique [4]
Une cause fréquente de défaillance du capteur dans des applications de mesure de pression est impact dynamique, ce qui se traduit par une surcharge du capteur. Un exemple classique de la surcharge d'un capteur de pression est connu comme le phénomène du coup de bélier. Cela se produit lorsque est soudainement arrêté un fluide en mouvement rapide par la fermeture d'une vanne. Le fluide a l'élan qui est soudainement arrêté, ce qui provoque une minute étirement du récipient dans lequel le fluide est contraint. Cet étirement génère un pic de pression qui peut endommager un capteur de pression. Pour réduire les effets de « coups de bélier », les capteurs sont souvent montés avec un amortisseur entre le capteur et la conduite de pression. Un amortisseur est généralement un filtre à mailles ou en matériau fritté qui permet au fluide sous pression à travers, mais ne permet pas de grands volumes de fluide à travers et empêche donc des pics de pression en cas de coups de bélier. A est un bon snubber choix pour protéger votre capteur dans certaines applications, mais dans de nombreux essais, la pression d'impact de pointe est la région d'intérêt. Dans ce cas, vous souhaitez sélectionner un capteur de pression qui ne comprend pas surprotection. [3]
3. Mesure de la pression
Comme décrit ci-dessus, la sortie naturelle d'un transducteur de pression est une tension. La plupart des capteurs de pression à base de contrainte affichera une petite tension mV. Ce petit signal nécessite plusieurs considérations de conditionnement de signaux qui sont discutés dans la section suivante. En outre, de nombreux capteurs de pression émet un signal ou de climatisation 0-5V 4-20 mA. Ces deux sorties sont linéaires dans la plage de fonctionnement du transducteur. Par exemple à la fois 0 et V 4 mA correspond à une mesure de pression 0. De même, 5 volts et 20 mA correspondent à la capacité de la pleine échelle ou la pression maximale du capteur peut mesurer. La 0-5V et 4-20 mA signaux peuvent être facilement mesurés par le matériel National Instruments multi-fonctions d'acquisition de données (DAQ).
4. Conditionnement de signaux utilisés pour mesurer la pression
Comme pour tout autre capteur à base de pont, il y a plusieurs considérations de conditionnement de signaux afin de mesurer avec précision la pression. Il est important de considérer les points suivants:
- l'achèvement du pont
- Excitation
- La télédétection
- Amplification
- Filtration
- Décalage
- shunt d'étalonnage
Une fois que vous avez obtenu un signal de tension mesurable, ce signal doit être converti en unités réelles de pression. Les capteurs de pression produisent généralement une réponse linéaire sur leur plage de fonctionnement, donc est souvent inutile Linéarisation, mais vous aurez besoin de matériel ou d'un logiciel pour convertir la sortie de tension du capteur dans une mesure de pression. La formule de conversion que vous utiliserez dépend du type de capteur que vous utilisez, et sera fournie par le fabricant du capteur. Une formule de conversion typique sera une fonction de la tension d'excitation, la capacité à pleine échelle du capteur, et un facteur d'étalonnage.
Par exemple, un transducteur de pression avec une capacité de pleine échelle de 10 000 PSI et un facteur d'étalonnage de 3 mV / V et étant donné une tension d'excitation de 10V DC produit une tension de mesure de 15 mV, la pression mesurée serait 5000 PSI.
5. Références
6. Prochaines étapes
Regardez l'introduction de 13 minutes pour l'acquisition de données pour apprendre les rudiments de l'acquisition, l'analyse et la visualisation des données - à partir de capteurs tels que la pression - en utilisant votre PC.