9. Laboratóriumi gyakorlat NYOMÁSÉRZÉKELŐK 1.A gyakorlat célja Az MPX12DP piezorezisztiv differenciális nyomásérzékelő tanulmányozása. A nyomás feszültség p=f(u) karakterisztika megrajzolása. 2. Elméleti bevezető A nyomás mint fizikai mennyiség A nyomás az a fizikai mennyiség amely számszerűen egyenlő az egységnyi felületre eső erővel. F p = (1) S p - a nyomás F - erő S - felület A nemzetközi rendszerben a nyomás mértékegysége a N/m 2, vagy pascal (Pa). Egy pascal nagyon kis nyomásérték, ezért a gyakorlatban inkább a többszöröseit használják. 1kPa = 10 3 Pa 1MPa = 10 6 Pa Egy másik igen gyakran használt mértékegység a bar. 1 bar = 10 5 Pa Az 1 cm 2 -re eső, 1 kg tömegű test súlya által okozott nyomást atmoszférának nevezik. Más mértékegységek, a nyomás kifejezésére a tehnikai atmoszféra, a Hgmm vagy a H 2 Omm. Egy h magasságú, ρ sűrűségű, folyadékoszlop által létrehozott hidrosztatikai nyomás értékét a következőképpen számíthatjuk ki: F G mg ρvg ρhsg p = = = = = = ρgh (2) S S S S S p - a hidrosztatikus nyomás F erő G a folyadékoszlop súlya S a folyadékoszlop alap területe V a folyadék térfogata m a folyadék tömege ρ a folyadék sűrűsége g gravitációs gyorsulás 60
h a folyadékoszlop magassága Nyomásmérés Háromféle nyomásértéket különböztethetünk meg: abszolút nyomásérték: a légüres térhez viszonyított nyomásérték relatív (effektív) nyomásérték: a légnyomástól való eltérés (légnyomáshoz viszonyított érték) differenciális nyomásérték: egy referencia nyomáshoz viszonyított nyomásérték Különböző típusú nyomás érzékelő létezik. A legtöbb érzékelő a nyomást egy átmeneti mechanikai (pl. elmozdulás) vagy elektromos (pl. ellenállásérték) mennyiséggé alakítják át. Közülük a piezorezisztív nyomásérzékelőkre térünk ki. Piezorezisztív nyomásérzékelők A piezorezisztív nyomásérzékelők az anyagok azon tulajdonságára épülnek, miszerint a mechanikai feszültség hatására megváltoztatják az elektromos ellenállásukat. Ez a jelenség erőteljesebben mutatkozik a félvezetőknél. A félvezetők fajlagos ellenállását a következő összefüggéssel számíthatjuk ki: 1 ρ = (3) enµ ahol e - az elektron töltése n - a töltéshordozók száma μ - a töltéshordozók átlagos mozgékonysága A töltéshordozók mozgékonyságát pedig a félvezetőkre ható külső erők befolyásolhatják. Igy, ha egy bizonyos nyomás hat a félvezető traduktorra, ez megváltoztatja a villamos ellenállását. Az MPX12DP típusú nyomásérzékelő Az MPX12DP differenciális nyomásérzékelő (1. ábra) kis nyomások (0 10 kpa) mérésére alkalmas eszköz. A nyomásérzékelés a piezorezisztív jelenségen alapszik A kimeneten, a bemeneti nyomáskülönbséggel egyenesen arányos feszültséget szolgáltat. 1. Ábra. Az MPX12DP típusú nyomásérzékelő rajza. 61
A 2. ábra a nyomásérzékelő belső felépítését és lábkiosztását mutatja be. 2. Ábra. A nyomásérzékelő belső felépítése. A 3. ábrán látható az érzékelő lineáris átviteli karakterisztikája, a kimeneti feszültség a bemeneti nyomáskülönbség függvényében. (U = f(p 1 - P 2 )). 3. Ábra. A nyomásérzékelő karakterisztikája. Az MPX12DP nyomásérzékelőknek a gyártó cég által megadott tipikus alkalmazásai: légmozgás ellenőrzése légköri nyomású berendezések vezérlése orvosi műszerészeti alkalmazások ipari alkalmazások 62
3.A mérés menete Összeállítjuk a 4. ábra szerinti mérőstandot. A nyomásérzékelőt 3V egyenfeszültséggel tápláljuk a 3-as és az 1-es kivezetések között. A 2-es és 4-es kivezetések között voltmérővel mérjük a kimeneti feszültséget. A P 2 nyomás megegyezik a légköri nyomással, míg a P 1 nyomás, a légköri nyomás és a folyadékoszlop nyomásának az összgéből áll. A diferenciális nyomás, amit a nyomásérzékelő mér, a P1 és a P2 nyomások külömbsége. P dif = P 2 P 1 = P légköri + P hidrosztatikai - P légköri A mozgó rúdat emeljük, 5 cm-ként, amig 90 cm folyadékszínt különbséget érünk el. Kitöltjük az 1. táblázat második sorát a megfelelő folyadékszíntekkel és a leolvasott feszültségértékekkkel. Figyeljünk, hogy a víz a nyomásmérőig ne érjen el! 4. Ábra. A mérőstand felépitése. Kiszámítjuk a 2-es összefüggés segítségével a p számolt nyomásértéket és kitöltjük 63
az 1-es táblázat 3. sorát. Kitöltjük a következő táblázatot a mért és számitott értékekkel: 1. Táblázat h[cm] 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 90 p[pa] U[mV] Grafikusan ábrázoljuk az U feszültséget a p számolt nyomásérték függvényében. 4.Kérdések és feladatok 1. Milyen alakú a feszültség-nyomás U = f(p) grafikon? 2. Hogyan lehetne kiküszöbőlni a nyomásmérő offset feszültségét? 3. A nyomásmérés hőmérsékletfüggő. Magyarázuk meg miért és hogyan lehetne kiküszöbölni, milyen áramkörrel? 64