Rõhuandur

Rõhuandur on seade, mis muundab rõhu kui füüsikalise suuruse mingiks teiseks suuruseks (signaaliks), mida on parem võimendada, mõõta, edastada või töödelda. Tavaliselt põhineb rõhuanduri (nagu ka jõu- ja momendianduri) töö elastsete deformatsioonide mõõtmisel . Enamasti mõõdetakse gaaside või vedelike rõhku, kuid ka tahkete kehade jõudu. Rõhk väljendab jõudu, mida on vaja rakendada, et takistada vedeliku laialivalgumist. Tavaliselt esitatakse rõhu valem mõjuva jõu ja pindala, millele jõud mõjub, suhtena – N/m2. Harilikult töötavad rõhuandurid muundurina – vastavalt hetkerõhule tekitatakse matemaatilisele funktsioonile vastav signaal. Rõhuandureid kasutatakse paljudes tänapäeva seadmetes nende kontrollimiseks ja jälgimiseks. Rõhuandureid saab lisaks nende põhifunktsioonile kasutada rõhuga seotud füüsikaliste suuruste kaudseks mõõtmiseks. Näiteks on võimalik rõhu põhjal mõõta või arvutada vedeliku või gaasi voolukiirust, voolutugevust, vedeliku kõrgustaset, kõrgust maapinnast. Rõhuandurid võivad kasutatava tehnoloogia, disaini, jõudluse, kasutussobivuse ja hinna poolest suuresti varieeruda. Ligikaudse hinnangu järgi on rõhuanduritele üle viiekümne tootmisvõimaluse ja vähemalt 300 ettevõtet üle maailma toodavad neid . On olemas veel eraldi dünaamilised andurid, mis tabavad ülikiireid rõhumuutusi. Näide sellise anduri kasutamisest on plahvatuse rõhu mõõtmine sisepõlemismootoris või mootori silindris. Sellised andurid on tavaliselt valmistatud piesoelektriliste omadustega materjalist, näiteks kvartsist. Mõned lihtsamad rõhuandurid töötavad ainult binaarrežiimis (sees/väljas). Nii töötavad andurid reageerivad, kui registreeritakse mingi kindel surve, millega suletakse või avatakse vooluring. Sellist tüüpi andureid nimetatakse ka rõhulülititeks. Neid andureid kasutatakse näiteks liiklusjärelevalve kaamerates, kiirlaetavates akudes ja lennukites kõrguse sobivuse kontrolliks. Rõhuandureid saab liigitada mõõtepiirkonna, töötemperatuuri vahemiku ja mõõdetava rõhu tüübi järgi. Rõhuanduritel on vastavalt oma tööeesmärgile küllaltki erinevad nimetused, kuid tehnoloogia võib olla erineva nimega anduritel sama. Absoluutse mõõtmisega andur määrab rõhku täiusliku vaakumi suhtes. Kuna täiusliku vaakumi rõhk on 0, siis see andur näitab atmosfäärirõhu ja mõõdetava rõhu summat. Näidikandur mõõdab rõhku Maa atmosfäärirõhu suhtes. Rehvi rõhumõõdik on üks näide näidikandurist: kui näidatav väärtus on null, siis see tähendab, et rõhk rehvis on sama mis ümbritsevas keskkonnas. Vaakummeeter sarnaneb absoluutse mõõtmisega anduriga ning nimetus "vaakummeeter" võib olla segadust tekitav. See on andur, millega mõõdetakse rõhku, mis on atmosfäärirõhust madalam. Vaakummeeter näitab madalama rõhu ja atmosfäärirõhu vahet (ehk negatiivset näidikanduri tulemust). See võib tähistada ka andurit, mis mõõdab madalamat rõhku täiusliku vaakumi suhtes (ehk absoluutset rõhku). Diferentsiaalse mõõtmisega andur mõõdab anduriga ühendatud kahe rõhuallika rõhkude erinevust. Neid andureid kasutatakse paljude omaduste mõõtmiseks, näiteks rõhulangust õli- ja õhufiltrites, vedeliku taset või voolukiirust. Põhimõtteliselt on enamik rõhuandureid diferentsiaalse mõõtmisega andurid. Näiteks näidikandur on tegelikult diferentsiaalmanomeeter, mille üks pool on ühendatud ümbritseva keskkonnaga. Suletud näidikandur on oma põhimõttelt sama mis näidikandur, kuid see andur mõõdab rõhku mingi kindla fikseeritud rõhu suhtes, mitte Maa atmosfääri rõhu suhtes. Maa atmosfääri rõhk ei ole alati sobilik etalonsuurus, kuna see võib olenevalt asukohast ja temperatuurist varieeruda. Analoogandurid jagunevad põhiliselt kahte kategooriasse. Jõudu registreerivatel anduritel on üldiselt komponent, mis registreerib jõudu ja selle suurust avaldumisel. Sellisteks komponentideks võivad näiteks olla diafragma, kolb, Bourdoni toru või sülfoon – nad mõõdavad jõu mõjul mingile pinnale avalduvat pinget või deformatsiooni. Vedelike ja gaaside rõhu mõõtmiseks kasutatakse mitmesuguse kuju ja ehitusega manomeetrilisi vedrusid. Vedru jäikus ning järelikult ka deformatsiooni suurus valitakse vastavalt mõõdetavale rõhule ning kasutatava andurii tüübile. Suuremate deformatsioonide mõõtmiseks sobivad induktiivandurid. Väikeste deformatsioonide puhul on sobivad tensoandurid. Tensoanduris kasutatakse rõhu mõõtmiseks mehaanilise deformatsiooniga kaasnevat elektrilist polarisatsiooni ehk piesoefekti. Peamised materjalid on räni (monokristall), õhuke polüräni riba, metallmembraan, paks kile, atomiseeritud kile. Ühele kristallile on kantud mitu tensotundlikku elementi, mis on omavahel ühendatud mõõtesilla skeemi kohaselt. Tensoanduril on pooljuhtkristall, mis paikneb elastsel alusel. Sõltuvalt sellest, mis otstarbeks andur on ehitatud, saab elastset alust jõu, rõhu või momendiga deformeerida. Enamasti on deformatsioonimõõdikud ühendatud Wheatstone'i sillaks, tänu millele on anduri väljund täpsem ning esineb vähem vigu. Selline ühendus on üldotstarbeliseks kasutamiseks kõige sagedamini rakendatud anduritehnoloogia. Üldiselt sobib see tehnoloogia selleks, et mõõta absoluutset rõhku, rõhku atmosfääri suhtes, rõhku vaakumi suhtes ja diferentsiaalset rõhku. Mahtuvuslikus anduris kasutatakse diafragmat, millega saab tekitada muutuva mahtuvusega kondensaatori. Diafragma liigub sõltuvalt sellele mõjuvast rõhust ning sellega kaasneb mahtuvuse muutus. Peamised diafragma materjalid on metall, keraamika, räni. Enamasti kasutatakse selliseid andureid, et mõõta madalamaid rõhkusid (absoluutset, diferentsiaalset, atmosfäärirõhku). Elektromagnetiline andur sisaldab diferentsiaaltrafot, mille magnetahel on ühendatud anduri membraaniga. Rõhu rakendamisel membraan paindub, mille tulemusena diferentsiaaltrafo südamik nihkub. Trafo kaks sekundaarmähist on ühendatud vastasfaasides. Primaarmähist toidetakse siinuselise pingega. Kui südamik on trafo magnetilises keskmes, siis on trafo väljundsignaal null. Kui südamik nihkub, siis muutub väljundpinge amplituud sõltuvalt nihkest. Nihke suuna määramiseks saab kasutada faasinihet sisend- ja väljundsignaalide vahel. Piesoelektrilise anduri puhul kasutatakse andurimembraaniga ühendatud ühe või mitme piesokristalli (näiteks kvartsi) piesoelektrilist efekti. Kui membraan nihkub, siis piesokristall tekitab laengu, mis sõltub membraanile rakendatud rõhust. Neid andureid saab kasutada väga kiiresti muutuvate rõhkude juures. Optiline andur võib talitleda valguse peegeldumise või ülekande põhimõttel. Esimest tüüpi anduris on peegeldav element paigutatud membraanile, mis sõltuvalt rakendatud rõhust ja membraani paindumisest peegeldab teatud hulgal elemendile langevat valgust tagasi vastuvõtjale. Valguse ülekandega anduris on membraanile kinnitatud barjäär, mis vähendab rõhu tõustes vastuvõtjale langeva valguse hulka. Teine variant on õhukesed painduvad kilekihid üksteise peal, mis vastavalt avalduvale rõhule muudavad läbilastava valguse lainepikkust. Potentsiomeetrilises anduris kasutatakse rõhu mõõtmiseks liuguri asendi muutumist potentsiomeetril. Rõhu avaldumisel potentsiomeetri liuguri asend muutub. Muud tüüpi rõhuandurid kasutavad rõhu määramiseks teistsuguseid omadusi (näiteks tihedust). Resonantsanduris kasutatakse rõhu mõõtmiseks vastavas seadmes tekkivaid muutusi resonantssageduses või muutusi gaasi tiheduses, mille kutsub esile rõhu avaldumine. Selliseid tehnoloogiaid saab kasutada koos eespool mainitud jõudu registreerivate seadmetega. Alternatiivselt saab resonantstehnoloogiat rakendada, viies resonantssagedusel töötava seadme mõõdetavasse keskkonda. Selle juures saab ära kasutada asjaolu, et resonantssagedus on sõltuv keskkonna tihedusest, milles võnkumine toimub. Selliseid sensoreid saab valmistada võnkuvast traadist, võnkuvast silindrist, kvartsist, ränist valmistatud mikroelektroonilistest süsteemidest. Seda tüüpi andurid on hinnatud, sest nad annavad väga stabiilseid tulemusi. Termoanduris kasutatakse rõhu hindamiseks muutusi gaasi soojusjuhtivuses, mille kutsub esile tiheduse muutus. Sellist võtet kasutab näiteks Pirani mõõdik. Ioonanduris mõõdetakse gaasis laetud osakeste (ioonide) voolu. Rõhu muutusega kaasneb gaasi tiheduse muutus ning sellest tingitult muutub ioonide vool. Sellised andurid on näiteks termokatoodiga ja külmkatoodiga mõõdikud. Rõhuanduritele on väga palju rakendusi eri valdkondades: Rõhu mõõtmine. Rõhu kui füüsikalise suuruse mõõtmine, mida väljendatakse kui jõudu pindala kohta. Seda on vaja ilmauurimisvarustuses, lennukites, autodes ja ükskõik millises seadmes, mis näeb ette rõhu mõõtmist. Kõrguse arvutamine. Seda on vaja lennunduses, rakettides, satelliitides, ilmauurimise õhupallides, spordikäekellades ja paljudes teistes rakendustes . Kõik need rakendused kasutavad ära asjaolu, et vastavalt kõrgusele muutub keskkonnas ka õhurõhk. Kõrguse arvutust rõhu järgi esitab järgmine valem : h = ( 1 − ( p / p r e f ) 0 , 190284 ) × 44307 , 697 m {\displaystyle h=(1-(p/p_{\mathrm {ref} })^{0,190284})\times 44307,697\;\mathrm {m} } See valem on mõeldud kõrgusmõõturile ehk altimeetrile kuni 11 meetri (36,09 jala) kõrgusele. Sellest kõrgemal lisandub mõõteviga, mis on iga rõhuanduri puhul erinev. Rõhuanduri mõõtevead on tingitud temperatuuri muutusest kõrguse muutudes. Kõrguse suurenedes kasvab ka mõõteviga. Baromeeteripõhised kõrgusmõõturid suudavad määrata kõrgust vähem kui ühe meetri täpsusega, mis on palju täpsem kui GPSidel (määravad kõrgust ligikaudu 20 meetri täpsusega). Navigeerimistehnikas kasutatakse altimeetrit näiteks autode navigeerimisseadmetes, et määrata, millisel teel auto asub, kui kohakuti asetseb mitu teed. Analoogiliselt saab määrata, millisel korrusel asub inimene. Voolukiiruse arvutamine. Selle juures kasutatakse rõhuandureid koos Venturi toruga. Venturi torus mõõdetakse diferentsiaalset rõhku toru kahes segmendis, millel on eraldi vooluavad. Rõhkude erinevus kahe segmendi vahel on võrdeline voolukiirusega läbi toru. Madala rõhu andurit on peaaegu alati vaja, kuna rõhkude erinevus on suhteliselt väike. Vedeliku taseme/sügavuse määramine. Rõhuandurit saab kasutada vedeliku taseme arvutamiseks. Seda kasutatakse sageli veealuste kehade (näiteks sukelduja või allveelaev) sügavuse määramiseks või mahuti sisu taseme määramiseks (näiteks veetorni). Enamikus praktilistes kasutustes on vedeliku tase võrdeline rõhuga. Puhta vee puhul, kus vesi on atmosfääri rõhu all, avaldab 10,2 mm kõrgune veesammas rõhku 1 paskal (27,7 tolli kõrgune veesammas avaldab rõhku 1 psi). Valem sellise tulemuse jaoks on järgmine: p = ρ g h {\displaystyle p=\rho gh} , kus p on rõhk, ρ – vedeliku tihedus, g – raskuskiirendus, h – vedelikusamba kõrgus rõhuanduri kohal. Lekke avastamine. Rõhuandurit saab kasutada rõhu vähenemise registreerimiseks, mis võib olla tingitud näiteks lekkest. Tavaliselt kasutatakse diferentsiaalse mõõtmisega andurit ning võrreldakse hetkerõhku lekke korral oleva rõhuga. Teine võimalus on kontrollida rõhu muutust aja jooksul. Muunduri väljundi logomeetriline parandamine. Tensomuudurid, mis on ühendatud nii, et nad moodustavad Wheatstone'i silla, mõjutavad logomeetriliselt mõõdetud rõhku ning ka muunduri toitevoolu. U v = p × K × U r e a a l n e U i d e a a l n e {\displaystyle U_{v}={p\times K\times U_{\mathrm {reaalne} } \over U_{\mathrm {ideaalne} }}} , kus U v {\displaystyle U_{v}} on muunduri väljundpinge p {\displaystyle p} on mõõdetud rõhk K {\displaystyle K} on muunduri nominaalne mastaabitegur (ideaalse muunduri toitepinge juures), mis on antud pingena rõhu kohta. U r e a a l n e {\displaystyle U_{\mathrm {reaalne} }} on muunduri toitepinge U i d e a a l n e {\displaystyle U_{\mathrm {ideaalne} }} on ideaalne muunduri toitepinge Muunduri mõõtmiste parandamiseks sellisel moel on kõigepealt vaja mõõta muunduri reaalset toitepinget ning ka väljundpinget ning rakendada saadud tulemuste pööratud transformatsioon väljundsignaalile. p = U v × U i d e a a l n e K × U r e a a l n e {\displaystyle p={U_{v}\times U_{\mathrm {ideaalne} } \over K\times U_{\mathrm {reaalne} }}} Märkus: Muundurites, mis on ühendatud Wheatstone'i sillaks, esinevaid samafaasilisi signaale analüüs ei arvesta. Andur Tajur Rõhk Jõud Baromeeter Piesomeeter Manomeeter Tõnu Lehtla 1996 "ANDURID" lk. 60 Tallinna Tehnikaülikool (vaadatud 11. november 2012) Tõnu Lehtla 1996 "ANDURID" lk. 5,6 Tallinna Tehnikaülikool (vaadatud 11. november 2012) PRNewswire: "Global Pressure Sensor Market worth $7.34 Billion by 2017" PRNewswire.com, (vaadatud 31. oktoober 2012) Ha-Duong Ngo "Pressure Measurement in Combustion Engines" Berliini Tehnikaülikool (vaadatud 11. november 2012) Steven Lee 2010 "US Patent Application 20110271764 – Capacitive Pressure Sensor With Vertical Electrical Feedthroughs And Method To Make The Same" PatentStorm (vaadatud 11. november 2012) Eduard Brindfeldt ja Urmo Lepiksoo 2011 "Andurid: rõhuandurid" Tallinna Tööstushariduskeskus (vaadatud 11. november 2012) Dr. B "Types of Pressure: Definitions" learnthermo.com (vaadatud 11. november 2012) SensorsONE "Gauge Reference Pressure" sensorsone.co.uk (vaadatud 11. november 2012) Tõnu Lehtla 1996 "ANDURID" lk. 15,16 Tallinna Tehnikaülikool (vaadatud 11. november 2012) Tõnu Lehtla 1996 "ANDURID" lk. 28,29 Tallinna Tehnikaülikool (vaadatud 11. november 2012) Isidoro Martinez Herranz 2012 "PRESSURE AND PIEZOMETRY (PRESSURE MEASUREMENT)" Madridi Tehnikaülikool (vaadatud 11. november 2012) Elastic hologram' pages 113–117, Proc. of the IGC 2010, ISBN 978-0-9566139-1-2 aadress: https://web.archive.org/web/20130130044226/http://www.dspace.cam.ac.uk/handle/1810/225960 (vaadatud 31. oktoober 2012) Tõnu Lehtla 1996 "ANDURID" lk. 14,15 Tallinna Tehnikaülikool (vaadatud 11. november 2012) James Pierson "THE RESONANT CYLINDER PRESSURE SENSOR" sensorland.com (vaadatud 11. november 2012) Philippe Collon "Introduction to vacuum gauges" Notre-Dame'i Ülikool (vaadatud 11. november 2012) Malik Sharrieff "What Are Pirani Gauges Used to Measure?" ehow.com (vaadatud 11. november 2012) thinkSRS "Hot vs. Cold Ionization Gauges" Stanford Research Systems, Inc. (vaadatud 11. november 2012) Arvo Kikas "Vaakumsüsteemid ja -tehnika" Tartu Ülikool (vaadatud 11. november 2012) National Oceanic and Atmospheric Association "Kõrgus olenevalt rõhust" (vaadatud 31. oktoober 2012) wiseGEEK "What Is a Venturi Tube?" wisegeek.com (vaadatud 11. november 2012) Analog Devices Inc., Engineeri 2008 "Linear Circuit Design Handbook, 1st Edition" peatükk 3 Newnes (vaadatud 11. november 2012) Videoloeng vaakumist, vaakumpumpadest ja vaakummeetritest Mahukas õppematerjal, kus on kirjeldatud ka andureid Rõhuandurite tüüpide kirjeldused koos näidispiltidega