CP216 143-216-000-051(143-216-000-151) Bộ chuyển đổi áp suất áp điện

CP216 là bộ chuyển đổi áp suất áp điện hiệu suất cao từ dòng sản phẩm VM, được thiết kế đặc biệt để đo áp suất động trong môi trường khắc nghiệt. Bằng cách sử dụng vật liệu áp điện nhân tạo đặc biệt, đầu dò này mang lại độ ổn định nhiệt độ đặc biệt và độ tin cậy lâu dài, khiến nó phù hợp để theo dõi áp suất động và thử nghiệm phát triển trong môi trường nhiệt độ và áp suất cao. CP216 có thể đo trực tiếp sự thay đổi áp suất động trong chất khí hoặc chất lỏng và chuyển đổi tín hiệu áp suất cơ học thành tín hiệu điện tích, cung cấp dữ liệu áp suất chính xác cho các ứng dụng công nghiệp khác nhau.

---------------------------------------------------------------------------------------------------

Các tính năng chính

1. Khả năng thích ứng với môi trường khắc nghiệt

CP216 thể hiện khả năng chịu nhiệt độ vượt trội, cho phép hoạt động ổn định trong môi trường nhiệt độ khắc nghiệt:

• Phạm vi nhiệt độ hoạt động: -54°C đến 470°C (hoạt động liên tục)

• Nhiệt độ ứng dụng cực cao: -70°C đến 520°C

• Phạm vi nhiệt độ kết nối:

• Đầu nối nhiệt độ cao Vibro-Meter: -70°C đến 650°C

• Đầu nối LEMO: -55°C đến 155°C

2. Khả năng đo áp suất cao

Đầu dò có phạm vi đo áp suất rộng:

• Phạm vi đo động: 0,0005 bar đến 250 bar

• Công suất quá tải: Lên tới 350 bar (thành phần tĩnh + động)

• Độ nhạy áp suất định mức: 200 pC/bar (13,8 pC/psi)

3. Đặc tính đáp ứng tần số rộng

CP216 cung cấp các đặc tính đáp ứng tần số tuyệt vời:

• Dải tần số: 2 Hz đến 15 kHz ±5%

• Tần số cộng hưởng: > 80 kHz

• Ngưỡng tần số thấp: Được xác định bởi thiết bị điện tử được sử dụng

4. Thiết kế kết cấu chắc chắn

• Vật liệu vỏ: Hợp kim NIMONIC 90, hàn kín hoàn toàn

• Chất liệu cáp: Hợp kim INCONEL 600

• Cách nhiệt bên trong: Thiết kế cách nhiệt hoàn toàn

• Khả năng chống bức xạ: Có khả năng chịu được bức xạ gamma và neutron

5. Chứng nhận chống cháy nổ

CP216 có sẵn các phiên bản được chứng nhận chống cháy nổ cho môi trường nguy hiểm:

• Loại chống cháy nổ: Ex ib An toàn nội tại

• Tiêu chuẩn chứng nhận: ATEX, IECEx và các tiêu chuẩn quốc tế khác

• Khu vực áp dụng: Khu vực nguy hiểm 1/2

6. Nhiều tùy chọn cấu hình

• Loại cáp: Cáp cách điện khoáng (MI), dây dẫn đôi

• Tùy chọn đầu nối: Đầu nối LEMO hoặc đầu nối nhiệt độ cao Vibro-Meter

• Chiều dài cáp: 0,5m, 1m, 2m, 3m, 5m hoặc độ dài tùy chỉnh

Nguyên tắc làm việc

Nguyên tắc cơ bản của hiệu ứng áp điện

Nguyên lý hoạt động cốt lõi của CP216 dựa trên hiệu ứng áp điện, một hiện tượng vật lý độc đáo trong đó một số vật liệu nhất định tạo ra điện tích khi chịu áp lực cơ học. Hiệu ứng này có thể đảo ngược: khi một điện trường tác dụng lên vật liệu áp điện, chúng sẽ bị biến dạng cơ học. Trong các ứng dụng đo áp suất, chúng tôi sử dụng hiệu ứng áp điện trực tiếp—chuyển đổi năng lượng cơ học (áp suất) thành năng lượng điện (điện tích).

Cảm biến sử dụng vật liệu áp điện nhân tạo đặc biệt đã được thiết kế và xử lý cẩn thận để mang lại sự ổn định nhiệt độ tuyệt vời và độ ổn định lâu dài. So với vật liệu áp điện tự nhiên, vật liệu áp điện nhân tạo mang lại hiệu suất ổn định hơn và khả năng thích ứng với môi trường tốt hơn.

Cấu trúc phần tử cảm biến

CP216 sử dụng thiết kế chế độ nén trong đó phần tử cảm biến lõi bao gồm một chồng tinh thể áp điện được gia công chính xác. Ngăn xếp này bao gồm nhiều đĩa áp điện được sắp xếp theo cấu hình cơ học và song song về điện. Thiết kế này cung cấp một số lợi thế:

1. Độ nhạy nâng cao: Nhiều đĩa tăng khả năng đầu ra sạc

2. Cải thiện độ ổn định: Cấu trúc đối xứng làm giảm hiệu ứng gradient nhiệt độ

3. Độ tuyến tính tốt hơn: Phân bổ áp suất đồng đều đảm bảo đáp ứng tuyến tính được cải thiện

Các đĩa áp điện được gắn chính xác bên trong vỏ kim loại và tiếp xúc với môi trường đo thông qua một màng ngăn mỏng. Khi áp suất tác dụng lên màng ngăn, nó sẽ được truyền đến ngăn áp điện, gây ra biến dạng tối thiểu.

Cơ chế tạo điện tích

Khi vật liệu áp điện chịu ứng suất cơ học, cấu trúc mạng tinh thể của chúng biến dạng, gây ra sự thay đổi mô men lưỡng cực điện bên trong, tạo ra điện tích trên bề mặt vật liệu. Điện tích này tỷ lệ thuận với áp suất tác dụng:

Q = d × F

Ở đâu:

• Q là điện tích được tạo ra (tính bằng pC)

• d là hằng số áp điện (tính chất vật liệu)

• F là lực tác dụng (tỷ lệ với áp suất)

Đối với CP216, độ nhạy danh định của nó là 200 pC/bar, nghĩa là mỗi thanh thay đổi áp suất sẽ tạo ra dòng điện đầu ra là 200 pC.

Đặc điểm đầu ra tín hiệu

CP216 sử dụng chế độ đầu ra sạc, đây là phương pháp đầu ra tín hiệu có trở kháng cao. Cách tiếp cận đầu ra này có một số tính năng quan trọng:

1. Hoạt động thụ động: Cảm biến không cần nguồn điện bên ngoài, đơn giản hóa thiết kế hệ thống

2. Khả năng miễn nhiễm nhiễu: Tín hiệu có trở kháng cao tương đối không nhạy cảm với nhiễu điện từ

3. Tính ổn định lâu dài: Không có linh kiện điện tử hoạt động nào đảm bảo độ tin cậy cao

Cảm biến phát ra tín hiệu sạc liên quan đến tốc độ thay đổi áp suất, khiến nó đặc biệt phù hợp để đo áp suất động thay vì đo áp suất tĩnh.

Cơ chế bù nhiệt độ

Để duy trì hiệu suất ổn định trong phạm vi nhiệt độ rộng, CP216 kết hợp nhiều kỹ thuật bù nhiệt độ:

1. Lựa chọn vật liệu: Sử dụng vật liệu áp điện đặc biệt có độ ổn định nhiệt độ tuyệt vời

2. Thiết kế đối xứng: Các bộ phận bù được sắp xếp đối xứng để giảm hiệu ứng gradient nhiệt độ

3. Khớp giãn nở nhiệt: Tất cả các thành phần đều có hệ số giãn nở nhiệt phù hợp

Các đặc tính nhiệt độ của cảm biến được tối ưu hóa cẩn thận để duy trì hiệu suất có thể dự đoán được trong phạm vi nhiệt độ khắc nghiệt từ -70°C đến 520°C. Các đường cong phản ứng nhiệt độ điển hình cho thấy sự thay đổi độ nhạy theo nhiệt độ thể hiện các đặc tính tuyến tính tốt, tạo điều kiện thuận lợi cho việc bù nhiệt độ.

Đặc điểm đáp ứng tần số

Đặc tính đáp ứng tần số của CP216 được xác định bởi cả cấu trúc cơ học và tính chất áp điện của nó:

1. Đáp ứng tần số thấp: Ngưỡng tần số thấp được xác định bởi khả năng chống rò rỉ của cảm biến và trở kháng đầu vào bộ khuếch đại sạc tiếp theo

2. Đáp ứng tần số cao: Ngưỡng tần số cao được xác định bởi tần số cộng hưởng cơ học của cảm biến

3. Vùng phản hồi phẳng: Cung cấp phản hồi phẳng ±5% trong phạm vi 2 Hz đến 15 kHz

Tần số cộng hưởng của cảm biến vượt quá 80 kHz, đảm bảo đủ biên độ pha và biên độ trong dải tần số hoạt động.

Cân nhắc về cài đặt và kết hợp

Việc lắp đặt đúng cách rất quan trọng đối với hiệu suất của cảm biến:

1. Mô-men xoắn lắp đặt: Yêu cầu mô-men xoắn lắp đặt chính xác (20 N·m) để đảm bảo khớp nối cơ học tốt

2. Thiết kế bịt kín: Sử dụng phớt áp suất chuyên dụng để ngăn chặn rò rỉ trung bình

3. Cách ly nhiệt: Có thể yêu cầu các biện pháp cách nhiệt trong các ứng dụng nhiệt độ cao

Cảm biến phải được sử dụng với bộ điều hòa tín hiệu thích hợp (chẳng hạn như IPC704), trong đó bộ khuếch đại sạc chuyển đổi tín hiệu sạc có trở kháng cao thành tín hiệu điện áp hoặc dòng điện trở kháng thấp để truyền và xử lý khoảng cách xa.

Thiết kế thích ứng môi trường

Thiết kế của CP216 có tính đến nhiều yếu tố môi trường khắc nghiệt khác nhau:

1. Chống rung: Thiết kế kết cấu chắc chắn chịu được gia tốc sốc 2000 g

2. Chống ăn mòn: Sử dụng vật liệu hợp kim tiên tiến để chống lại môi trường ăn mòn

3. Khả năng chống bức xạ: Thiết kế đặc biệt cho phép chịu được môi trường bức xạ cao

Hiệu chuẩn và ổn định

Cảm biến trải qua quá trình hiệu chuẩn động tại nhà máy (đỉnh 1 bar, 2 Hz, +23°C) và do độ ổn định đặc biệt của nó nên thường không cần hiệu chuẩn lại sau đó. Độ ổn định lâu dài chủ yếu phụ thuộc vào đặc tính lão hóa của vật liệu áp điện và vật liệu áp điện nhân tạo này trải qua quá trình xử lý đặc biệt để đạt được tốc độ lão hóa cực thấp.

---------------------------------------------------------------------------------------------------

Lĩnh vực ứng dụng

1. Hàng không vũ trụ

• Giám sát áp suất buồng đốt động cơ

• Đo áp suất động của máy Turbomachinery

• Giám sát áp suất khí động học trong chuyến bay thử nghiệm

2. Công nghiệp năng lượng

• Giám sát quá trình đốt tuabin khí

• Phân tích biến động áp suất tuabin hơi

• Hệ thống giám sát an toàn nhà máy điện hạt nhân

3. Quy trình công nghiệp

• Đo áp suất xung máy nén

• Phân tích biến động áp suất hệ thống bơm

• Giám sát quá trình đốt cháy

4. Thử nghiệm nghiên cứu và phát triển

• Thử nghiệm phát triển động cơ

• Nghiên cứu động lực học chất lỏng

• Đo vụ nổ và sóng xung kích

---------------------------------------------------------------------------------------------------

Thiết bị hỗ trợ

1. Bộ điều hòa tín hiệu

• IPC704: Bộ điều hòa tín hiệu sạc chuyên dụng

• Chức năng: Chuyển đổi tín hiệu sạc thành tín hiệu điện áp hoặc dòng điện tiêu chuẩn

2. Phụ kiện lắp đặt

• MA104: Bộ chuyển đổi gắn cho phiên bản đầu nối LEMO

• MA126: Bộ chuyển đổi gắn cho phiên bản đầu nối nhiệt độ cao

3. Cụm cáp

• EC153, EC222, EC119: Các cụm cáp chuyên dụng khác nhau

• Tính năng: Chịu nhiệt độ cao, chống ồn

4. Thiết bị cách ly

• GSI127: Bộ tách điện để cách ly tín hiệu

---------------------------------------------------------------------------------------------------

Ưu điểm kỹ thuật

1. Độ tin cậy đặc biệt

Thiết kế thụ động dựa trên công nghệ áp điện và kết cấu hàn hoàn toàn đảm bảo độ tin cậy, phù hợp cho các ứng dụng giám sát liên tục trong thời gian dài.

2. Khả năng thích ứng môi trường rộng rãi

Phạm vi nhiệt độ hoạt động rộng từ nhiệt độ cực thấp đến cực cao cho phép thích ứng với nhiều môi trường khắc nghiệt khác nhau.

3. Đo động chính xác

Đặc tính đáp ứng tần số tuyệt vời và độ nhạy cao cho phép ghi lại những thay đổi áp suất nhanh chóng và biến động áp suất nhỏ.

4. Tích hợp dễ dàng

Giao diện đầu ra được tiêu chuẩn hóa và nhiều tùy chọn cài đặt giúp dễ dàng tích hợp vào các hệ thống đo lường khác nhau.