MIROSYSTEMY - LABRATORIUM Ćwiczenie nr 2 Odporny na korozję czujnik ciśnienia dla mikroreaktorów chemicznych Charakterystyka badanego elementu: Odporny na korozję czujnik ciśnienia został opracowany w Zakładzie Mikroinżynierii i Fotowoltaki na Wydziale Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki w ramach projektu europejskiego NEPUMUC PR6 (New Eco-efficient Industrial Process Using Microstructured Unit Components) dla potrzeb mikroreaktora chemicznego. W rozwiązaniu tym, zastosowano nowy sposób montażu mikromechanicznego, krzemowego czujnika ciśnienia. Dotychczas struktura czujnika ciśnienia umieszczana była w obudowie (Rys. 1a), natomiast w nowym rozwiązaniu obudowa została zawieszona na strukturze czujnika (Rys. 1b) 1. Rys. 1. Schemat budowy czujnika ciśnienia: a) według rozwiązań dotychczasowych, b) według nowego rozwiązania własnego. Do budowy czujnika wykorzystano struktury krzemowych czujników ciśnienia opracowane w ITE Warszawa, które połączono z kwadratowym słupkiem szklanym. Po spojeniu tej struktury z podkładką krzemową i specjalnym okrągłym słupkiem szklanym, została ona zamknięta w obudowie metalowej z zewnętrznym gwintem. Gwint umożliwia wkręcenie czujnika w obudowę chipu mikroreaktora. Połączenie cieczowe czujnika z wnętrzem chipu mikroreaktora wykonano w podobny sposób jak dla podłączeń cieczowych firmy UpChurch (Rys. 2). Badany czujnik charakteryzuje się całkowitą odpornością chemiczną na stężone, gorące kwasy (siarkowy, azotowy) i niebezpieczne rozpuszczalniki organiczne (benzen, toluen). 1 Trwa postępowanie patentowe. 1
Rys. 2. Krzemowy czujnik ciśnienia zamontowany w obudowie chipu mikroreaktora. Cel ćwiczenia: W ćwiczeniu zostaną określone parametry piezorezystancyjnego czujnika ciśnienia, który został opracowany jako element platformy pomiarowej dla mikroreaktora chemicznego do prowadzenia reakcji nitrowania. Opis stanowiska: Rys. 3. Schemat stanowiska pomiarowego Stanowisko pomiarowe składa się z następujących elementów (Rys. 3): 1. Dyskretny, wkręcany czujnik ciśnienia w obudowie wraz z elektroniką. 2. Zawór odcinający (umieszczony z boku stołu pomiarowego) i regulator ciśnienia. 3. Referencyjny czujnik ciśnienia firmy Festo. 4. Zasilacz DC typ LPS-305 i miernik uniwersalny. Czujnik ciśnienia zasilany jest stałym prądem I zas = 1 ma (napięcie zasilania mostka typowo wynosi U zas = 5 V. Rezystancja mostka Wheatstona widziana od strony zasilania wynosi z reguły 5 kω ± 10%. 2
Przebieg ćwiczenia: Przygotowanie stanowiska do pomiarów: 1. Włączyć zasilacz LPS-305 (nie regulować nastaw!). 2. Załączyć zasilanie przyciskiem ON/OFF na klawiaturze zasilacza. 3. Odczekać 2 minuty do ustabilizowania się prądu zasilającego czujnik (źródło prądowe zasilające czujnik zamknięte jest wewnątrz obudowy). 4. Włączyć miernik uniwersalny, ustawić na nim pomiar napięcia stałego VDC. 5. Dopilnować, aby wylot z kapilary teflonowej był szczelnie zamknięty. 6. Regulacja OFFSET-u: dla ciśnienia P = 0 kpa zrównoważyć wskazanie woltomierza regulując potencjometrem OFFSET dążyć do uzyskania wartości U 0 = 0 V. Wyznaczenie charakterystyk (P): Zmierzyć charakterystyki sygnału wyjściowego w funkcji ciśnienia. Wykreślić krzywe i wykonać obliczenia nieliniowości, czułości i histerezy pneumatycznej czujnika. Ciśnienie zmieniać w zakresie od 0 do 200 kpa, ustawiając je co 20 kpa podczas narostu i spadku ciśnienia (nastawa regulatorem ciśnienia, dokładne wskazania odczytywać z referencyjnego czujnika ciśnienia firmy Festo). Po każdorazowej zmianie nastawy ciśnienia odczekać około 15 sekund do ustabilizowania się wskazań referencyjnego czujnika ciśnienia Festo i woltomierza. Wartości sygnału wyjściowego zanotować. A. Nieliniowość czujnika P [kpa] Rys. 4. Charakterystyka napięcia wyjściowego w funkcji ciśnienia 3
Przy wyznaczaniu nieliniowości czujnika korzystamy z następujących zależności: Span = (Full Scale Output) = U max U 0 jest to napięcie pełnego zakresu, czyli całkowity przyrost sygnału wyjściowego (maksymalny sygnał wyjściowy) pomniejszony o napięcie niezrównoważenia U 0, dla ciśnienia maksymalnego dla danego rodzaju czujnika, odniesiony do napięcia zasilającego i wyrażony w mv/v. P max jest to maksymalne ciśnienie jakie może być doprowadzone do czujnika, najczęściej P max = 200 kpa. U max jest to sygnał wyjściowy zmierzony przy ciśnieniu P max, a U 0 = OFFSET to sygnał wyjściowy bez obciążenia ciśnieniowego (Rys. 4). Uwaga: napięcie U 0 może przyjmować wartości dodatnie lub ujemne w zależności od rozrzutów rezystancji piezorezystorów w mostku i wynosi typowo: U 0 = 3 do 5 mv/v dla bardzo dobrych producentów, U 0 = 5 do 10 mv dla średnich producentów. Dla ujemnego U 0 : = U max + U 0 U 1/2teor = ½ + U 0 U 1/2pom jest to sygnał wyjściowy dla ½ P max zmierzony podczas przyrostu ciśnienia: P = 0 ½ P max (pomiar U 1/2pom ) P max 0. Cykl pomiarowy należy powtórzyć trzykrotnie. Nieliniowość obliczamy ze wzoru: N U 1/ 2teor U 1/ 2 pom 100% Najczęściej dla dobrych producentów nieliniowość czujników wynosi N < 0,2%. B. Czułość czujnika S czułość jest to przyrost sygnału wyjściowego pod wpływem przyrostu ciśnienia odniesiony do wartości napięcia zasilania; wyrażony w mv/v/100 kpa. Parametr ten obliczamy na podstawie charakterystyki = f (P) (Rys. 4) korzystając z następującego wzoru: S dla P max = 100 kpa [mv/v/100 kpa] U zas Najczęściej parametr ten wynosi S = 20 mv/v/100 kpa. 4
C. Histereza pneumatyczna połowy zakresu Rys. 5. Charakterystyka napięcia wyjściowego w funkcji ciśnienia do wyznaczenia histerezy Histerezę pneumatyczną obliczamy na podstawie wyników cyklu pomiarowego (Rys. 5): P = 0 P max P max ½ (pomiar U 1/2 ) 0 ½ P max (pomiar U 1/2 ) P max 0 korzystając ze wzoru: U U 1/ 2 1/ 2 H pneuma 100% lub H pneuma U U U U 1/ 2 1/ 2teor 1/ 2 1/ 2teor Parametr ten najczęściej ma wartość < 0,05%. 100% 5
D. Histereza pneumatyczna U max Rys. 6. Charakterystyka napięcia wyjściowego w funkcji ciśnienia do wyznaczenia histerezy U max Histerezę U max obliczamy na podstawie wyników 5 (10) cykli pomiarowych (Rys. 6): P = 0 P max (pomiar U max1 ) 0 P max (pomiar U max2 ) 0 korzystając ze wzoru: 1 2... 5(10 ) H U max 100% 5(10) gdzie: 1 = U max1 - U max2 ; 2 = U max2 - U max3 ; Najczęściej parametr ten przyjmuje wartość < 0,01%. E. Histereza pneumatyczna U 0 Rys. 7. Charakterystyka napięcia wyjściowego w funkcji ciśnienia do wyznaczenia histerezy U 0 6
Histerezę U 0 obliczamy na podstawie wyników 5 (10) cykli pomiarowych (Rys. 7): P = 0 (pomiar U 01 ) P max 0 (pomiar U 02 ) P max 0 korzystając ze wzoru:... 1 2 5(10) H U 0 5(10) U 01 100% gdzie: 1 = U 01 - U 02 ; 2 = U 02 - U 03 ; Najczęściej parametr ten przyjmuje wartość < 0,05%. Literatura: 1. Jan A. Dziuban, Technologia i zastosowanie mikromechanicznych struktur krzemowych i krzemowo szklanych w technice mikrosystemów, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 2004 2. Strony internetowe producentów piezorezystancyjnych czujników ciśnienia np. Motorola, lub producentów modułów do pomiaru ciśnienia np. Peltron. 7