Электрические датчики давления

В данных приборах измеряемое давление, оказывая воздействия на

чувствительный элемент, изменяет его собственные электрические параметры: сопротивление, ёмкость или заряд, которые становятся мерой этого давления. Подавляющее большинство современных общепромышленных ИПД реализовано на основе трех основных принципов:

1) емкостные – используют упругий чувствительный элемент в виде

конденсатора с переменным зазором: смещение или прогиб под действием

прилагаемого давления подвижного электрода-мембраны относительно

неподвижного изменяет его ёмкость;

2) пьезоэлектрические – основаны на зависимости поляризованного

заряда или резонансной частоты пьезокристаллов: кварца, турмалина и

других от прилагаемого к ним давления;

3) тензорезисторные – используют зависимость активного сопротивления проводника или полупроводника от степени его деформации.

4) тензорезонансные – используют зависимость собственной резонансной частоты чувствительного элемента от величины приложенной нагрузки.

В последние годы получили развитие и другие принципы работы

ИПД: волоконно-оптические, индукционные, гальваномагнитные, объемного сжатия, акустические, диффузионные и т.д.

На сегодняшний день самыми популярными в России являются тен-

зорезисторные ИПД.

7.7.1. Емкостные преобразователи давления

Принцип действия емкостных преобразователей основан на измене-

нии емкости переменного конденсатора С под воздействием преобразуемой неэлектрической величины (например, давления). Емкость конденсатора зависит от таких параметров как расстояние между пластинами (об-

кладками) δ, площадь пластин S, диэлектрическая постоянная среды между пластинами E.

Характеристика управления емкостного плоскопараллельного преобразователя с изменяющимся зазором определяется выражением:

где С - емкость конденсатора, Ф; δ - расстояние между обкладками, м; E -

абсолютная диэлектрическая проницаемость среды между обкладками,

Ф/м; S — площадь обкладок, м².

На рис.39 показана принципиальная схема одного из вариантов емкостного измерительного преобразователя давления. Сенсорная мембрана 1 и металлизированные обкладки 2, 3 образуют электрические конденсаторы изолированные диэлектриком 4. Образовавшийся блок установлен в металлический корпус 5. Внутренние полости электрических конденсаторов соединены с полостями, образованными разделительными мембранами и корпусом. Эти полости заполняются кремнийорганической жидкостью. Обкладки и сенсорная мембрана проводниками 8, 9 и 10 подключаются к мостовой измерительной схеме. Измеряемое давление Р_ИЗБ через разделительную мембрану воздействует на сенсорную мембрану и прогибает её. Расстояние между сенсорной мембраной и обкладкой 2 уменьшается, что вызывает увеличение электрической ёмкости конденсатора, образованного сенсорной мембраной и обкладкой 2, и уменьшение ёмкости конденсатора, состоящего из сенсорной мембраны и обкладки 3. Изменение емкости конденсаторов преобразуется измерительной схемой в выходной электрический сигнал.

Рис. 39. Схема емкостного преобразователя давления

На основе ёмкостных измерительных преобразователей фирмой Fischer- Rosemount выпускаются микропроцессорные измерители давления серии 3051 с пределом основной допускаемой приведенной погрешности ±0,075%.

7.7.2. Пьезоэлектрические преобразователи давления

Действие пьезоэлектрических преобразователей основано на свойстве некоторых кристаллических веществ создавать электрические заряды

под действием механической силы. Это явление, называемое пьезоэффек-

том, характерно для кристаллов кварца, турмалина, сегнетовой соли, тита-

ната бария и некоторых других веществ. Особенностью пьезоэффекта яв-

ляется его безынерционность. Заряды возникают мгновенно в момент при-

ложения силы. Это обстоятельство делает пьезоэлектрические приборы не-

заменимыми при измерении и исследовании быстропротекающих процес-

сов, связанных с изменением давления (индицирование быстроходных

двигателей, изучение явлений кавитации, взрывных реакций и т.п.).

Для изготовления пьезоэлектрических датчиков наиболее широко

применяют кварц, сочетающий хорошие пьезоэлектрические свойства с большой механической прочностью, высокими изоляционными свойствами и независимостью пьезоэлектрической характеристики в широких пределах от изменения температуры.

Элементарной структурной ячейкой является шестигранная призма

(рис.40).

Рис. 40. Схема кристалла кварца

В кристаллах кварца различают продольную ось ZZ, называемую оп-

тической осью, ось XX, проходящую через ребра призмы (электрическую

ось), и ось YY, проходящую через середины противолежащих граней (ме-

ханическая или нейтральная). Если из кристалла кварца вырезать паралле-

лепипед так, чтобы его грани были расположены перпендикулярно осям YY и XX, то он будет обладать пьезоэлектрическими свойствами. Силы, приложенные к параллелепипеду в направлении оси ZZ, не вызывают электризации, а растягивающая или сжимающая силы Fx, приложенные в направлении электрической оси, вызывают появление разноименных зарядов на гранях, перпендикулярных к этой оси (продольный пьезоэффект). Заряд, возникающий на гранях, равен:

где P_x и F_x - давление и сила, действующие на грань; S_x - площадь грани; k - постоянная величина, так называемый, пьезоэлектрический модуль.

Пьезоэлектрическая постоянная кварца практически не зависит от

температуры до 500°С. При температуре выше 500°С она быстро уменьша-

ется и при температуре 570°С становится равной нулю, т. е. кварц теряет

пьезоэлектрические свойства. Пьезоэлектрические приборы позволяют из-

мерять давление до 100МПа.

7.7.3. Тензорезисторные преобразователи давления

В основе работы тензорезисторов (пьезорезисторов) лежит явление тензоэффекта, заключающееся в изменении активного сопротивления проводниковых и полупроводниковых материалов при их механической деформации. В Росси широкое применение в изготовлении общепромышленных тензорезисторных ИПД в силу своих высоких механических, изолирующих и теплоустойчивых качеств получила технология КНС — «кремний на сапфире». Чувствительный элемент таких преобразователей состоит из сапфировой изолирующей подложки, на которую способом напыления в вакууме нанесены кремниевые тензорезисторы, образующие мостовую схему. Подложка припаяна твердым припоем к титановой мембране.

Рис. 41. Схема тензорезисторного преобразователя давления

Принципиальная схема размещения тензорезисторов на поверхности сапфировой мембраны показана на рис. 41. Радиальные механические напряжения вблизи края мембраны имеют отрицательный знак, а касательные – положительный. В связи с этим, у размещенных радиально вблизи края мембраны тензорезисторов с ростом давления сопротивление снижается, а у размещенных касательно увеличивается. Тензорезисторы включаются по схеме неуравновешенного моста, который запитывается от генератора стабильного тока ГСТ. При отсутствии давления механические напряжения мембране равны нулю и сопротивления тензорезисторов моста одинаковы, поэтому мост находится в равновесии и напряжение на измерительной диагонали моста ΔU равно нулю. При подаче измеряемого давления сопротивление радиально расположенных тензорезисторов R– уменьшается, а сопротивление касательно расположенных тензерезисторов R+ увеличивается, в результате чего возникает напряжение разбаланса. Напряжение разбаланса моста пропорционально величине измеряемого давления. Подобную конструкцию имеют широко распространенные датчики давления «Сапфир-22М» и «Метран» различных модификаций. Предел основной допускаемой погрешности этих приборов в зависимости от исполнения составляет от 0,2% до 0,5%. Диапазон перенастроек пределов измерения давления до 25:1.

Эти манометры обеспечивают непрерывное преобразование значения измеряемого параметра (давления избыточного, абсолютного, разряжения, разности давлений нейтральных и агрессивных сред) в унифицированный токовый сигнал для дистанционной передачи (0 - 5 мА, 4 - 20 мА и др.).

Рис. 42. Схема тензорезисторного манометра

Мембранный тензопреобразователь 3 размещен внутри основания 9 (см. рисунок 42). Внутренняя полость 4 тензопреобразователя заполнена кремнийорганической жидкостью и отделена от измеряемой среды металлической гофрированной мембраной 6, приваренной по наружному контуру к основанию 9. Полость 10 сообщена с окружающей атмосферой.

Измеряемое давление подается в камеру 7 фланца 5, который уплотнен прокладкой 8. Измеряемое давление воздействует на мембрану 6 и через жидкость воздействует на мембрану тензопреобразователя, вызывая ее прогиб и изменение сопротивления тензорезисторов. Электрический сигнал от тензопреобразователя передается из измерительного блока 1 по проводам через гермовывод 2. Преобразователи «Сапфир-22М-ДИ» предназначены для измерения избыточного давления, а преобразователи «Сапфир-22М-ДВ» - для измерения вакуумметрического давления. Преобразователи «Сапфир-22М-ДА», предназначенные для измерения абсолютного давления, отличаются тем, что полость 10 вакуумирована и герметизирована.

Преобразователи «Сапфир-22М-ДД (см. рисунок 43), предназначенные для измерения разности давлений, отличаются тем, что в них используется тензопреобразователь мембранно-рычажного типа, который размещен внутри основания в замкнутой полости, заполненной кремнийорганичес-кой жидкостью, и отделен от измеряемой среды двумя металлическими гофрированными мембранами. Мембраны соединены между собой центральным штоком, перемещение которого передается рычагу тензо-преобразователя, что вызывает деформацию тензопреобразователя.

Рис. 43. Схема тензорезисторного дифференциального манометра

Электрический сигнал от тензопреобразователя передается из измерительного блока в электронное устройство 1 по проводам через гермоввод 2. Измерительный блок выдерживает без разрушения воздействие односторонней перегрузки рабочим избыточным давлением. Это обеспечивается тем, что при такой перегрузке одна из мембран 8 ложится на профилированную поверхность основания 9.

7.7.4. Тензорезонансные преобразователи давления

Принцип действия тензорезонансных преобразователей давления основан на эффекте изменения резонансной частоты чувствительного элемента под действием приложенной механической нагрузки. Например, при натяжении металлической струны её резонансная частота (тон) становится выше, а при ослаблении – ниже. Имеется достаточно много вариантов конструкции тензорезонансных преобразователей давления, но наиболее совершенным на сегодняшний день является сенсор DPHarp фирмы Yokogawa. Сенсор представляет собой монокристаллическую кремниевую мембрану с интегрированными в нее двумя кремниевыми резонаторами в виде буквы Н. Резонаторы и мембрана образуют единую монокристаллическую структуру, что позволяет практически исключить влияние остаточных и усталостных деформаций. Резонаторы размещаются на мембране асимметрично относительно центра мембраны. Асимметричное расположение резонаторов приводит к тому, что при деформации кремниевой мембраны под действием измеряемого давления резонатор расположенный на периферии мембраны испытывает растяжению, а резонатор расположенный вблизи центра мембраны – сжатие. При растяжении частота резонатора возрастает, а при растяжении – уменьшается. Электронная схема сенсора измеряет разность частот резонаторов. Собственная частота резонаторов при отсутствии нагрузки равна 90 кГц, а разность частот резонаторов при номинальной нагрузке – 40 кГц. Зависимость частоты от измеряемого давления линейная.

Датчикам на основе сенсоров DPHarp свойственна высокая точность измерения и исключительно высокая долговременная стабильность показаний. Датчики давления серии FJX фирмы Yokogawa имеют предел основной допускаемой погрешности ±0,04% при долговременной стабильности ±0,1% в течении 10 лет. Диапазон перенастроек пределов измерения давления до 200:1.

7.9. Грузопоршневой манометр

Принцип действия грузопоршневого манометра основан на уравно-

вешивании сил, создаваемых, с одной стороны, измеряемым давлением, а с

другой стороны - грузами, действующими на поршень, помещенный в ци-

линдр (рис. 44).

Прибор состоит из колонки 7 с цилиндрическим шлифованным ка-

налом и поршня 6, несущего на своем верхнем конце тарелку 4 для нагру-

жения ее эталонными грузами 5. Поршень 1 винтового пресса служит для

подъема и опускания поршня 6 так, чтобы при любых нагрузках поршень 6

был погружен в цилиндр примерно на 2/3 своей высоты.

Рис. 44. Схема грузопоршневого манометра

Камеру 2 поршневого манометра заполняют трансформаторным, вазелиновым или касторовым маслом через воронку 8. Давление в системе

создают с помощью винта с маховиком 9 и поршня 1. Штуцеры 3 служат

для установки поверяемого и образцового манометров. Вентиль 10 предна-

значен для слива масла. В процессе измерений для устранения вредных сил трения поршня 6 о стенки цилиндрического канала колонки 7 поршень 6 вручную приводят во вращение. Грузопоршневой манометр может быть использован для поверки манометров, как с помощью грузов, так и с помощью образцового манометра.