Деформационные измерительные преобразователи давления, основанные на методе прямого преобразования

Выпускаемые в настоящее время измерительные преобразователи давления, основанные на методе прямого преобразования, различаются как видом деформационного чувствительного элемента, так и способом преобразования его перемещения или развиваемого им усилия в сигнал измерительной информации. Для преобразования перемещения чувствительного элемента в сигнал измерительной информации широко применяются индуктивные, дифференциально-трансформаторные, емкостные, тензорезисторные и другие преобразовательные элементы. Преобразование усилия, развиваемого чувствительным элементом, в сигнал измерительной информации осуществляется пьезоэлектрическими преобразовательными элементами.

Индуктивные измерительные преобразователи давления. На рис. 4.8, а показана схема измерительного преобразователя давления, оснащенного преобразовательным элементом индуктивного типа. Мембрана 1, воспринимающая давления, является подвижным якорем электромагнита 2 с обмоткой 3. Под действием измеряемого давления мембрана 1 перемещается, что вызывает изменение электрического сопротивления индуктивного преобразовательного элемента. Если пренебречь активным сопротивлением катушки, магнитными потоками рассеяния и потерями в сердечнике, индуктивность L преобразовательного элемента можно определить по формуле

где W — число витков катушки; /_с, 5_С — длина и площадь поперечного сечения ферромагнитного сердечника; б — длина воздушного зазора; ц_с, цо — магнитная проницаемость сердечника и воздуха; S — площадь поперечного сечения воздушного участка магнито-провода.

Рис. 4.8. Схемы измерительных преобразователей давления

В процессе измерения величина l_c/(\icS₀) <€.6/(noS), поэтому выражение (4.20) можно представить как

Принимая во внимание, что величина деформации мембраны пропорциональна измеряемому давлению:

преобразуем уравнение (4.21) к виду

Величина ЛГ_ВЫх связана с перемещением б сердечника 6 зависи-»! мостью

В настоящее время разработаны ДТ-преобразовательные элементы с полным ходом сердечника 1,6, 2,5 и 4 мм. Преобразователи имеют унифицированный сигнал в виде напряжения переменного тока, изменяющегося в диапазоне —1 -4-0-4- +1 В. Знак «минус» указывает на изменение фазы сигнала. Указанным значениям выходного сигнала соответствуют изменения взаимной индуктивности ДТ преобразовательного элемента —10-4-0-4- 10 мГн.

Преобразование измеряемого давления в электрический сигнал £Дшх рассматриваемым преобразователем давления осуществляется путем преобразования давления в деформацию (перемещение) ЧЭ, жестко связанного с сердечником 6, и последующего преобразования перемещения сердечника 6 в электрический сигнал ДТ-преобразовательным элементом. Статическая характеристика преобразователя давления ДТ-типа может быть получена путем совместного решения уравнения (4.28) и уравнения

где М_тах — максимальное значение взаимной индуктивности между первичной обмоткой и выходной цепью преобразователя, соответствующее максимальному б_Шах перемещению сердечника.

Решая совместно уравнения (4.26) и (4.27), получим статическую характеристику унифицированного ДТ-преобразователя перемещения:

где б — деформация ЧЭ; k — коэффициент преобразования.

Преобразователи давления ДТ-типа работают в комплекте с дифференциально-трансформаторными вторичными приборами. Классы точности ДТ-преобразователей давления 1,0 и 1,5.

Для измерения перепада давления разработаны мембранные дифманометры с ДТ-преобразовательным элементом, осуществляющим преобразование перемещения мембранного блока в сигнал измерительной информации. Классы точности преобразователей перепада давления 1,0 и 1,5. Время установления выходного сигнала не более 1 с.

Емкостные измерительные преобразователи давления. Схема измерительного преобразователя давления, оснащенного емкостным преобразовательным элементом, приведена на рис. 4.8, в. Измеряемое давление воспринимается металлической мембраной А являющейся подвижным электродом емкостного преобразовательного элемента. Неподвижный электрод 2 изолируется от корпуса с

помощью кварцевых изоляторов. Зависимость емкости С преобразовательного элемента от перемещения б мембраны / имеет вид

где е — диэлектрическая проницаемость среды, заполняющей межэлектродный зазор; 5 — площадь электродов; бо — расстояние между электродами при давлении, равном нулю.

Для преобразования С в сигнал измерительной информации обычно используют мосты переменного тока либо резонансные LC- контуры. Емкостные преобразователи давления применяют для измерения давления до 120 МПа. Толщина мембраны 0,05—1 мм. Преобразователи давления данного типа используются для преобразования быстро изменяющихся давлений. Постоянная времени преобразователя 10~⁴ с. Основная погрешность ±(0,2—5) %.

Тензорезисторные измерительные преобразователи давления. Измерительные преобразователи давления, оснащенные преобразовательными элементами тензорезисторного типа (от лат. tendere — натягивать) получили название тензорезисторных измерительных преобразователей давления. Преобразователи давления этого вида представляют собой деформационный ЧЭ, чаще всего мембрану, на которую наклеиваются или напыляются тензорезисторы. В основе принципа работы тензорезисторов лежит явление тензоэффекта, суть которого состоит в изменении сопротивления проводников и полупроводников при их деформации. Связь между изменением сопротивления тензорезистора и его деформацией устанавливается соотношением

где AR/R — относительное изменение сопротивления тензорезистора; k_% —постоянный коэффициент, определяемый материалом тензорезистора; А/// — относительное изменение длины тензорезистора.

Получили распространение проволочные и фольговые тензорезисторы, изготавливаемые из проводников типа манганина, нихрома, константана, а также полупроводниковые тензорезисторы, изготавливаемые из кремния и германия р- и «-типов. Сопротивление тензорезисторов, изготавливаемых из проводников, составляет 30—500 Ом, а сопротивление полупроводниковых тензорезисторов от 5-Ю-²—10 кОм.

Совершенствование технологии изготовления полупроводниковых тензорезисторов создало возможность изготавливать тензорезисторы непосредственно на кристаллическом элементе, выполненном из кремния или сапфира. Упругие элементы кристаллических материалов обладают упругими свойствами, приближающимися к идеальным. Сцепление тензорезистора с мембраной за счет молекулярных сил позволяют отказаться от использования клею-щих материалов и улучшить метрологические характеристики преобразователей. На рис. 4.9, а показана сапфировая мембрана 3 с расположенными на ней однополосковыми тензорезисторами р-ти-па с положительной / и отрицательной 2 чувствительностями. Положительной чувствительностью обладает тензорезистор, у которого отношение AR/'R>0, если же AR/R<0 — чувствительность отрицательна. Структура однополоскового тензорезистора приведена на рис. 4.9, б. Здесь 1 — тензорезистор; 2 — защитное покрытие; 3 — металлизированные токоведущие дорожки; 4 — упругий элемент преобразователя (сапфировая мембрана). Тензорезисторы можно располагать на мембране так, что при де-деформации они будут иметь разные по знаку приращения сопротивления. Это позволяет создавать мостовые схемы (см. гл. 6), в каждое из плеч которого включаются тензорезисторы с соответствующим значением AR/R и даже термокомпенсационные элементы.

-

Рис. 4.9. Схемы дензорезисторных чувствительных элементов

На рис. 4.10, а показана схема тензорезисторного измерительного преобразователя разности давления. Мембранный тензомодуль 4 представляет собой металлическую мембрану, к которой сверху припаяна сапфировая мембрана с напыленными четырьмя кремниевыми тензорезисторами, образующими плечи неравновесного моста (см. гл. 6). Тензомодуль закреплен на основании 2 и отделен от измеряемой среды двумя разделительными металлическими мембранами 1 я 3. Замкнутые полости между тензомодулем и мембранами заполнены полиме-тилсилоксановой жидкостью. Измеряемая разность давлений Pi— Рг воздействует на тензомодуль через указанные мембраны и жидкость. Через герметичные выводы 5 тензомодуль подключается к встроенному электронному устройству 6. С помощью этого устройства изменение сопротивления тензорезисторов преобразуется в унифицированный токовый выходной сигнал (0—5, 0—20 или 4—20 мА), который передается по искробезопасной двухпроводной линии дистанционной передачи к блоку питания 7. Последний устанавливается во взрывобезопасном помещении и обеспечивает питание первичного преобразователя по двухпроводной линии. По этой же линии одновременно передается выходной токовый сигнал. Наряду с указанной функцией блок питания повышает мощность выходного сигнала до уровня, необходимого для подключения внешней нагрузки Рчн, и формирует заданный уровень выходного сигнала (0—5, 0—20 или 4—20 мА). В тензорезисторных преобразователях избыточного давления, абсолютного давления и разрежения используются измерительные блоки, аналогичные рассмотренным. Отличие состоит в том, что измерительный преобразователь подключается к объекту «плюсовой» камерой, а «минусовой» сообщается с атмосферой. У измерительных преобразователей абсолютного давления «минусовая» камера вакуумирована.

-

Тензорезисторный измерительный преобразователь давления с тензомодулем рычажно-мембранного типа показан на рис. 4.10, б. Тензомодуль рычажно-мембранного типа 3 размещен в заполненной полиметилсилоксановой жидкостью замкнутой полости / и отделен от измеряемой среды металлическими гофрированными мембранами 2 и 9. Мембраны по наружному контуру приварены к основанию 10 и соединены между собой центральным штоком 8, который связан с концом рычага тензомодуля. Разность давлений вызывает прогиб мембран 2 и 9 тензомодуля 3, что сопровождается изменением сопротивления тензорезисторов 4. Электрический сигнал с тензомодуля через герметичные выводы 5 подается во встроенное электронное устройство 6, которое связано с блоком питания 7. Назначение блока питания аналогично рассмотренному.

Рис. 4.10. Схемы тензорезисторных измерительных преобразователей разности давлений с унифицированным токовым выходным сигналом

Классы точности тензорезисторных измерительных преобразователей избыточного давления, разрежения и разности давлений 0,6? 1,0; 1,5. Время установления выходного сигнала при скачкообразном изменении измеряемого параметра 0,5 и 2,5 с. Диапазоны измерений: избыточного дазления — от 0— 10~³ до 0—60 МПа; разряжения— от —1 — 0 до —10 — 0 кПа; абсолютного давления — от 0—2,5 кПа до 0—2,5 МПа; разности давлений — от 0—1 кПа до 0—2,5 МПа.

Кроме рассмотренных разработана модификация тензорезистор-ного преобразователя, предназначенного для измерения избыточного давления. Преобразователь имеет унифицированные токовые сигналы 0—5, 0—20, 4—20 мА. Классы точности преобразователя 0,25; 0,5; 1,0. Диапазоны измерений избыточного давления от 0—I 2,5 кПа до 0—100 МПа.

Пьезоэлектрические измерительные преобразователи давления. В основу работы этих преобразователей положено преобразование измеряемого давления в усилие посредством деформационного чувствительного элемента и последующего преобразования этого усилия в сигнал измерительной информации пьезоэлектрическим преобразовательным элементом. Принцип действия пьезоэлектрического преобразовательного элемента основан на пьезоэлектрическом эффекте, наблюдаемом у ряда кристаллов, таких, как кварц, турмалин, титанат бария и др. Суть пьезоэлектрического эффекта состоит в том, что если кварцевые пластины ^-среза подвергнуть сжатию силой Л^г, то на ее поверхности возникнут заряды разных знаков. Значение заряда Q связано с силой N соотношением

Q = kN, (4.32)

где k — пьезоэлектрическая постоянная.

Значение k не зависит от размера пластины и определяется природой кристалла. Для кварца fe= = 2,Ы0-¹² Кл/Н.

На рис. 4.11 показана схема пьезоэлектрического измерительного преобразователя давления. Измеряемое давление преобразуется мембраной 4 в усилие, вызывающее сжатие столбиков кварцевых пластин 2 диаметром 5 мм толщиной 1 мм. Возникающий электрический заряд Q через выводы / подается на электронный усилитель 5, обладающий большим входным сопротивлением—10¹³ Ом. Значение заряда связано измеряемым давлением Р зависимостью Q = kFP, (4.33)

Рис. 4.11. Схема пьезоэлектрического измерительного преобразователя давления

где F — эффективная площадь мембраны.

Для уменьшения инерционности преобразователя объем камеры 3 минимизируют. Так как частота собственных колебаний системы «мембрана — кварцевые пластины» составляет десятки килогерц, то измерительные преобразователи этого типа обладают высокими динамическими характеристиками, что обусловило их широкое применение при контроле давления в системах с быстропротекающими процессами.

Чувствительность пьезоэлектрических измерительных преобразователей давления может быть повышена путем применения нескольких, параллельно включенных кварцевых пластин и увеличения эффективной площади мембраны.

Верхние пределы измерений пьезоэлектрических преобразователей давления с кварцевыми чувствительными элементами 2,5— 100 МПа. Классы точности 1,5; 2,0. Из-за утечки заряда с кварцевых пластин преобразователи давлений этого типа не используются для измерения статических давлений.

Date: 2015-09-02; view: 1009; Нарушение авторских прав