§ 4.5. 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.

И ндуктивные 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.

Рис. 4.8. Схемы измерительных преобразователей давления

Если пренебречь активным сопротивлением катушки, магнитными потоками рассеяния и потерями в сердечнике, индук­тивность L преобразовательного элемента можно определить по формуле

(4 20)

где W — число витков катушки; l_с, S_c — длина и площадь попереч­ного сечения ферромагнитного сердечника; δ — длина воздушного зазора; μ_с, μ,₀ — магнитная проницаемость сердечника и воздуха; S — площадь поперечного сечения воздушного участка магнитопровода..

В процессе измерения величина l_с/( μ_с S_c) << δ/(μ₀ S), поэтому выажение (4.20) можно представить как

L = W² μ₀ S/δ. (4.21)

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

δ = k₁P, (4.22)

преобразуем уравнение (4.21) к виду

L = W² μ₀ S /(k₁P). (4.23)

Уравнение (4.23) представляет собой статическую характери­стику измерительного преобразователя давления индуктивного типа.

Измерение L осуществляется обычно мостами переменного то­ка или резонансными LC- контурами. При давлениях 0,5—1,0 МПа толщина мембраны 0,1—0,3 мм, а при давлениях 20—30 МПа — 1,3 мм. Рабочее перемещение мембраны составляет сотые доли миллиметра.

Основная погрешность индуктивных преобразователей давления ±(0,2—5) %, постоянная времени (2,2—3) 10^-4 с.

Дифференциально-трансформаторные измерительные преобра­зователи давления. Измерительный преобразователь давления дифференциально-трансформаторного (ДТ) типа (рис, 4.8, б) со­держит деформационный чувствительный элемент 1 и ДТ-преобразовательный элемент 2. Преобразовательный элемент представля­ет собой каркас из диэлектрика, на котором размещены катушка с первичной обмоткой 7, состоящей из двух секций, намотанных согласно, и двух секций 4, 5 вторичной обмотки, включенных встречно. Внутри канала катушки расположен подвижный сердеч­ник 6 из магнитомягкого материала, связанный с пружиной 1 тя­гой 3.

К выходу вторичной обмотки подключен делитель, состоящий из регулируемого R₁ и постоянного R₂ резисторов. Делитель ис­пользуется при настройке преобразователя на заданный диапазон.

Путем изменения сопротивления R₁ можно изменять пределы измерений на ±25%.

Формирование выходного сигнала ДТ-преобразовательного эле­мента осуществляется следующим образом. При протекании по первичной обмотке тока I₁ возникают магнитные потоки, пронизы­вающие обе секции вторичной обмотки и индуцирующие в них ЭДС е₁ и e₂. Значения этих ЭДС связаны с взаимными индуктивностями М₁ и М₂ между первичной обмоткой и каждой из секций вторичной обмотки соотношениями:

e₁ = 2πƒI₁M₁; e₂ = 2πƒI₁M₂, (4.24)

где ƒ — частота тока І₁.

При встречном включении обмоток секций 4 и 5

E = e₁ – e₂ = 2πƒI₁(M₁ – M₂) = 2πƒI₁M, (4.25)

где М — взаимная индуктивность между первичной и вторичной обмотками.

Для унифицированного ДТ-преобразовательного элемента, имеющего во вторичной обмотке резисторы R₁ и R₂, выходной сиг­нал U_ВЫХ определяется взаимной индуктивностью М_ВЫХ между пер­вичной обмоткой и выходной цепью и может быть представлен в виде

U_ВЫХ = 2πƒI₁M_ВЫХ. (4.26)

Величина M_ВЫХ связана с перемещением δ сердечника 6 зависи­мостью

M_ВЫХ = , (4.27)

где М_max – максимальное значение взаимной индуктивности между первичной обмоткой и выходной цепью преобразователя, соот­ветствующее максимальному δ_max перемещению сердечника.

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

U_ВЫХ = (4.28)

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 0 +1 В. Знак «ми­нус» указывает на изменение фазы сигнала. Указанным значениям выходного сигнала соответствуют изменения взаимной индуктивно­сти ДТ преобразовательного элемента —10 0 10 мГн.

Преобразование измеряемого давления в электрический сигнал U_ВЫХ 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

δ= kР, (4.29)

где δ — 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 1, являющейся подвижным электродом емкостного преобразователь­ного элемента. Неподвижный электрод 2 изолируется от корпуса с помощью кварцевых изоляторов. Зависимость емкости С преобра­зовательного элемента от перемещения δ мембраны 1 имеет вид

С = εS/(δ + δ₀), (4.30)

где ε — диэлектрическая проницаемость среды, заполняющей меж­электродный зазор; S — площадь электродов; δ₀ — 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^-4с. 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

(4.31)

где ΔR/R — относительное изменение сопротивления тензорезисто­ра; k_τ —постоянный коэффициент, определяемый материалом тен­зорезистора; Δl/l—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 n-типов. Сопротивле­ние тензорезисторов, изготавливаемых из проводников, составляет 30—500 Ом, а сопротивление полупроводниковых тензорезисторов от 5·10^-2-10 кОм.

С овершенствование 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 клеящих материалов и улучшить метрологические характеристики преобразователей.

Рис. 4.9. Схемы тензорезис-торных чувствительных эле­ментов

На рис. 4.9, а показана сапфировая мембрана 3 с расположенными на ней однополосковыми тензорезисторами р-типа с положительной 1 и отрицательной 2 чувствительностями. По­ложительной чувствительностью обладает тензорезистор, у которого отношение ΔR/R>0, если же ΔR/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 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 ΔR/R и даже термоком­пенсационные элементы.

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 и 3. Замкнутые полости между тензомодулем и мембранами заполнены полиметилсилоксановой жидкостью. Измеряемая разность давлений P₁—P₂ 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.

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

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 R_H, 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 1 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 5, 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.

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 давления — 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 тензорезисторного 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— 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

Х-реза подвергнуть сжатию силой N, то на ее поверхно­сти возникнут заряды разных зна­ков. Значение заряда Q связано с силой N соотношением

Q = kN, (4.32)

где k — пьезоэлектрическая постоян­ная.

Рис. 4.11. Схема пьезоэлектриче­ского измерительного преобразо­вателя давления

Значение k не зависит от разме­ра пластины и определяется приро­дой кристалла. Для кварца k = 2,1·10^-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 и толщиной 1 мм. Возникающий электрический заряд Q через выво­ды 1 подается на электронный усилитель 5, обладающий большим входным сопротивлением — 10¹³ Ом. Значение заряда связано с измеряемым давлением Р зависимостью

Q = kFP, (4.33)

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 чувствительными кварцевыми 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.