14.2.3.5 Емкостные измерительные преобразователи давления

Схема измерительного преобразователя давления, оснащенного емкостным преобразовательным элементом, приведена на рисунке 20 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  мембраны 1 имеет вид (14.25) /8/

С =  S/( -_о) (14.25)

где —диэлектрическая проницаемость среды, заполняющей

межэлектродный зазор;

S—площадь электродов;

_о—расстояние между электродами при давлении, равном нулю.

Для преобразования С в сигнал измерительной информации обычно используют мосты переменного тока либо резонансные LС - 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 (14.26) /8/

, (14.26)

где R/R — относительное изменение сопротивления тензорезистора;

k_ — постоянный коэффициент, определяемый материалом тензорезистора;

l / 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. 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 клеющих материалов и улучшить метрологические характеристики преобразователей. На рисунке 14.123 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 R/R > 0, если же R/R < 0 —чувствительность отрицательна. Структура однополоскового тензорезистора приведена на рисунке 14.123 б.

1—тензорезистор; 2— защитное покрытие; 3—металлизированные токоведущие дорожки; 4—упругий элемент преобразователя (сапфировая мембрана).

Рисунок 14.123 - Схемы тензорезисторных R/R и даже термокомпенсационные элементы чувствительных элементов.

Тензорезисторы можно располагать на мембране так, что при дедеформации они будут иметь разные по знаку приращения сопротивления. Это позволяет создавать мостовые схемы, в каждое из плеч которого включаются тензорезисторы с соответствующим значением.

На рисунке 14.124 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. 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 Р₁ — 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. Последний устанавливается во взрывобезопасном помещении и обеспечивает питание первичного преобразователя по двухпроводной линии. По этой же линии одновременно передается выходной токовый сигнал.

Рисунок 14.124 - Схемы тензорезисторных измерительных преобразователей разности давлений с унифицированным токовым выходным сигналом

Наряду с указанной функцией блок питания повышает мощность выходного сигнала до уровня, необходимого для подключения внешней нагрузки Rн, 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 преобразователь давления с тензомодулем рычажно-мембранного типа показан на рисунке 14.124 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 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.

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-среза подвергнуть сжатию силой N, то на ее поверхности возникнут заряды разных знаков.

Значение заряда Q связано с силой N соотношением (14.27) /8/

Q = k N, (14.27)

где k — пьезоэлектрическая постоян­ная.

Рисунок 14.125 – Схема пьезоэлектрического измерительного преобразователя

Значение k не зависит от разме­ра пластины и определяется природой кристалла. Для кварца k = 2,110 ^-12 Кл/Н.

На рисунке 14.125 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 (14.28) /8/

Q = k F Р, (14.28)

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.