Седалищев В.Н. Методы и средства измерений неэлектрических величин
Подождите немного. Документ загружается.
Рис. 6.3 Кольцевой манометр.
Чувствительные элементы, входящие в состав датчиков давления,
являются механическими устройствами, деформирующимися под действием
внешнего давления. Приборы такого типа с упругим чувствительным
элементом конструктивно просты, удобны в эксплуатации, но менее точны
по сравнению с приборами, реализующими принцип уравновешивания.
Рис. 6.4 Манометр с упругим чувствительным элементом.
Рис. 6. 5 Варианты конструктивного исполнения чувствительного элемента
манометра.
В устройствах, предназначенных для измерения давлений, широко
используют различные физические эффекты, реализующие зависимость
механических, электромагнитных, оптических, акустических и других
параметров чувствительных элементов от величин воздействующих на них
давлений.
Вакуум можно измерять и традиционными датчиками, при этом будут
регистрироваться отрицательные значения давления по
отношению к
атмосферному, но это очень неэффективный подход. Обычные датчики
давления не могут определять очень низкие концентрации газов из-за
низкого отношения сигнал/шум.
В отличие от традиционных датчиков давления измерители вакуума
работают на совершенно других принципах, которые основываются на
некоторых физических свойствах молекул газов и заключаются в
определении
концентрации молекул в заданном объеме. К таким физическим
свойствам относится теплопроводность, вязкость, ионизация и другие.
Таким образом, отличительной особенностью данных методов измерения
давления является то, что чувствительным элементом датчика является
непосредственно сама измеряемая среда.
6.2 Средства измерения давления
Поршень или мембрана под воздействием давления перемещается,
воздействуя при этом на
регулируемые контакты или тензо- или
пьезоэлемент. Встроенная электроника формирует, на выходе, зависимый от
давления линейный сигнал.
Рис. 6.6 Датчик давления с металлической гофрированной диафрагмой.
Датчики давления — устройства, физические параметры которых
изменяются в зависимости от давления. В датчиках давление преобразуется в
электрический, пневматический, цифровой или другой сигнал. Различают
датчики избыточного, абсолютного и дифференциального давления. Датчики
могут изготавливаться во взрывозащищённом исполнении и комплектоваться
разделительными мембранами и элементами охлаждения
.
Компактные датчики-реле давления газов, паров и жидкостей с
аналоговым выходом и устанавливаемыми границами срабатывания.
Тягомеры, напоромеры, дифманометры-напоромеры - приборы,
предназначенные для измерения вакуумметрического, избыточного, а также
разности вакуумметрических и избыточных давлений воздуха и
неагрессивных газов.
Эталонные приборы -
оборудование, предназначенное для получения
высокоточных измерений параметров технологических
процессов, а также для проведения калибровки и поверки средств
измерений.
6.2 Емкостные датчики давления
Емкостные датчики давления реализуются на основе кремниевых
диафрагм. В таких датчиках перемещение диафрагмы относительно опорной
пластины меняет емкость между ними. Емкостные датчики работают
наиболее эффективно при невысоких давлениях.
Монолитные емкостные датчики давления, изготовленные из
кремниевых кристаллов, обладают максимальной стабильностью рабочих
характеристик. Перемещение диафрагмы может обеспечить 25% изменение
емкости в широком диапазоне
значений, что делает возможным проведение
прямой оцифровки результатов измерений.
Рис. 6.6 Емкостный датчик давления:
1 — капилляр; 2, 3 — мембрана; 4, 5 — основание; 6 —изолятор, 7 —
конус (обкладка конденсатора); 8 — обкладка конденсатора,
9 — прокладка; 10 — подмембранная камера
6.3 Тензорезистивные датчики давления
В состав датчиков такого типа входят два компонента: пластина
известной площади и детектор, выходной сигнал которого пропорционален
приложенной силе.
Датчик давления с кремниевой диафрагмой состоит из самой диафрагмы
и встроенных в нее диффузионным методом пьезорезистивных
преобразователей. Так как монокристаллический кремний обладает очень
хорошими характеристиками упругости, в таком датчике отсутствует
ползучесть
и гистерезис даже при высоком давлении.
Коэффициент тензочувствительности кремния во много раз превышает
аналогичный коэффициент тонкого металлического проводника. Обычно
тензорезисторы включаются по схеме моста Уитстона.
Максимальное выходное напряжение таких датчиков обычно составляет
несколько сот милливольт, поэтому на их выходе ставятся усилители
сигналов. Кремниевые резисторы обладают довольно сильной температурной
чувствительностью,
поэтому всегда при разработке датчиков на их основе
необходимо предусматривать цепи температурной компенсации.
Рис. 6.7 Тензорезистивный датчик давления на кремниевой диафрагме.
Рис. 6.8 Тензорезистивный датчик разности давлений:
1 - корпус; 2 - электрические выводы, 3 - контактные проводники; 4 -
кремниевый чувствительный элемент; 5 - тензорезисторы, 6 - область
соединения кристалла и подложки; 7 – термокомпенснрующая подложка; 8 -
область соединения подложки и корпуса; 9 - подмембранная полость, 10 -
отверстие в подложке; 11 - защитный гель
.
Рис. 6.9 Примеры конструктивного исполнения тензорезистивных датчиков
давления.
6.4 Датчики давления на основе переменного магнитного
сопротивления
При измерении низких давлений перемещение тонкой пластины или
диафрагмы может быть небольшим. Фактически, оно может быть таким
маленьким, что тензодатчик, прикрепленный к диафрагме или встроенный в
нее, будет выдавать очень слабый выходной сигнал, недостаточный для
последующей его обработки.
Один из возможных способов решения этой проблемы – использование
емкостного датчика, в котором
отклонение диафрагмы измеряется по ее
положению относительно опорной пластины. Другим способом решения
проблемы измерения очень низких давлений является применение
магнитных датчиков.
Датчики переменного магнитного сопротивления измеряют изменение
магнитного сопротивления дифференциального трансформатора, вызванного
перемещением магнитной диафрагмы, возникающего вследствие воздействия
на нее внешнего давления. Принцип работы устройства основан на
изменении величины воздушного зазора в цепи магнитопровода в
функции
измеряемого давления.
Рис. 6.10 Датчик давления по магнитному сопротивлению:
А – принцип действия; Б – эквивалентная схема.
6.5 Оптоэлектронные датчики давления
При измерении низких давлений или когда для повышения
динамического диапазона применяются толстые мембраны, для получения
заданных значений разрешения и точности величина перемещения
диафрагмы может оказаться недостаточной. В дополнение к этому рабочие
характеристики большинства пьезорезистивных и некоторых емкостных
датчиков довольно сильно зависят от температуры, что требует
использования
дополнительных цепей температурной компенсации.
Оптические методы измерений обладают рядом преимуществ над
остальными способами детектирования давления: простотой, низкой
температурной чувствительностью, высокой разрешающей способностью
и высокой чувствительностью. Особенно перспективными являются
оптоэлектронные датчики, реализованные на основе явления интерференции
света. Такие преобразователи используют принцип измерения малых
перемещений с помощью интерферометра Фабри-Перо.
На рис
.6.11 представлена конструкция интерференционного датчика
давления. В состав датчика входят: кристалл оптического преобразователя
давления с диафрагмой, светоизлучающий диод, кристалл детектора.
Детектор состоит из трех фотодиодов.
а)
б)
Рис. 6.11 Схема оптоэлектронного (а) и оптоволоконного (б) вариантов
конструктивного исполнения датчиков давления на основе использования
интерферометра Фабри – Перо.
6.6 Вакуумметры
Вакуумметры Пирани – это датчики, измеряющие давление по
теплопроводности газа. Этот тип измерителей вакуума был разработан
одним из первых.
В конструкцию самого простого датчика входит нагреваемая пластина.
Измерение
вакуума заключается в определении количества тепла, теряемого
этой пластиной, которое зависит от давления газа. В основу концепции
действия прибора положено явление, описываемое зависимостью
теплопередачи газа о его давления.
Существуют различные конструкции датчиков вакуума данного типа. В
состав некоторых из них входят две пластины, находящиеся при разных
температурах. В таких датчиках
давление определяется по количеству
энергии, затраченной на нагрев пластин. Другие датчики используют только
одну пластину, при этом теплопроводность газа измеряется по величине
теплопотерь в окружающую среду.
Для измерения температуры в состав датчиков обычно входят термопары
или терморезисторы.
Рис. 6.12 Дифференциальный датчик вакуума с использованием
термисторов, работающих в режиме саморазогрева.
На рисунке представлены приборы для измерения вакуума
ионизационного типа.
Такие датчики напоминают вакуумные лампы, используемые в качестве
усилителей. Ток ионов между пластиной и нитью накаливания почти
линейно зависит от плотности молекул. Лампы вакуумных датчиков имеют
обратное включение: на
сетку подается высокое положительное напряжение,
а пластина подсоединяется к низкому отрицательному напряжению.
Выходным сигналом ионизационного датчика является ток ионов,
снимаемый с пластины, пропорциональный давлению и току электронов на
сетке.
Рис. 6.13 Ионизационный вакуумный датчик (усилитель) давления (А) и
измерительная установка теплового сопротивления (Б).
Датчики давления
В датчиках давления Rosemount 3051S применяется конструкция
SuperModule. Она представляет собой полностью герметичный узел,
обеспечивающий самую высокую защиту от проникновения пыли и воды
(IP68). В состав узла входит плата электроники и емкостный преобразователь
давления, выполненный по сенсорной технологии Saturn. Основной и
дублирующий сенсоры емкостной ячейки, выполненные по этой технологии,
увеличивают надежность работы датчика и
значительно улучшают
метрологические характеристики.