книги / Элементы гидравлических систем и объёмного гидропривода

В отличие от первичных приборов давления и приборов со встроенными преобразователями (давление – перемещение – унифицированный электрический сигнал) существуют электрические приборы давления, в чувствительных элементах которых происходит прямое преобразование давления в электрический измерительный сигнал.

Существует несколько основных методов преобразования давления посредством датчиков [30].

Датчик давления (рис. 77) состоит из первичного преобразователя давления, в составе которого чувствительный элемент и приемник давления, схемы вторичной обработки сигнала, различных по конструкции корпусных деталей и устройства вывода.

Рис. 77. Блок-схема преобразователя давления в электрический сигнал: 1 – чувствительный элемент; 2 – приемник давления; 3 – преобразователь давления; 4 – измерительный преобразователь давления

Приборы отличаются по точности регистрации давления. Точность зависит от принципа преобразования давления в электрический сигнал: тензометрический, пьезорезистивный, емкостный, индукционный, резонансный, ионнизационный.

3.4.1.Тензометрический метод

Внастоящее время основная масса датчиков давления выпускается на основе чувствительных элементов (рис. 78), принципом которых является измерение деформации тензорезисторов, сформирован-

181

ных в эпитаксиальной пленке кремния на подложке из сапфира (КНС), припаянной твердым припоем к титановой мембране. Вместо кремниевых тензорезисторов используют также тензопреобразователи из других полупроводников, константана, платины, сплавов меди и никеля. Принцип действия таких тензопреобразователей основан на зависимости электрического сопротивления веществ от измеряемого давления. В приборах давления их используют в качестве чувствительных элементов, механически соединенных с мембраной или пружиной прибора, которая деформируется под действием измеряемого давления.

Рис. 78. Упрощенный вид тензорезистивного чувствительного элемента

Внастоящее время одним из наиболее динамично развивающихся направлений в области элементной базы измерительных систем является разработка полупроводниковых датчиков. Совершенствование полупроводниковых технологий открывает новые возможности для миниатюризации компонентов и реализации интегрированных решений для широкой номенклатуры изделий. Это приводит, с одной стороны, к удешевлению датчиков, а с другой – делает их более удобными и простыми в использовании.

Впромышленности получили распространение приборы для измерения давления «Сапфир», в которых в качестве чувствительного элемента служит сапфировая мембрана с напыленными полупроводниковыми сопротивлениями. Тензопреобразователи из полупровод-

182

ников по сравнению с металлическими обладают большей чувствительностью, малыми размерами и массой. Измерительная схема приборов «Сапфир» представляет собой электрический мост, в плечи которого установлены тензопреобразователи, располагаемые симметрично на мембране, воспринимающей измеряемое давление. Сигнал небаланса моста усиливается, и на выходе преобразователя получается унифицированный токовый сигнал (0...5 мА при сопротивлении

нагрузки до 2,5 кОм).

Для измерения высоких давлений (до1000 МПа) применяют

тензопреобразователи из манганина. В приборах для измерения давления чувствительные элементы из этого материала выполняют в виде катушек. Сопротивления катушек под давлением определяют с помощью мостовых измерительных схем, а при необходимости точных измерений – потенциометрами.

Принцип действия тензопреобразователей основан на явлении тензоэффекта в материалах. Чувствительным элементом служит мембрана с тензорезисторами, соединенными в мостовую схему. Под действием давления измеряемой среды мембрана прогибается, тензорезисторы меняют свое сопротивление, что приводит к разбалансу измерительного моста (моста Уитстона). Разбаланс линейно зависит от степени деформации резисторов и, следовательно, от приложенного давления.

Следует отметить принципиальное ограничение КНС-преобра- зователя – неустранимую временную нестабильность градуировочной характеристики и существенные гистерезисные эффекты от давления и температуры. Это обусловлено неоднородностью конструкции и жесткой связью мембраны с конструктивными элементами датчика. Поэтому, выбирая преобразователь на основе КНС, необходимо обращать внимание на величину основной погрешности с учетом гистерезиса и величину дополнительной погрешности. Приборы «Сапфир» требуют индивидуальной тарировки, а также ввода в измерительную схему устройства термокомпенсации.

Широкий ассортимент имеют датчики давления, которые выпускает компания «Моторола». Полупроводниковая технология по-

183

зволила создать упругий элемент датчика давления в виде кремниевой диафрагмы, непосредственно на которую методом ионной имплантации внедряют тензорезистивную структуру. Сцепление тензорезистора и кремниевой мембраны на молекулярном уровне позволяет исключить погрешности, связанные с передачей деформации от упругого элемента к тензорезистору.

Изготавливаемый таким способом монолитный кремниевый измеритель давления, запатентованный фирмой «Моторола», получил название X-ducer из-за крестообразного расположения четырех выводов. Одна пара выводов элемента давления служит для подачи питающего напряжения, а на второй паре датчик развивает разность потенциалов, линейно зависящую от приложенного напряжения и механического давления.

Более сложные термокомпенсированные и калиброванные датчики включают в себя также термисторы для коррекции температурной погрешности нуля и чувствительности датчика, а также дополнительные подгоночные резисторы, сопротивления которых

впроцессе производства подстраиваются лазером для минимизации разброса нулевого смещения и чувствительности датчиков от образца к образцу.

Всхему датчиков, которые называются интегрированными или датчиками со стандартным выходным сигналом, введен дополнительный усилитель, который приводит выходное напряжение датчика к стандартному входному диапазону интегральных аналоговых цифровых преобразователей.

Датчики давления «Моторола» имеют линейную характеристику преобразования со смещением нуля. В технической документации приводятся диапазоны возможных значений напряжения смещения, соответствующего нулевому давлению, и размаха выходного напряжения, соответствующего изменению входного сигнала во всем диапазоне измерений. Для исключения ошибок, связанных с разбросом номинальных значений начального смещения и чувствительности,

визмерительном устройстве предусмотрены средства калибровки датчиков.

184

Широкий ассортимент тензорезисторных датчиков давления предлагает фирма KYOWA: это датчики, обеспечивающие высокую точность в индустриальных измерениях и контрольно-измерительной аппаратуре, датчики давления со встроенными усилителями, датчики давления с плоской диафрагмой с высокими динамическими характеристиками.

Тензорезисторы, которые служат чувствительными элементами измерения давления, имеют высокие параметры температурной самокомпенсации, выполненной по микротехнологии KYOWA. Результат – минимальные колебания в чувствительности, вызванной температурными изменениями и минимальным дрейфом нуля, что позволяет использовать датчики давления в широком температурном диапазоне.

Чрезвычайно высокая точность измерения достигнута с помощью тензорезисторов высокой линейности и рабочего тела датчика давления, изготовленного из высокопрочной стали, для обеспечения качественных характеристик преобразования давления.

Давления, преобразованные тензометрическим датчиком, могут быть записаны системой сбора данных. Датчик давления этого типа также идеален для использования его как сенсора в компьютеризированных системах управления или контрольно-измерительной аппаратуре автоматической обработки.

Герметичная конструкция рабочего тела датчиков обеспечивает большой ресурс стабильной работы. Это полностью исключает влияние окружающей среды. Заполнение инертным газом делает датчики давления устойчивыми к изменению характеристик во время продолжительной работы. Датчик давления в ряде версий может быть со встроенным усилителем.

К преимуществам всех тензопреобразователей можно отнести хорошую защищенность чувствительного элемента от воздействия любой агрессивной среды, налаженное серийное производство, низкую стоимость.

185

3.4.2. Пьезорезистивный метод

Практический интерес представляют интегральные чувствительные элементы на основе монокристаллического кремния. Это обусловлено тем, что кремниевые преобразователи имеют временнýю и температурную стабильность на порядок больше, чем у приборов на основе КНС-структур.

Кремниевый интегральный преобразователь давления (ИПД) состоит из мембраны на основе монокристаллического кремния с диффузионными пьезорезисторами, подключенными в мост Уинстона (рис. 79). Чувствительным элементом служит кристалл ИПД, установленный на диэлектрическое основание с использованием легкоплавкого стекла или методом анодного сращивания.

Рис. 79. Кремниевый интегральный преобразователь давления

Принцип действия других электрических приборов для измерения давления, основанный на использовании пьезоэлектрического эффекта, связан с появлением электростатических зарядов на гранях кристаллов кварца при их деформации вдоль оси перпендикулярно этим граням. Кристаллы выполняют в виде двух пластин, механически соединенных с мембраной, на которую воздействует измеряемое давление. Пьезокварцевые приборы позволяют измерять давление до 100 МПа и широко применяются при измерении циклически ме-

няющихся давлений большой частоты. Чувствительность таких преобразователей можно повысить, используя большее количество квар-

186

цевых пластин, увеличивая активную площадь мембраны или удлиняя пластину.

Недостатком пьезокварцевых приборов является низкая точность измерения статического давления из-за утечки электрического заряда, а достоинством – низкая температурная погрешность.

Для измерения давления чистых неагрессивных сред применяются Low Сost-решения (рис. 80), основанные на использовании чувствительных элементов без защиты либо с защитой силиконовым гелем.

Рис. 80. Low Cost-решение для пьезорезистивных чувствительных элементов с использованием защитного покрытия

Рис. 81. Преобразователь давления, защищенный от измеряемой среды посредством коррозионно-стойкой мембраны

Для измерения агрессивных сред и большинства промышленных применений используется преобразователь давления в герметичном металлостеклянном корпусе, с разделительной диафрагмой из нержавеющей стали, передающей давление измеряемой среды на ИПД посредством кремнийорганической жидкости (рис. 81).

187

3.4.3. Емкостный метод

Емкостные преобразователи используют метод изменения емкости конденсатора при изменении расстояния между обкладками. Известны керамические или кремниевые емкостные первичные преобразователи давления и преобразователи, выполненные с использованием упругой металлической мембраны. При изменении давления мембрана с электродом деформируется и происходит изменение емкости.

В элементе из керамики или кремния пространство между обкладками обычно заполнено маслом или другой органической жидкостью (рис. 82). В данном варианте роль подвижной обкладки конденсатора выполняет металлическая диафрагма.

Рис. 82. Емкостный преобразователь давления

К новому поколению датчиков относятся интеллектуальные емкостные микропроцессорные датчики давления CDS-3151. Датчики имеют сенсорную систему, изготовленную по технологии ROSEMOUNT® и микропроцессорной цифровой технологии послед-

него поколения, разработанной Beijing Huakong Technology Co., Ltd.

В датчике использован принцип замены усилительной схемы аналогового сигнала и схемы аналого-цифрового преобразования на прямую цифровую емкостную схему. Реализована технология цифровой компенсации для коррекции температуры и статического давления, что значительно увеличивает точность измерения и уменьшает температурный дрейф.

188

Достоинством чувствительного емкостного элемента является простота конструкции, высокая точность и стабильность во времени, возможность измерять низкие давления и слабый вакуум.

К недостаткам можно отнести нелинейную зависимость емкости от приложенного давления.

3.4.4. Резонансный метод

Резонансный принцип используется в датчиках давления на основе вибрирующего цилиндра, струнных датчиках, кварцевых датчиках, резонансных датчиках на кремнии. В основе метода лежат волновые процессы: акустические или электромагнитные. Это и объясняет высокую стабильность датчиков и высокие выходные характеристики прибора. Схема кварцевого резонатора показана на рис. 83.

Рис. 83. Упрощенный вид резонансного чувствительного элемента, выполненного на кварце

При прогибе мембраны происходит деформация кристалла кварца, подключенного в электрическую схему и его поляризация. В результате изменения давления частота колебаний кристалла меняется. Подобрав параметры резонансного контура, изменяя емкость конденсатора или индуктивность катушки, можно добиться того, что сопротивление кварца падает до нуля – частоты колебаний электрического сигнала и кристалла совпадают – наступает резонанс.

DPharp – это серия высокоточных интеллектуальных преобразователей давления. В качестве чувствительного элемента в них используется кремниевый механический резонатор – уникальная разработка фирмы «Иокогава».

189

Кремниевый резонатор представляет собой параллелепипед плоской формы, защищенный герметичной капсулой и интегрированный в плоскость кремниевой мембраны. При изготовлении чувствительных элементов применяются самые современные технологии роста кристаллов, благодаря чему вся эта сложная структура получается

сединой монокристаллической решеткой.

Взависимости от знака приложенного давления резонатор растягивается или сжимается, в результате чего частота его собственных механических колебаний соответственно растет или уменьшается. Колебания механического резонатора в постоянном магнитном поле преобразуются в колебания электрического контура, и в итоге на выходе чувствительного элемента получается цифровой (частотный) сигнал, точно отражающий величину измеряемого давления (техно-

логия DPHarp).

Впоследних сериях датчиков существенно изменена конструкция капсулы, благодаря чему значительно уменьшено время отклика, не превышающее 95 мс. Кроме того, усовершенствована электрони-

ка, добавлены функции, повышена точность.

Фирма «Иокогава» выпускает широкий спектр датчиков давления без разделительной мембраны и с разделительными мембранами. Последние применяются при измерении давления, когда среда не должна контактировать с датчиком или невозможно применение подводящих трубок.

При переходе от обычного преобразователя давления к датчику с разделительными мембранами следует учитывать, что разделительные мембраны:

•ограничивают точность измерений;

•накладывают ограничения на минимальный размер шкалы;

•увеличивают температурный дрейф нуля (из-за термического расширения заполняющей жидкости);

•ограничивают диапазон допустимых температур окружающей

среды.

190