3.2. Датчики гидростатического давления

Датчики давления различаются по типу измеряемого давления. В практической океанологии, в основном, применяются датчики абсолютного давления (Sealed Gage). Их чувствительный элемент монтируется в корпус так, чтобы под его мембраной был вакуум. Внешнее давление прикладывается с другой стороны мембраны датчика. В этом случае выходной сигнал будет пропорционален величине внешнего давления. Эти датчики имеют один вход (порт, штуцер) для подачи измеряемого давления.

Кроме датчиков абсолютного давления, существуют другие датчики. Некоторые из них также используются в океанологической аппаратуре:

датчики перепада давлений или дифференциального давления (Differential Gage), имеющие два порта для подачи давления как с одной, так и с другой стороны чувствительной мембраны, причем выходной сигнал датчика определяется разностью этих давлений;

датчики избыточного (Gage) или относительного давления являются частным случаем дифференциальных датчиков. Одной из величин, относительно которой измеряется давление, является местное атмосферное давление (для датчиков открытого типа) или атмосферное давление существовавшее на момент изготовления датчика давления (для датчиков закрытого типа).

Англо–американские единицы давления psi – фунт на квадратный дюйм (pounds per square inch) имеют окончание, указывающее на тип давления. Для датчиков абсолютного, дифференциального или избыточного давления единица измерения указывается как psia, psid или psig, соответственно.

Основным требованием, предъявляемым к параметрам датчиков давления, которые используются для определения глубины погружения измерительной аппаратуры и для расчета других параметров, является высокая точность измерения давления во всем диапазоне изменения температуры окружающей среды.

B отличие от других первичных преобразователей датчики давления обычно имеют две ступени преобразования и состоят из чувствительного элемента, переводящего давление в механическое перемещение или относительную деформацию, и преобразователя этого перемещения или деформации в некоторый электрический параметр, подлежащий измерению или регистрации.

Датчики можно классифицировать как по способу преобразования (резистивные, индуктивные, емкостные, пьезорезонансные, резонансные), так и по выходному сигналу, который может быть аналогового (напряжение, ток, частота) или цифрового типа. Однако свое название датчики, как правило, получают по способу преобразования механического параметра в электрический сигнал.

Основные характеристики наиболее распространенных современных датчиков, приведены в табл. 3.2.

Тензометрические преобразователи. В последнее время тензометрические (в переводе с латинского языка tensus – напряженный) преобразователи получили большое распространение в практике океанологических исследований. Они используются с разными чувствительными элементами, но чаще всего в сочетании с пластинами, диафрагмами и цилиндрами. Преимуществами тензопреобразователей является высокая стабильность характеристик, возможность получения хорошей точности и чувствительности при очень незначительных деформациях чувствительного элемента, а также высокая надежность. Существенным достоинством тензопреобразователей является относительно высокая температурная стабильность, которая дополняется термокомпенсацией.

Таблица 3.2. Основные характеристики наиболее распространенных датчиков давления, используемых в океанологической аппаратуре

Тип датчика	210-211	Д100	13U	PA-9
Фирма	Pain	Сапфир	SenSym	Keller
Принцип действия	тензорез.	тензорез.	тензорез.	тензорез.
Технология	плен.	КНС	КНК	КНК
Габариты, мм	20x58	20x34	15х35	19х5
Макс. давление	10000 psi	100 МПа	10000 psi	2000 дцб
Погрешность, %ПШ	0,3	0,5	0,25	0,25
Стабильность, %ПШ			0,2/год
Применение: CTD–зонды, фирмы	Mark-IIIB	МГИ	XR-620, RBR	SD204, SAIV A/S

Тип датчика	TD-15	PDCR	Digiquartz	Quartzonix
Фирма	STS	Druck	Paroscientific	Pressure Syst.
Принцип действия	тензорез.	тензорез.	резонан.	резонан.
Технология	КНК	КНК	кварц	кварц
Габариты, мм	15х5	22х62	15х105	32х110
Макс. давление	6000 дцб	7000 дцб	10000 psia	500 psia
Погрешность, %ПШ	0,5 (0,25)	±0.1-04 %	0,01 %	0,01 %
Стабильность, %ПШ	0,2/год	0,1/год		0,02/год
Применение: CTD–зонды, фирмы	RCM9, Aanderaa	FSI, SBE, CI	SBE911+ SBE, FSI	VTR7, Aanderaa

Тензометрические преобразователи могут быть реализованы на основе металлических или полупроводниковых тензорезисторов. При наличии продольной и поперечной деформации (растяжение и сжатие) изменяются длина и площадь сечения проводников, а, следовательно, и их сопротивление. Для металлических тензорезисторов сопротивление проводника R при его деформации определяется выражением:

, (3.5)

где ρ – удельное электрическое сопротивление; L – длина; S – площадь поперечного сечения.

У полупроводниковых тензорезисторов тензочувствительность почти на два порядка выше, чем у проволочных, и подразделяется на продольную, поперечную и сдвиговую. Характеристики каждой из них зависят от того, каким образом тензорезистор ориентирован по отношению к осям кристалла. Обычно делают так, чтобы сдвиговая чувствительность была близка к нулю. Зависимость сопротивления полупроводникового тензорезистора от деформации в направлении продольной оси будет выражаться как:

, (3.6)

где R₀ – сопротивление ненагруженного тезорезистора; k₁, k₂ – коэффициенты тензочувствительности;  – относительная деформация.

Металлические тензорезисторы обычно изготовляются из металлов с высоким удельным сопротивлением и малым температурным коэффициентом сопротивления, в качестве которых для повышения чувствительности датчика применяются такие металлы, как константан, манганин, нихром и т.п. Тензорезисторы чаще выполняются в виде меандрированной дорожки из проволоки или из узких полосок фольги, наклеиваемых на непроводящую подложку, а также в виде тонких металлических пленок (20 ÷ 50 мкм) аналогичной конфигурации, напыляемых на подложку. Иногда используются и другие конфигурации, но при этом для повышения сопротивления тензорезистора желательно иметь максимальное отношение длины проводника к его сечению. Готовые тензорезисторы, в свою очередь, наклеиваются на поверхность упругого элемента в тех местах, где имеется деформация растяжения или сжатия.

Для коррекции нелинейности характеристик преобразования и повышения чувствительности тензорезисторы обычно включаются в четырехплечевой мост. В некоторых случаях, два таких тензорезистора мостовой схемы располагаются на участках, подвергающихся деформации (активные тензорезисторы), а два других (пассивные тензорезисторы) – на местах, не испытывающих деформаций. Так как все четыре тензорезистора испытывают одинаковое температурное воздействие, такое конструктивное решение значительно повышает температурную стабильность тензопреобразователя в целом.

На рис. 3.4 показаны внешний вид и устройство датчика давления типа 210 фирмы "Paine Instruments", в основу которого положена описанная конструкция.

Рис. 3.4. Внешний вид (а) и устройство (б) тензометрического датчика давления модели 210 фирмы Paine: 1 – активные тензорезисторы; 2 – пассивные тензорезисторы; 3 – упругий чувствительный элемент; 4 – вакуумированная полость; 5 – байонетный разъем

Этот тензопреобразователь применен в качестве датчика давления CTD–зондах Mark-III. В датчике используется мостовая схема сопротивлением 350 Ом из четырех тензорезисторов, изготовленных из фольги и наклеенных на упругий элемент в виде бочкообразной титановой трубки. Так как датчик измеряет абсолютное давление, его нерабочая внутренняя полость вакуумирована.

Датчик 210 Paine может иметь разные пределы максимального рабочего давления в диапазоне от 2 000 до 10 000 psia (примерно 1 500 ÷ 7 000 дцб). Его модификация, тип 211, которая обладает лучшей температурной характеристикой, также широко распространена. Эти датчики использовались до начала 2000-х годов многими производителями CTD–зондов, в том числе и фирмой "Sea-Bird Electronics Inc." (SBE). Основные параметры датчика представлены в табл. 3.3.

Полупроводниковые тензорезисторы (пьезорезисторы) сразу выполняются по интегральной технологии в виде мостовой схемы и обладают более высокой чувствительностью к деформации, нежели металлические датчики. Применение интегральной технологии позволяет получать практически одинаковые характеристики всех четырех тензорезисторов.

В преобразователях давления Сапфир-22 используются интегральные тензопреобразователи, выполненные по интегральной технологии "кремний на сапфире" (КНС). Наиболее распространен преобразователь типа Д100, рассчитанный на измерение максимального давления 100 МПа и используемый во многих отечественных конструкциях подводной аппаратуры (рис. 3.5).

С незначительными различиями датчики выпускаются на давление 0,6, 2,5, 16, 60, 100 и 150 МПа и именуются, соответственно, как ДХ, где Х – давление в МПа. Все датчики имеют следующие нормированные характеристики: погрешность линейности по абсолютному значению не превышает 0,3 % диапазона выходного сигнала; случайная составляющая погрешности не выше 0,1 %; температурная погрешность не выше 0,5 ÷ 1,0 % на 10 С. Датчики отличаются высокой долговременной стабильностью, малым гистерезисом и высокой чувствительностью.

Рис. 3.5. Устройство КНС–тензопреобразователя (а) и собственно датчика давления типа Д100 (б): 1 – корпус; 2 – титановая мембрана; 3 - сапфировая подложка; 4 - тензорезисторы; 5 – контактные площадки; 6 – проволочные выводы

Серьезный недостаток всех таких преобразователей – довольно значительная температурная зависимость, ведущая к появлению дополнительной погрешности. Для ее снижения используют полупроводниковые терморезисторы, которые имеют α_R противоположного знака относительно тензорезисторов. С этой целью в серию датчиков типа ДМ включены варианты с разомкнутым мостом для подсоединения дополнительных термокомпенсирующих резисторов.

Другим вариантом коррекции температурной составляющей погрешности датчиков (это относится практически ко всем типам датчиков давления, используемым в CTD–зондах) является внесение температурной поправки в результаты измерений на основании данных, полученных по независимому каналу измерения температуры.

На современных CTD–зондах устанавливают, как правило, тензометрические (их также именуют - пьезорезистивные) датчики давления, чувствительные элементы которых выполнены по технологии "кремний на кремнии" (КНК). На поверхности относительно толстого кристалла кремния N–типа, путем имплантации ионов, формируются четыре тензорезистора P–типа, соединенных по мостовой схеме (рис. 3.6 а). С другой стороны кристалла, под областью с резисторами травится или путем микромеханической обработки делается выемка, до образования тонкой кремниевой мембраны.

Сцепление тензорезисторов и кремниевой мембраны на молекулярном уровне позволяет исключить погрешности, обусловленные передачей деформации от упругого элемента к тензорезистору.

Тензопреобразователи размещаются внутри корпуса датчика, выполненного из нержавеющей стали (рис. 3.6 б). Внутренний объем датчика изолирован от внешней среды с помощью мембраны из тех же металлов. Давление на чувствительный элемент тензопреобразователя передается за счет заполнения этого объема силиконовым маслом или специальным гелем.

Наиболее распространены датчики таких фирм как "Invensys Industrial Components & Systems" (ICT), "Keller AG", "Sensor Technik Sirnach AG" (STS), имеющих схожую конструкцию и близкие характеристики. Из них наилучшими параметрами обладает датчик 13U SenSym. При максимальном давлении в 7000 дцбар, датчик обладает погрешностью в 0,25 %; из них 0,1 % составляет нелинейность, 0,015 % – гистерезис и 0,01 % от полного диапазона составляет процент повторяемости. Более высокие параметры имеют датчики фирмы "Druck Ltd", которые используются в зондах производства фирм "Falmouth Scientific Inc." (FSI), SBE и "Chelsea Instruments".

Рис. 3.6. Устройство КНК–тензопреобразователя (а) и собственно датчика давления (б): 1 – давление; 2 – кристалл кремния N–типа; 3 – тензорезисторы P–типа; 4 – контактные площадки; 5 – выводы; 6 – кремниевая подложка; 7 – стеклянный спай; 8 – оксидная изолирующая пленка; 9 – вакуум; 10 – корпус датчика; 11 – мембрана; 12 – гель; 13 – уплотнительное кольцо; 14 – выводы; 15 – тензопреобразователь

Простейшие и наиболее дешевые некомпенсированные датчики содержат на кристалле только тензорезистивную структуру, которая является интегральной частью диафрагмы и, следовательно, ее температурный коэффициент не отличается от температурного коэффициента диафрагмы. Выходные параметры самого тензодатчика все же зависят от температуры, и для обеспечения требуемых характеристик во всем диапазоне изменения температуры морской воды необходима температурная компенсация. Для тензопреобразователей датчиков, используемых в простейших зондах, достаточно простой резистивной цепочки, реализованной на том же кристалле, но для более точной измерительной аппаратуры требуется и более сложная компенсация. Такая дополнительная компенсация реализуется внешними схемами.

Внешний вид датчиков фирм "Keller AG" нескольких модификаций представлен на рис. 3.7. Простейшие и наиболее дешевые некомпенсированные датчики содержат на кристалле только тензорезистивную структуру, которая является интегральной частью диафрагмы и, следовательно, ее температурный коэффициент не отличается от температурного коэффициента диафрагмы. Выходные параметры самого тензодатчика все же зависят от температуры, и для обеспечения требуемых характеристик во всем диапазоне изменения температуры морской воды необходима температурная компенсация.

Р ис. 3.7. Внешний вид датчиков Keller различных модификаций (а), а также датчика PA-9  (б) и его внутренней платы с нормирующим усилителем (в)

В более сложных термокомпенсированных и калиброванных датчиках этой фирмы встроены также термисторы, корректирующие температурную погрешность нуля и чувствительности датчика, а также дополнительно введены резисторы, сопротивления которых подстраиваются при помощи лазерной подгонки для того, чтобы минимизировать разброс нулевого смещения и чувствительности датчиков от образца к образцу. Наконец, в схему датчиков, которые называются интегрированными или датчиками со стандартным выходным сигналом, введен дополнительный усилитель (рис. 3.7 в), который приводит размах выходного напряжения датчика к стандартному входному диапазону интегральных АЦП.

От датчиков фирмы Keller практически не отличается датчики фирмы STS.

Тензометрические (пьзорезистивные) датчики фирмы "Druck Ltd" имеют более сложную конструкцию тензопреобразователя (рис. 3.8), где на кремниевой пластине, вместе с вытравленной мембраной и тензорезисторным мостом, имеется схема термокомпенсации. Кремниевый элемент, чувствительный к давлению, соединен со стеклянной подложкой и титановым основанием. Весь модуль изолирован от среды давления благодаря диафрагме, выполненной из сплава Hastelloy.

Рис. 3.8. Внешний вид (а) и устройство (б) датчика фирмы Druck: 1 – тензопреобразователь; 2 – герметизированный модуль; 3,4 – платы согласования и нормирования; 5 – корпус; 6 – выходной разъем; 7 – штуцер подачи давления

В чувствительных элементах датчиков давления компании "Aanderaa Data Instruments" используется та же пьезорезистивная схема измерения. Модели 4646, 4646R, 4117 и 4017 имеют модульную конструкцию (аналогичную, ранее рассмотренным датчикам температуры) и позволяют измерять давление столба морской воды с точностью до 0,02-0,04 %ПШ. Высокая точность обеспечивается термокомпенсацией; во всех моделях термистор установлен в непосредственной близости от пьезоэлемента (рис. 3.9 б). Компания выпускает по несколько модификаций каждой модели, которые рассчитаны на строго заданные диапазоны измерений. Для глубоководных модулей 4117A…-F и 4017A…-F нижние пределы диапазонов: 100, 400, 1000, 2000, 4000 и 6000 м, соответственно. Модификации 4646А ..С: 30, 60 и 300 м, а 4646АR – только до 30 м. Модели 4646 и 4646R изготовлены из стали, имеют инерционность (по критерию 0,63) около 2 минут, а вес 138 гр. Гораздо меньшими инерционными константами, около 10 с, обладают модели 4017 и 4117 в титановых корпусах, их вес 160 гр.

Схемы связи модулей давления с управляющим блоком: интерфейсы, разъёмы, - аналогичны температурным (рис. 3.3 в, г). Внешнее питание модулей – ток постоянного напряжения от 6 до 14 В, потребление составляет около 50 мА.

Пьезокварцевые резонансные датчики. Эти датчики используют при высокоточных измерениях. Они обладают долговременной стабильностью характеристик, высокой чувствительностью и практически полным отсутствием гистерезиса. Принцип действия датчиков основан на зависимости собственной резонансной частоты чувствительного кварцевого элемента от измеряемого давления.

Пьезокварцевые датчики фирмы "Paroscientific, Inc." имеют миниатюрную конструкцию измерительного преобразователя размерами 2x3х3,5 см и массой около 60 г (рис. 3.10 a).

a б

Рис. 3.9. Внешний вид (а) и устройство (б) датчика 4646 фирмы AADI

Полость датчика вакуумирована, внутри размещен воспринимающий давление металлический сильфон. Через поворотное коромысло он передает давление на чувствительный элемент, выполненный в виде монокристалла кварца. На коромысле устанавливаются балансировочные грузики, а рядом с основным кристаллом расположен кварцевый кристалл датчика температуры.

Монокристалл для измерения давления имеет форму параллелепипеда со сквозными продольными окнами, образующими вдоль оси плоскую кварцевую струну (пластина-вибратор) длиной около 10 мм, шириной 3 мм и толщиной 0,2 мм. Для снижения вибрационных помех в акустическом диапазоне, кристалл имеет фильтр–пробку в виде дополнительных окон.

Описываемые датчики фирмы Paroscientific обеспечивают точность 0,02 %ПШ и разрешение 0,004 % при пренебрежительно малом гистерезисе.

Р ис. 3.10. Устройство преобразователя (а) и монокристалла (б) датчика Digiquartz: 1 – давление; 2 – сильфон; 3 – монокристалл; 4 – вакуумированная полость; 5 – грузики; 6 – датчик температуры; 7 – опорный торец; 8 – фильтр-пробка; 9 – пластина-вибратор; 10 – пружина фильтра-пробки; 11 – защита от поперечных нагрузок

Собственная частота струны, равная 40 кГц, определяется растягивающим усилием через сильфон от внешнего давления. Ограничение диапазона измеряемых давлений для этой конструкции связано с предельно допустимыми соотношениями прочностных характеристик металлического сильфона и кварцевого кристалла. В некоторых датчиках технология изготовления, за счет выбора вида среза кристалла, предусматривает собственную термокомпенсированность кварцевого резонатора.

Н аиболее распространен датчик Digiquartz 410К, рассчитанный на максимальное давление 10 000 psia из серии 400, используемый в высокоточном CTD–зонде SBE 911+ и в других зондах, где требуются наивысшие точность и разрешающая способность по давлению (рис. 3.11).

Рис. 3.11. Внешний вид (а) и устройство (б) датчика Digiquartz 410K: 1 – подача давления; 2 – буферная трубка; 3 – выходы датчиков; 4 – стальной корпус; 5 – амортизирующая прокладка; 6 – собственно датчик; 7 – трубка Бурдона; 8 – вакуум; 9 – корпус; 10 – балансировочные грузики; 11 – резонатор

В отличие от рассмотренной выше конструкции, здесь, вместо сильфона с поворотным коромыслом, для передачи внешнего давления на аналогичный кварцевый чувствительный элемент используется трубка Бурдона, размещенная в вакуумированном отсеке. Блок размещается в стальном цилиндрическом корпусе, а для гашения вибраций и толчков все свободное внутреннее пространство заполнено силиконовой резиной. Приемный штуцер трубки Бурдона выведен на торец корпуса датчика, а для снижения температурного и силового влияния на датчик, внешнее давление подается через буферную переходную трубку в виде спирали. Этот датчик при диапазоне измеряемого давления от 0 до 10 000 psia (0 ÷ 6 885 дцб) обеспечивает точность измерения давления 0,015 % (около 1 дцб) и разрешение 0,001 % (0,07 дцб) от ПШ. Повторяемость, гистерезис и другие дополнительные погрешности не превышают 0,005 %ПШ.

В современных зондах используется модифицированный датчик фирмы Paroscientific, имеющий сходную конструкцию чувствительного элемента, но отличающийся меньшими размерами и встроенными электронными схемами преобразования. Пьезокварцевый датчик Digiquartz 181КТ при диаметре 1,5 см имеет длину 10,5 см и вес 110 г. В диапазоне измерения давления от 0 до 1 000 psia погрешность составляет около 0,001 psia при повторяемости 0,01 % от полной шкалы.

Другой известной фирмой, выпускающей пьезокварцевые датчики для измерения глубины, является "Pressure Systems, Inc." (PS) (США) В подводной аппаратуре наиболее распространены датчики QUARTZONIX моделей 960, 961 и 970 (рис. 3.12).

Устройство чувствительных элементов этих датчиков практически аналогично устройству датчиков фирмы Paroscientific. Помимо этого, сами датчики обладают внутренней памятью для записи калибровочных коэффициентов, а модель 970, кроме частотного выхода, имеет также выход в ASCII–кодах в соответствии со стандартом RS-485. В диапазоне измерения давления от 0 до 500 psia разрешение 0,0001 %ПШ, а погрешность составляет около 0,01 %ПШ при стабильности 0,01 %ПШ за 6 месяцев.

Рис. 3.12. Внешний вид датчиков QUARTZONIX моделей 960 (а), 961 и 970 (б)

Модель 960 выполнена в прямоугольном корпусе с размерами 4,4х4,4х3,4 см³, а модели 961 и 970 размещаются в цилиндрических корпусах длиной 11 и диаметром 3,2 см. Датчики питаются напряжением 8 ÷ 15 В при токе потребления 2 мА (для модели 970 ток потребления составляет 7 мА).