Лекция 6. Методы преобразования давления

Датчик давления состоит (рис.1) из первичного преобразователя давления, в составе которого чувствительный элемент и приемник давления, схемы вторичной обработки сигнала, различных по конструкции корпусных деталей и устройства вывода. Основным отличием одних приборов от других является точность регистрации давления, которая зависит от принципа преобразования давления в электрический сигнал: тензометрический, пьезорезистивный, емкостной, индуктивный, резонансный, ионнизационный.

 

 

Рис.1 Блок-схема преобразователя давления в электричекий сигнал

 

Тензометрический метод

 

В настоящее время основная масса датчиков давления в нашей стране выпускаются на основе чувствительных элементов (рис.2), принципом которых является измерение деформации тензорезисторов, сформированных в эпитаксиальной пленке кремния на подложке из сапфира (КНС), припаянной твердым припоем к титановой мембране. Иногда вместо кремниевых тензорезисторов используют металлические: медные, никелевые, железные и др.

 

 Рис.2 Упрощенный вид тензорезистивного чувствительного элемента

 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 моста Уитстона. Разбаланс линейно зависит от степени деформации резисторов и, следовательно, от приложенного давления.

 Следует отметить принципиальное ограничение КНС преобразователя – 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 обратить внимание на величину основной погрешности с учетом гистерезиса и величину дополнительной погрешности.

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

 Пьезорезистивный метод

 Практически все производители датчиков в России проявляют живой интерес к использованию интегральных чувствительных элементов на основе монокристаллического кремния. Это обусловлено тем, что кремниевые преобразователи имеют на порядок большую временную и температурную стабильности по сравнению с приборами на основе КНС структур.

 Кремниевый интегральный преобразователь давления (ИПД, рис.3) представляет собой мембрану из монокристаллического кремния с диффузионными пьезорезисторами, подключенными в мост Уинстона. Чувствительным элементом служит кристалл ИПД, установленный на диэлектрическое основание с использованием легкоплавкого стекла или методом анодного сращивания.

 

 Рис.3 Кремниевый интегральный преобразователь давления

 Для измерения давления чистых неагрессивных сред применяются, так называемые, Low cost – решения (рис.4), основанные на использовании чувствительных элементов либо без защиты, либо с защитой силиконовым гелем.

 

 Рис.4 Low Cost решение для пьезорезистивных чувствительных элементов с использованием защитного покрытия

 Для измерения агрессивных сред и большинства промышленных применений применяется преобразователь давления в герметичном металло-стеклянном корпусе, с разделительной диафрагмой из нержавеющей стали, передающей давление измеряемой среды на ИПД посредством кремнийорганической жидкости (рис.5).

 

 Рис.5 Преобразователь давления защищенный от измеряемой среды посредством коррозионно-стойкой мембраны

 Основным преимуществом пьезорезистивных дачткиков является более высокая стабильность характеристик, по сравнению с КНС преобразователями. ИПД на основе монокристаллического кремния устойчивы к воздействию ударных и знакопеременных нагрузок. Если не происходит механического разрушения чувствительного элемента, то после снятия нагрузки он возвращается к первоначальному состоянию, что объясняется использованием идеально-упругого материала.

 Ионизационный метод

 В основе лежит принцип регистрации потока ионизированных частиц. Аналогом являются ламповые диоды (рис.10).

 

 

Рис.10 Ионнизацинный датчик вакуума

 Лампа оснащена двумя электродами: катодом и анодом, — а также нагревателем. В некоторых лампах последний отсутствует, что связано с использованием более совершенных материалов для электродов. Корпус лампы выполнен из высококачественного стекла.

Преимуществом таких лам является возможность регистрировать низкое давление – вплоть до глубокого вакуума с высокой точностью. Однако следует строго учитывать, что подобные приборы нельзя эксплуатировать, если давление в камере близко к атмосферному. Поэтому подобные преобразователи необходимо сочетать с другими датчиками давления, например, емкостными. Помимо прочего, ионизационные лампы должны оснащаться дополнительными приборами, поскольку зависимость сигнала от давления является логарифмической.

 Подводя итог, приведем основные достоинства и недостатки различных методов преобразования давления в электрический сигнал:

Достоинства	Недостатки
Тензометрический (КНС-преобразователи)
1. Высокая спень защиты от агрессивной среды 2. Высокий предел рабочей температуры 3. Налажено серийное производство 4. Низкая стоимость	1. Неустранимая нестабильность градуировачной характеристики 2. Высокие гистерезисные эффекты от давления и температуры 3. Низкая устойчивость при воздействии ударных нагрузок и вибраций
Пьезорезистивный (на монокристаллическом кремнии)
1. Высокая стабильность характеристик 2. Устойчивость к ударным нагрузкам и вибрациям 3. Низкие (практически отсутствуют) гистерезисные эффекты 4. Высокая точность 5. Низкая цена 6. Возможность измерять давление различных агрессивных средств	1. Ограничение по температуре (до 150ºC)
Ионнизационный
1. Возможность измерение высокого вакуума 2. Высокая точность 3. Стабильность выходных параметров	1. Нельзя использовать подобные приборы при высоком давлении (низкий вакуум является порогом) 2. Нелинейная зависимость выходного сигнала от приложенного давления 3. Высокая хрупкость 4. Необходимо сочетать с другими датчиками давления

 

В большинстве случаев требуется несколько параметров преобразователей: точность, стабильность выходных характеристик, надежность, долговечность, низкая цена. Таким требованиям, как видно из вышеприведенной таблицы, удовлетворяют пьезорезистивные датчики давления и КНС-преобразователи. Выбрав КНС-преобразователи, вы получите надежные датчики работающие при высоких температурах (более 1500С), однако теряете в точности и стабильности выходных характеристик, по сравнению с преобразователями на монокристалличеком кремнии. Поскольку в основном требуется высокая стабильность выходных характеристик при невысоких температурах, то интегральные преобразователи давления являются в этом случае оптимальным решением, при невысокой цене.

Лекция 7. Усилители.

Выходные сигналы датчиков и других элементов во многих случаях оказываются слабыми и недостаточными для приведения в действие последующих элементов систем автоматического управления, например реле, не говоря уже о таких исполнительных устройствах, как электродвигатели и тяговые электромагниты. Поэтому возникает необходимость усиления сигналов управления, измерения и контроля с помощью усилителей.

Системы автоматики могут быть построены с использованием сигналов различной физической природы: электрических, механических, пневматических, гидравлических. Наибольшее распространение получил электрический сигнал: его удобно передавать на расстояние, обрабатывать и запоминать, преобразовывать в другие виды сигналов. Поэтому электрические элементы автоматики получили самое широкое распространение.

Одним из основных и важнейших видов электрических элементов являются электромеханические и магнитные элементы, использующие электрические и  магнитные явления. Подавляющее большинство различных неэлектрических величин может быть преобразовано в электрический сигнал с помощью электромеханических и магнитных датчиков. Усиление электрических сигналов может быть обеспечено с помощью магнитных или релейных усилителей, построенных на электромагнитных реле. Наряду с магнитными большое распространение получили полупроводниковые усилители, являющиеся более перспективными. В процессе усиления порой возникает задача преобразования электрического сигнала. Для этой цели служат магнитные модуляторы и электронные схемы.

Усилителем называется устройство, предназначенное для увеличения мощности сигнала за счет энергии дополнительного источника питания, при этом выходная (усиленная) величина является функцией входного сигнала и имеет одинаковую с ним физическую природу. Усилители относятся к активным элементами автоматики.

В зависимости от вида энергии, получаемого от дополнительного источника питания, различают электрические, пневматические, гидравлические, механические и другие усилители.

В практике наиболее широкое применение находят электрические усилители, так как они обладают высокой чувствительностью, допускают сравнительно простую регулировку коэффициента усиления, хорошо сочетаются с электрическими исполнительными устройствами (двигателями, электромагнитами и т.п ).

По принципу действия электрические усилители делятся на две группы. Первую весьма большую группу составляют усилители, в основу которых положен нелинейный усилительный элемент(электронная лампа, транзистор, управляемая индуктивность, управляемая емкость). В таких усилителях маломощной входной сигнал управляет передачей гораздо большей энергии от источника питания в полезную нагрузку, присоединенную к выходу усилителя. В соответствии с типом управляющего (усилительного ) элемента различают ламповые, транзисторные, магнитные, диэлектрические усилители. Ламповые и транзисторные усилители часто объединяют название электронные усилители, так как принцип их действия основан на электронных процессах в вакууме и полупроводнике.

Вторую группу составляют усилители, в которых происходит преобразование энергии питания, отличной от вида энергии выходного и управляемого сигналов. Наиболее типичным для этой группы является электромашинный усилитель, в котором механическая энергия привода преобразуется в электрическую энергию.

По частоте усиливаемых сигналов различают усилители переменного тока, усиливающие сигналы в полосе от нижней рабочей частоты f_H>0 до высшей рабочий частоты f_B, но не усиливающие постоянную составляющую сигналов, усилители постоянного тока, усиливающие в полосе частот от нуля (f_H=0) до f_B как переменные составляющие сигнала, так и его постоянную составляющую.

Усилители, преобразующие изменения амплитуды или фазы гармонического сигнала в величину или полярность постоянного тока (напряжения), относятся к усилителям среднего значения тока (напряжения).

Управляющий (усилительный) элемент вместе с резисторами, конденсаторами и другими деталями схемы принято называть усилительным каскадом. При недостаточном усилении сигнала одним каскадом используется соединение нескольких каскадов, выполняющих роль предварительного усиления и обеспечивающих работу мощного выходного каскада. Исходя из этого различают однокаскадные многокаскадные усилители. Каскады нумеруется в возрастающем порядке от входа к выходу усилителя, при этом первый каскад от входа называется входным, а последний- выходным (оконечным).

Основными характеристиками и параметрами усилителей систем автоматического управления являются характеристика управления, динамические характеристики, коэффициент усиления мощности, входное и выходное сопротивление, коэффициент полезного действия (для выходных каскадов), уровень собственных шумов.

. Следует отметить, что от усилителя в ряде случаев требуется существенна нелинейная (релейная) зависимость между выходной и входной величинами. В релейном режиме практически может работать любой усилитель, при этом часто используется релейный режим работы электронных и магнитных усилителей. Так, например, транзисторные усилители и релейном режиме широко применяется в системах импульсного управления электродвигателя и электромагнитными механизмами.

Одним из важных параметров усилителя является коэффициент усиления по мощности. Который в установившемся режиме определяется соотношением K_p=∆P_вых / ∆P_вх,

Где P_вых , ∆P_вх –мощности выходного и входного сигналов.

Для усилителей напряжения и тока соответственно различают: коэффициент усиления по напряжению и току, которые в установившимся режиме определяются соотношением

K_u=∆U_вых/∆U_вх , K_i=∆I_вых/∆I_вх ,

Где U_вых,U_вх , I_вых, I_вх -напряжения и токи выходного и входного сигналов.

Общий коэффициент усиления многокаскадного усилителя определяется как проозведение коэф. усиления отдельных каскадов

k = k₁k₂ k₃ …k_n

В системах автоматического управления преимущественное применнение имеют электронные усилители на полупроводниковых приборах – транзисторные усилители, а также магнитные усилители.

В современных системах автоматики выражена тенденция к расширению использования транзисторных усилителей, которые в наибольшей степени отвечают таким основным требованиям , предьявляемые к усилителям, как высокая надежность, большой срок службы, малогоборитность и постоянная готовность к действию.