4.1.1.3. Электрические манометры

Классификация измерительных преобразователей давления

Датчик, сенсор (термин систем управления) – первичный преобразователь, элемент измерительного, сигнального, регулирующего или управляющего устройства системы, преобразующий контролируемую величину в удобный для использования сигнал.

В настоящее время различные датчики широко используются при построении систем автоматизированного управления.

Датчик давления 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. 4.9).

Рис. 4.9. Принципиальная схема датчика давления.

Ниже приведена классификация измерительных преобразователей давления.

Основным отличием приборов давления, построенных на электрическом принципе действия, является высокая точность регистрации давления.

Классификация электрических манометров

• Емкостной манометр. Действие прибора основано на изменении емкости плоского конденсатора при изменении расстояния между обкладками;

• Пьезоэлектрический манометр. Его действие основано на свойстве некоторых кристаллических веществ, создавать электрические заряды под действием механической силы;

• Пьезорезистивный датчик давления. Пьезорезистивный датчик давления основан на полупроводниковом эффекте, впервые описанном Чарльзом Смитом в 1954 году. Под действием механической нагрузки на полупроводники изменяется их электрическое сопротивление, по сравнению с проводниками – сильнее, чем распространенные ранее металические тензодатчики.

• Манометр сопротивления (тензорезисторный полупроводниковый и металлический). Действие прибора основано на использовании тензометрического эффекта в проводниках и полупроводниках.

Кроме указанных типов манометров существуют и другие типы, как например: ионизационный манометр, манометры, основанные на резонансном и индуктивном методе.

• Ионизационный манометр. Его действие основано на ионизации молекул газа потоком электронов, испускаемых раскаленным катодом [1].

• 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.

• Индуктивный метод. Индукционный способ основа на регистрации вихревых токов (токов Фуко).

Емкостной манометр

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. 4.10).

Рис. 4.10. Емкостной керамический преобразователь давления.

При использовании металлической диафрагмы (рис. 4.11) ячейка делится на две части, с одной стороны которой расположены электроды. Электроды с диафрагмой образуют две переменные емкости, включенные в плечи измерительного моста. Когда давление по обеим сторонам одинаково, мост сбалансирован. Изменение давления в одной из камер приводит к деформации мембраны, что изменяет емкости, разбалансируя мост. В настоящее время сенсоры изготавливаются с электродами, расположенными с одной стороны от диафрагмы. Газ будет контактировать только с камерой, выполненной из нержавеющей стали или инконеля. Это позволяет проводить измерения давления загрязненных, агрессивных, радиоактивных газов и смесей неизвестного состава.

Рис. 4.11. Емкостной преобразователь давления.

Пьезоэлектрические датчики

Работа пьезоэлектрического датчика основана на физическом явлении, которое называется пьезоэлектрическим эффектом. Этот эффект проявляется в некоторых кристаллах в виде появления на их гранях электрических зарядов разных знаков при сжатии кристалла в определенном направлении. Пьезоэлектрические датчики относятся к генераторному типу. Пьезоэлектрические датчики используются в автоматике для измерения давлений, вибраций, ускорений, других параметров быстропротекающих процессов.

Типичным представителем пьезоэлектриков, достаточно широко применяемым при построении датчиков в приборах для измерений механических величин (силы, давления, ускорения и пр.), является кварц. Однако в последние десятилетия при измерениях ряда других неэлектрических величин в качестве датчиков используются такие разновидности пьезоэлектриков, как пироэлектрики, сегнетоэлектрики и сегнетоэлектрические пьезокерамики.

Пироэлектрики представляют собой особую разновидность пьезоэлектрических кристаллов, поляризующихся при всестороннем гидростатическом давлении и тепловом расширении, откуда и происходит название «пироэлектрики». Их типичным представителем является турмалин.

Сегнетоэлектрики входят в группу пироэлектрических кристаллов. Одни и те же кристаллы в зависимости от температуры могут быть как сегнетоэлектриками, так и линейными кристаллами. Температура, при которой сегнетоэлектрическая структура кристалла преобразуется в структуру линейного кристалла или в другую сегнетоэлектрическую структуру, называется точкой Кюри. Вблизи этой точки высокая поляризация при действии механических напряжений и температуры или очень большое изменение диэлектрической проницаемости ε при действии температуры проявляются особенно сильно. Сегнетоэлектрические монокристаллы сегнетовой соли и титаната бария практически не используются в измерительной технике из-за относительно низкой стабильности свойств и трудности получения бездефектных монокристаллов. Значительно чаще применяются сегнетоэлектрические пьезокерамики, представляющие собой продукт отжига спрессованной смеси, состоящей из мелкораздробленного кристалла с присадками. Сырьем для производства пьезокерамики служат титанат бария (BaTiO₃), титанат свинца (PbTiO₃) и цирконат свинца (PbZrO₃) с точками Кюри соответственно 120, 500 и ≈230°С.

На рис. 4.12 показано устройство пьезоэлектрического датчика давления с двумя кварцевыми пластинами [7].

Рис. 4.12. Пьезоэлектрический датчик давления.

Измеряемое давление действует на мембрану 1, представляющую собой дно корпуса датчика. Кварцевые пластины 2 зажаты между металлическими прокладками 3. Средняя прокладка 3 соединена с выводом 4, проходящим через экранированную втулку 5 из изоляционного материала. Крышка 6 соединяется с корпусом и через шарик 7 передает давление пластинам, благодаря чему измеряемое давление распределяется по поверхности кварцевых пластин более равномерно. Кварцевые пластины обычно расположены таким образом, что в измерительную схему подается отрицательный потенциал. Положительный потенциал подается на корпус датчика. Для уменьшения утечки зарядов необходима очень качественная изоляция. С этой же целью поверхность кварцевых пластин тщательно полируют. Использование двух (а иногда и больше) пластин повышает выходную ЭДС, поскольку выходные сигналы пластин складываются [7].

Пьезоэлектрический датчик подобен электрическому конденсатору. Количество электричества q, появившееся под воздействием механической силы, заряжает грани пьезоэлемента и соединенные с ним проводники до напряжения U, определяемого как , где С – емкость между проводниками (включая емкость пьезоэлемента).

Пьезорезистивный датчик давления

Кремниевый интегральный преобразователь давления представляет собой мембрану из монокристаллического кремния с диффузионными пьезорезисторами, подключенными в мост Уистона. Чувствительным элементом служит кристалл, установленный на диэлектрическое основание с использованием легкоплавкого стекла или методом анодного сращивания (рис. 4.13). Основным преимуществом пьезорезистивных датчиков является более высокая стабильность характеристик.

Рис. 4.13. Кремниевый интегральный преобразователь давления

Манометр сопротивления

Действие приборов основано на изменении сопротивления чувствительного элемента (проводника) под действием внешнего давления. Чувствительные элементы сформированы в эпитаксиальной пленке кремния на подложке из сапфира, припаянной твердым припоем к титановой мембране (рис. 4.14).

Рис. 4.14. Тензорезистивный чувствительный элемент.

Широкое распространение тензодатчиков объясняется целым рядом их досчтоинств:

• малые габариты и вес;

• малоинерционость, что позволяет применять тензодатчики как при статических, так и при динамических измерениях;

• обладают линейной характеристикой;

• позволяют дистанционно и во многих точках проводить измерения;

• способ установки их на исследуемую деталь не требует сложных приспособлений и не искажает поле деформаций исследуемой детали.

А их недостаток, заключающийся в температурной чувствительности, можно в большинстве случаев скомпенсировать.

В основе работы тензопреобразователей лежит явление тензоэффекта, заключающееся в изменении активного сопротивления проводников при их механической деформации.

Характеристикой тензоэффекта материала является коэффициент относительной тензочувствительности S_д, определяемый как отношение изменения сопротивления к изменению длины проводника:

,

Обозначим третье слагаемое через коэффициент m, учитывающий изменение удельного сопротивления, связанное с изменением размеров:

.

Тогда чувствительность

.

Здесь величина характеризует изменение сопротивления, связанное с изменением геометрических размеров (длины и сечения) проводника, m – изменение удельного сопротивления материала, связанное с изменением его физических свойств.

Если при изготовлении тензопреобразователя использоются полупроводниковые материалы, то чувствительность определяется в основном изменением свойств материала решетки при ее деформации.

Все существующие преобразователи можно разделить на три основных типа (рис. 4.15):

• проволочные;

• фольговые;

• пленочные.

Рис. 4.15. Тензодатчики

Проволочный тензодатчик

Проволочный тензодатчик в технике измерений неэлектрических величин используются по двум направлениям.

Первое направление – использование тензоэффекта проводника, находящегося в состоянии объемного сжатия, когда естественной входной величиной преобразователя является давление окружающего его газа или жидкости. В этом случае преобразователь представляет собой катушку провода (обычно манганинового), помещенную в область измеряемого давления (жидкости или газа). Выходной величиной преобразователя является изменение его активного сопротивления.

Второе направление – использование тензоэфффекта растягиваемой проволоки из тензочувствительного материала. При этом тензопреобразоатели применяются в виде «свободных» преобразователей и в виде наклеиваемых.

«Свободные» тензопреобразователи выполняются в виде одной или ряда проволок, закрепленных по концам между подвижной и неподвижной деталями, и, как правило, выполняющих одновременно роль упругого элемента. Естественной входной величиной таких преобразователей является весьма малое перемещение подвижной детали.

Устройство наиболее распространенного типа наклеиваемого проволочного тензодатчика изображено на рисунке 4.16. На полоску тонкой бумаги или лаковую пленку наклеивается уложенная зигзагообразно тонкая проволока диаметром 0,02 – 0,05 мм. К концам проволоки присоединяются выводные медные проводники. Сверху преобразователь покрывается слоем лака, а иногда заклеивается бумагой или фетром.

Датчик обычно устанавливается так, чтобы его наиболее длинная сторона была ориентирована в направлении измеряемой силы. Такой преобразователь, будучи приклееным к испытуемой детали, воспринимает деформации ее поверхностного слоя. Таким образом, естественной входной величиной наклеиваемого преобразователя является деформация поверхностного слоя детали, на которую он наклеен, а выходной – изменение сопротивления преобразователя, пропорциональное этой деформации. Обычно наклеиваемые датчики используются много чаще ненаклеиваемых.

Рис. 4.16. Наклеиваемый проволочный тензопреобразователь

1- тензочувствительная проволока; 2- клей или цемент;

3- целлофановая или бумажная подложка; 4- выводные проводники

Измерительной базой преобразователя является длина детали, занимаемая проволокой. Наиболее часто используются преобразователи с базами 5 – 20 мм, обладающие сопротивлением 30 – 500 Ом.

Фольговые тензодатчики

Фольговые тензодатчики являются наиболее популярной версией наклеиваемых тензодатчиков. Фольговые преобразователи представляют из себя ленту из фольги толщиной 4 –12 мкм, на которой часть металла выбрана травлением таким образом, что оставшаяся его часть образует показанную на рисунке 4.17 решетку с выводами.

Рис. 4.17. Низкоомный («мощный») проволочный тензопреобразователь

1- тензочувствительная проволока; 2- клей или цемент; 3- целлофановая или бумажная подложка; 4- выводной проводник

При изготовлении такой решетки можно предусмотреть любой рисунок решетки, что является существенным достоинством фольговых тензопреобразователей. На рисунке 4.18,а показан внешний вид преобразователя из фольги, предназначенного для измерения линейных напряженных состояний, на рис. 4.18,в – фольговый преобразователь, наклеиваемый на вал, для измерения крутящих моментов, а на рис.4.18,б – наклеиваемый на мембрану.

Рис. 4.18. Фольговые преобразователи

1- подгоночные петли; 2- витки, чувствительные к растягивающим

мембрану усилиям; 3- витки, чувствительные к

сжимающим мембрану усилиям

Серьезным преимуществом преобразователей из фольги является возможность увеличивать сечение концов преобразователя; приваривание (или припаивание) выводов можно в этом случае осуществить значительно надежнее, чем в преобразователях из проволоки.

Фольговые тензодатчики по сравнению с проволочными имеют большее отношение площади поверхности чувствительного элемента к площади поперечного сечения (чувствительность) и более стабильны при критических температурах и длительных нагрузках. Большая площадь поверхности и малое поперечное сечение также обеспечивает хороший температурный контакт чувствительного элемента с образцом, что уменьшает саморазогрев датчика.

Для изготовления фольговых тензопреобразователей используются те же металлы, что и для проволочных датчиков (константан, нихром, сплав никеля с железом и т.д.), а также применяются еще и другие материалы, например титаноалюминиевый сплав 48Т-2, обеспечивающий измерение деформаций до 12%, а также целый ряд полупроводниковых материалов.

Пленочные тензодатчики

В последние годы появился еще один способ массового изготовления приклеиваемых тензосопротивлений, заключающийся в вакуумной возгонке тензочувствительного материала и последующей конденсации его на подложку, напыляемую непосредственно на деталь. Такие тензопреобразователи получили название пленочных. Малая толщина таких тензопреобразователей (15-30 мкм) дает существенное преимущество при измерениях деформаций в динамическом режиме в области высоких температур, где измерения деформации представляют собой специализированную область исследований.

Целый ряд пленочных тензопреобразователей на основе висмута, титана, кремния или германия выполняется в виде одной проводящей полоски (рис. 4.19). Такие преобразователи не имеют недостатка, заключающегося в уменьшении относительной чувствительности преобразователя по сравнению с чувствительностью материала, из которого выполнен преобразователь.

Рис.4.19. Пленочный тензопреобразовтель

1- тензочувствительная пленка; 2- пленка лака; 3- выводной проводник

Тензометрический коэффициент преобразователя, выполненного на основе металлической пленки, равен 2-4, а его сопротивление колеблется в диапазоне от 100 до 1000 Ом. Преобразователи, выполненные на основе полупроводниковой пленки, имеют коэффициент порядка 50-200, и поэтому они более чувствительны к прикладываемому напряжению. При этом нет необходимости использовать усилительные схемы, поскольку выходное напряжение полупроводникового тензометрического моста составляет примерно 1 В.

Однако, сопротивление полупроводникового преобразователя изменяется в зависимости от прикладываемого напряжения и является существенно нелинейным во всем диапазоне напряжений, а также сильно зависит от температуры. Таким образом, хотя при работе с тензометром на основе металлической пленки требуется усилитель, его линейность весьма высока, а температурный эффект можно легко скомпенсировать.

Ионизационный манометр

В основе метода лежит принцип регистрации интенсивности потока ионизированных частиц, которая изменяется в зависимости от величины измеряемого давления. Аналогом являются ламповые диоды (рис. 4.20).

Рис. 4.20. Ионизационный датчик вакуума

Лампа оснащена двумя электродами: катодом и анодом, – а также нагревателем. В некоторых лампах нагреватель отсутствует, что связано с использованием более совершенных материалов для электродов.

Резонансный метод

В основе метода лежат волновые процессы: акустические или электромагнитные.

Частным примером может служить кварцевый резонатор (рис. 4.21). 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.

Рис. 4.21. Вид резонансного чувствительного элемента

Индуктивный метод

Индукционный способ основан на регистрации вихревых токов. Чувствительный элемент состоит из двух катушек, изолированных между собой металлическим экраном (рис. 4.22).

Рис. 4.22. Принципиальная схема индукционного преобразователя давления

Преобразователь измеряет смещение мембраны при отсутствии механического контакта. В катушках генерируется электрический сигнал переменного тока таким образом, что заряд и разряд катушек происходит через одинаковые промежутки времени. При отклонении мембраны создается ток в фиксированной основной катушке, что приводит к изменению индуктивности системы. Смещение характеристик основной катушки дает возможность преобразовать давление в стандартизованный сигнал, по своим параметрам прямо пропорциональный приложенному давлению.