Лекция №11.

Тема лекции: Датчики давления в системах автоматики.

Цель лекции: Знакомство с многообразием принципов действия датчиков давления систем судовой автоматики.

1. Жидкостные приборы

Принцип действия основан на законе Паскаля: уровни жидкостей в сообщающихся сосудах при одинаковых давлениях в обоих сосудах лежат в одной горизонтальной поверхности т.е. при Р₁ = Р₂ Н₁ = Н₂.

а ) U - образный манометр

Под действием давления Рабc подведенному к одному из концов прибора образуется разность уровней h.

Тогда Рабс = Ратм + h*ρ*g.

Ризб = Рабс - Ратм = h*ρ*g.

где ρ - плотность рабочей жидкости

g - ускорение свободного падения.

Погрешность равна ±2 мм столба рабочей жидкости.

б ) Чашечный манометр с наклонной трубкой (разновидность U - образного манометра)

Принцип что и у U - манометра.

Длина шкалы 250 мм. Цена деления 1 мм.

2. Деформационные приборы (манометры)

В промышленности получили широкое распространение. Диапазон измерений 0-160 Па; 0-1000 МПа.

Принцип действия: уравновешивание измеряемого давления силами упругих деформаций чувствительных элементов (трубчатая пружина [трубка Бурдона], мембрана, сильфон).

а) трубчатая пружина. Изменение давления Р вызывает деформацию трубки и перемещение ее свободного конца. (При подаче на вход манометра Ризб трубка разжимается, а при подаче разрежения сжимается).

б) мембрана. Изготавливается в виде тонкой пластинки из нержавеющей стали, резины, пластмассы.

Недостаток: небольшой ход чувствительного элемента

в) сильфон - гофрированный тонкостенный сосуд, выполненный из упругого материала (латунь, коррозионностойкая сталь). Обычно число гофр 4-24.

Длина 13-100 мм. Диаметр 12-100 мм. Рабочий ход сильфона 2-21 мм.

Для всех трех случаев: ∆h = k*∆Р

где k - коэффициент усиления трубчатой пружины, мембраны или сильфона, соответственно.

Деформация чувствительных элементов может преобразовываться в электрический сигнал с помощью преобразователей перемещений (потенциометрического, индуктивного, емкостного, тензометрического).

3. Грузопоршневые приборы

Принцип действия: основан на уравновешивании сил, создаваемых с одной стороны измеряемым давлением, а с другой стороны грузом и поршнем.

О величине давления судят по величине не массы грузов и поршня, а по перемещению поршня.

Высокая точность (кл. точности 0,02..0,2).

Широкий диапазон (0,1..100 МПа).

Применение: в основном для поверки и градуировки.

Различают следующие типы преобразователей давления:

• абсолютного давления, Р1 равно давлению вакуума (т.е. оно равно нулю), а Р2 – измеряемое давление;

• дифференциального давления, измеряют разность давлений Р1 и Р2. (Часто применяется для измерения расхода в расходомерах переменного перепада);

• избыточного давления, измеряют отклонения давления Р1, от атмосферного Р2, это отклонение может быть как больше нуля, так и меньше.

В большинстве случаев автоматические измерительные преобразователи давления создаются на основе упругих чувствительных элементов – сильфонов и мембран. Сильфон можно соединить с движком потенциометра.

Мембрана присоединяется к кристаллу кварца, электроду конденсатора или дифференциальному трансформатору. Благодаря пьезоэлектрическому эффекту деформированный кварцевый кристалл генерирует разность потенциалов. Изменение емкости конденсатора, присоединенного к мембране, можно измерить каким-либо электрическим методом. Дифференциальный трансформатор выдает электрический сигнал пропорциональный перемещению мембраны.

В основе работы тензорезистора лежит эффект, заключающийся в изменении активного сопротивления проводниковых и полупроводниковых материалов при их механической деформации.

Сегодня полупроводниковые датчики давления — одно из наиболее динамично развивающихся направлений в области электроники. В мире насчитывается больше сотни компаний, занятых производством полупроводниковых датчиков давления различного применения. Изделия этих фирм-производителей имеют примерно равное качество, а аналогичные типы приборов находятся в одной ценовой категории.

Основой современных датчиков давления является тензочувствительный элемент. Это, как правило, четыре идентичных пьезорезистора, имплантированных в канавки, вытравленные на поверхности кремниевой мембраны и соединенных по мостовой схеме.

Внешнее давление вызывает деформацию мембраны, что приводит к разбалансировке моста. Значение создаваемого напряжения рассогласования (полезный сигнал) прямо пропорционально приложенному давлению. Этот принцип заложен в основу работы любого датчика, но на нем и заканчивается сходство. Дело в том, что теперь выпускаются приборы для применения в самых разных областях (начиная от схем контроля засорения фильтра бытового пылесоса до измерителей давления эксплуатационных жидкостей летательных аппаратов) с различными электрическими, конструктивными, климатическими и ценовыми характеристиками. Большое разнообразие конструктивных исполнений, широчайший диапазон измерения (от нескольких десятков миллиметров водяного столба до сотен атмосфер), способность работать в различных средах, в том числе агрессивных, все варианты стандартных выходных сигналов, наличие прецизионных моделей плюс гибкая ценовая политика предоставляют разработчику неограниченную свободу выбора датчика практически для любой области применения.

Чтобы получить четкое и систематизированное представление сразу обо всей линейке датчиков давления, необходимо провести классификацию компонентов по основным признакам, а именно: по типу и величине измеряемого давления, типу измеряемой среды и выходного сигнала.

Типы измеряемого давления

Любой датчик всегда измеряет разницу давлений, подведенных с разных сторон мембраны. При этом, как правило, одно из них должно быть подведено через порт подвода. Это давление обычно прилагается со стороны пьезорезистивного моста мембраны. Давление, используемое с противоположенной стороны мембраны, определяет тип датчика и является опорным. Производятся датчики для измерения всех существующих типов давления: абсолютного, дифференциального, избыточного и вакуума. Существует множество так называемых двунаправленных моделей, способных измерять одновременно как разрежение, так и избыточное давление с одной стороны мембраны (одним портом).

Типы выходного сигнала

Тип выходного сигнала датчика давления определяет степень его интеграции. По этому признаку все модели можно разделить на три большие группы: базовые, термокомпенсированиые с заводской калибровкой смещения и диапазона и термокомпенсированные с заводской калибровкой и нормализованным выходным сигналом.

Изображённая выше структура называется базовой и является самой простой и недорогой. Характерным ее недостатком является сильная зависимость характеристики преобразования от температуры и большой разброс напряжения смещения от образца к образцу.

Несмотря на это, производится ряд семейств по базовой схеме. Высокий спрос на такие приборы обусловлен тем, что существует множество приложений, где нет необходимости в точном измерении, а требуется лишь грубая оценка. Здесь можно значительно сэкономить на стоимости изделия. Другой причиной такого спроса являются специфические требования к датчику по точности, стабильности, типу выходного сигнала и конструктивному исполнению, которым порой не может удовлетворить даже полностью законченный интегрированный прибор. И одним из возможных выходов из ситуации является проектирование на основе базового преобразователя собственного уникального изделия.

Термокомленсированные и калиброванные датчики давления отличаются от базовых более сложной структурой чувствительного элемента. Они дополнительно содержат набор тонкопленочных термисторов и резисторов, расположенных на том же кристалле, что и диафрагма, сопротивление которых подгоняется лазером в процессе изготовления сенсора. В установленном диапазоне рабочих температур (как правило, 0...+85°С) выходной сигнал таких датчиков значительно стабильнее, а разброс начального напряжения смещения, как правило, не превышает ±1 мВ при размахе выходного напряжения 70...100 мВ (для сравнения: разброс напряжения смещения базовых датчиков - ±20...30 мВ). Датчики, имеющие температурную компенсацию и калибровку, пользуются наибольшей популярностью среди разработчиков, обеспечивая оптимальное соотношение цена/стабильность и простоту схем. Еще одним положительным моментом использования данной категории датчиков является возможность замены вышедшего из строя датчика без необходимости перекалибровки устройства. Следует отметить, что эти приборы в среднем на 30-35% дороже базовых датчиков.

Датчики с температурной компенсацией, заводской калибровкой и нормализованным выходным сигналом до предела упрощают задачу разработчика. Кроме цепей термокомпенсации и калибровки смещения, на кристалле расположен усилитель, схема линеаризации характеристики и преобразователь, реализующий один из следующих стандартных типов выходного сигнала:

• пропорциональный выход по напряжению: размах выходного напряжения во всем диапазоне измеряемых давлений составляет 0,50...4,50 В (при U_п = 5 В), и линейно зависит от напряжения питания, то есть имеется возможность в небольших пределах осуществлять регулировку размаха выходного сигнала и подстройку смещения;

• двух- или трехпроводной токовый выход: 4...20 мА при U_пит = 9...35В;

• стабилизированный выход: размах выходного напряжения во всем диапазоне лежит в пределах 1...6 В и не зависит от напряжения источника питания;

• частотный выход: как правило - 1...6 кГц во всем диапазоне давлений.

Конструктивное исполнение датчика определяется диапазоном измеряемого давления, типом среды, в которой измеряется давление, видом измеряемого давления, специальными требованиями, предъявляемыми к материалу корпуса датчика, классу защиты от окружающей среды, способом крепления (шасси, печатная плата, стандартные резьбовые соединения) и областью применения.

Диапазоны измеряемых давлений, измеряемые среды и конструктивное исполнение

По диапазону измеряемых давлений датчики можно разделить на три большие группы. Датчики малых давлений (0...250 Па,..., 0...1700 кПа), датчики средних давлений (0...1 кПа,...,0...1000кПа) и датчики высоких давлений Р...1700 кПа 0...4150 атм (!)). В большинстве случаев номинальное давление и определяет конструкцию датчика. Датчики малых и средних давлений, как правило, выполнены в полиамидном корпусе. Датчики высоких давлений изготавливаются в корпусе из нержавеющей стали или латуни. На следующем рисунке приведен внешний вид типовых представителей датчиков малых (а), средних (6) и высоких (в) давлений.

Среда, давление которой измеряется, и ее температура также налагают специфические требования на конструкцию прибора. Средой могу являться сухой или влажный газ, различные эксплуатационные жидкости, в том числе и агрессивные. Практически все пластиковые датчики Honeywell предназначены для измерения давления сухих и влажных неагрессивных газов. Чувствительный элементу них защищен от окружающей среды различными типами силиконовых гелей. В большинстве случаев это фторосиликон. Если же датчик предназначен для работы в условиях высокой влажности и загрязненности, то его чувствительный элемент защищается этилпропилдиеновым мономером (EPDM), чрезвычайно гибким и сверхпрочным материалом, обладающим отличными температурными свойствами в диапазоне-60...-И 50° С и высокой влагостойкостью. Практически у всех металлических датчиков чувствительный. Элемент защищен дополнительной металлической мембраной из латуни ИЛИ нержавеющей стали. Передача давления в этом случае осуществляется при помощи слоя силиконового геля, заполняющего пространство между защитной мембраной и сенсором. Эта 100-процентная изоляция, с одной стороны, позволяет прибору работать с множеством агрессивных газов и жидкостей (топливо, масла, эмульсии и другие эксплуатационные жидкости). С другой — снижается время отклика и чувствительность. Например, минимальный диапазон измеряемых давлений приборов данного типа составляет 0..100PSI (0...7 атм).