Методы и средства измерения давления

Областиприменения

Давление — одна из самых важных измеряемых переменных в системах управления, промышленности, биомедицинских исследованиях, поэтому датчики давления — наиболее широко используемые первичные преобразователи физических величин. Одна лишь энергетика потребляет большую часть выпускаемых таких датчиков. В гидравлических, тепловых, ядерных и других установках необходим непрерывный контроль давления для обеспечения нормального режима работы, не говоря уже о возникновении чрезвычайных ситуаций.

Измерение давления необходимо для управления технологическими процессами и обеспечения безопасности производства. Кроме того, этот параметр используется при косвенных измерениях других технологических параметров: уровня, расхода, температуры, плотности и т. д.

Видыизмеряемыхдавлений: абсолютное, избыточноеи дифференциальное

На практике давления газообразных и жидких сред могут измеряться относительно двух различных уровней:

1)уровня абсолютного вакуума, или абсолютного нуля давления — идеализированного состояния среды в замкнутом пространстве, из которого удалены все молекулы и атомы вещества среды.

2)уровня атмосферного, или барометрического, давления (ГОСТ 8.271_77). Барометрическое давление — это абсолютное (или атмосферное) давление земной атмосферы. Оно зависит от конкретных условий измерения: температуры воздуха и высоты над уровнем моря.

Преобразователидавления

Ртутныедатчикидавления

Чаще всего такие датчики применяются для измерения давления газов. U-образный провод с точкой заземления в центре помещается в U- образную трубку с ртутью. Часть этого провода оказывается закороченной ртутью, в результате чего сопротивление в обоих ветвях провода всегда будет пропорционально высоте столбиков ртути. Полученные резисторы включены в схему моста Уитстона, который находится в уравновешенном состоянии пока равно нулю дифференциальное давление в трубке. Давление, приложенное к одному из концов трубки (например, левой), приводит к разбалансировке мостовой схемы и появлению на ее выходе ненулевого сигнала. Чем выше давление в левой части трубки, тем больше сопротивление соответствующего плеча и тем меньше сопротивление противоположного.

К сожалению, простота является практически единственным его достоинством, потому что он обладает целым рядом существенных недостатков.

Тензорезистивныесенсорыидатчикидавления

Сенсор представляет собой резистор, проводник которого наклеен, напылён или нанесён другим способом на подложку, способную деформироваться под действием приложенной силы. Вместе с подложкой деформируется и жёстко связанный с ней проводник резистора. При деформации проводника изменяется его длина и поперечное сечение. Соответственно, будет изменяться и его сопротивление. Измеряя сопротивление тензорезистора можно определить приложенное к подложке давление. При деформации в упругих пределах применяемого металла можно многократно нагружать сенсор без увеличения погрешности. Металлы, однако, подлежат усталости при повторных циклах нагружения, и они начинают «течь», если напряженность выше их упругого предела. Это общий источник ошибки металлических тензорезистивных сенсоров: если приложено давление выше нормы, они имеют тенденцию потерять точность из-за пластической деформации подложки и резистора.

Тензорезистивныесенсорына

полупроводниковомосновании

Построения полупроводникового чувствительного элемента на основе тензорезисторов.

Типичный тензорезистивный сенсор давления на основе структуры КНС (кремний на спфире) состоит из упругой металлической мембраны, к которой припаян тензопреобразователь, представляющий собой подложку из сапфира, на которой методом гетероэпитаксиального наращивания сформирован измерительный мост Уитстона из кремниевых тензорезисторов. Кроме тензомоста, на подложке сформирована схема температурной компенсации (на рисунке не показана). Мембрана по технологическим соображениям делается достаточно толстой, поскольку поверхность, на которую припаивается КНС, должна быть отполирована с высокой чистотой.