Измерительные преобразователи давления. Поверка и калибровка. Конспект лекций

УДК 531.1.87.(07)

Лепявко А.П. Измерительные преобразователи давления. Поверка и калибровка: Конспект лекций. – М.: АСМС, 2018. – 36 с.

Конспект лекции предназначен для слушателей Академии стандартизации, метрологии и сертификации, повышающих квалификацию по специализации «Поверка и калибровка средств теплотехнических измерений» и может быть полезен также для других специалистов по поверке и калибровке средств измерения давления.

В конспекте описаны наиболее распространенные типы преобразователей давления. Приведены нормируемые метрологические характеристики. Описана наиболее распространенная в Российской Федерации методика поверки преобразователей давления, а также основные положения «Руководства EURAMET cg-17» по калибровке электромеханических средств измерения давления.

Конспект лекции подготовлен заведующим кафедрой «Теплотехнические измерения» А.П. Лепявко, рассмотрен на заседании кафедры «Теплотехнические измерения» АСМС и рекомендован к использованию в учебном процессе.

1.ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ

ВРоссийской метрологической практике под измерительным преобразователем понимается «средство измерений, предназначенное для выработки измерительной информации, удобной для передачи, дальнейшего преобразования, обработки и (или) хранения, но не поддающейся непосредственному восприятию наблюдателем» (определение ГОСТ 16263–70).

Втаком понимании термин «измерительный преобразова-

тель» используется в российской технической документации и технической литературе.

Английским эквивалентом такого толкования термина «измерительный преобразователь» является «measuring transmitter».

Cредства измерений, соответствующие определению ГОСТ 16263–70, за рубежом и в некоторых российских нормативных документах называются датчиками («transmitter» – отправитель, передатчик), в частности, в ГОСТ 22520−85 «Датчики давления, разрежения и разности давлений с электрическими аналоговыми выходными сигналами ГСП. Общие технические условия».

В РМГ 29–2013 в соответствии с международным метрологическим словарем дано иное определение измерительного преобразователя:

«Измерительный преобразователь (measuring transduser) –

устройство, используемое при измерении, которое обеспечивает на выходе величину, находящуюся в определенном соотношении с входной величиной.

ПРИМЕРЫ. Термопара, трансформатор электрического тока, тензодатчик, электрод для измерения pH, трубка Бурдона, биметаллическая пластина».

Это определение более широкое и корректное, так как часто измерительным преобразователем называют не только самостоятельное средство измерений, но и некоторый элемент средства измерений – например, аналого-цифровой преобразователь.

3

Вданном конспекте под измерительным преобразователем понимается средство измерений в соответствии с определением ГОСТ 16263–70 (кроме раздела 5).

Внастоящее время используются как цифровые (микропроцессорные), так и аналоговые преобразователи давления. Цифровые преобразователи обеспечивают более высокие характеристики. Часть цифровых преобразователей относят к так называемым «интеллектуальным» («smart») прибором. Наличие в составе преобразователя микропроцессорного устройства позволяет повысить как метрологические, так и эксплуатационные характеристики. Обеспечиваются линеаризация характеристик чувствительных элементов, снижение дополнительных погрешностей, повышение долговременной стабильности.

Последовательность преобразования давления в носитель измерительной информации (ток, напряжение, цифровой код) приведена на рис. 1.

Рис. 1. Структурные схемы преобразователей давления:

а– аналоговый; б – цифровой с аналоговым выходным сигналом;

в– цифровой с цифровым выходным сигналом;

г– цифровой с аналоговым и цифровым выходными сигналами;

д– цифровой с комбинированным выходным сигналом

по протоколу HART (аналоговым и цифровым)

На рисунке:

ЧЭ – чувствительный элемент; Вх – входное устройство;

Увх и Увых – входной и выходной усилители;

4

ЭУ – электронное устройство; АЦП – аналого-цифровой преобразователь;

МПУ – микропроцессорное устройство; ЦАП – цифроаналоговый преобразователь;

П – преобразователь кодов (преобразует код процессорного устройства в цифровой код в соответствии с принятым протоколом обмена информацией).

Широкое применение нашли преобразователи с выходным сигналом в виде электрического тока. В настоящее время наиболее широко используются преобразователи с выходным сигналом 4…20 мА. При этом применяется двухпроводная схема подключения преобразователя и обеспечивается «живой ноль».

В зависимости от измеряемого давления преобразователи подразделяются следующим образом:

преобразователи избыточного давления;

преобразователи абсолютного давления;

преобразователи дифференциального давления (разности давлений);

преобразователи гидростатического давления;

преобразователи вакуумметрического давления (разрежения);

преобразователи избыточного давления-разрежения.

Впреобразователях избыточного давления опорное давление – атмосферное. Одна сторона чувствительного элемента соединена

сатмосферой.

Впреобразователях абсолютного давления опорное давление – вакуум.

Воздух из внутренней полости чувствительного элемента откачан. Частным случаем преобразователя абсолютного давления является барометр.

Преобразователи дифференциального давления предназначены для измерений разности давлений. Они широко используются при измерении расхода методом переменного перепада давления.

Преобразователи гидростатического давления предназначены для измерения гидростатического столба жидкости. Фактически

5

это датчики дифференциального давления. Они измеряют давление столба жидкости, зависящее от его высоты и плотности.

В преобразователях вакуумметрического давления (разрежения) опорное давление, так же как и датчиках избыточного давления, атмосферное. Но измеряемое давление меньше атмосферного.

Преобразователи давления-разрежения представляют собой сочетание датчиков избыточного и вакуумметрического давления.

2. ТИПЫ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ДАВЛЕНИЯ

Название преобразователя определяется физическим принципом, который используется для преобразования деформации чувствительного элемента в электрическую величину.

Для измерения давления в настоящее время используются преобразователи следующих типов:

тензорезистивные;

пьезорезистивные;

емкостные;

частотно-резонансные;

индуктивные;

пьезорезонансные (кварцевые);

оптические.

Среди приведенных выше типов преобразователей давления применяются в основном тензорезистивные, пьезорезистивные, емкостные, частотно-резонансные. В последние годы развивается технология производства пьезорезонансных (кварцевых) и оптических преобразователей.

Тензорезистивные преобразователи давления

Тензорезисторы используются для преобразования деформации в электрический сигнал. Находят применение металлические и полупроводниковые тензорезисторы (рис. 2).

Электрическое сопротивление R тензорезистора, как и любого электрического проводника, определяется по зависимости

6

R ρ SL ,

где ρ – удельное электрическое сопротивление; L и S – длина и сечение проводника.

Рис. 2. Тензорезистор

Относительное изменение электрического сопротивления проводника при деформации характеризуется коэффициентом K:

L

электрического сопротивления при деформации; μ – коэффициент Пуассона, определяющий отношение

поперечного сжатия к растяжению. Для большинства металлов

μ= 0,3.

Уметаллов коэффициент K около 2, у полупроводников K до 100 и более. В полупроводниках изменение сопротивления обуславливается прежде всего изменением удельного электрического сопротивления при изменении напряженного состояния.

В преобразователях давления используются полупроводниковые тензорезисторы. Они наносятся на поверхность деформируемого чувствительного элемента – мембраны.

Среди тензорезистивных преобразователей широко используются преобразователи с чувствительными элементами, выпол-

7

ненными на основе КНС-структуры (кремний на сапфире). Технология изготовления освоена достаточно давно многими производителями.

На рис. 3а схематично изображен чувствительный элемент тензорезистивного преобразователя давления.

Рис. 3. Чувствительный элемент тензорезистивного преобразователя давления (а) и схема включения тензорезисторов (б):

1 – металлическая мембрана; 2 – сапфировая подложка; 3 – тензорезистор

На рисунке:

R1, R2, R3, R4 – тензорезисторы;

Uпит – напряжение питания мостовой схемы; Uвых – выходное напряжение.

На поверхность металлической мембраны наносится слой монокристаллического сапфира. Монокристаллический сапфир является идеальным изолятором. На его поверхности расположены кремниевые тензорезисторы таким образом, что при деформации мембраны электрическое сопротивлений двух из них увеличивается, а двух других уменьшается.

Тензорезисторы включены в схему неуравновешенного моста Уитстона. Последовательность преобразования давления в электрический сигнал:

«давление → деформация мембраны → изменение электрического сопротивления резисторов → электрическое напряжение на выходе мостовой схемы»

Значение напряжения на выходе мостовой схемы Vвых определяется измеряемым давлением р:

8

Vвых f ( p) .

На рис. 4 представлена конструкция тензорезистивного измерительного преобразователя избыточного давления «Сапфир 22», разработанного в конце 70-х годов ХХ века.

Рис. 4. Преобразователь избыточного давления типа «Сапфир 22»: 1 – разделительная мембрана; 2 – промежуточная камера;

3 – чувствительный элемент; 4 – электронный блок

Впреобразователе избыточного давления он действует на разделительную мембрану 1, которая отделяет измеряемую среду от чувствительного элемента 3. Промежуточная камера 2 заполнена кремнийорганической жидкостью, которая передает давление через кремнийорганическую жидкость основной мембране. Деформация мембраны воспринимается тензорезисторами. Напряжение в измерительной диагонали моста, образованного терморезисторами, передается на электронный блок 4, который преобразует его в унифицированный сигнал постоянного тока

0…5, 0…20 или 4…20 мА.

Внекоторых конструкциях преобразователей нет промежуточной камеры. Измеряемая среда непосредственно воздействует на мембрану чувствительного элемента.

9

На рис. 5 схематично изображено устройство преобразователей давления «Сапфир 22», предназначенных для измерения малых значений избыточного, вакуумметрического и дифференциального давления.

Рис. 5. Преобразователь мембранно-рычажного типа «Сапфир 22»: 1 – разделительные мембраны; 2 – основание; 3 – центральный шток; 4 – тяга; 5 – чувствительный элемент; 6 – электронный блок

Мембраны 1 по наружному контуру приварены к основанию 2 и соединены между собой центральным штоком 3, который связан тягой с концом рычага чувствительного элемента 5. Пространство между мембранами заполнено кремнийорганической жидкостью. Воздействие измеряемого давления вызывает прогиб менбран, деформацию чувствительного элемента и изменение сопротивления тензорезисторов.

В настоящее время широкое распространение получили пьезорезистивные преобразователи давления. Пьезорезистивными называют монокристаллические чувствительные элементы, в которых в кремниевой мембране пьзорезисторы сформированы методом диффузии. Пьезорезисторы включены в схему моста Уитстона. Упругим элементом служит сама кремниевая мембрана.

Чувствительность кремниевой мембаны значитеьно выше, чем металлической мембраны. Отсутствует необходимость

10