Измерительные преобразователи давления. Поверка и калибровка. Конспект лекций

в усложнении конструкции при измерении малых значений давления.

Емкостной преобразователь давления

Емкостные чувствительные элементы используются для измерений перемещения. Емкость С плоского электрического конденсатора пропорциональна его площади, диэлектрической проницаемости среды, находящейся между электродами, и обратно пропорциональна расстоянию между электродами:

С ε0εr dA ,

где ε0 8,8542 10 12 А с – диэлектрическая постоянная;

В м

εr – относительная диэлектрическая проницаемость среды, находящейся между пластинами конденсатора;

A – площадь пластины;

d – расстояние между пластинами.

При изменении расстояния между пластинами емкость плоского конденсатора изменяется:

На рис. 6а приведена схема емкостного чувствительного элемента преобразователя давления. Чувствительный элемент представляет собой дифференциальный конденсатор, состоящий из двух конденсаторов. Мембрана является одним из электродов этих двух конденсаторов.

Пространство между мембраной и электродами заполнено силиконовым маслом, служащим для передачи давления на мем-

11

брану и одновременно для увеличения емкости конденсатора. При подаче разности давлений мембрана деформируется, и емкость между обкладками изменяется. Измерение емкости производится электронным модулем датчика, подключенным к обкладкам сенсора.

Рис. 6. Чувствительный элемент емкостного преобразователя давления (а) и схема емкостного моста (б):

1, 2 – электроды; 3 – мембрана

На рисунке:

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

Конденсаторы включены в схему емкостного неуравновешенного моста (рис. 6б). При равенстве давлений (р1 = р2) емкости конденсаторов равны (С1 = С2). Напряжение в выходной диагонали моста равно нулю. При увеличении давления р1 нарушается равновесие р1 > р2 , мембрана прогибается, при этом емкость С1 уменьшается, а С2 увеличивается и С1 < С2 . Нарушается состояние равновесия моста, в выходной диагонали появляется напряжение, значение которого зависит от разницы давлений

(р1 − р2).

Последовательность преобразования давления в электрический сигнал следующая:

«давление → деформация мембраны → изменение электрической емкости → электрическое напряжение переменного тока»

12

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

Vвых f ( p) .

Частотно-резонансный преобразователь давления

Схема чувствительного элемента частотно-резонансного преобразователя давления приведена на рис. 7а.

Для преобразования деформации мембраны в электрический сигнал используются два плоских механических резонатора 2 и 3, интегрированные в мембрану. Резонаторы вместе с кремниевой мембраной представляют собой единый монокристалл. Резонаторы выполнены в виде буквы Н. Длина резонатора около 10 мкм. Собственная частота колебаний составляет несколько десятков килогерц.

Рис. 7. Чувствительный элемент частотно-резонансного преобразователя давления (а) и схема включения резонатора (б): 1 – мембрана из монокристаллического кремния; 2, 3 – резонаторы

Резонаторы расположены в диафрагме таким образом, что при ее деформации под действием давления или перепада давления один из резонаторов 2 подвергается сжатию, другой 3 – растяжению. При этом изменяется частота собственных колебаний резонаторов. У одного резонатора она увеличивается, у другого понижается. С ростом давления увеличивается разность частот двух резонаторов. Информация о величине давления считывается в виде высокочастотного сигнала (от нуля до

13

нескольких килогерц), частота которого пропорциональна давлению (рис. 8).

Рис. 8. Зависимость частоты колебаний резонаторов от разности давлений, действующих по сторонам мембраны

Достоинствами частотно-резонансных преобразователей являются частотный выход, малое влияние температуры и статического давления, высокая чувствительность.

Частота непосредственно преобразуется в цифровой код. Для обработки этого сигнала перед аналого-цифровым преобразованием не требуется проводить чисто аналоговые преобразования, которые приводят к дополнительной погрешности.

Особенностью частотно-резонансных преобразователей дифференциального давления является возможность измерения статического давления и температуры чувствительного элемента (рис. 9).

Температура определяется по результату измерения электрического сопротивления между резонатором и мембраной. Статическое давление определяется по смещению частот колебаний резонаторов (f ′1 – f1). Разность давлений определяется по разности частот колебаний резонаторов (f1 – f2).

14

На практике используются также другие диапазоны сигналов напряжения постоянного тока, например: 0,8…3,2 и 0,5…4,5 В.

Неинформативные параметры выходного сигнала –

дополнительная информация о выходном сигнале необходимая для выбора вторичных устройств:

сопротивление выходной цепи (сопротивление нагрузки);

наличие пульсаций в аналоговом выходном сигнале

иих уровень;

число разрядов или единица младшего разряда цифроаналогового преобразователя (ЦАП);

характеристики цифрового кода (протокол).

Характеристики основной погрешности. У большинства преобразователей давления нормируется предел допускаемой основной приведенной погрешности γо, который принимается постоянным для всего диапазона измерения. При этом у преобразователей давления с комбинированным выходом по протоколу HART погрешность нормируется по аналоговому выходному сигналу.

У средств измерения давления за нормирующее значение принимается алгебраическая разность верхнего и нижнего пределов измерения. У средств измерения перепада давления

верхний предел измерения

γо о 100 ,

рmax

где о – предел допускаемой основной абсолютной погрешности.

ГОСТ 22520–85 предусматривает выпуск измерительных преобразователей с пределами основной допускаемой приведенной погрешности от ±0,1 % до ±1,5 %. В настоящее время применя-

16

ются преобразователи с пределами допускаемой основной приведенной погрешности от ±0,025 % до ±1,0 %.

У ряда интеллектуальных преобразователей абсолютного давления, входящих в состав корректоров счетчиков газа, и преобразователей разности давлений, предназначенных для измерения расхода методом переменного перепада давления, нормируется предел допускаемой относительной погрешности

δо ро 100 .

Дополнительные погрешности, вызванные изменением влияющих величин в рабочем диапазоне. К влияющим величинам относятся температура окружающего воздуха, отклонение напряжения питания от номинального, влияние монтажного положения, вибрации, внешнего магнитного поля, радиопомех и др.

У средств измерения разности давлений нормируется также дополнительная погрешность, вызванная изменением статического давления.

Динамические характеристики. Согласно ГОСТ 22520–85

характеристики должны нормироваться:

переходной характеристикой при скачкообразном изменении измеряемой величины, составляющей 10 % диапазона измерений;

временем установления и максимальным отклонением выходного сигнала при скачкообразном изменении измеряемой величины, составляющей 90 % диапазона измерений.

На практике такие динамические характеристики, как постоянная времени τ0,63, зона (время) нечувствительности, у микропроцессорных преобразователей также частота обновления данных.

В современных преобразователях предусматривается демпфирование изменения входного сигнала за счет увеличения постоянной времени.

Ведущие зарубежны и некоторые российские фирмы нормируют долговременную стабильность.

17

Характеристикой стабильности средств измерений является нестабильность – изменение погрешности за определенный период времени.

4. ПОВЕРКА ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ДАВЛЕНИЯ

За основу практически всех методик поверки преобразователей давления положена методика, изложенная в МИ 1997–89 «ГСИ. Преобразователи давления измерительные. Методика поверки». Формально эта методика распространяется только на измерительные преобразователи типа «Сапфир», выпускаемые по ГОСТ 22520–85 с пределами допускаемой основной погрешности от ±0,2 % до ±1,5 %.

Однако содержание большинства методик поверки преобра-

с цифровыми выходными сигналами.

Далее приведены основные положения МИ 1997–89.

Схемы поверки

Схемы поверки, приведены на рис. 10 и 11. Методика поверки предусматривает возможность измерения выходного тока преобразователя прямым и косвенным методами.

Рис. 10. Схемы поверки при прямом измерении тока:

а– четырехпроводная схема для преобразователей с выходным сигналом 0…5 и 0…20 мА; б – двухпроводная схема для преобразователей с выходным сигналом 4…20 мА

18

На рисунке:

РЭ – рабочий эталон давления; ПП – поверяемый преобразователь; G – источник питания;

мА – миллиамперметр;

R – нагрузочное сопротивление.

Предел приведенной погрешности поверки при прямом измерении тока γэ рассчитывается по формуле

где рэ – предел допускаемой абсолютной погрешности рабочего эталона давления при значении давления, соответствующего верхнему пределу измерений поверяемого преобразователя;

рm – верхний предел измерений поверяемого преобразователя или ширина диапазона измерений (рmax – рmin);

I – предел допускаемой абсолютной погрешности эталонного средства измерения тока, при его максимальном значении;

Im и I0 – верхнее и нижнее предельные значения выходного тока.

Рис. 11. Схемы поверки при косвенном измерении тока:

а– четырехпроводная схема для преобразователей с выходным сигналом 0…5 и 0…20 мА; б – двухпроводная схема для преобразователей с выходным сигналом 4…20 мА

19

На рисунке:

РЭ – рабочий эталон давления; ПП – поверяемый преобразователь; G – источник питания;

В – вольтметр;

Rэ – эталонное сопротивление;

R – нагрузочное сопротивление.

Предел приведенной погрешности поверки при косвенном измерении тока γэ рассчитывается по формуле

верхнему пределу измерения преобразователя;

рm – верхний предел измерений поверяемого преобразователя или ширина диапазона измерений (рmax – рmin);

V – предел допускаемой абсолютной погрешности эталонного вольтметра при верхнем предельном значении выходного тока;

Vm и V0 – верхнее и нижнее предельные значения падения напряжения на эталонном сопротивлении;

R – предел допускаемой абсолютной погрешности эталонного сопротивления.

Vm Im Rэ и V0 I0 Rэ .

При поверке преобразователя с цифровым выходным сигналом

γэ рэ 100 ,

рm

где рэ – предел допускаемой абсолютной погрешности рабочего эталона давления при значении давления, соответствующего верхнему пределу измерения преобразователя.

20