Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Средства измерений давления. Поверка и калибровка. Учебное пособие
.pdf
протокол HART пригодны для применения как в новых цифровых
системах управления, так в старых аналоговых системах.
В то же время HART протокол относительно медленный и не
всегда в состоянии обеспечить уровень помехозащищенности
информации, требуемый для промышленных сетей. Обычно его
используют для настройки прибора, передачи диагностических или
аварийных сообщений и передачи дополнительной информации на
верхний уровень, но основной измеряемый параметр передают по
аналоговому сигналу.
Использование аналоговых выходных сигналов цифровых
средств измерений приводит к увеличению погрешности результатов
измерений за счет погрешности цифроаналогового преобразования.
При этом следует также учитывать наличие цифро-аналогового
преобразования в средстве измерения или в системе управления,
воспринимающий выходной сигнал преобразователя, что в свою
очередь приводит к увеличению погрешности. Кроме того, для
передачи измерительной информации два лишних устройства: ЦАП
средства измерения и в АЦП а системе управления.
Это одна из причин, в силу которых все более широко
применяются полностью цифровые коммуникационные системы.
В настоящее время ведущие приборостроительные фирмы
выпускают средства измерений даваления, поддерживающие как
протокол HART, так и чисто цифровые протоколы, которые имеют на
порядок более высокое быстродействие и более высокую
помехозащищенность.
Внешний вид преобразователей давления представлен на рис. 22.
Рис. 22. Преобразователи давления
41
4.2. Измерительные преобразователи давления
,ρ
S
L
R
Название преобразователя определяется физическим принципом,
который применяетсядля 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 типов преобразователей давления широко
применяются тензорезистивные, пьезорезистивные, емкостные,
частотно-резонансные. В последние годы развивается технология
производства пьезорезонансных (кварцевых) и оптических.
Тензорезистивные преобразователи давления
Тензорезисторы используются для преобразования деформации
в электрический сигнал. Находят применение металлические
и полупроводниковые тензорезисторы.
Электрическое сопротивление R тензорезистора, как и любого
электрического проводника определяется по зависимости
где ρ – удельное электрическое сопротивление;
L и S – длина и сечение проводника.
42
Рис. 23. Тензорезистор
Относительное изменение электрического сопротивления
,μ)21(
q
L
L
R
R
K
L
L
q
ρ
ρ
проводника при деформации характеризуется коэффициентом K
коэффициент, характеризующий изменение удельного
электрического сопротивления при деформации.
μ – коэффициент Пуассона, определяющий отношение поперечного
сжатия к растяжению. Для большинства металлов μ = 0,3.
У металлов коэффициент К около двух. У полупроводников К 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
с чувствительными элементами, выполненными на основе КНС –
структуры (кремний на сапфире). Технология изготовления освоена
достаточно давно многими производителями.
На рис. 24а схематично изображен чувствительный элемент
тензорезистивного преобразователя давления.
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».
43
Значение напряжения на выходе мостовой схемы V
определяется измеряемым давлением р
U
=f(p).
вых
Рис. 24. Чувствительный элемент тензорезистивного преобразователя
давления (а) и схема включения тензорезисторов (б):
1 – металлическая мембрана; 2 – сапфировая подложка;
3 – тензорезистор; R1, R2, R3 R4 – тензорезисторы; U
питания мостовой схемы; U
– выходное напряжение
вых
– напряжение
пит
вых
На рис. 25 представлена конструкция тензорезистивного
измерительного преобразователя избыточного давления «Сапфир
22», разработанного в конце 1970-х годов.
В преобразователе избыточного давления оно действует на
разделительную мембрану 1, которая отделяет измеряемую среду от
чувствительного элемента 3. Промежуточная камера 2 заполнена
кремнийорганической жидкостью, через которуюпередается давление
основной мембране. Деформация мембраны воспринимается
тензорезисторами. Напряжениев 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.
В некоторых конструкциях преобразователей нет промежуточной
камеры. Измеряемая среда непосредственно воздействует на
мембрану чувствительного элемента.
44
d
A
С
rεε0
ВмАс
12
108542,8
0
ε
Рис. 25. Преобразователь избыточного давления типа «Сапфир 22»:
1 – разделительная мембрана; 2 – промежуточная камера;
3 – чувствительный элемент; 4 – электронный блок
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. Отсутствует необходимость в усложнении
конструкции при измерении малых значений давления
Емкостные преобразователи 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
,
где
– диэлектрическая постоянная;
εr – относительная диэлектрическая проницаемость среды,
находящейся между пластинами конденсатора;
45
A – площадь пластины;
2
00
1εεεε
d
d
d
d
d
A
dd
A
С
rr
2
021
12εε - -
d
d
d
d
d
A
CCС
r
d – расстояние между пластинами.
При изменении расстояния между пластинами емкость плоского
конденсатора изменяется
.
Емкость ΔС дифференциального конденсатора.
.
На рис. 26а приведена схема емкостного чувствительного
элемента преобразователя давления.
Чувствительный элемент представляет собой дифференциальный
конденсатор, состоящий из двух. Мембрана является одним из
электродов этих двух конденсаторов.
Рис. 26. Чувствительный элемент емкостного преобразователя давления
(а) и схема емкостного моста (б): 1, 2 – электроды; 3 – мембрана;
U
– напряжение питания мостовой схемы; U
пит
– выходное напряжение
вых
Конденсаторы включены в схему емкостного неуравновешенного
моста (рис. 26б). 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 С
1
уменьшается, а С2 увеличивается и С1 < С2 . Нарушается состояние
равновесия моста,в выходной диагонали появляется напряжение,
значение которого зависит от разницы давлений (р1 − р2).
46
Последовательность преобразования давления в электрический
сигнал следующая:
«давление → деформация мембраны → изменение электрической
емкости → электрическое напряжение переменного тока».
Значение напряжения на выходе мостовой схемы V
определяется измеряемым давлением р
U
=f(p).
вых
Частотно-резонансные преобразователи давления
Схема чувствительного элемента частотно-резонансного
преобразователя давления приведена на рис. 27а.
Рис. 27. Чувствительный элемент частотно-резонансного преобразователя
давления (а) и схема включения резонатора (б):
1 – мембрана из монокристаллического кремния; 2, 3 – резонаторы
вых
Для преобразования деформации мембраны в электрический
сигнал используются два плоских механических резонатора 2 и 3,
интегрированных в мембрану. Резонаторы вместе с кремниевой
мембраной представляет собой единый монокристалл. Резонаторы
выполнены в виде буквы Н. Длина резонатора около 10 мкм.
Собственная частота колебаний составляет несколько десятков кГц.
Резонаторы расположены в диафрагме таким образом, что при ее
деформации под действием давления или перепада давления один из
резонаторов 2/ сжатию, другой 3/ подвергается – 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 нескольких кГц), разность
частот которого пропорциональна давлению (рис. 28).
47
Рис. 28. Зависимость частоты колебаний резонаторов от разности
Частотно-резонансные преобразователей дифференциального
давления обеспечивают возможность измерения статического
давления и температуры чувствительного элемента (рис. 29).
Рис. 29. Измерение перепада давления и статического давления
Температура определяется по результату измерения
электрического сопротивления между резонатором и мембраной.
Статическое давление определяется по смещению частот колебаний
резонаторов (f′1 – f1). Разность давлений – по разности частот
колебаний резонаторов (f1 – f2).
48
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
4.3. Нормируемые метрологические характеристики
Номинальная статическая характеристика преобразования
средств измерения давления – линейная, у средств измерения
перепада давления – линейная или квадратичная.
Диапазон измерений. Указываются верхний р
и нижний р
max
min
пределы измерения. В современных измерительных преобразователях
обеспечивается возможность изменения диапазона измерений
(перестройка шкалы). При этом указываются пределы такого
изменения.
Характеристики выходного сигнала.
Информативные параметры выходного сигнала: ток,
напряжение, цифровой код.
Диапазон изменения выходного сигнала.
ГОСТ 22520–85 предусматривает токовые сигналы и сигналы
напряжения постоянного тока в диапазонах: 0…5; 0…20; 4…20 мА;
0…10; 0…5; 0…1 В.
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 и их
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, которое принимается
постоянным для всего диапазона измерения. При этом у
преобразователей давленияс комбинированным выходом по
протоколу HART погрешность нормируется по аналоговому
выходному сигналу.
49
У средств измерения давления за нормирующее значение
100γ
minmax
о
о
рр
100γ
max
о
о
р
100δ
о
о
р
принимается алгебраическая разность верхнего р
и нижнего р
max
min
пределов измерения. У средств измерения перепада давления верхний
предел измерения р
max
.
;
,
где Δо – предел допускаемой основной абсолютной погрешности.
ГОСТ 22520–85 предусматривает выпуск измерительных
преобразователей с пределами основной допускаемой приведенной
погрешности в от ±0,1% до ±1,5%. В настоящее время применяются
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
.
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
Нормируются частные динамические характеристики, такие как
постоянная времени τ
, зона (время) нечувствительности,
0,63
у микропроцессорных преобразователей также частота обновления
данных.
В современных преобразователях предусматривается
демпфирование изменения входного сигнала за счет увеличения
постоянной времени.
50
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]