2.3. Приборы для измерениядавлений жидкости и газов

Информационно-измерительные системы, предназначенные для измерения давлений, имеют ту же структуру, что и системы для измерения других параметров. Единственным отличием данного типа систем будут являться первичные преобразователи – датчики давления, поэтому рассмотрение приборов для измерения давления ограничим устройством и принципом действия различных датчиков.

Как и первичные преобразователи температуры датчики давления можно разделить на генераторные и параметрические. К первому типу относятся пьезоэлектрические преобразователи, вырабатывающие электрический сигнал соответствующий приложенному давлению, а ко второму - различного рода деформационные манометры, преобразующие давление в деформацию упругого элемента.

О

Рис. 2. 17. Кристалл

кварца

сновным элементом пьезоэлектрических датчиков давления является кристалл пьезоэлектрика. Механизм прямого пьезоэффекта можно пояснить на примере кристалла кварца (рис. 2.17), элементарная ячейка которого, содержащая три молекулыSiO₂, схематически изображена на рисунке 2.18. При сжатии вдоль оси X₁ положительный ион 1 (Si+) и пара отрицательных ионов 2 (O-) перемещаются вглубь ячейки, в результате чего на плоскостях A и B появляются электрические заряды.

П

Рис. 2. 18. Ячейка кристалла кварца (заштрихованные кружки соответствуют ионам Si+, светлые – паре ионов О-): а – недеформированное состояние; б – сжатие вдоль оси Х₁; в – растяжение вдоль оси Х₁.

ри растяжении кристалла на плоскостяхА и В возникают заряды противоположного знака.

На рисунке 2.19 показана одна из наиболее распространенных схем конструкции кварцевых датчиков давления. В корпусе 9 датчика находится поршень 5, в верхней части которого имеется сферическая выемка. В этой выемке помещается промежуточная пластинка 4, имеющая сферическую выпуклость, входящую в выемку поршня. На плоской поверхности пластинки 4 установлены круглые кварцевые пластины 1, разделенные металлической прокладкой 2, которая имеет центральный вывод, проходящий через верхний изолятор 7. Кварцевые пластины и металлическая прокладка изолированы от корпуса датчика диэлектрическим цилиндром 3. Винт 8 служит для начального поджатия кварцевых пластин.

П

Рис. 2.19. Пьезоэлектрический датчик давления

ри действии давленияP на поршень 5 промежуточная пластинка 4 устанавливается в сферической выемке таким образом, что выбирает неточность плоскопараллельности кварцевых пластин и передает на них давление. Кварцевые пластины обращены к прокладке 2 одноименными сторонами, поэтому через прокладку 2 и центральный вывод 6 отводится суммарный заряд обеих пластин, в то время как суммарный заряд противоположного знака оказывается поданным непосредственно на корпус датчика.

Н

Рис. 2. 20. Датчик давления Т200

а рисунке 2.20 показан вид пьезоэлектрического датчика Т200. Особенностью данного датчика является наличие водяного охлаждения, для чего на его корпусе предусмотрены входной и выходной штуцеры. Помимо охлаждения в датчиках давления могут быть предусмотрены и другие дополнительные элементы. Так преобразователь ДСП-016, предназначенный для измерения давления в камере сгорания двигателя (до 25 МПа), выполняет и функции свечи зажигания, имея при этом ресурс работы 50 часов. Ниже в таблице 2.3 приводятся характеристики некоторых пьезоэлектрических датчиков давления, выпускаемых СКБ измерительной аппаратуры (г. Нижний Тагил).

Основным недостатком пьезоэлектрических датчиков является быстрое рассасывание даже через хорошую изоляцию сконцентрировавшихся на поверхности кристалла зарядов, поэтому их применяют только для измерения импульсных и быстро изменяющихся давлений. Для измерения медленно изменяющихся давлений используется резонансный метод измерения, в котором пьезоэлектрический преобразователь определяет частоту генерируемых электрических колебаний, при этом измеряется резонансная частота, которая зависит от давления на ПП, и, как следствие, от деформации этого ПП.

Возникают определенные сложности со снятием характеристики датчиков данного типа. Обычно для этой цели используется специализированный пресс – сначала медленно нагнетается высокое давление (контролируемое по трубчатому манометру), а затем через специальный клапан почти мгновенно сбрасывается. Так как возникающие в процессе нагнетания заряды успевают рассосаться, то при быстром сбросе давления на выходе датчика появляется заряд обратной полярности.

Для измерения постоянных и медленно изменяющихся давлений вместо пьезоэлектрических генераторных датчиков широко используются деформационные манометры, которые в комплексе со средствами измерения деформаций (тензорезисторами) образуют параметрические датчики давления⁸.

Одним из первых деформационных манометров является трубка Бурдона, получившая свое название по фамилии французского фабриканта, который в 1849 получил патент и организовал их производство. Изобретен этот манометр был случайно – немецкий инженер Шинц стал свидетелем того, как рабочие выправляли случайно деформированный змеевик от дистилляционного аппарата. Один конец змеевика был заглушен, а в другой под высоким давлением подали воду. В 1845 году Шинц впервые применил трубчатый элемент при измерении давления – эту дату принято считать днем рождения деформационных манометров.

В электрических преобразователях давления обычно используют анализ деформации мембраны. Широкое распространение получили датчики давления, у которых мембрана изготовлена из сапфира («Сапфир-22», «Метран-55» и др.). В подобных датчиках используются полупроводниковые (кремниевые) тензорезисторы, выращиваемые непосредственно на сапфировой мембране. Устройство типового тензорезисторного преобразователя давления показано на рисунке 2.21.

Сапфировая мембрана с тензорезисторами 6 жестко соединена по всей плоскости с металлической мембраной, образуя с ней двухслойную мембрану 4, закрепленную в корпусе 1 с крышкой 5 и коллектором 7 и связанную с помощью штока 3 с мембраной 2, воспринимающей измеряемое давление. В датчике «Сапфир-22» вместо штока для передачи усилия на сапфировую мембрану используется касторовое масло, заполняющее пространство между мембранами.

Рассматриваемые преобразователи рассчитаны для измерения как абсолютных давлений (до 16 МПа), так и избыточных (до 100 МПа и более). В таблице 2.4 приводятся характеристики некоторых тензорезисторных датчиков давления. Интересно, что датчик КРТ 7 (см. рис. 2.22) имеет встроенный 3,5-разрядный жидкокристаллический индикатор для отображения результатов измерения [3].

Рис.2.21.Устройство тензорезисторного преобразователя давления

Рис. 2. 22. Тензорезисторный датчик давления КРТ-7

Оригинальный способ тарирования датчиков был разработан в Московском автодорожном институте. Схема специализированного стенда МАИ‑2А с использованием работающего двигателя внутреннего сгорания представлена на рисунке 2.23.

На двигателе помимо пьезоэлектрического датчика Д1 устанавливается стробоскопический пневмоэлектрический датчик Д2. В датчике Д2 находится мембрана, подвергающаяся воздействию сгорающей в цилиндре двигателя смеси с одной стороны и сжатого воздуха из баллона с другой. Если давление в камере сгорания Р превышает давление сжатого воздуха Р₀, то происходит замыкание пары контактов.

Д

Рис. 2. 23. Стенд для индицирования двигателей

атчикД2 включается в качестве прерывателя в схему, аналогичную системе зажигания автомобиля. Снимаемое с трансформаторного усилителя в моменты замыкания и размыкания контактов датчика напряжение (несколько тысяч вольт) создает искровой разряд в специальном регистрирующем приборе, в результате чего на движущейся бумажной ленте прожигается отверстие. Этим же регистрирующим прибором фиксируются моменты нахождения поршня в верхней мертвой точке (ВМТ), для чего на валу двигателя устанавливается прерыватель, подключенный к трансформаторному усилителю.

Одновременно с этим осуществляется запись сигнала (на магнитографе или светолучевом осциллографе), поступающего с пьезоэлектрического датчика. Сопоставляя обе записи, можно определить значения сигнала датчика Д1 в моменты, когда наступает равенство давления в камере сгорания и давления сжатого воздуха, которое отслеживается с помощью стрелочного манометра.

Рассматриваемый испытательный стенд может использоваться и для снятия кривой давления (индицирования двигателей) с помощью стробоскопического датчика. Под действием давления сжатого воздуха, которое в процессе опыта плавно меняется, игла искрового регистратора перемещается перпендикулярно движению бумаги. После совмещения фрагментов бумажной ленты (за точку отсчета принимается отметка ВМТ) можно наблюдать зависимость от времени или от угла поворота шатуна φ величины давления в камере сгорания Р (см. рис. 2.23).

Для метрологической поверки измерительных каналов давления используются те же два метода, что и для поверки расходов:

• Метод измерения ряда величин давлений (как постоянных, так и динамических), которые воспроизводятся в образцовых установках, находящихся во ВНИИМ (ВНИИ Метрологии им. Д.И. Менделеева).

• Метод сличения поверяемого измерительного канала и образцового прибора при измерении одних и тех же величин давлений. Разность их показаний при измерении давления определяет погрешность поверяемого канала.

Среди приборов для измерения сил, в том числе датчиков веса, наибольшее распространение получилитензорезисторные динамометры. Диапазон измерения этих динамометров необычайно широк – имеются динамометры на номинальные силы от 5 Н до 10 МН и более. Решающим фактором, однако, является высокая точность измерения. В зависимости от затрат, уровня техники и производственных возможностей погрешность может быть снижена до величины, меньшей 0,03% и даже 0,01% [5].

В

Рис. 3. 1. Трубчатый динамометр

простейшем случае чувствительный элемент может представлять собой стержень, нагруженный вдоль оси. При нагружении стержень сжимается, причем в соответствии с коэффициентом Пуассона одновременно увеличивается его периметр. Тензорезисторы, наклеенные на стержень в области однородного силового поля, включают в мостовую схему так, чтобы в противоположных плечах моста оказались тензорезисторы, решетки которых направлены вдоль оси стержня и перпендикулярно ей.

Для расширения пределов измерений до 1 – 20 МН в целях лучшего распределения напряжений упругий элемент часто выполняют в виде трубы (рис. 3.4) и тензорезисторы наклеивают на его внутреннюю и наружную поверхности.

Д

Рис. 3. 2. Кольцевой чувствительный элемент.

ля увеличения чувствительности динамометров при измерении малых сил (порядка 5 Н) приме-няют чувствительные элементы, в которых используются не продольные деформации, а деформации изгиба. Примером может служить чувствительный элемент в форме кольца, показанный на рисунке 3.5.

Описанные чувствительные элементы при соответствующей их установке могут быть нагружены и в направлении сжатия, и в направлении растяжения, а при использовании тензорезисторных динамометров следует учитывать некоторые характерные особенности:

• класс точности тензорезисторных динамометров составляет от 0,03 до 2 %, причем для усилий более 2,5 МН невозможно изготовить динамометр с классом точности лучше 0,1%;

• деформации в тензорезисторных динамометрах очень малы (от 0,1 до 0,3 мм), но если в некоторых случаях такая деформация слишком велика, то можно использовать чувствительные элементы с более высоким пределом измерения, однако, с более низкой чувствительностью;

• тензорезисторные динамометры пригодны как для статических, так и для динамических измерений, в том числе при знакопеременной нагрузке с частотой в несколько килогерц, однако если датчик будет являться частью сложной колебательной системы, то его влияние всегда следует продумать;

• типичным свойством всех материалов, используемых для изготовления чувствительного элемента, является их ползучесть при нагрузке и при изменении нагрузки, поэтому в тензорезисторных динамометрах имеется возможность соответствующей конфигурацией тензорезисторов компенсировать ползучесть и получать стабильные характеристики;

• применение тензорезисторных динамометров возможно при необходимости обеспечения взрывобезопасности и в других сложных условиях;

• тензорезисторные динамометры всегда имеют мостовую схему с использованием не менее четырех активных тензорезисторов, а сопротивление моста может составлять от 120 до 4000 Ом (оптимальным с точки зрения согласования с соединительным кабелем является сопротивление 350 Ом);

• для суммирования или вычитания отдельных сил тензорезисторные динамометры можно в большом количестве включать параллельно или последовательно;

• при подключении тензорезисторных динамометров к аппаратуре электронной обработки данных возможно достигнуть разрешающей способности, соответствующей числу делений 10⁶.

В качестве альтернативы тензорезисторным динамометрам, особенно в лабораторной и испытательной практике, охотно используют индуктивные динамометры, измерительным элементом которых служит индуктивный датчик перемещения.

П

Рис. 3. 3. Индуктивный динамометр:

1 – тарельчатый упругий элемент; 2 – индуктивный датчик перемещения

ри помощи индуктивных динамометров измеряют изменение расстояния между двумя точками упругого элемента под действием силы. Для уменьшения несимметричного воздействия силы чувствительный элемент выполняется вращательно-симметричным (рис. 3.6). Для очень малых сил применимы простые или двойные балки, работающие на изгиб.

Среди характерных особенностей индуктивных динамометров можно отметить следующие:

• индуктивные динамометры характеризуются большим измерительным сигналом, поэтому уже при нагрузке, составляющей 1% от ниминальной, можно получит показание (измеряемая деформация при этом составляет всего 1-2 мкм);

• индуктивные динамометры выпускают в классах точности от 0,2% до 1%;

• индуктивные динамометры могу быть рассчитаны на номинальные силы (растяжения или сжатия) до 10 мН и ниже, при этом верхний предел – от 200 кН до 1 МН;

• их чувствительность к поперечным силам невелика;

• индуктивные динамометры сравнительно недороги;

• индуктивные динамометры должны работать на несущей частоте (обычно несущая частота – от 4 до 10 кГц).

С

Рис. 3. 4. Магнитоупругие динамометры:

а) – схема включения катушки;

б) – картина силовых линий магнитного поля в магнитоупругой тензометрии

реди менее распространенных типов электрических динамометров можно отметитьпьезоэлектрические и магнитоупругие динамометры. Принцип действия пьезоэлектрических динамометров основан на возникновении электрических зарядов на поверхности некоторых кристаллов при приложении к ним механической нагрузки⁹. Данный тип динамометров непригоден для измерения статических сил из-за быстрого рассасывания зарядов с поверхности кристалла.

Магнитоупругие динамометрымогут исполняться в виде катушки с замкнутым сердечником из ферромагнитного материала (рис.3.7а), способного изменять свою магнитную проницаемость в направлении воздействия на него силы растяжения или сжатия. Данная способность носит название магнитоупругого эффекта и характерна для железоникилевых сплавов. При нагружении такой катушки силойFпроисходит изменение ее индуктивности, что приводит к изменению ее сопротивления и следовательно к изменению протекающего тока при питании от источника переменного напряжения.

Другая возможность использования магнитоупругого эффекта показана на рисунке 3.7 б. В пластине из листовой стали имеются четыре отверстия. В этих отверстиях помещены две пересекающиеся обмотки, одна из которых подключена к источнику питания, другая – в цепь измерения. При нагружении такого чувствительного элемента симметричное ранее магнитное поле искажается и в измерительной обмотке возбуждается напряжение, пропорциональное нагружению.

При наложении большого числа подобных пластин можно получить пакеты, позволяющие измерять силы до 50 МН, поэтому магнитоупругие динамометры обычно используются в тяжелой промышленности (особенно в прокатных цехах) для грубых квазистатических измерений больших сил. Особое преимущество магнитоупругих динамометров сотоит в большом (до 10 В) выходном сигнале и отсутствии необходимости применять усилители. Класс точности магнитоупругих динамометров – от 0,1 до 2 %.