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.

К

Рис. 2. 17. Кристалл

кварца

ак и первичные преобразователи температуры датчики давления можно разделить нагенераторныеипараметрические. К первому типу относятсяпьезоэлектрические преобразователи, вырабатывающие электрический сигнал соответствующий приложенному давлению, а ко второму - различного рода деформационные манометры, преобразующие давление в деформацию упругого элемента.

Основным элементом пьезоэлектрических датчиков давления является кристалл пьезоэлектрика. Механизм прямого пьезоэффекта можно пояснить на примере кристалла кварца (рис. 2.17), элементарная ячейка которого, содержащая три молекулы SiO₂, схематически изображена на рисунке 2.18. При сжатии вдоль осиX₁положительный ион1 (Si+) и пара отрицательных ионов2(O-) перемещаются вглубь ячейки, в результате чего на плоскостяхAиBпоявляются 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 плоскостяхАиВвозникают заряды противоположного знака.

Н

Рис. 2.19. Пьезоэлектрический датчик давления

а рисунке 2.19 показана одна из наиболее распространенных схем конструкции кварцевых датчиков давления. В корпусе9датчика находится поршень5, в верхней части которого имеется сферическая выемка. В этой выемке помещается промежуточная пластинка4, имеющая сферическую

выпуклость, входящую в выемку поршня. На плоской поверхности пластинки 4установлены круглые кварцевые пластины1, разделенные металлической прокладкой2, которая имеет центральный вывод, проходящий через верхний изолятор7. Кварцевые пластины и металлическая прокладка изолированы от корпуса датчика диэлектрическим цилиндром3. Винт 8служит для начального поджатия кварцевых пластин.

При действии давления Pна поршень5промежуточная пластинка4устанавливается в сферической выемке таким образом, что выбирает неточность плоскопараллельности кварцевых пластин и передает на них давление. Кварцевые пластины обращены к прокладке2одноименными сторонами, поэтому через прокладку2и центральный вывод6отводится 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.

Таблица 2.3

Наименование	Назначение	Диапазон измерений, МПа	Чувствительность, пКл/МПа	Собственная частота, кГц
Т200 (Т200В)	Измерение давления в гидравлических и пневматических приводах и устройствах управления	0 … 20	> 300	>50
2Т1000	Измерение давления в топливопроводе двигателя внутреннего сгорания, измерение импульсных давлений в пневматических и гидравлических системах	0 … 100	> 30	> 170
2T1500	Регистрация высокого давления в топливной аппаратуре дизельных двигателей: - давление впрыска; - давление в трубопроводе форсунки; - регистрация хода иглы форсунки	0 … 150	> 35	> 160
2T6000	Измерение внутрибаллистических давлений, исследование характеристик порохов.	0 … 600	> 17	> 180

Для измерения постоянных и медленно изменяющихся давленийвместо пьезоэлектрических генераторных датчиков широко используютсядеформационные манометры, которые в комплексе со средствами измерения деформаций (тензорезисторами) образуют параметрические датчики давления¹.

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 преобразователяхдавления 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 6жестко соединена по всей плоскости с металлической мембраной, образуя с ней двухслойную мембрану4, закрепленную в корпусе1с крышкой5и коллектором7и связанную с помощью штока3с мембраной2, 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

Т

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

аблица 2.4

Модель	Тип давления	Верхний предел измерений, МПа	Погрешность, %	Габариты, мм	Масса, кг
Метран-55-ДА	Абс.	0,6; 1,0; 1,6; 2,5; 4,0; 6,0; 10,0; 16,0	0,25; 0,5; 1	Ø66 х 137	<0,5
Метран-55-ДИ	Избыт.	0,6; 1,0; 1,6; 2,5; 4; 6; 10; 16; 25; 40; 60; 100	0,25; 0,5; 1	Ø66 х 107	<0,5
Метран-55-ДВ	Разряж.	0,1	0,25; 0,5; 1	Ø66 х 107	<0,5
Сапфир-22ДА	Абс.	0,006; 0,01; 0,016; 0,025; 0,04; 0,06; 0,1; 0,16; 0,25;	0,5	-	5; 5,2
		0,4; 0,6; 1,0; 1,6; 2,5; 4; 6; 10; 16	0,25; 0,5	-	3; 1,6

Сапфир-22ДИ	Избыт.	4·10-4; 6·10-4; 0,001; 0,0016	0,25; 0,5	-	10,4; 9,9; 8,1
		0,0025; 0,004; 0,006; 0,01; 0,016; 0,025; 0,04; 0,06; 0,1; 0,16; 0,25		-	5; 5,2
		0,4; 0,6; 1,0; 1,6; 2,5; 4; 6; 10; 16; 25; 40; 60; 100		-	3; 1,6
Сапфир-22ДВ	Разряж.	0,25·10-4; 4·10-4; 6·10-4; 0,001; 0,0016	0,5; 1	-	9,9; 10,4
		0,0025 – 0,1	0,25; 0,5	-	5; 5,2
Расплав ДИ ППД –10	Избыт.	0,6; 1,0; 1,6; 2,5; 4; 6; 10; 16; 25	0,25; 0,5; 1	Ø38 х 254	0,5
Расплав ДИ ППД -20, 30, 40		0,6; 1,0; 1,6; 2,5; 4; 6; 10; 16; 25; 40; 60; 100	0,25; 0,5; 1	Ø38 х 254	0,35
Расплав ДИ ППД –50		40; 60	0,25; 0,5; 1	Ø20 х 70	0,1
КРТ-7	Избыт.	0,25; 0,6; 1,0; 1,6; 2,5; 4; 6; 10; 16; 25; 40; 60; 100	0,25; 0,5	120х52х31	0,15
ВТ 212	Избыт.	2,8; 4; 5,6; 8; 11; 16; 22; 30; 45; 60; 90; 125	0,6	Ø22 х 545	0,12

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 Д1устанавливается стробоскопический пневмоэлектрический датчикД2. В датчикеД2находится мембрана, подвергающаяся воздействию сгорающей в цилиндре двигателя смеси с одной стороны и сжатого воздуха из баллона с другой. Если давление в камере сгоранияРпревышает давление сжатого воздухаР₀, то происходит замыкание пары контактов.

Д

Рис. 2. 23. Стенд для индицирования двигателей

атчикД2включается 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 Д1в 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 φвеличины давления в камере сгоранияР(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.