лабораторная работа / Лаба Сапфир

Цель работы: изучение принципов измерения давления и расхода, исследование конструкции и характеристик преобразователя разности давлений "Сапфир- 22ДД"

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ

Измерение давления необходимо практически в любой области науки и техники как при изучении происходящих в природе физических процессов, так и для нормального функ­ционирования технических устройств и технологических процессов, созданных человеком. Давление определяет состояние веществ в природе ( твердое тело, жидкость, газ). По давле­нию контролируют состояние рабочих сред в различных технологических процессах нефте­химической промышленности.

Современные средства измерений давления представляют собой измерительные систе­мы, звенья которых имеют различное функциональное назначение. Важнейшим элементом любого средства измерения давления является его чувствительный элемент (ЧЭ), который воспринимает измеряемое давление и преобразует его в первичный сигнал, поступающий в измерительную цепь прибора. С помощью промежуточных преобразователей сигнал от Ч'Э преобразуется в показания манометра, а в измерительных преобразователях (ИЦЦ) - в унифицированный выходной сигнал, поступающий в системы измерения, контроля, регулирования и управления. При этом промежуточные преобразователи и вторичные приборы шо многих случаях унифицированы и могут применяться в сочетании с ЧЭ различных типов.

Принцип действия резистивных манометров основан на изменении активного сопротивления проводника при его механической деформации. Впервые этот эффект (тензоэффект) был рассмотрен английским физиком В. Томпсоном в 1856г. Однако широкомасштаб­ное внедрение тензорезисторной техники в промышленность началось только во второй половине 20-го века. Основной характеристикой тензоэффекта является коэффициент относительной тензочувствительности, определяемый как отношение изменения сопротивлении проводника к изменению его длины:

k = ε_R/ε_L (1) где

ε_r- относительное изменение сопротивления;

ε_l- относительное изменение длины.

Для твердых тел относительное изменение сопротивления зависит как от изменения геометрических размеров, так и от изменения удельного сопротивления : k = 1 + 2μ + m, (2)

где ц - коэффициент Пуассона ( для металлов μ = 0,24 - 0,4);

m = (Δр/р) / (Δl / l) - изменение удельного сопротивления материала, связанное с изменением его физических свойств.

Принципиальное отличие тензометрического метода измерения давления состоит в том, что мерой давления является не перемещение заданной точки УЧЭ в осевом направле­нии, а деформации поверхности УЧЭ или поверхности связанного с ним тела. Выделяют следующие основные типы тензорезисторов: проволочные, фольговые, тонкопленочные и полупроводниковые. При этом находят применение два основных вида преобразования давления:

- давление, воспринимаемое УЧЭ, вызывает деформацию его поверхности ( растягивающую или сжимающую), которая преобразуется в изменение электросопротивления

тензорезистора; - давление, воспринимаемое УЧЭ, преобразуется в сосредоточенную силу, котораядеформирует упругое твердое тело с жесткосвязанным с ним тензорезистором.

В отличии от металлических тензорезисторов, сопротивление которых изменяется вследствие деформации поперечного сечения, в полупроводниковых тензорезисторах чувст­вительным к натяжению является удельное сопротивление, которое занимает очень широкий диапазон значений. Если удельное сопротивление проводников находится в диапазонам от 10"⁵ до 10~⁸ Ом*м, а диэлектриков от 10¹⁰ до 10¹⁶ Ом*м , то диапазон удельныгх сопротивлений полупроводников простирается от 10"⁵ до 10⁴ , т.е. охватывает почти 1.0 порядков. Помимо этого сопротивление полупроводников существенно зависит тот содержания в них примесей, подбором которых можно изменять сопротивление в нужном направлении. Количество свободных носителей зарядов ( электронов и дырок) определяем проводимость, а , следовательно, и удельное сопротивление полупроводника. При этом чувствительность такого тензорезистора к его деформации существенно выше, чеш изменение сопротивления под влиянием изменения поперечного сечения. Поэтому коэффициент тензочувствительности полупроводникового тензорезистора практическ и равен k = m. Если для металлических тензорезисторов коэффициент тензочувствительностги k = 2, то для кремния k = 125-135 при р-проводимости и k = - (100-130) при п-проводимостн. Это позволяет существенно упростить аппаратуру для усиления выходного сигнала.

Конструктивное выполнение полупроводниковых тензорезисторов аналогично тонки-пленочным, а при изготовлении применяются два основных способа:

- полупроводниковый кремниевый тензорезистор наносится на изолирующую сапфш-ровую подложку (КНС- структура);

-полупроводниковый кремниевый тензорезистор с р-проводимостью наносится н;а кремниевую подложку с п-проводимостью (КНК-структура).

В зависимости от конструктивного исполнения полупроводниковые тензорезисторьы применяются для измерения абсолютного, избыточного и разности давлений. Их преимуще­ствами являются: высокий коэффициент тензочувствительности, возможность миниатюризации чувствительного элемента, непосредственное применение преимуществ микроэлек­троники. К недостаткам можно отнести: сложность технологии изготовления ЧЭ, хрупкость ЧЭ ( что ограничивает их применение в условиях сотрясений и скачков давления), влиянию температуры на коэффициент тензочувствительности, Последнее обстоятельство ограничи­вает температуру эксплуатации тензорезисторов на КНК структуре 120 °С. В нашей стране серийно изготавливаются полупроводниковые преобразователи типа "Сапфир-22", основанные на КНС структуре.

Расход вещества характеризуется количеством вещества (массовым или объемным)), проходящего через определенное сечение канала в единицу времени. Объемными единицами измерения расхода Qv могут быть м³/с, м^э/мин, м³/ч, а массовыми qm - кг/ч, т/ч. При этом измеряют мгновенный расход - значение расхода в данный момент времени; средний расход - осредненное за какой-либо промежуток времени значение расхода; "пиковый" рас­ход - максимальное значение расхода, которое наблюдалось на заданном промежутке времени.

Мгновенные расходы измеряют, как правило, при управлении технологическими процессами, обеспечении оптимальных режимов работы энергетических установок и тепловых двигателей; средние расходы - при испытаниях, определении "расходных характеристик'" объектов и процессов ( например, при оценках удельных расходов топлива различных двигателей, дебита нефтяных и газовых скважин и т.п.), при учётных операциях; "пиковые" рас­ходы характерны ля исследовательских работ, связанных, например, с долгосрочными про­гнозами поведения грунтовых и сточных вод, паводковых явлений в каналах и руслах.

Одним из наиболее старых и хорошо изученных методов измерения расхода является метод переменного перепада давления, основанный на измерении перепада давления, обра­зующегося в результате местного изменения скорости потока жидкости с помощью сужаю­щего устройства.. Уравнение расхода имеет вид:

(3)

где, p₁ - давление до сужающего устройства; Р2 - давление после сужающего устройства;

Fo - площадь отверстия сужающего устройства; α - коэффициент расхода сужающего устройства; ε - поправочный коэффициент ( для несжимаемой среды ε =1). Формулу (3) можно представить в виде:

Если величину ko считать постоянной и не зависящей от Q, то между расходом и перепадом будет квадратичная зависимость. Следствием указанной зависимости являются: малый диапазон измерения каждого данного расходомера и резкая неравномерность шкалы. Обычно точность расходомерного дифманометра гарантируется только в пределах от 30 до 100%.

Универсальный преобразователь "Сапфир 22".

Преобразователи "Сапфир-22" предназначены для работы в САР и САУ технологиче­скими процессами и обеспечивают непрерывное преобразование значения измеряемого па­раметра - давления избыточного, абсолютного, разрежения, разности давлений нейтральных и агрессивных сред в унифицированный токовый выходной сигнал дистанционной переда­чи. Преобразователи разности давлений могут использоваться для преобразования значение уровня жидкости, расхода жидкости или газа, а при совместной работе с блоком извлечения! корня БИК-1 могут использоваться для получения линейной зависимости между выходным сигналом и измеряемым расходом.

Преобразователь состоит из измерительного блока и электронного устройства. Дефор­мация чувствительного элемента от значения измеряемого параметра вызывает изменение электрического сопротивления тензорезисторов тензопреобразователя, размещенного в из­мерительном блоке. Электронное устройство преобразователя преобразует изменение со­противления в токовый выходной сигнал. Чувствительным элементом тензопреобразователя является пластина из монокристаллического сапфира с кремневым пленочными тензорезисторами прочно соединенная с металлической мембраной.

На рис.1 представлена конструкция преобразователя разности давлений "Сапфир-22 :-ДЦ". Модель 2420.

Тензопреобразователь 4 мембранно-рычажного типа размещен внутри основания 9 в замкнутой полости 11, заполненной кремний - органической жидкостью, и отделен от изме­ряемой среды металлическим гофрированными мембранами 8. Мембраны 8 приварены по наружному контуру к основанию 9 и соединены между собой центральным штоком 6, который связан с концом рычага тензопреобразователя 4 с помощью тяги 5. Фланцы 10 уплот­нены прокладками 3. Воздействия измеряемой разности давлений (большее давление подается в «плюсовую» камеру 7, меньше - в «минусовую» камеру 12) вызывают прогиб мембра­ны тензопреобразователя 4 и изменение сопротивления тензорезисторов. Электрическим сигнал от тензопреобразователя передается из измерительного блока в электронное устрой­ство 1 по проводам через вывод 2.

Измерительный блок выдерживает без разрушения воздействие односторонней пере­грузки рабочим избыточным давлением. Это обеспечивается тем, что при такой перегрузка одна из мембран 8 ложится на профилированную поверхность основания 9.

Расчетное значение выходного сигнала в любом диапазоне измерения для преобразователей разности давлений определяется по формуле:

Iрасч = (Р/ Рmах) *(Imах - Imin) + Imin (5)

где Imax - наибольшее предельное значение выходного сигнала, мА Imin — соответственно минимальное значение, мА. Р - значение измеряемой разности давлений, кПа. Ртах - максимальное значение разности давлений, кПа.

Блок извлечения корня БИК-1.

Эти блоки предназначены для линеаризации статической характеристики дифманометров типа «Сапфир-22ДД». Блок конструктивно состоит из шасси, корпуса и функциональ­ных узлов. Соответствующие функциональные узлы объединены в отдельные модули. Каж­дый модуль представляет собой плату, оканчивающуюся печатными панелями, предназна­ченными для вставки в разъемы, расположенные на общей коммутационной плате. На шас­си крепится общая коммутационная плата, планка с силовым трансформатором и направляющие, предназначены для установки плат модулей. Шасси может быть выдвинуто из кор­пуса без разрыва электрических цепей, что обеспечивается наличием плоского гибкого жгу­та, соединяющего шасси с тринадцатизажимной колодкой, расположенной на корпусе бло­ка; жгут и шасси соединены через разъем. БИК-1 обеспечивает формирование унифициро­ванного выходного сигнала, связанного с выходным сигналом след, зависимостью.

(6)

где 1вых — выходной сигнал, мА. А1вых - диапазон изменения выходного сигнала, Д1вх - соответственно входного сигнала, мА. 1вх - текущее значение входного сигнала, мА

Таблица №1

№	h, мм вод. ст.	Р, Па	Iрас, мА	Iвых, мА	Q, м3/ч*10-6
1	15	147000	4,96	0	50
2	50	490000	7,2	1,92	90
3	55	539000	7,52	2,06	95
4	60	588000	7,84	2,18	100
5	80	784000	9,12	2,62	112
6	110	1078000	11,04	3,17	130
7	140	1372000	12,96	3,64	145
8	180	1764000	15,52	4,18	165
9	200	1960000	16,8	4,43	170
10	250	2450000	20	5	205

Расчеты производились по формулам:

P=hgρ;

Iрасч = (Р/ Рmах) *(Imах - Imin) + Imin;

.