лабораторная работа / Сапфир-22д

Цель работы: изучение принципов измерения давления и расходa, 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 ЧЭ преобразуется в показания манометра, а в измерительных преобразователях (ИПД) - в унифицированный выходной сигнал, поступающий в системы измерения, контроля, регулирования и управления. При этом промежуточные преобразователи и вторичные приборы во 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. Основной характеристикой тензоэффекта является коэффициент относительной тензочувствительности, определяемый как отношение изменения сопротивления проводника к изменению его длины:

(1)

где- относительное изменение сопротивления;

- относительное изменение длины.

Для твердых тел относительное изменение сопротивления зависит как от изменения геометрических размеров, так и от изменения удельного сопротивления :

(2)

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

- 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 поверх

ности ( растягивающую или сжимающую), которая преобразуется в

изменение электросопротивления тензорезистора;

- давление, воспринимаемое УЧЭ, преобразуется в сосредоточенную

силу, которая деформирует упругое твердое тело с жестко связанным

с ним тензорезистором.

В отличие 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 диапазонах от 10"5 до 10"8 Ом*м, а диэлектриков от 10'° до 1016Ом*м , то диапазон удельных сопротивлений полупроводников простирается от 10~5 до 104, т.е. охватывает почти 10 порядков. Помимо этого сопротивление полупроводников существенно зависит от содержания в них примесей, подбором которых можно изменять сопротивление в нужном направлении. Количество свободных носителей зарядов ( электронов и дырок) определяет проводимость, а , следовательно, и удельное сопротивление полупроводника. При этом чувствительность такого тензорезистора к его деформации существенно выше, чем изменение сопротивления под влиянием изменения поперечного сечения. Поэтому коэффициент тензочувствительности полупроводникового тензорезистора практически равен к = m. Если для металлических тензорезисторов коэффициент тензочувствительности к = 2, то для кремния k = 125-135 при р-проводимости и к: = - (100-130) при n-проводимости. Это позволяет существенно упростить аппаратуру для усиления выходного сигнала.

Конструктивное выполнение полупроводниковых тензорезисторов аналогично тонкопленочным, а при изготовлении применяются два основных способа:

- полупроводниковый кремниевый тензорезистор наносится на изо

лирующую сапфировую подложку (КНС- структура);

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

В зависимости от конструктивного исполнения полупроводниковые тензорезисторы 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), влияние температуры на коэффициент тензочувстви-тельности. Последнее обстоятельство ограничивает температуру эксплуатации тензорезисторов на КНК структуре 120 °С. В нашей стране серийно изготавливаются полупроводниковые преобразователи типа "Сапфир-22ДД", основанные на КНС структуре.

Расход вещества характеризуется количеством вещества (массовым или объемным), проходящего через определенное сечение канала в единицу времени. Объемными единицами измерения расхода С)У могут быть м3/с, м3/мин, м3/ч, а массовыми Ом - 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 для 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 р₁, - давление до сужающего устройства; р2 - давление после сужающего устройства; F₀ - площадь отверстия сужающего устройства; а - коэффициент расхода сужающего устройства; е - поправочный коэффициент (для несжимаемой среды е=1). Формулу (3) можно представить в виде:

(4)

, где к₀=

Если величину к0 считать постоянной и не зависящей от р, 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 22ДД".

Преобразователи "Сапфир-22ДД" 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 значения 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 кремниевыми 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 кремнийорганической жидкостью, и отделен от измеряемой среды металлическими 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, меньшее - в «минусовую» камеру 12) вызывают прогиб мембраны тензопреобразователя 4 и изменение сопротивления тензорезисторов. Электрический 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 перегрузке 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:

(5)

где - наибольшее предельное значение выходного сигнала, мА; - соответственно минимальное значение, мА; Р - значение измеряемой разности давлений, кПа; - максимальное значение разности давлений, кПа.

Рис. 1.Схема преобразователя Сапфир-22ДД модели 2420

Блок извлечения корня типа 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, предназначенные 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 входным следующей зависимостью:

(6)

где - выходной сигнал, мА;

- диапазон изменения выходного сигнала; — соответственно входного сигнала, мА; — текущее значение входного сигнала, мА.

Таблица измерений

№	h, мм.вод.ст	Р, Па	Iвых1., мА	Iвых2., мА	Q, м3/ч*10-6
1	20	196,133	4,785	1,107	32
2	40	392,266	5,569	1,566	50
3	60	588,399	6,354	1,918	59
4	80	784,532	7,138	2,214	70
5	100	980,665	7,923	2,476	81
6	120	1176,798	8,707	2,712	89
7	140	1372,931	9,492	2,929	100
8	160	1569,064	10,276	3,132	104
9	180	1765,197	11,061	3,322	110
10	200	1961,33	11,845	3,501	112
11	300	2941,995	15,768	4,288	135
12	400	3922,66	19,691	4,941	160

Обработка результатов измерений

Мерой измеряемого давления является высота столба жидкости, которая связана с единицами измерения давления в системе СИ формулой:

P=hgp,

где h- высота столба жидкости, м;

g- ускорение свободного падения, м/с²;

p- плотность жидкости, кг/м³.

Расчет по формуле дает следующее значение размеров единиц:

1мм.вод.ст.=9,80665 Па.

1. В соответствии с этим заполняется второй столбец таблицы.

P₁=20*9,80665=196.133

P₂=40*9,80665=392,266 и т.д.

2. Рассчитываются значения выходного тока преобразователя по формуле (5).

I_вых1.1=(196,133/4000)*(20-4)+4=4,785

I_вых1.2=(392,266/4000)*(20-4)+4=5,569 и т.д.

3. Рассчитываются значения выходного сигнала блока БИК-1 по формуле (6).

I_вых2.1=0+=1,107

I_вых2.1=0+=1,566

4.Строятся зависимости I_вых1=f(Q)

I_вых2=f(Q)

и I_вых1=f(P)