Министерство высшего и профессионального образования РФ.

Саратовский государственный технический университет.

БИТТиУ.

Кафедра УИТ.

Лабораторная работа по курсу:

Элементы и устройства СУ.

Исследование принципа действия преобразователя разности давлений « Сапфир – 22ДД».

Выполнили студенты группы УИТ 42В

Бармин А

Васенин А

Колчанов В

Манышев Ю

Проверил преподаватель

Токарев АН

Балаково 2002 г.

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 функциональное различное 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. 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 сопротивления проводника к изменению его длины:

(1)

где _R – относительное изменение сопротивления;

_L – относительное изменение длины.

Для твердых тел относительное изменение удельного сопротивления:

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 поверхности (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 10⁸ Ом*м, а диэлектриков от 10¹⁰ до Ю¹⁶ Ом*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) определяем 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 k = m. Если для металлических тензорезисторов коэффициент тензочувствительности k = 2, то для кремния k = 125-135 при р-проводимости и k = - (100-130) при п-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 изолирующую сап­фировую подложку (КНС - структура),

-полупроводниковый кремниевый тензорезистор с р-проводимостью наносится на кремниевую подложку с n-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 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 Q_V могут быть м³/с, м³/мин, м³/ч, а массовыми q_m - 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:

где, p₁ - давление до сужающего устройства; р₂ - давление после сужающего устройства;

fo - площадь отверстия сужающего устройства; а - коэффициент расхода сужающего устройства;  - поправочный коэффициент (для несжимаемой среды  = 1). Формулу (3) можно представить r виде:

Если величину k₀ 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%.