 |
Линейные изменяющиеся дифференциальные преобразователи (LVDTs)
|
|
|
|
|
Линейные изменяющиеся дифференциальные преобразователи (LVDTs) являются индуктивными устройствами, функционирующими как позиционные датчики и могут подсоединяться к деформирующим компонентам, таким как диафрагмы или сильфоны. Они состоят из (см. рис. 5-11) цилиндра из ферромагнитного материала, который передвигается внутри трубки, на которой намотаны три обмотки. Центральная катушка возбуждается переменным напряжением, и есть две измерительных катушки, по одной на каждой стороне. При перемещении магнитного цилиндра внутри трубки магнитное поле связи изменяется. С помощью подходящей электроники, которая может включать температурную компенсацию, может быть достигнута линейная связь между позицией цилиндра и выходным сигналом.
Технология может быть использована для определения смещений величиной от меньше миллиметра до нескольких сотен миллиметров в специализированных приложениях. Датчики данного типа используются в трансдьюсерах давления, работающих в диапазоне давлений от 0.01 Па до 10 МПа. Цилиндр присоединен к центру диафрагмы или к концу сильфона; Это увеличивает вес и, возможно, объем, занимаемый аппаратурой. Более того, удаленный конец может нуждаться в поддержке. Он может быть более подвержен ускорениям и вибрации, чем емкостной эквивалент и может иметь более слабую частотную зависимость. В основном используется как шаблон или дифференциальный прибор. Измерение в абсолютных единицах реализуется сложно.
5.3.3.5 Датчик деформации
|
Датчики деформации это главным образом приборы, в которых электрическое сопротивление изменяется при растяжении или сжатии. При подсоединении или встраивании в диафрагмы могут использоваться для измерения перемещения диафрагмы (или другого перемещающегося элемента), вызванного действием давления. На практике эта методика обычно используется в датчиках давления и четыре таких прибора обычно соединены в мостовой схеме Витстоуна как показано на рисунке 5-12. Явление изменения сопротивления в результате растяжения, вызванного механической силой, называется пьезосопротивлением. Оно возникает у большинства проводников и полупроводников.|
|
|
При растягивании (натяжении) металлического провода он станет длиннее и тоньше, его сопротивление увеличится на величину, связанную с геометрией и пьезосопротивлением. В этом примере оно может быть выражено как:
DR/R =S (DL/L), (4)
где R - сопротивление провода;
S - константа пропорциональности, известная как коэффициент датчика;
L - длина провода.
Коэффициент датчика намного больше в полупроводниках, чем в металлах- обычно приблизительно в 50 раз больше -потому что вклад пьезо-сопротивления в коэффициент датчика в полупроводниках больше. Это делает их намного более чувствительными и пригодными для использования в качестве датчиков деформации. Действительно, в контексте измерений давления предполагается, что термин пьезорезистивность относится исключительно к полупроводниковым приборам.
Так называемые присоединенные датчики деформации - называются так, потому что они присоединяются к поверхности элементов - датчиков давления, обычно диафрагмам. Они могут быть изготовлены из металлической фольги, силикона, тонкой или толстой пленки. Эффективность инструмента будет зависеть не только от материала, из которого изготовлен датчик информации, но также и от качества сцепления и качества диафрагмы.
Сравнительные характеристики могут быть получены для разных приборов, и лучший выбор может быть сделан путем подгонки характеристик прибора под пользовательские приложения.
|
|
|
Датчики деформации могут быть также подсоединены к конструктивному элементу растяжения, который неподвижно крепится к одному концу и соединяется посредством стержня с диафрагмой на другом конце.
Монолитные пьезорезистивные силиконовые приборы изготовлены с использованием технологий, подобных тем, которые используются в производстве интегрированных цепей, при этом диафрагмы растяжения изготавливаются из силикона с областями, покрытыми бором. Пьезорезистивная константа силикона (и других полупроводников) определяется уровнем этого покрытия и кристаллической осью. Это обычный экономичный способ изготовления трансдьюсеров давления.
Силикон обнаруживает превосходную эластичность вплоть до точки излома, что обусловливает высокую устойчивость к перегрузкам давления и низкий гистерезис. По прочности силикон сравним со сталью, но малая масса силиконовой диафрагмы является причиной меньшего времени отклика и низкой чувствительности к ускорению.
Подобные силиконовые датчики часто устанавливаются в полостях, заполненных маслом, изолированных от сред, находящихся под давлением (иногда даже от сред сравнения), тонкими металлическими диафрагмами. В результате может быть измерено давление в средах, несовместимых с силиконом. Материал, из которого изготовлена изолирующая диафрагма, - это обычно нержавеющая сталь, однако могут использоваться и другие материалы - в зависимости от характера решаемых задач. Наличие такой изолирующей диафрагмы значительно увеличивает число возможных приложений, основанных на применении силикона. Полость, заполненная маслом также обеспечивает необходимую степень механического затухания, что защищает трансдьюсер от вхождения в резонанс (смотрите разделы 6.3.5 и 9.1.1).
Имеются трансдьюсеры давления, основанные на растяжении, с широким спектром сигнальных условий от c диапазоном выходных сигналов от 4 mA до 20mA, от 0 mV до 100 mV и от 0 V до 5V.
Имеются датчики давления, основанные на растяжении, с широким спектром сигнальных условий от c верхним пределом давлений от 1kPa до 100 MPa. Они производятся в вариантах для абсолютных измерений, относительных измерений и калибровочных измерений.
|
|
|
5.3.3.6 Вибрирующие структуры
|
Вибрирующие структуры присоединяются к элементам деформации, например, диафрагмам, таким образом, что деформация вызывает изменения степени их сжатия/растяжения, изменяя в результате их резонансную частоту. Это подобно увеличению натяжения струны музыкального инструмента, приводящему к увеличению высоты звучания. Поскольку данные приборы могут быть изготовлены с чрезвычайно ‘острыми’ резонансными частотами, представляется возможным определить малейшие изменения в частоте относительно резонансного значения и,естественно, в давлении.
В такой реализации, пример которой представлен на рис. 5-13, резонирующий элемент не находится непосредственно в среде, подвергающейся давлению, а расположен позади деформирующего элемента или встроен в него. Если резонирующая структура подвергается воздействию среды давления, приборные характеристики давление\частота в определенной степени должны зависеть от плотности этой среды. Следует заметить, что плотность среды зависит от ее влажности.
В первом типе датчиков, реализующих эту идею, использовался тонкий вибрирующий провод, натянутый между краем мехов или центром диафрагмы и жестким элементом, прикрепленным к базе мехов или к краю диафрагмы. В последних модификациях используются самоподдерживающиеся структуры, такие как одиночные или множественные лучи, для того чтобы обеспечить высокие естественные частоты без предварительного натяжения. Это обеспечивает временную стабильность. Структуры, изготовленные из кристаллического кварца, дают низкий гистерезис, и имеются малогабаритные приборы, изготовленные по микротехнологиям, подобным тем, которые используются в полупроводниковой промышленности. Такие прибоы, главным образом, используются в тех областях, в которых требуется высокая точность, а высокеая стоимость сложной электроники компенсируется малыми размерами и легкостью интеграции в цифровые системы управления. Выпускаются модели для измерения давлений в диапазоне до нескольких сотен Мпа. Необходима компенсация температуры, а механические компоненты могут обусловить некоторую чувствительность к положению прибора.
|
|
|
5.4 Прямые резонансные датчики давления
В этих приборах давление подается непосредственно к вибрирующей части датчика в отличие от других типов резонирующих приборов, описанных в пункте 5.3.3.6, в которых отклонения или другие проявления давления в диафрагме измеряются по их воздействию на резонатор.
Использование резонансных устройств в датчиках давления позволяет получать приборы с очень высокой стабильностью. Их резонансная частота либо изменяется как функция плотности среды, которая для данной конкретной среды равна величине давления, либо она может изменяться в зависимости от давления, вызываемого сжимаемой средой. Резонирующие устройства обычно имеют форму цилиндрических металлических сосудов или представляют собой разнообразно обрезанные и/или сжатые кварцевые кристаллы.
В одной из конструкций вибрирующий сосуд наполнен газом, находящимся под давлением; цилиндр находится в возбужденном состоянии, и его резонансная частота измеряется электромагнитным способом. Строго говоря, такие ‘прямые’ резонансные датчики давления до некоторой степени чувствительны к плотности газа, давление которого измеряется, а следовательно, к его составу и температуре (газы меняют массу резонирующей системы). Поэтому для лучшей работы датчики используются с чистыми газами, такими как азот. Замена лабораторного воздуха на азот при относительной влажности 50%, атмосферном давлении и комнатной температуре может уменьшить показания давления приблизительно на 0.05%. Важно избегать определенных видов соединительных труб, таких как резиновые или нейлоновые. Они могут пропускать значительное количество влаги, которая, в свою очередь, может реконденсироваться в датчике.
В другой устойчивой широко применяющейся конструкции используется инверсный пьезоэлектрический эффект (электрический заряд, вызывающий отклонение) для того, чтобы возбудить и поддерживать естественный резонанс в кварцевом кристалле. В режиме слоистого среза давление среды вызывает центробежную силу, воздействующую на кристалл, изменяя его резонансную частоту.
Несмотря на непосредственное погружение в среду давления, данные трансдьюсеры сконструированы таким образом, что масса резонатора остается существенно постоянной, и поэтому они менее чувствительны к плотности среды давления, чем резонирующий сосуд. Они часто используются в сочетании с изолирующей диафрагмой (смотрите раздел 6.3.5) с целью защитить кристалл от воздействия агрессивных сред.
|
|
|
|
5.5 Пьезо-электрические приборы
Определенные кристаллические вещества при воздействии на них внешнего давления вырабатывают напряжение между их поверхностями. Этот пьезоэлектрический эффект может использоваться для измерения давления, несмотря на то, что это напряжение действует в течение короткого промежутка времени и поэтому требуются специальные средства его измерения с помощью высокоимпедансного зарядного усилителя. Это датчик самогенерирующего типа, не требующий внешнего источника питания. Отклик очень быстрый, что делает эти датчики подходящими для измерения динамических и пиковых давлений. Они не годятся для измерения постоянных давлений. В качестве основного материала используется кварц, хотя некоторые виды керамики также выказывают пьезоэлектрические свойства. Главная область применения данного типа датчиков – измерение давлений, меняющихся с очень высокой частотой, например, измерений давлений в камерах сгорания двигателей внутреннего сгорания. Кроме того, эти датчики устойчивы к большим перегрузкам давления. Рис. 5.15 иллюстрирует поперечный пьезоэлектрический эффект (в противоположность продольному). В поперечном случае нагрузка вдоль оси y приводит к заряду вдоль оси х.
 |
Рис. 5-15.
5.6. Устройства баланса давлений и грузопоршневые манометры
Устройства баланса давлений широко используются для измерения вычисляемых давлений в диапазоне 3 кПа (газовая среда, абсолютный или относительный режимы измерений) до 1 Гпа (гидравлика, относительный режим измерений). Эти устройства имеют следующую конструкцию. Точно обработанный поршень установлен в плотно облегающий его цилиндр. Давление, требуемое для поддержки вращающегося поршня и связанного с ним груза, вычисляется по фундаментальному соотношению между тремя величинами - массой, длиной и временем:
Давление = сила/площадь = mg/ A, (5)
где m – масса поршня и связанного с ним груза,
g – местное значение гравитационного ускорения,
A – эффективная площадь комбинации поршень-цилиндр, приравненная площади, ограниченной нейтральной поверхностью среды между поршнем и цилиндром.
Строго говоря, равенство определяет превышение измеряемого давления над атмосферным давлением воздуха, окружающего верхушку поршня и набора грузов. Таким образом, если устройство окружено атмосферой, вычисленное значение давления есть относительное значение. Если же устройство смонтировано в вакуумной камере, то имеем абсолютную величину. Между поршнем и цилиндром предусмотрен небольшой зазор, и когда поршень вращается в цилиндре, он центрируется горизонтальными силами в среде давления, в результате обеспечивается отсутствие контакта между поршнем и цилиндром. Если же зазор между поршнем и цилиндром слишком мал, поршень не будет вращаться свободно, и силы трения будут вносить существенные ошибки. Если же зазор слишком велик, то жидкость под давлением будет выплескиваться наружу, в результате поршень будет падать быстро внутрь цилиндра. Заметим, что необязательно враать поршень: в некоторых конструкциях цилиндр вращается вокруг поршня.
Грузы обычно устанавливаются или непосредствено на вершину поршня, или посредством двухконсольного носителя грузов. Последний снижает центр тяжести и может улучшить стабильность давления. Предпочтительным материалом для грузов и носителей грузов является немагнитная нержавеющая сталь, поскольку она более устойчива, чем другие материалы, такие как латунь или чугун.
Устройство баланса давлений известны как поршневые устройства. При оснащении их средствами управления давлением, дополнительными портами давления, грузами и т.д. подобные системы называются грузопоршневыми манометрами. Не все практики делаю разницу между этими терминами, и грузопоршневой манометр часто используется как универсальное описание.
|
В другой конструкция используется силовой баланс в соединении со сборкой поршень-цилиндр для измерения давлений в широком диапазоне; они известны как поршневые манометры.
В следующей разновидности используется невращающийся поршень большой площади и фиксированной массы, смонтированный на электронном силовом балансе для создания относительно малых шкал и дифференциальных давлений, обычно между 1 Па и 3 кПа. Такие давления могут генерироваться приборами, использующими вместо поршня диски с коническими сторонами, которые ‘плавают’ в соответствующей конической конструкции; строго говоря, это не устройства баланса давлений, поскольку их эффективная площадь не так четко определена и может изменяться в зависимости от скорости потока, которая значительно выше, чем в традиционных устойствах баланса давлений. Приборы типа “шарик в конусе” также используются для генерации широкого спектра газовых давлений; они также не являются классическими устройствами баланса давлений, обладают более высокими неопределенностями измерений, но частично подходят для полевого использования.
Равенство 5 упрощенное; на практике должно быть расширено, для того чтобы учесть другие факторы [16]. Эффективная площадь изменяется в зависимости от температуры, а также от давления – с ростом давления поршень имеет тенденцию сходить на конус к базе, тогда как цилиндр имеет тенденцию расширяться, хотя конструкции ‘входящего угла ’ в определенной степени снижают эффект за счет подачи давления к внешней поверхности цилиндра, таким образом сжимая его по мере роста давления. Это помогает ликвидировать зазор между поршнем и цилиндром, увеличивающийся с ростом давления, но данная конструкция предполагает наличие других сложностей, а потому не следует полагать, что приборы “входящего угла ” являются чем- то вроде метрологической панацеи. Эффект температурных изменений может быть учтен, если известен коэффициент расширения материала, из которого изготовлены поршень и цилиндр, но данные искажения должны быть определены при калибровке. При очень высоких давлениях (сотни МПа) эти искажения могут свести на нет измерения. При определении полной силы, действующей сверху вниз на поршень, следует принимать во внимание эффекты плавучести поршня и масс, а также должно быть сделано допущение о разнице высот между днищем поршня и точкой приложения силы давления. Метод принятия данного допущения могут зависеть от того, является среда давления газом или жидкостью. Если это жидкость, должна быть сделана поправка на давление столба жидкости (см. главу 10.3). Тот же метод может быть применен для газа. В случае грузопоршневых манометров с газовой рабочей средой возможно вычислить модифицированную величину площади (иногда называемую условной площадью), что предполагает располагать уровень отсчета в позиции более удобной, чем днище поршня. Это возможно, потому что величина поправки на давление столба жидкости пропорциональна давлению, но следует заметить, что модифицированная величина действительна только для газов определенной плотности – если используются другие газы или температуры, поправка будет не верна.
В большинстве традиционных устройств баланса давлений используются поршни и цилиндры, изготовленные из усиленных и стабилизированных приборных сталей или вольфрамизированного карбида, которые относительно износоустойчивы, как несколько более современных керамических компонентов.
Диаграмма, иллюстрирующая использование грузопоршневого манометра для калибровки круговых шкал и трансдьюсеров, представлена на рис. 7-4 главы 7.10. Характеристики всех приборов, описанных в главе 5.6, в значительной степени зависят от вариаций гравитационного ускорения – в целом около 0.5 % во всем мире. Поэтому, за исключением самых грубых применений, местная величина гравитационного ускорения должна быть известна. В главе 9.1.10 описан процесс определения местных значений гравитационного ускорения.
5.7 Технологии умножения и деления
Данные логометры (“пропорциометры”) основаны на комбинациях соосных связанных поршне-цилиндровых модулей, подобных тем, которые применяются в устройствах баланса давлений, они или умножают, или делят величину давления на коэффициент, связанный с соотношением площадей поршень-цилиндр. В одной конструкции, содержащей три соосных связанных поршне-цилиндровых модуля, средний поршень имеет эффективную площадь в 10 или 100 раз большую площади верхнего и нижнего поршней. В рабочем состоянии масса трех поршневых сборок удерживается в равновесии устройством баланса давлений с масляной средой, присоединенным к нижней поверхности нижнего поршня, за счет давления в камерах между уравниваемыми поршнями. Для генерации дифференциального давления камеры давления изолируются, и груз подходящей массы устанавливается устройство баланса давлений. После установления равновесия дифференциал давлений между камерами вычисляется по изменению гидравлического давления и соотношению площадей разделяющих поршней. Хотя обычно данные устройства используются вместе с устройствами баланса давлений, они могут использоваться и с другими источниками известных отсчетных давлений.
5.8 Разнообразные технологии измерения давлений свыше 0.1 ГПа
Технологии измерения давлений в диапазоне от 0.1 ГПа до 1 ГПа по своей сути такие же, как и для измерения более низких давлений. Главные отличия состоят в том, что составляющие компоненты должны быть изготовлены способными выдерживать более высокие давления, более апристальное внимание уделяется безопасности, а доступность рабочих потоков становится ограниченной. Технологии измерения давлений очень разнообразные, здесь приводится только краткая сводка, а интересующиеся читателя могут обратиться к специальным источникам, приведенным в рекомендациях для чтения [27] [28].
Для измерения давлений до 1.5 ГПа могут быть использованы устройства баланса давлений, хотя при этих давлениях часто используется конструкция с контролируемым зазором, в которой промежуток между поршнем и цилиндром изменяется в результате применения отдельного “обволакивающего ” давления. Исследовательские аппараты данного типа были изготовлены даже для использования при более высоких давлениях. Верхний предел давлений технологий применения устройств баланса давлений обычно достигается, когда потери жидкости между поршнем и цилиндром становится недопустимо высокими и давление внутри прибора поддерживаться не может или же поток становится неизотропным.
Резистивные приборы давления стали ниболее популярными и зависимыми от приборов высокого давления, поскольку охватывают широкий диапазон давлений от 0.1ГПа до 100 ГПа и не включают какое-либо сложное оборудование. Сопротивление металов изменяется как функция температуры, давления и состава. Это следует из изменений в электронном и структурном порядке атомов в металле при воздействии давления. Коэффициент сопротивления также зависит от температуры. Таким образом хотя манганин является наиболее широко используемым сплавом при комнатной температуре, церанин более предпочтителен для использования при низких температурах. Манганиновые приборы давления сконструированы в их собственных ограждениях, которые могут быть посредством трубы соединяться с исследуемой системой таким же образом, как с трансдьюсерами датчика деформации. Оба эффекта гистерезиса и старения могут быть существенны.
Элементы модуля объемного сжатия используют стержень, один конец которого закреплен. На стержень воздействует трехмерное давление, которое укорачивает осевую длину стержня. Это следует из изменения объема стержня по мере действия давления, и поэтому наблюдается сжимаемость или модуль объемного сжатия стержня. Для измерения изменений осевой длины используются электрические или оптические методы.
В Ультразвуковых приборах резонансная частота кварца перпендикулярного среза изменяется как функция давления. Коммерческие приборы с этим принципом работы доступны в продаже, и могут использоваться для измерения давлений около 0.25 ГПа.
5.9 Приборы теплопроводности
Энергия, передаваемая от горячего провода через газ, может использоваться для измерения давления. Тепло передается газу путем столкновений молекул с проводом, т.е. за счет теплопроводности, и скорость передачи тепла зависит от теплопроводности газа. Поэтому работа этих приборов в большой степени зависит от состава газа. В области низкого давления, где существует молекулярный поток (число Кнудсена больше 3, где число Кнудсена равно среднему свободному пробегу/ характерному размеру системы) передача тепла пропорциональна давлению. Когда число молекул газа возрастает, газ становится более плотным, и молекулы чаще начинают сталкиваться друг с другом. В этой так называемой области передачи потока (или скользящего потока 0.01<число Кнудсена<3) простая пропорциональность передаваемого тепла давлению более не является действительной. Даже при более высоких давлениях (число Кнудсена<0.01) теплопроводность почти не зависит от давления. Здесь конвекционное охлаждение горячих поверхностей обычно является доминирующим источником передачи тепла.
5.9.2. Приборы Пирани
Потери тепла от провода (диаметром обычно от 5 мкм до 20 мкм) могут определяться косвенно с помощью контура моста Уитстона, который как нагревает провод, так и измеряет его сопротивление и следовательно его температуру. Существует два общих типа нагреваемых элементов. Традиционный и гораздо более общая конфигурация состоит из тонкого металлического провода, подвешенного в головке прибора. Другая конструкция является структурой машинной микрообработки, обычно изготавливается из кремния, покрытого тонкой металлической пленкой, такой как платина.
|
Основной недостаток приборов Пирани заключается в их сильной зависимости от состава газа и их ограниченной точности. Воспроизводимость приборов Пирани обычно довольно хорошая до тех пор, пока не произойдет сильное загрязнение. Диапазон измерений приборов Пирани приблизительно от 10-2 Па до105 Па, но наилучшие технические характеристики достигаются между 0.1 Па и 1000 Па.
|
|
|
