Методы преобразования давления

 

Датчик давления состоит из первичного преобразователя давления, в составе которого чувствительный элемент и приемник давления, схемы вторичной обработки сигнала, различных по конструкции корпусных деталей и устройства вывода (рис. 1). Основным отличием одних приборов от других является точность регистрации давления, которая зависит от принципа преобразования давления в электрический сигнал: тензометрический, пьезорезистивный, емкостной, индуктивный, резонансный.

 

Рисунок 1 – Блок-схема преобразователя давления в электрический сигнал

 

Тензометрический метод

 

В настоящее время основная масса датчиков давления в нашей стране выпускаются на основе чувствительных элементов (рис. 2), принципом которых является измерение деформации тензорезисторов, сформированных в эпитаксиальной пленке кремния на подложке из сапфира (КНС), припаянной твердым припоем к титановой мембране.

Принцип действия тензопреобразователей основан на явлении тензоэффекта в материалах. Чувствительным элементом служит мембрана с тензорезисторами, соединенными в мостовую схему. Под действием давления измеряемой среды мембрана прогибается, тензорезисторы меняют свое сопротивление, что приводит к разбалансу моста Уитстона. Разбаланс линейно зависит от степени деформации резисторов и, следовательно, от приложенного давления.

 

Рисунок 2 – Упрощенный вид тензорезистивного чувствительного элемента

 

Следует отметить принципиальное ограничение КНС преобразователя – неустранимую временную нестабильность градуировочной характеристики и существенные гистерезисные эффекты от давления и температуры. Это обусловлено неоднородностью конструкции и жесткой связью мембраны с конструктивными элементами датчика. Поэтому, выбирая преобразователь на основе КНС, необходимо обратить внимание на величину основной погрешности с учетом гистерезиса и величину дополнительной погрешности.

К преимуществам можно отнести хорошую защищенность чувствительного элемента от воздействия любой агрессивной среды, налаженное серийное производство, низкую стоимость.

Пьезорезистивный метод

 

Практически все производители датчиков проявляют живой интерес к использованию интегральных чувствительных элементов на основе монокристаллического кремния. Это обусловлено тем, что кремниевые преобразователи имеют на порядок большую временную и температурную стабильности по сравнению с приборами на основе КНС структур.

Кремниевый интегральный преобразователь давления (ИПД) представляет собой мембрану из монокристаллического кремния с диффузионными пьезорезисторами, подключенными в мост Уинстона (рис. 3). Чувствительным элементом служит кристалл ИПД, установленный на диэлектрическое основание с использованием легкоплавкого стекла или методом анодного сращивания.

 

Рисунок 3 – Кремниевый интегральный преобразователь давления

 

Для измерения давления чистых неагрессивных сред применяются, решения, основанные на использовании чувствительных элементов либо без защиты, либо с защитой силиконовым гелем (рис. 4).

 

Рисунок 4 – решение для пьезорезистивных чувствительных элементов с использованием защитного покрытия

Для измерения агрессивных сред и большинства промышленных применений применяется преобразователь давления в герметичном металло-стеклянном корпусе, с разделительной диафрагмой из нержавеющей стали, передающей давление измеряемой среды на ИПД посредством кремнийорганической жидкости (рис. 5).

 

Рисунок 5 – Преобразователь давления защищенный от измеряемой среды посредством коррозионно-стойкой мембраны

 

Основным преимуществом пьезорезистивных дачткиков является более высокая стабильность характеристик, по сравнению с КНС преобразователями. ИПД на основе монокристаллического кремния устойчивы к воздействию ударных и знакопеременных нагрузок. Если не происходит механического разрушения чувствительного элемента, то после снятия нагрузки он возвращается к первоначальному состоянию, что объясняется использованием идеально-упругого материала.

Емкостной метод

 

Емкостные преобразователи используют метод изменения емкости конденсатора при изменении расстояния между обкладками. Известны керамические или кремниевые емкостные первичные преобразователи давления и преобразователи, выполненные с использованием упругой металлической мембраны. При изменении давления мембрана с электродом деформируется и происходит изменение емкости.

В элементе из керамики или кремния, пространство между обкладками обычно заполнено маслом или другой органической жидкостью (рис. 6).

 

Рисунок 6 – Емкостной преобразователь давления

 

В данном варианте роль подвижной обкладки конденсатора выполняет металлическая диафрагма.

Достоинством чувствительного емкостного элемента является простота конструкции, высокая точность и временная стабильность, возможность измерять низкие давления и слабый вакуум.

К недостатку можно отнести нелинейную зависимость емкости от приложенного давления.

Резонансный метод

 

Резонансный принцип используется в датчиках давления на основе вибрирующего цилиндра, струнных датчиках, кварцевых датчиках, резонансных датчиках на кремнии. В основе метода лежат волновые процессы: акустические или электромагнитные. Это и объясняет высокую стабильность датчиков и высокие выходные характеристики прибора.

Частным примером может служить кварцевый резонатор (рис. 7). При прогибе мембраны, происходит деформация кристалла кварца, подключенного в электрическую схему и его поляризация. В результате изменения давления частота колебаний кристалла меняется. Подобрав параметры резонансного контура, изменяя емкость конденсатора или индуктивность катушки, можно добиться того, что сопротивление кварца падает до нуля – частоты колебаний электрического сигнала и кристалла совпадают – наступает резонанс.

 

Рисунок 7 – Упрощенный вид резонансного чувствительного элемента, выполненного на кварце

 

Преимуществом резонансных датчиков является высокая точность и стабильность характеристик, которая зависит от качества используемого материала.

К недостаткам можно отнести индивидуальную характеристику преобразования давления, значительное время отклика, не возможность проводить измерения в агрессивных средах без потери точности показаний прибора.

 

Индуктивный метод

 

Индукционный способ основан на регистрации вихревых токов (токов Фуко). Чувствительный элемент состоит из двух катушек, изолированных между собой металлическим экраном (рис. 8). Преобразователь измеряет смещение мембраны при отсутствии механического контакта. В катушках генерируется электрический сигнал переменного тока таким образом, что заряд и разряд катушек происходит через одинаковые промежутки времени. При отклонении мембраны создается ток в фиксированной основной катушке, что приводит к изменению индуктивности системы. Смещение характеристик основной катушки дает возможность преобразовать давление в стандартизованный сигнал, по своим параметрам прямо пропорциональный приложенному давлению.

Рисунок 8 – Принципиальная схема индукционного преобразователя давления

 

Преимуществом такой системы, является возможность измерения низких избыточных и дифференциальных давлений, достаточно высокая точность и незначительная температурная зависимость.

Однако датчик чувствителен к магнитным воздействиям, что объясняется наличием катушек, которые при прохождении переменного сигнала создают магнитное поле.

Подводя итог, приведем основные достоинства и недостатки различных методов преобразования давления в электрический сигнал, результаты сведены в таблице 2.

 

Таблица 2 – Достоинства и недостатки измерителей давления

Достоинства	Недостатки
Тензометрический (КНС-преобразователи)
1. Высокая спень защиты от агрессивной среды. 2. Высокий предел рабочей температуры. 3. Налажено серийное производство. 4. Низкая стоимость.	1 Неустранимая нестабильность градуировачной характеристики. 2. Высокие гистерезисные эффекты от давления и температуры. 3. Низкая устойчивость при воздействии ударных нагрузок и вибраций.
Пьезорезистивный (на монокристаллическом кремнии)
1. Высокая стабильность характеристик. 2. Устойчивость к ударным нагрузк-ам и вибрациям. 3. Низкие (практически отсутствуют) гистерезисные эффекты. 4. Высокая точность. 5. Низкая цена. 6. Возможность измерять. давление различных агрессивных средств.	1. Ограничение по температуре (до 150ºC).
Емкостной 1. Высокая точность. 2. Высокая стабильность харак-теристик. 3. Возможность измерять низкий вакуум. 4. Простота конструкции 1. Зачастую, нелинейная за-висимость емкости от прило-женного давления. 2. Необходимо дополнительное оборудование или электричекая схема для преобразования емкостной зависимости в один из стандартных выходных сигналов. Резонансный 1. Высокая стабильность характеристик. 2. Высокая точность измерения давления. арам 1. При измерении давления агрессивных сред необходимо защитить чувствительный элемент, что приводит к потери точности измерения. 2. Высокая цена. 3. Длительное время отклика. 4.Индивидуальная характеристика преобразования давления в электрический сигнал. Индукционный 1. Возможность измерять дифференциальные давления с высокой точностью 2. Незначительное влияние температуры на точность измерения 1. Сильное влияние магнитного поля 2. Чувствительность к вибрациям и уд

 

Различные сферы применений определяют свои требования к датчикам: для промышленности – надежность и стабильность характеристик, для лабораторных измерений и расходометрии – точность измерения давления и т.д. Еще одним важным параметром является цена датчиков, которые используют тот или иной принцип преобразования давления. Поэтому при выборе преобразователя необходимо определить наиболее выгодный вариант – соотношение цены к возможностям прибора. Очевидно там, где требуется только какой-либо определенный параметр датчика (например, точность или возможность измерять вакуум) соотношение цены к предъявляемым требованиям высокое. В основном это касается резонансных, индукционных, емкостных и ионизационных датчиков.

В большинстве случаев требуется несколько параметров преобразователей: точность, стабильность выходных характеристик, надежность, долговечность, низкая цена. Таким требованиям, как видно из вышеприведенной таблицы, удовлетворяют пьезорезистивные датчики давления и КНС-преобразователи. Выбрав КНС-преобразователи, вы получите надежные датчики работающие при высоких температурах (более 1500ºС), однако теряете в точности и стабильности выходных характеристик, по сравнению с преобразователями на монокристалличеком кремнии. Поскольку в основном требуется высокая стабильность выходных характеристик при невысоких температурах, то интегральные преобразователи давления являются в этом случае оптимальным решением, при невысокой цене.

12	Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: