Пьезоэлектрические манометры

В пьезоэлектрических манометрах использовано явление пьезоэлектрического эффекта, который заключается в возникновении электрических зарядов на поверхности некоторых материалов, подвергнутых сжатию в определенном направлении. К таким материалам относится кварц, обладающий высокими механическими свойствами и постоянными пьезоэлектрическими свойствами в широком температурном интервале от 0⁰С до 500⁰ С. Кроме кварца, в последнее время широкое применение получил также титанат бария. По величине электрического заряда, возникающего при сжатии кварцевой пластинки, подвергнутой Х-срезу, можно определить величину приложенного давления. Пьезоэлектрические манометры предназначены для измерения скорости изменения давления. Не используются для измерения статических давлений из-за токов утечки.

 

 

Рис.4- Структурная схема пьезометрического дифференциатора давления.

 

Представляют собой (рис.4) чувствительный пьезокварцевый столбик 3, набранный из нескольких кварцевых элементов и помещенный в полости манометра образованного его корпусом 1 и мембранами 2.

Измеряемое давление p преобразуется мембранами 2 в силы, сжимающие чувствительный пьезокварцевый столбик 3.

В результате изменения давления вследствие прямого пьезоэлектрического эффекта на гранях пьезоэлементов появляются положительные и отрицательные заряды, которые посредством электрических выводов стекают через резистор R. Падение напряжения на этом резисторе подается на электронный блок 4 и преобразуется в унифицированный сигнал I_вых, значение которого может быть выражено следующим уравнением:

где; Кп – постоянный коэффициент, А∙ Па^-1∙с; р – давление, Па; t - время, с.

Выпускаемые приборостроением дифференциаторы давления имеют приделы от 0 МПа/с. до 2,5 МПа/с.

Класс точности 0,6.

Манометры сопротивления

Принцип действия манометров сопротивления (тензорезисторных) основан на исполь­зовании зависимости электрического сопротивления чувствительного элемента от измеряемого давления. В промышленности применяются манометры сопротивления с чувствительными элемен­тами в виде катушек с однослойной намоткой манганиновой прово­локи диаметром 0,05 мм, намотанной бифилярно. Электрическое сопротивление будет изменяться линейно согласно уравнению:

∆R=wRp

где; w— пьезокоэффициент, величина которого зависит от материала проводни­ка, м²/Н; р — измеряемое давление, Па.

Вследствие небольшой величины пьезокоэффициента манганина w _м= (2 ÷ 2,5)·10^-7 м²/Н, подобные манометры применяются для изме­рения сравнительно высоких давлений.

Этот метод изме­рения давления является наиболее перспективным в настоящее время, что связано с достиже­ниями в области тонкопленочной технологии, полупроводниковой техники и микроэлектроники, открывшими широкие возможности для создания совершенных, высокостабильных и надежных тензорезисторных преобразователей.

В измерительных преобразователях давления «Кри­сталл» и «Сапфир» чувствительным элементом является сапфировая мембрана, обладающая упругими свойствами близкими к идеальным, на которой специальными методами выращена гетероэпитаксиальная пленка (сцепление за счет молекулярных сил) например кремния, обладающая тензорезистивным эф­фектом. Нанесение тензоэлементов таким образом позволяет отказаться от клеящих материалов и улучшить метрологические характеристики преобразователей.

Под действием избыточного давления сапфировая мембра­на деформируется и в кремниевых тензорезисторах возникают ме­ханические напряжения. Сопротивления тензорезисторов меняются, и в выходной диагонали измерительного моста, в который включе­ны тензорезисторы, появляется электрический сигнал, который уси­ливается электронным усилителем и приводится к унифицирован­ному виду (0 мА - 5 мА, 0 мА -20 мА или 4 мА -20 мА).

Измерительные преобразователи «Кристалл» изготовляются для измерения избыточного давления в пределах от (0-0,1) Па до(0- 40) МПа, класс точности 0,6; 1; 1,5.

На рис. 5, а показана сапфировая мембрана 3 с расположенными на ней однополосковыми тензорезисторами р - типа с положительной 1 и отрицательной 2 чувствительностями. По­ложительной чувствительностью обладает тензорезистор, у которо­го отношение D R/R > 0, если же D R/R < 0 — чувствительность отри­цательна.

 

Рис.5- Схемы тензорезисторных чувствительных элементов

 

Структура однополоскового тензорезистора приведена на рис. 5, б. Здесь 1 — тензорезистор; 2 — защитное покрытие; 3 — металлизирован­ные токоведущие дорожки; 4 — упругий элемент преобразователя (сапфировая мембрана). Тензорезисторы можно рас­полагать на мембране так, что при деформации они будут иметь разные по знаку приращения сопротивления. Это позволяет создавать мостовые схемы, в каждое, из плеч которого вклю­чаются тензорезисторы с соответствую­щим значением D R/R и даже термоком­пенсационные элементы.

Отечественным приборостроением освоен выпуск тензорезисторных преобразователей «Сапфир» для измерения избыточного и аб­солютного давления, разрежения, давления — разрежения, разности давлений и гидростатического давле­ния, которые являются взрывозащищенными и могут применяться во взрывоопасных помещениях всех классов.

В преобразователях «Сапфир» (рис.6) измеряемое давление, подводимое к измерительному блоку ИБ первичного преобразователя ПП, вызывает изменение напряженного состояния тензорезнсторов, жестко соединенных с чувствительным элементом тензомодуля.

 

Рис.6 - Обобщенная. структурная схема тензорезисторных измерительных преобразователей

Изменение сопротивления тензорезисторов, пропорциональное изменению величины измеряемого параметра, преобразуется с помощью встроенного электронного устройства ВЭУ втоковый выходной сигнал, который подается к блоку питания БПЗ, где преобразуется в унифицированный токовый сигнал I вых (0-5); (0-20)или (4-20) мА дистанционной передачи показаний на расстояние. На рис.7 приведены измерительные блоки (ИБ) преобразователей «Сапфир», предназначенные для измерения разности давлений от 0,001 МПа до 0,25 МПа (а) и от

0,4 МПа до 2,5 МПа (б).

 

Рис.7. Измерительные блоки разности давлений с тензомодулем:

а – рычажно-мембранным; б - мембранным

Измерительный блок (рис.7 а) представляет собой тензомодуль 6рычажно-мембранного типа, размещенный в замкнутой полости основания 8,заполненной полиметилсилоксановой жидкостью. Блок отделен от измеряемой среды металлическими гофрированными мембранами 1, соединенными между собой штоком 7, который связан с концом рычага тензомодуля. Под действием разности давлений происходит перемещение штока 7, которое вызывает прогиб измерительной мембраны 2 тензомодуля, что ведет к изменению сопротивления тензорезисторов 5, нанесенных на измерительную мембрану. Электрический сигнал через герметичные выводы 3передается во встроенное электронное устройство (ВЭУ) 4, с которого он далее передается блоку БПЗ.

Измерительный блок (рис.7, б ) представляет собой тензомодуль 1,мембранного типа, закрепленный на основании 5и отделенный от измеряемой среды с помощью двух разделительных металлических мембран 2.Замкнутые полости между тензомодулем и мембранами заполнены полиметилсилоксановой жидкостью. Измеряемая разность давлений воздействует на тензомодуль через разделительные мембраны и жидкость. Электрический сигнал через герметичные выводы 3 передается встроенному электронному устройству (ВЭУ) 4.

В тензорезисторных преобразова­телях избыточного давления, абсолютного давления и разрежения используются измерительные блоки, аналогичные рассмотренным. Отличие состоит в том, что измерительный преобразователь под­ключается к объекту «плюсовой» камерой, а «минусовой» сообщается с атмосферой. У измерительных преобразователей абсолютно­го давления «минусовая» камера вакуумирована.

Классы точности тензорезисторных измерительных преобразовате­лей избыточного давления, разрежения и разности давлений (0,15÷1,5). Время установления выходного сигнала при скачкообраз­ном изменении измеряемого параметра 0,5 и 2,5 с. Диапазоны из­мерений: избыточного давления — от (0 -10 ^{– 3}) до (0-60) МПа; разряжения — от (- 1 - 0) кПа до (- 10- 0) кПа; абсолютного давления — от (0 - 2,5) кПа до (0 -2,5) МПа; разности давлений — от (0 - 10) кПа до (0 - 2,5) МПа.

Кроме рассмотренных разработана модификация тензорезисторного преобразователя, предназначенного для измерения избыточ­ного давления. Преобразователь имеет унифицированные токовые сигналы (0-5)мА, (0-20)мА, (4-20) мА. Классы точности преобразователя 0,25; 0,5; 1,0. Диапазоны измерений избыточного давления от (0 - 2,5) кПа до (0 -100) МПа.

⇐ Предыдущая1234Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: