Манометры с тензопреобразователями
Действие измерительных тензопреобразователей основано на изменении электрического сопротивления чувствительного элемента например, проволоки или ленты из тензочувствительного материала при его деформации.
Тензопреобразователи могут быть использованы для дистанционного измерения давления, если их механически соединить с манометрической пружиной или мембраной, которые деформируются подавлением среды.
К Тензочувствительным материалам относятся сплавы меди и никеля, никеля и хрома, константам и др. Основными требованиями для них являются стабильность характеристик, малый температурный коэффициент электрического сопротивления, высокая чувствительность.
Тензопреобразователь наклеивается на деформируемый элемент (мембрану), при деформации которого изменяются размеры и электрическое сопротивление проволоки, причем это изменение зависит от степени деформации. Изменение сопротивления измеряется обычно мостовой схемой. Для уменьшения влияния температуры на показания давления применяются специальные схемы термокомпенсации.
Выпускаются также полупроводниковые тензопреобразователи типа «Кристалл», приборы давления «Сапфир – 22»; в которых для преобразования силового воздействия давления в электрический сигнал используется сапфировая мембрана с напыленными кремниевыми тензорезисторами.
Элементы измерительной схемы и усилитель находятся в блоке 3
При деформации мембраны в соответствии с эпюрой напряжений на рисунке
касательные напряжения 
имеют постоянный знак тогда как радиальные
его меняют. Поэтому у радиально размещенных тензорезисторов вблизи края мембраны с ростом давления сопротивление снижается, а у касательно размещенных увеличивается.
По изменению сопротивления и тарировочному графику определяют изменение величины давления.
Приборы выпускаются в нескольких модификациях, предназначенных для измерения избыточного давления (ДИ), вакуума (ДВ), избыточного давления и вакуума (ДШ), абсолютного давления (Щ), разности давлений (ДЦ), гидростатического давления (ДГ).
Достоинством преобразователя является то, что в нем используются небольшие деформации чувствительных элементов. Это повышает стабильность характеристик, обеспечивает виброустойчивость, и надежность преобразователей. Погрешность приборов может быть снижена до 0,1%.
Грузопоршневые манометры
В грузопоршневых манометрах измеряемое давление уравновешивается силой тяжести неуплотненного поршня с грузами. Манометры используются в качестве образцовых средств воспроизведения единицы давления в диапазоне от 10 -1 до 10 13 Па, а также для точных измерений давления в лабораторной практике. Эти приборы являются приборами высокой точности (классы от 0,005 до 0,2). С помощью таких приборов возможно выполнять поверку других приборов для измерения давления. В последние годы разработаны грузопоршневые приборы для измерения небольших давлений и вакуума, а также для измерения разности давлений и атмосферного давления.
Для расширения диапазона давлений, измеряемых грузопоршневыми манометрами, используются поршни дифференциальные, разгруженные, косвенного нагружения с мультипликаторами.
Низкая погрешность воспроизведения и измерения давления с помощью грузопоршевых манометров определяется в соответствии с высокой точностью задания массы грузов, площади сечения поршня и ускорения свободного падения.
Электрические манометры
Кроме первичных приборов давления и приборов со встроенными преобразователями (давление – перемещение – унифицированный электрический сигнал) существуют электрические приборы давления, в чувствительных элементах которых происходит прямое преобразование давления в электрический измерительный сигнал.
Рассмотрим электрические манометры, принцип действия которых основан на зависимости электрического сопротивления веществ от измеряемого давления. Их называют тензопреобразователями. Тензопреобразователи изготавливают из полупроводников, платины, сплавов меди и никеля. В приборах давления их используют в качестве чувствительных элементов, механически соединенных с мембраной или пружиной прибора, которая деформируется под действием измеряемого давления.
В качестве примера рассмотрим принцип действия манометра «Сапфир-22ДИ» (рис. 3.21). Он предназначен для измерения избыточного давления и состоит из измерительного блока 4 и унифицированного электронного устройства 5. Внутри основания 2 блока 4 размещен мембранный тензопреобразователь 7, полость 8 которого заполнена кремнийорганической жидкостью и отделена от измеряемой среды металлической гофрированной мембраной 10. Мембрана приварена по наружному контуру к основанию 2.
Чувствительным элементом тензопреобразователя является пластина из монокристаллического сапфира с кремниевыми пленочными тензорезисторами, прочно соединенная с мембраной 10. Основное свойство тензорезисторов – способность изменять свое электрическое сопротивление в зависимости от степени прогиба мембраны тензопреобразователя.
Измеряемая величина (давление среды в технологическом аппарате или трубопроводе) подается в камеру 11 фланца измерительного блока и через жидкость, заполняющую тензопреобразователь, воздействует на мембрану, вызывая ее прогиб и изменение электрического сопротивления тензорезисторов. Электрический сигнал от тензопреобразователя передается от измерительного блока в электронное устройство 5 по проводам через вывод 6. Электронное устройство преобразует этот сигнал в токовый выходной сигнал манометра, значение которого зависит от измеряемого давления.
Эти манометры предназначены для работы в системах автоматизации в качестве измерительных преобразователей давления или разрежения со вторичной регистрирующей и показывающей аппаратурой и автоматическими регуляторами, работающими от стандартного электрического входного сигнала 0. 5, 0. 20 или 4. 20 мА постоянного тока.
Недостатки: необходимость индивидуальной градуировки и зависимость показаний прибора от температуры измеряемого объекта. Из-за последнего недостатка приходится вводить в измерительную схему приборов с тензопреобразователями устройства термокомпенсации.
Напоромеры, тягомеры и тягонапоромеры используют для измерения малых давлений и разрежений: напоромеры – для избыточных давлений до 40 кПа, тягомеры – для малых разрежений (вакуума), тягонапоромеры – для малых давлений и разрежений.
Вакуумметры. Эти приборы служат для измерения вакуумметрического давления (ниже атмосферного).Принцип действия их аналогичен принципу действия пружинных манометров с одновитковой трубчатой пружиной. В вакуумметрах давление внутри трубчатой пружины меньше атмосферного, поэтому она не стремится выпрямиться (как в пружинных манометрах), а, наоборот, еще больше скручивается.
Мановакуумметры. Эти приборы служат для измерения избыточного и вакуумметрического давления. С правой стороны от нулевой отметки шкалы ведут отсчет избыточного давления, а с левой – вакуума.
ПРОМЫШЛЕННЫЙ ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ
Промышленные датчики давления чаще всего имеет чувствительный мембранный элемент и преобразователь, который преобразует деформацию мембраны в электрический сигнал. Могут применяться:
• тензопреобразователи и др.
У датчика с тензочувствительным преобразователем деформация мембраны манометра преобразуется в электрический сигнал мостовой схемой. В плечах моста находятся тензодатчики, наклеиваемые на мембрану. Выходной сигнал напряжения снимается с диагонали моста (рис. 4.8).
Погрешность манометра может иметь значение: 1,0 %; 0,5 %; 0,25 %.
Датчики выпускаются промышленностью для измерения давления в определённом диапазоне, выбираемом из следующего ряда (в МПа):
5.2.1. Тензометрические преобразователи
Одними из наиболее распространенных измерительных преобразователей давления являются приборы серии «Сапфир». В них применяются первичные тензометрические преобразователи в виде пластины из монокристаллического сапфира, прочно соединенной с металлической мембраной. На сапфировой мембране размещены кремниевые пленочные тензорезисторы (КНС-структура).
В приборах «Сапфир-22ДИ» и «Сапфир-22ДИВ» моделей 2150, 2160, 2170 и 2350 в качестве основы используется измерительный блок с защитной мембраной, показанный на рис. 5.9,а. Тензопреобразователь 1 нанесен методом напыления на сапфировую мембрану и установлен в корпусе 2. Металлическая гофрированная мембрана 3 приваривается по наружному контуру к корпусу и образует внутреннюю замкнутую полость 4, заполняемую полиметилсилоксановой, наиболее часто называемой кремнийорганической, жидкостью. Пространство над тензопреобразователем сообщено с окружающей средой. Штуцер с крышкой 5 предназначен для подвода измеряемой среды.
Рис. 5.9. Схемы блоков преобразования приборов серии «Сапфир-22»:
а – с защитной мембраной; б – без мембраны; в – с мембранными блоками; 1 – тензопреобразователь; 2 – корпус; 3 – металлическая гофрированная мембрана; 4 – полость; 5 – штуцер с крышкой; 6 – электронный блок; 7 – рычаг; 8 – шток; 9 – входная металлическая гофрированная мембрана; 10 – подводящий штуцер; 11 – полость измеряемого давления; 12 – камера
Измеряемое давление через подводящий штуцер с крышкой воздействует на гофрированную мембрану и через кремнийорганическую жидкость передается на сапфировую мембрану и тензопреобразователь. Под влиянием давления эта мембрана прогибается, подвергает растяжению или сжатию отдельные участки тензосистемы, что вызывает изменение сопротивления тензорезистора, отслеживаемое электронным измерительным блоком 6.
Преобразователи «Сапфир-22ДА» моделей 2050 и 2060 отличаются от описанных выше тем, что полость над тензопреобразователем вакууммируется и герметизируется Этим обеспечивается измерение абсолютного давления.
В моделях 2151, 2161, 2171 применяются измерительные блоки, конструкция которых представлена на
рис. 5.9,б. В них роль подводящего штуцера выполняет корпус 2. Измеряемая среда подводится непосредственно к сапфировой мембране с тензопреобразователем 1. Полость над преобразователем в этих моделях соединена с окружающей средой или, как в моделях «Сапфир-22ДА» 2051 и 2061, вакууммируется и герметизируется. Эти модели предназначены для измерения средних и высоких давлений (0,4…100 МПа).
Для измерения малых давлений (2,5…250 кПа) применяются измерительные блоки с упругими чувствительными элементами, показанные на рис. 5.9,в. Сапфировая мембрана с тензопреобразователем 1 установлена в корпусе 2, и нижней плоскостью жестко соединена с рычагом 7, который другим своим концом неподвижно закреплен на штоке 8. Этот шток связывает между собой жесткие центры мембран 3 и 9, которые по наружному контуру герметично приварены к корпусу и образуют закрытый контур. Этот контур, как и пространство камеры 12, вакууммирован и обеспечивает герметизацию. Корпус в месте установки мембраны изготовлен с профилем, идентичным ее профилю, что позволяет при превышении максимально допустимого давления «складываться» мембране с корпусом и таким образом обеспечивать сохранность ее профиля при превышении предельно допустимых нагрузок.
Измеряемое давление через подводящий штуцер 10 поступает в полость 11 и воздействует на мембрану. Это приводит к прогибу последней и соответственно к смещению ее жесткого центра, а также перемещению рычагапрогиб сапфировой мембраны и изменение сопротивления тензопреобразователя отслеживаются электронным блоком 6.
В некоторых конструкциях приборов серии «Сапфир», предназначенных для измерения уровня, подводящий штуцер изготавливается в виде фланца с «открытой» мембраной для монтажа непосредственно на технологической емкости.
При пользовании приборами серии «Сапфир», как впрочем с большинством современных измерительных преобразователей давления и разности давлений возможно достаточно легко перестраивать рабочий диапазон. В отдельных устройствах могут изменяться верхний и нижний пределы преобразования на следующие по измерительному ряду значения (выше или ниже) или на любую стандартизованную величину в рамках значений, приемлемых для данной модели (в соотношениях от 1:4
до 1:6).
К недостаткам приборов этой серии относятся: недостаточная температурная устойчивость рабочей характеристики, временная нестабильность «нуля».
Тензометрические сенсоры применяются также в датчиках давления «Сапфир», «МТ100» и манопреобразователях ряда других известных фирм.
Компания «Метран» провела дополнительные исследования тензометрического принципа измерения и предложила более совершенный чувствительный элемент в виде диска диаметром около 30 мм и толщиной до 3 мм.
Этой компанией выпускаются измерительные преобразователи как для измерения разности давлений, так и для избыточного и абсолютного давления. Более высокие технологии изготовления чувствительного элемента и совершенные измерительные схемы позволили снизить температурную погрешность приборов «Метран» с 0,2…0,25 % на 10 о С (традиционная для отечественных приборов температурная нестабильность) до 0,09 %. Совершенствование измерительных схем обеспечило возможность перенастройки рабочих диапазонов в отношениях до 1:25.
Работа измерительных преобразователей типа ДМ5007 также строится на одном из наиболее распространенных принципов – тензорезистивном. Попарно тензорезисторные чувствительные элементы размещены в двух автономных замкнутых контурах первичного блока, заполненных жидкостью ПЭС-2. Через разделительное устройство (пассивную коррозионно-стойкую мембрану) один контур сообщается с окружающей средой, другой – с измеряемым давлением. Оба контура имеют идентичные электровводы в зону измеряемого давления, а также одинаковые конструкции, что позволяет включать пары тензорезисторных чувствительных элементов в мостовую измерительную схему. Таким образом, одно плечо схемы генерирует сигнал по давлению и температуре окружающей среды, а также другим «паразитным» параметрам, другое – позволяет получать сигнал, зависящий от всех упомянутых факторов, включая измеряемого давления. Разность в значениях полученных сигналов свидетельствует о значениях измеряемого давления.
Принципиальная структурная схема работы измерительного преобразователя ДМ5007 изображена на
рис. 5.10.
На одно плечо измерительного моста 1 с помощью чувствительного элемента поступает сигнал по давлению рабочей среды рраб. Второе плечо моста генерирует сигнал по давлению окружающей среды рокр. Температура окружающей среды Токр, а также другие возможные «паразитные» факторы автоматически компенсируются в мостовой схеме измерения. В результате на выходе моста формируется сигнал напряжения рассогласования DU, однозначно связанного с измеряемым давлением рраб. Этот сигнал усиливается в блоке 2 и преобразовывается в унифицированный параметр в блоке 3. Работа мостовой измерительной схемы и функциональных блоков обеспечивается питанием от стабилизатора напряжения 4.
Рис. 5.10. Принципиальная структурная схема измерительного преобразователя ДМ5007: 1 – измерительный тензомост; 2 – усилитель напряжения рассогласования; 3 – преобразователь; 4 – стабилизатор напряжения
Диапазоны измеряемого давления прибора ДМ5007 – стандартные до максимального значения 160 МПа. Классы точности – 0,25; 0,5; 1,0.
Многие современные предприятия освоили производство тензометрических измерительных преобразователей, которые получили широкое применение в различных отраслях промышленности. Так, на основе гетероэпитаксиальных кремниевых резисторов функционируют измерительные преобразователи «МИДА» (рис. 5.11), малогабаритные, при допускаемой основной погрешности от ±0,25 до ±1,0.
Рис. 5.11. Измерительный преобразователь «МИДА»: 1-подводящий штуцер; 2 – металлическая мембрана; 3 – основание; 4 – чувствительный элемент; 5 –плата; 6 – разъем.
Измеряемая среда с давлением рраб через подводящий штуцер 1 поступает в рабочую полость преобразователя и воздействует на металлическую мембрану 2, сваренную с основанием 3. На внешней стороне мембраны установлен чувствительный элемент 4, представляющий собой монокристаллическую сапфировую подложку, на поверхности которой сформированы гетероэпитаксиальные кремниевые резисторы, включенные в тензочувствитензочувствительную мостовую схему. Измерительная схема как и элементы настройки размещена на плате 5. Подвод питания и съем электрического выходного сигнала производится через разъем 6.
Таким образом, среда измеряемого давления подводится к разделительной металлической мембране, вызывает ее прогиб, что приводит к деформации сапфирового основания чувствительного элемента и разбаланса тензочувствительного моста. Такие изменения отслеживаются измерительной схемой.
Измерительные преобразователи «МИДА» имеют рабочий диапазон от 0,04 до 160 МПа.
ул. Ярцевская, д. 29, корп.2
© 2002 — 2023. НПО ЮМАС
Разработка и производство приборов измерения давления и температуры: манометров, термометров,
напоромеров и клапанов в Москве, Екатеринбурге, Самаре, Санкт-Петербурге, Уфе, Омске, Тюмени и Нижнем Новгороде.
Все права защищены.
Уважаемый пользователь. Уведомляем Вас о том, что персональные данные, которые Вы можете оставить на сайте, обрабатываются в целях его функционирования. Если Вы с этим не согласны, то пожалуйста покиньте сайт. В противном случае это будет считаться согласием на обработку Ваших персональных данных.
Политика конфиденциальности
Манометры с тензопреобразователями
Измеряемое давление с помощью мембраны 1 преобразуется в усилие, сжимающее кварцевые пластины 2. Электрический заряд, возникающий на металлизированных плоскостях 3 под действием усилия F со стороны мембраны 1, определяется выражением
где р –давление, действующее на металлическую мембрану 1 с эффективной площадью S; k – пьезоэлектрическая постоянная, Кл/Н.
Напряжение на входе усилителя, подключённого к выходу пьезопреобразователя, определяется общей ёмкостью измерительной цепи С:
Кварц в отличие от других сегнетоэлектриков, обладающих пьезоэффектом, является механически прочным и имеет высокую жёсткость.
Пьезоэлектрическая постоянная, составляющая около Кл/Н, отличается стабильностью и слабой зависимостью от температуры, что позволяет использовать пьезопреобразователи для измерения давления высокотемпературных сред. Из-за утечки заряда пьезоэлектрические преобразователи не используются для измерения статических давлений. С целью повышения чувствительности несколько кварцевых пластин включаются параллельно. Верхний предел измерения давления у этих приборов достигает 100 МПа (1000 кгс/см 2 ).
Манометры с тензопреобразователями по быстродействию приближаются к пьезоэлектрическим манометрам. Первые представляют собой мембраны, на которых размещены проволочные, фольговые или полупроводниковые резисторы, сопротивление которых меняется при деформации мембраны под действием давления.
На рис.14 показана схема устройства тензорезисторов, которые представляют собой спираль, состоящую из нескольких петель проволоки, наклеенную на тонкую бумажную, плёночную или лаковую основу. Сверху спираль закрывают такой же тонкой бумагой или плёнкой. Фольговые преобразователи изготавливаются из металлической фольги толщиной 0,001-0,01 мм вытравливанием.
Рис. 14. Схема устройства тензопреобразователя:
а) проволочного; б) фольгового.
Схема преобразователя «Сапфир 22» типа ДИ, предназначенного для измерения избыточных давлений с верхним пределом измерения 0,4 МПа и выше, представлена на рис.15. Чувствительным элементом манометра является двухслойная мембрана 1. Измеряемое давление действует на металлическую мембрану, к которой сверху припаяна сапфировая мембрана с тензорезисторами. Элементы измерительной схемы и усилитель находятся в блоке 2.
Рис.15. Схема измерительного преобразователя давлений ДИ.
Приборы выпускаются в нескольких модификациях, предназначенных для измерения избыточного давления (ДИ), вакуума (ДВ), избыточного давления и вакуума (ДИВ), абсолютного давления (ДА), разности давлений (ДД), гидростатического давления (ДГ).
Ионизационные манометры.
Для измерения давления в диапазоне 10 -1 …10 -8 Па используются ионизационные манометры. Схема прибора представлена на рис.16. Основным элементом манометра является стеклянная манометрическая лампа, содержащая катод 1, который находится внутри анодной сетки 2, окруженной цилиндрическим ионным коллектором 3. Эжектируемые раскаленным катодом электроны ускоряются положительным напряжением, приложенным между анодом и катодом. При движении электроны ионизируют молекулы разреженного газа. Положительные ионы попадают на отрицательно заряженный коллектор 3. При постоянстве анодного напряжения и электронной эмиссии величина коллекторного тока Iк зависит от измеряемого давления.
Понравилась статья? Добавь ее в закладку (CTRL+D) и не забудь поделиться с друзьями: