Современные измерительные устройства состоят из большого числа функциональных элементов, схема построение которых, т.е. структурное построение, имеет определяющее влияние на их метрологические характеристики. Поэтому выбор и обоснование структурной схемы датчика давления является одним из наиболее важным моментом при его проектировании.
Наиболее известным и широко применяемым является структурная схема, реализующая дифференциальный метод преобразования [Осипович, Ваганов]. Особенностью такой схемы является наличие двух одинаковых преобразователя, на которые дестабилизирующие факторы действуют в одинаковой степени направленности, а измеряемая величина в противоположной. После преобразования входных сигналов в измерительной и компенсационной цепи происходит вычитание электрических сигналов и в элементе сравнения, т.е. происходит взаимная коррекция погрешностей от дестабилизирующих факторов. Таким образом, выбранная структурная схема датчика давления позволяет компенсировать погрешности от изменения напряжения и электропитания, т.е. эта схема может быть использована для реализации, в разрабатываемом датчике давления. Схема дифференциального преобразователя приведена на рис.2.6.
|
|
Рис.2.6. Схема преобразователя давления дифференциального типа
1 – мембрана; ТЗП – тензопреобразователь; ЭИС – электроизмерительная схема;
> – усилитель; Ц.К. – цепь коррекции.
Мембрана 1, на которую действуют давление и температура, будет функционально связана с информационным и дестабилизирующим факторами (размещение измерительного и компенсационного тензорезисторов). Измерительный тензорезистор, расположенный ближе к центру мембраны будет реагировать на давление, а компенсационный - расположенный на периферии будет реагировать еще и на температуру. Таким образом, на выходе измерительного моста, являющегося электроизмерительной схемой (ЭИС) будет формироваться выходной сигнал в виде разности напряжений на компенсационном и измерительном тензорезисторах. Этот сигнал будет нести информацию об измеряемом давлении. После усиления выходного сигнала ЭИС усилителем он подается в усилительный тракт для обработки и индикации.
Выбор типа датчика давления
При проектировании датчика давления, входящего в разрабатываемое устройство для измерения венозного давления, предварительно проведем сопоставительный анализ различных типов датчиков давления, наиболее широко применяемых в устройствах аналогичного назначения. Результаты этого анализа представлены в табл.2.3.
В настоящее время к этой группе датчиков относятся: полупроводниковые; ёмкостные; пьезоэлектрические; тензорезистивные [2.23].
|
|
Таблица 2.3
Тип датчика давления | Диапазон измерения, кПа | Погрешность | Чувствителность | Габариты, масса |
Полупроводниковый | -6,6 – +39.9 | d0=0,5% dн=1%, dt=3%/°С | 1,5мкВ/Па | |
Ёмкостный | 0–6500 | d0=1% dчэ=0,2% dн=1%, dt=0,1%/°С | 0,1пкФ/МПа | 0,4кг |
Пьезоэлектрический | ±100 | d0=0,005%, dчэ=0,005% dа=0,01%, dаt=2×10-4%/С° | 2×10-4Гц/Па | 115г |
Тензорезистивный | 0–500 | d0=0,8%, dt=0,005%/°C | 52 211 мВ/(В·МПа) |
Анализ особенностей объекта контроля (СКО) показывает, что изменение венозного давления есть процесс, медленно изменяющийся, и особых требований к динамике не предъявляются. Следовательно, для данного устройства в качестве датчика давления можно выбрать тензорезистивный датчик, имеющий приемлемые для данной задачи динамические свойства и технические характеристики.
В настоящее время зарубежными и отечественными фирмами разработана, изготавливается и имеет широкое применение большая группа тензорезистивных датчиков, технические характеристики которой представлены в табл.2.4. Анализ этих характеристик показывает возможность применения принципов их построения в разрабатываемом устройстве, что подтверждается обобщенной таблицей 2.5.
Таблица 2.4
Фирма (страна) | Тип преобразователя | Диапазон изм. давления | Чувствительный элемент | Погрешность | Чувствительность | Диапазон температур |
Stanford, Statham Instrument (США) Endess+ Hauser Gmbh+Co (FRG), Sourder Rol (Англия) Motorolla | тензометри-ческий | 0…40кПа | мембрана | 0,25% 0,1%/Па | 0,2…0,3 мВ/кПа·В | 196 0 С |
Statham Instruments | тензорезис- тивный | 0…500кПа | мембрана | =0,8% =0,005%/0 С | - | - |
Ametek, Baley Instruments | полупровод-никовый | 0…270кПа | мембрана | 0,25% 0,5%/Па | 80 мВ/кПа·В | 400 С … …150 0 С |
PCB Pierotronics | пьезо | 0,025… ..150кПа | мембрана | 1% 0,5%/Па | - | - |
Джагупов Р.Г. (ССР) | пьезо | 0…2000Па | мембрана | =0,5...1,5% | 26мВ/Па | - |
Endvco | дифференц. пьезо | От 0…14кПа До 0…140МПа | Мембрана с концентратором механических напряжений | ±0,25% | - | - |
Micro Switch | пьезо | 0…35кПа | мембрана | =0,5...1,5% | 26мВ/Па | - |
Осипович Л.А. | полупро- водниковый низких давлений | ±8000Па | мембрана | =±1,5% =0,06%/0 С | 10мВ/Па | - |
СССР Г. Энгельс (ТО и ИЭ) | интегральный | 1…10кПа | мембрана (кремниевая) | - | - | - |
ФРГ | интегральный | 0-100кПа | мембрана (кремниевая) | =5мВ/В | 26мВ/Па | - |
SC/DI | интегральный | 0,02-320кПа | мембрана | 0,1мВ/Па·В | - | -160 С … …+2600 С |
Motorolla(США) | интегральный | ±8000Па | мембрана | =±1,5% =0,06%/0 С | - | - |
Осипович Л.А. | емкостной | 0…6,5кПа | гибкая пленка диэлектрик | =±1% при t = -2…+340 С =0,1%/0 С | 0,1 пкф/МПа | - |
Phillips | емкостной | 1…300кПа | гибкая пленка диэлектрик | =0,25% повторяемость =0,003% | - | до4500 С |
PDCR 32 | полупро- водниковый | от 0…75кПа до 0…75МПА | мембрана (кремниевая) | нелинейность и гистерезис 0,6% аддитив. 0,02% | 75мВ при =12В | -200 С до 1200 С |
Datametrics (США) | емкостной | 0,025…66 кПа | гибкая пленка диэлектрик | =0,25% повторяемость =0,003% | - | до4500 С |
Motorolla(США) | тензорезис- тивный | от 0…10кПа до 0…200кПа | мембрана | ±0,5%..±0,2%. | - | - |
Обобщенные тензорезистивные характеристики датчиков давления
Таблица 2.5
Диапазон измеряемых давлений, кПа | Упругий чувствительный элемент (мембрана) | |||||
, мВ/град | , К-1 | материал | форма | диаметр, мм | толщина, мм | |
-15 100 | 0,2 | 0,007 | кремний [111] | круглая | 1 40 | 0,01 0,5 |
Тензорезистор | |||||
материал | длина l, мм | ширина b, мм | относительная упругая деформация мах | относительное изменение сопротивления | температурный коэффициент сопротивления (ТКС), К-1 |
кремний р – тип | 0,32 12 | 0,06 0,5 | 1·10-3 |
Электроизмерительная схема (ЭИС) | Rдатч., Ом | |||||
, В | , мА | R, кОм | , мВ | Sм, мВ/(кПа·В) | ||
3 7,5 | 100-150 | 0,13 0,4 | 25-800 | -40…125 |
На основании табл.2.5 можно сделать вывод, что предпочтительными являются: форма упругого чувствительного элемента (мембрана) – круглая, плоская, при этом материал мембраны – кремний. Диаметр мембраны предпочтителен от 1 до 40 мм; толщина от 0,01 до 0,5мм. В качестве материала тензорезистора в большинстве случаев используется кремний. Размеры тензорезистора находятся в пределах: длина l =0,32 12 мм, ширина b= 0,06 0,5мм. В качестве ЭИС в большинстве случаев используется мост постоянного тока. Для цепочки преобразователей “мембрана – тензорезистор - ЭИС” при р =0,4·105 Па применяют упругие элементы с , ; в целом чувствительность этой цепочки находится в пределах: Sм =0,13 0,4 мВ/(кПа·В). Представленные данные являются ориентиром при расчете каждого из преобразователей разрабатываемого устройства [2.16, 2.18, 2.19,2.23,].
|
|