Теоретические основы работы

Индуктивные измерительные преобразователи давления

Схема измерительного преобразователя давления, оснащенного преобразовательным элементом индуктивного типа, показана на рис. 4.9а. Мембрана 1, воспринимающая давление, является подвижным якорем электромагнита 2 с обмоткой 3. Под действием измеряемого давления мембрана 1 перемещается, что вызывает изменение электрического сопротивления индуктивного преобразовательного элемента [3].

Уравнение (4.4) представляет собой статическую характеристику измерительного преобразователя давления индуктивного типа:

                                  ,                                (4.4)

где L – индуктивность преобразовательного элемента; W – число витков катушки; m ₀– магнитная проницаемость воздуха; S – площадь поперечного сечения воздушного участка магните провода; k ₁ – коэффициент преобразователя; Р – измеряемое давление.

Измерение L осуществляется обычно мостами переменного тока или резонансными LC -контурами. Основная погрешность индуктивных преобразователей давления составляет ±(0,2¸5) %.

Дифференциально-трансформаторные измерительные преобра-зователи давления

Измерительный преобразователь давления дифференциально-трансформаторного (ДТ) типа (рис. 4.9б) содержит деформационный чувствительный элемент 1 и ДТ-преобразовательный элемент 2. Последний представляет собой каркас из диэлектрика, на котором размещены катушка с первичной обмоткой 7, состоящей из двух секций, и двух секций 4 и 5 вторичной обмотки, включенных встречно. Внутри канала катушки расположен подвижный сердечник 6, связанный с пружиной тягой 3.

а	б
в

Рис. 4.9. Схемы измерительных преобразователей давления:
индуктивного (а); дифференциально-трансформаторного (б);
емкостного (в)

К выходу вторичной обмотки подключен делитель, состоящий
из регулируемого R ₁ и постоянного R ₀ резисторов. Делитель используется при настройке преобразователя на заданный диапазон.

Путем изменения сопротивления R ₁ можно изменять пределы из-мерений на ±25 %.

Формирование выходного сигнала ДТ-преобразовательного элемента осуществляется следующим образом. При протекании по первичной обмотке тока I ₁ возникают магнитные потоки, пронизывающие обе секции вторичной обмотки и индуцирующие в них ЭДС e ₁ и e ₂. Значения этих ЭДС связаны с взаимными индуктивностями M ₁ и М ₂ между первичной обмоткой и каждой из секций вторичной обмотки соотношениями

, ,                    (4.5)

где f – частота тока I ₁.

При встречном включении обмоток секций 4 и 5

           (4.6)

где М – взаимная индуктивность между первичной и вторичной об-мотками.

Для унифицированного ДТ-преобразовательного элемента, имею-щего во вторичной обмотке резисторы R ₁ и R ₂, выходной сигнал U_вых определяется взаимной индуктивностью M_вых между первичной обмоткой и выходной цепью и может быть представлен в виде

                                  .                           (4.7)

Величина М_вых связана с перемещением d сердечника 6 зависи-мостью

,                            (4.8)

где M _max– максимальное значение взаимной индуктивностимежду первичной обмоткой и выходной цепью преобразователя,соответст-вующее максимальному d _max перемещению сердечника.

Решая совместно уравнения (4.7) и (4.8), получим статическую характеристику унифицированного ДТ-преобразователя перемещения:

.                          (4.9)

Преобразователи давления ДТ-типа работают в комплекте с дифференциально-трансформаторными вторичными приборами. Классы точности ДТ-преобразователей давления 1,0 и 1,5.

Емкостные измерительные преобразователи давления

Схема измерительного преобразователя давления, оснащенного емкостным преобразовательным элементом, приведена на рис. 4.9в. Измеряемое давление воспринимается металлической мембраной 1, являющейся подвижным электродом емкостного преобразовательного элемента. Неподвижный электрод 2 изолируется от корпуса с помощью кварцевых изоляторов. Зависимость емкости С преобразовательного элемента от перемещения d мембраны 1 имеет вид

,                                (4.10)

где e – диэлектрическая проницаемость среды, заполняющей меж­электродный зазор; S – площадь электродов; d ₀ – расстояние между электродами при давлении, равном нулю.

Для преобразования С в сигнал измерительной информации обычно используют мосты переменного тока либо резонансные LC- контуры. Емкостные преобразователи давления применяют для измерения давления до 120 МПа. Толщина мембраны 0,05÷1 мм. Преобразователи давления данного типа используются для преобразования быстро меняющихся давлений. Основная погрешность ±(0,2¸5) %.

4. Тензорезисторные измерительные преобразователи давления

Измерительные преобразователи давления, оснащенные преобразо­вательными элементами тензорезисторного типа, получили название тензорезисторных измерительных преобразователей давления. Преобразователи давления этого вида представляют собой деформационный чувствительный элемент, чаще всего мембрану, на которую наклеиваются или напыляются тензорезисторы. В основе работы тензорезисторов лежит явление тензоэффекта, суть которого состоит в изменении сопротивления проводников и полупроводников при их деформации. Связь между изменением сопротивления тензорезистора и его деформацией устанавливается соотношением

,                                       (4.11)

где D R/R – относительное изменение сопротивления тензорезистора;
k_t – постоянный коэффициент, определяемый материалом тензорезистора; D l/l – относительное изменение длины тензорезистора.

Получили распространение проволочные и фольговые тензорезис-торы, изготавливаемые из проводников типа манганина, нихрома, кон-стантана, а также полупроводниковые тензорезисторы, изготавливаемые
из кремния и германия р - и n -типов. Сопротивление тензорезисторов, изготавливаемых из проводников, составляет 30¸500 Ом, а сопротивление полупроводниковых тензорезисторов – от 50¸210 кОм.

На рис. 4.10а показана сапфировая мембрана 3 с расположенными на ней тензорезисторами р -типа с положительной 1 и отрицательной 2 чувствительностями.

Рис. 4.10. Тензорезисторный измерительный преобразователь давления: его мембрана (а); структура однополоскового тензорезистора (б)

1 – тензорезистор; 2 – защитное покрытие; 3 – металлизированные токоведущие дорожки; 4 – упругий элемент преобразователя
(сапфировая мембрана)

Положительной чувствительностью обладает тензорезистор, у которого отношение D R/R > 0; при D R/R < 0чувствительность отрицательна. Структура однополоскового тензорезистора показана на рис. 4.10б. Тензорезисторы можно располагать на мембране так, что при деформации они будут иметь разные по знаку приращения сопротивления. Это позволяет создавать мостовые схемы, в каждую из которых включаются тензорезисторы с соответствующим значением D R/R и даже термокомпенсационные элементы.

Классы точности тензорезисторных измерительных преобразова-телей избыточного давления, разрежения и разности давлений 0,6; 1,0; 1,5. Диапазоны измерений: избыточного давления от 0¸10^-3 до 0¸60 МПа; разряжения от 0 до –10¸0 кПа; абсолютного давления от 0¸2,5 кПа до 0¸2,5 МПа; разности давлений  от 0¸1 кПа до 0¸2,5 МПа.

5. Пьезоэлектрические измерительные преобразователи давления

Если на металлическую проволоку действует сила, которая растягивает ее, то в результате деформации длина проволоки несколько увеличивается, а площадь поперечного сечения несколько уменьшается. Из-за этого электрическое сопротивление проволоки возрастает. Такое явление называют пьезорезистивным или тензорезистивным эффектом.

Пьезорезистивный преобразователь давления предназначен для непрерывного преобразования значения давления газов и некристаллизующихся жидкостей в унифицированный электрический сигнал постоянного тока 4¸20 мА.

Рабочей средой в таких преобразователях являются жидкости (техническая вода, масла, дизельное топливо, мазут), пар, газы, парогазовые и газовые смеси при давлении, не превышающем верхний предел измерения преобразователя. Чувствительным элементом в преобразователе давления (рис. 4.11) в общем случае служит плоская упругая мембрана 1. Она размещается во внутренней полости преобразователя и закрепляется по всему периметру между деталями корпуса 2. При этом образуются две камеры 3 и 4. В одной из этих камер размещается преобразователь перемещения 5. Мембрана находится под действием разности двух давлений р ₁ и р ₂ (атмосферное давление). Возникающая деформация мембраны преобразуется в электрический сигнал преобразователем перемещения.

В настоящее время в преобразователях давления используются следующие виды преобразователей перемещения: пьезоэлектрические, емкостные, индуктивные и пьезорезисторные. Наиболее распространены последние. Существует несколько конструкций таких преобразователей.
В одной из них к плоской мембране припаяна сапфировая мембрана
с пьезорезисторами. В другой конструкции сама мембрана изготавливается из кремния, и на ее поверхности методом планарной технологии наносят
4 или 8 пьезорезисторов.

Преобразователи давления с пьезорезистивными преобразователями перемещений имеют класс точности 0,2÷1,0 [7].

Конструкция преобразователя представлена на рис. 4.12.

Преобразователь выполнен в цилиндрическом корпусе 3, в нижней части которого расположен штуцер 4, предназначенный для присоединения к линии измеряемого давления. В верхней части корпуса расположена обойма 6, которая крепится в корпусе с помощью специальных защелок, позволяющих ей вращаться вокруг своей оси (относительно корпуса 3).

Для фиксации положения обоймы относительно корпуса служит крышка 7, которая навинчивается на наружную резьбу верхней части корпуса 3. На обойме установлена приборная часть 2 электрического соединителя. В кабельной части 1 соединителя производится подсо-единение проводов внешних электрических цепей. В штуцере пре-образователя 4 размещен чувствительный элемент 5.