Датчики измерения давления

Измерение давления при диагностировании гидравлических систем
производится в различных точках линий низкого и высокого давления: в
баке гидросистемы, на входе и выходе насоса, на входе и выходе диагностируемого гидроагрегата, в сливных и дренажных магистралях.

Динамические процессы, происходящие в гидросистемах машин, требуют измерения быстро изменяющегося и пульсирующего давления. Диапазон измеряемого низкого давления в линиях всасывания составляет от
давления вакуума до 0,3 МПа, в линиях слива и дренажа - 0,1 ... 1,0 МПа, в
линиях нагнетания - 5 ... 40 МПа. Диапазон частоты измеряемого давления
может колебаться от 0,1 до 5 ... 10 к Гц.

Наиболее простыми и надежными при борами для измерения избыточного давления являются пружинные манометры, а для измерения разрежения - вакуумметры. Параметры и размеры манометров регламентирует ГОСТ 8625-77 Е.

Манометры предназначены для измерения постоянного или плавно изменяющегося давления при отсутствии вибрации (за исключением особых
случаев). Поэтому их целесообразно при менять в диагностических стационарных и передвижных стендах, а также в установках для тарировки преобразователей давления другого типа. При применении манометров для измерения пульсирующего давления их следует оснащать демпферами.

Кроме манометров, в диагностических устройствах и стендах используют приборы, преобразовывающие деформацию измерительного чувствительного элемента (мембраны, сильфона, балки, пружины, струны), вызванного изменением давления, в электрический сигнал.

Для преобразования давления в электрический сигнал используют
различные типы преобразователей:

потенциометрический, в котором чувствительный элемент - упругая
мембрана, перемещаясь под действием давления, тем или иным путем изменяет электрическое сопротивление части цепи внутри преобразователя;
тензометрический, в котором усилие, создаваемое давлением, воспринимается чувствительным элементом (например, мембраной или цилиндром), а возникающие напряжения измеряются тензометрами;
электромагнитный, в котором прогиб мембраны или деформация сильфона под действием давления приводит к изменению характеристик
магнитной цепи первичного преобразователя;

емкостный, в котором чувствительный элемент изменяет емкость в
цепи преобразователя;

пьезоэлектрический, в котором давление передается на кристалл и
возникающая при этом разность потенциалов служит выходным сигналом;

вибрационно-частотный, в котором деформация мембраны вызывает
изменение напряжений растяжения в элементе, собственная частота которого зависит от этих напряжений и является информативным параметром
выходного электрического сигнала.

К преимуществам потенциометрических датчиков давления можно
отнести возможность получения достаточно мощного выходного сигнала,
что позволяет проводить его дальнейшую обработку и регистрацию без
применения дополнительных усилительных устройств.

Потенциометрические датчики применяют в основном для измерения
статического или медленно изменяющегося давления. Ограничение быстро-
действия вызвано наличием механических связей, значительных присоединительных масс в. кинематических цепях и необходимостью обеспечения устойчивого контакта между движком и обмоткой потенциометра.

Наиболее часто в диагностических устройствах применяют малогабаритные датчики повышенной точности типа МД-Т и ДМП-А.

Применение тензорезисторов в качестве преобразователей деформации
чувствительных элементов в датчиках давления в электрический сигнал
открывает широкие возможности миниатюризации датчиков, повышения
быстродействия и виброустойчивости, работы при изменяющихся температурах.

В датчиках давления используется тензоэффект растягиваемого или
сжимаемого тензочувствительного материала или тензоэффект проводника,
находящегося в состоянии объемного сжатия, когда входной величиной
преобразователя является давление окружающей среды.

Тензорезисторы, при меняемые в датчиках давления, могут быть проволочными, фольговыми и полупроводниковыми.

Таблица 3.1

Технические характеристики преобразователей давления

. В последнее время все шире применяют полупроводниковые тензорезисторы. Они имеют чувствительность на два порядка большую, чем проволочные и фольговые тенэореэисторы. Это позволяет значительно упростить усилительный тракт измерительной системы и разработать более широкую номенклатуру датчиков давления.

В большинстве датчиков давления для преобразования давления в перемещение используются упругие элементы в виде плоских и гофрированных круглых мембран с отношением толщины к диаметру в пределах 0,1 ... 0,02. . •

При измерении давления жидкости возникает специфическая задача
неискаженной передачи этого параметра на вход преобразователя давления
юз нарушения условия функционирования контролируемого объекта.
Соответственно к подсоединительным элементам датчика давления предъявляются, с одной стороны, требования точности преобразования, а с другой - требования герметичности и механической прочности.

Очень часто датчики давления присоединяют к контролируемым объектам с помощью трубопровода. При статическом давлении коэффициент
преобразования трубопровода постоянен и равен единице. При быстро изменяющемся давлении требуется определение динамических характеристик подсоединительных трубопроводов, характеризуемых собственной частотой колебаний среды в них.

Создание полупроводниковых малобазовых (2 ... 3 мм) тензорезисторов положительной и отрицательной проводимости дало возможность создавать миниатюрные датчики давления, что позволило встраивать эти датчики непосредственно в гидроагрегаты для определения их гидродинамических характеристик.

На рис. 3.5 показан тензометрический датчик давления, встроенный в
шестерню шестеренного насоса. Упругий элемент датчика выполнен в виде
пластины 1, которая прикреплена к подложке 2, имеющей отверстие и образующей с ней плоскую мембрану. С внутренней стороны мембраны наклеены малобазовые тензорезисторы КТД и КТЭ разной проводимости. Применение тензорезисторов с одинаковым коэффициентом чувствительности, но разной проводимости позволило повысить общую чувствительность датчика и произвести его температурную компенсацию. Сигнал с датчика через токосъемник поступает на усилитель и регистрирующий прибор.

Рис. 3.5. Тензометрический датчик давления и тензометрический датчик вакуума

Тензометрический датчик для измерения малого давления и вакуума
представлен на рис. 3.1. Отличается он от предыдущего датчика тем, что
подложка 3 имеет сферическую полость 4, позволяющую пластине 2 прогибаться. В верхней части упругий элемент закрыт пластиной 5, имеющей отверстие. На упругий элемент в области деформации наклеиваются и хорошо изолируются от внешней среды тензорезисторы 1 разной проводимости с электрическими выводами 6. При попадании датчика в область высокого давления перемещение упругого элемента, рассчитанного на низкое давление, ограничивается подложкой. 3 с компенсационными отверстиями малого диаметра. При измерении вакуума чувствительный элемент ограничивается пластиной 5.

Выпускаемые промышленностью тензометрические датчики давления
типа ЛХ-412 и ЛХ-415 (см. табл. 3.1) предназначены для измерения быстро
изменяющегося и статического давления. Небольшие размеры датчиков и хорошие динамические характеристики позволяют использовать их
при диагностировании гидросистемы по пульсации давления.

В настоящее время для измерения давления ведущее место занимают
интегральные кремниевые измерительные элементы, в которых чувствии- тельные элементы сформированы на поверхности кристалла кремния. Под
действием измеряемого давления происходит изменение кристаллической
структуры кремния и пропорциональное давлению изменение сопротивления резисторов. К положительным свойствам этих измерительных эле-
ментов можно отнести следующие:

выполнение их из одного материала (наличие одного коэффициента
теплового расширения в отличие от элементов с накладными тензометра-
ми); возможность работы при высоких температурах, так как отсутст-
вует клеящий состав; малый гистерезис, вследствие чего они деформи-
руются незначительно.

Измерительные интегральные кремниевые элементы не должны кон-
тактировать с контролируемой средой. .Для защиты их обычно помещают
в корпус с разделительной стенкой в виде мембраны из коррозионно-
стойкой стали. Корпус датчика можно также залить жидкостью, выполня-
ющей функции разделительной среды. Благодаря несжимаемости запол-
няющей жидкости через нее на элемент могут передаваться колебания дав-
ления высоких частот (до 30 кГц) . В отличие от преобразователей давле-
ния с накладными тензоэлементами интегральные преобразователи имеют
неограниченный срок службы.

По подобному принципу выполнены преобразователи давления "Сап-
фир-22" (см. табл. 3.1). Сигнал, возникающий в пленках кремния на
кристалле, под действием измеряемого давления с помощью встроенного
электронного устройства преобразуется в более мощный токовый выход-
ной сигнал. В этих преобразователях давления обеспечивается компенса-
ция температурного смещения нуля и температурного измерения диапазо-
на выходного сигнала.

Преобразователи "Сапфир-22" ввиду значительных размеров и массы
целесообразно применять в стационарных или передвижных диагностичес-
ких установках. Высокая стабильность характеристик и полная взаимо-
заменяемость позволяют встраивать их в гидросистему машины при ис-
пользовании функциональных методов диагностирования с применением
бортовой микроЭВМ.

Индуктивные преобразователи давления типа ДИ и ДД-1 (см. табл. 3.1)
широко используют при диагностировании гидроагрегатов. К их преиму-
ществам можно отнести малые размеры и массу, высокие динамические
характеристики, а к недостаткам - сложную преобразовательно-усилитель-
ную систему.

Более подробно о пьезокристаллических датчиках для измерения пуль-
сирующих давлений будет изложено далее.

Рис. 3.6. Комбинированный датчик давления

С помощью комбинированного датчика (рис. 3.6) можно измерить не
только относительное изменение пульсации давления, полученной с по-
мощью пьезоэлектрического элемента, но и абсолютное значение полного
давления. Для измерения полного давления в датчике применен упругий
элемент 5 в виде стакана, на внутреннюю стенку которого наклеены два
тензорезистора Т1 и Т2 вдоль образующей цилиндра, а на наружную стен-
ку - два тензореэисто ра Т3 и Т4 по периметру цилиндра. Дляизмерения
пульсации давления в датчике используется пьезоэлектрический преобразо-
ватель 3. давление на преобразователи передается через мембрану 1 и кера-
мическую подушку 2, служащую для теплоизоляции. Для температурной
коррекции нуля используется медный резистор R_β, размещенный на стака-
не, а для температурной коррекции чувствительности - резистор R_α , рас-
положенный в корпусе 4 датчика. Погрешность измерения полного давле-
ния 0,8 %, пульсации 10 %; максимальная частота пульсации 4000 Гц.

В практику технических измерений все более широко внедряются из-
мерительные преобразователи различных физических величин в частоту.
Это обстоятельство обусловлено рядом преимуществ частотных преобра-
зователей: точностью измерения частотного сигнала современными сред-
ствами, которая на несколько порядков выше, чем любого амплитудно-
модулированного сигнала; отсутствием аналого-цифрового преобразова-
теля для связи источников информации с ЭВМ; более низкими требова-
ниями к линиям связи при использовании частотно-модулированного
сигнала; помехоустойчивостью частотно-модулированного сигнала.

Одним из рациональных частотных методов измерения давления является
струнный метод.

На рис 3.7. показан датчик давления со струнным измерительным преобразователем. Преобразователь, защищенный кожухом 5, имеет
плоскую мембрану З, выполненную как одно целое со стаканом 2 и стой-
кой 8. Стойка расположена от центра мембраны на расстоянии, равном
0,58 радиуса. Вторая стойка
закреплена на торцовой плоскости стакана вне площади
мембраны. В струне, натянутой между стойками, создается определенное растягивающее усилие. Концы струны прижимаются к верхним плоскостям поверхностей накладками. Для
реализации магнитоэлектрического способа возбуждения и поддержания автоколебаний струны последняя помещена в узкий зазор магнитной системы 9. Для подсоединения датчика к магистра-
ли используется штуцер 1. При подаче избыточного давления под мембрану
датчика стойка, установленная на мембране, принимает другое положение,
при этом струна натягивается. Изменение натяжения струны вызывает из-
менение ее частоты колебаний, что фиксируется измерительной системой
датчика. Разность давления измеряется двухмембранными измеритель-
ными преобразователями.

Рис. 3.7. Датчик давления со струнным преобразователем

Из датчиков давления, основанных на других. методах измерения, сле-
дует отметить механотронный датчик, представляющий собой электрова-
куумный прибор, отдельные электроды которого могут смещаться отно-
сительно друг друга под воздействием измеряемого внешнего давления.
Интересны также оптические датчики, принцип действия которых основан
на преобразовании деформации чувствительного злемента в изменение
освещенности фотоэлектрических преобразовагелей.

Фирма "Dresser Jndustries" разработала бесконтактный оптический
датчик давления, аналоговый выходной сигнал которого преобразуется
в цифровую форму после корреляции микропроцессором, получающим
требуемые для этого данные из модуля программируемого постоянного
запоминающего устройства. Диапазон измерения давления - до 40 МПа.
Погрешность не превышает ± 0,1 %, а повторяемость ± 0,2 % верхнего
предела измерения. Датчик состоит из опорного И измерительного фото-
диодов, светоизлучающего диода и заслонки, перекрывающей измеритель-
ный фотодиод. Заслонка", прикрепленная к воспринимающей давление
мембране, при перемещении последней перекрывает поток излучения,
падающий на один из фотодиодов. Другой фотодиод является опорным,
и он непрерывно измеряет световой поток от светоизлучающего диода.
Отношение опорного и измерительного сигналов вычисляется микропро-
цессором, и соответствующая функция линеаризуется с использованием
данных запоминающего устройства. Полученный сигнал преобразуется, и
результат в единицах давления выдается цифровым индикатором.

Предложенное изменение режимов ТО гидросистемы самолета Боинг 737 фактически означает, что осуществляется переход с обслуживания гидрофильтра по наработке на техническое обслуживание по состоянию. Выбирается стратегия ТОСКП – техническое обслуживание по состоянию в контролем параметров. В данном случае контролируемым параметром является давление на фильтре. Стратегия технического обслуживания по состоянию с контролем параметров предполагает, что будет происходить замер контролируемого параметра (давления) с некоторой периодичностью.

Для этого предлагается внедрить в систему диагностирования, которая проводила бы постоянный мониторинг объекта контроля (в данном случае фильтра гидроситсемы).

Техническое диагностирование выполняет три основные функции: получение информации о техническом состоянии гидрофильтра, обработка и анализ полученной информации и подготовка или принятие решения по объемам и срокам его технического обслуживания и ремонта. Первая функция предназначена для измерения диагностических параметров, оценивающих техническое состояние фильтра, и установления качественных и количественных признаков состояния; вторая
функция - для обработки и сравнения полученных значений параметров с
допускаемыми; третья функция - для анализа результатов сравнения и установления срока выполнения операции по замене фильтроэлемента. Таким образом, техническое диагностирование
представляет собой основу управления техническим состоянием при эксплуатации. Применение технического диагностирования обеспечивает направленное изменение при эксплуатации не только технического состояния элементов гидросистемы, но и системы их обслуживания и ремонта, так как именно техническое диагностирование является непременным условием перехода на прогрессивные методы технического обслуживания по состоянию.