Приборы с электрическим выходным сигналом

Тензорезисторы Принцип действия тензорезисторов основан на явлении тензоэффекта, заключающегося в изменении активного сопротивления проводника под воздействием прилагаемого к нему деформирующего усилия. Тензорезисторы представляют собой упругие элементы, на которых размещены проволочные, фольговые или полупроводниковые резисторы, сопротивление которых меняется при деформации упругого элемента под действием давления.

На рисунке 6.6,а показан тензопреобразователь типа «кремний на сапфире» производства компании «Овен». При изготовлении тензопреобразователя применяются современные технологии и материалы, и его устройство достаточно сложно.

Упрощенная конструкция чувствительного элемента показана на рисунке 6.6, б. Чувствительный элемент состоит из сапфировой подложки 2, на которую нанесен терморезистор 1 (в виде уравновешенного измерительного моста Уитстона), подложка припаяна твердым припоем 3 к титановой мембране 4. Под действием давления измеряемой среды сапфиро-титановая мембрана прогибается, тензорезисторы меняют свое сопротивление, что приводит к разбалансу моста Уитстона. Разбаланс пропорционален измеряемому давлению.

а) б)

а – общий вид преобразователя ОВЕН ПД 100 б – чувствительный элемент полупроводникового тензопреобразователя: 1 – тензорезистор, 2 – сапфировая подложка, 3 – серебросодержащий припой, 4 – титановая мембрана

Рисунок 6.6 – Преобразователь давления ОВЕН ПД100

ОВЕН ПД100 – линейка микропроцессорных датчиков

давления, предназначенных для непрерывного преобразования

давления измеряемой среды (избыточного, избыточного-вакуумметрического, гидростатического или дифференциального) в унифицированный сигнал постоянного тока 4…20 мА. Датчики рекомендуются для применения в системах автоматического

регулирования и управления технологическими процессами в различных областях промышленности, жилищно-коммунального хозяйства, на тепловых пунктах, компрессорных и насосных станциях, системах КНС, водонапорных башнях и др.

Рекомендуемая рабочая среда для датчиков – жидкости (в том числе техническая вода), пар, газы, парогазовые и газовые смеси при давлении, не превышающем верхний предел измерения датчика и не агрессивные к материалу измерительной мембраны.

Резистивные датчики имеют высокую степень защиты от воздействия агрессивных сред, высокие предельные температуры измеряемой среды, низкую стоимость. Однако их недостатком является неустранимая временная нестабильность передаточной характеристики (давление-ток) и существенные гистерезисные эффекты от воздействия давления и температуры.

Емкостные преобразователи. Принцип действия емкостных сенсоров датчиков давления основан на зависимости емкости конденсатора от расстояния между его обкладками. Роль одной обкладки (подвижной) выполняет металлизация внутренней стороны мембраны, роль второй обкладки (неподвижной) – металлизация основания сенсора. Подвижная мембрана изготавливается из сверхчистой керамики, кремния или упругого металла. При изменении давления процесса (рабочей среды) мембрана с обкладкой деформируется, расстояние между ней и основанием сенсора изменяется, и происходит изменение емкости. В элементе из керамики или кремния, пространство между обкладками обычно заполнено маслом или другой органической жидкостью (рисунок 6.7).

1 – мембрана, 2 – обкладки конденсатора, 3 – прокладка

Рисунок 6.7 – Емкостной керамический преобразователь давления

Преимуществом емкостного метода является относительная простота конструкций первичных преобразователей. К недостаткам относятся нелинейная зависимость емкости от приложенного давления, повышенные требования к электрической изоляции, необходимость экранирования соединительных линий.

Пьезоэлектрические преобразователи. Пьезоэлектрический

эффект (пьезоэффект) наблюдается у отдельных видов кристаллов. При механическом воздействии на эти кристаллы на их поверхности генерируются электрические заряды. Такой пьезоэффект имеет название прямого. Деформация кристалла или текстуры под воздействием электрического поля носит название обратного пьезоэффекта. Пьезоэлектрическими свойствами обладают как кристаллические вещества естественного происхождения (например, кварц, турмалин, сегнетова соль), так и материалы искусственного происхождения (цирконат титаната свинца, соединения ниобата свинца, пьезокерамика). Пьезокерамика представляет собой продукт отжига спрессованной смеси, содержащей мелко раздробленные сегнетоэлектрические кристаллы.

1 – корпус, 2 – пьезоэлемент, 3 – кабель, 4 – ниппель, 5 – токосъемник

Рисунок 6.8 – Пьезоэлектрический датчик давления 014МТ

Чувствительные элементы датчиков выполняются в виде набора пьезопластин или пьезоцилиндра. На рисунке 6.8 показана конструкция и внешний вид датчика давления 014 М. Пьезоэлемент выполнен в виде радиально поляризованного цилиндра и жестко соединен с корпусом тонкой клеевой прослойкой. Внешнее давление действует на торец и боковые поверхности корпуса, деформация которого передается на пьезоэлемент, генерирующий заряд, пропорциональный давлению. Информационный сигнал через кабель поступает в систему обработки. В пьезоэлектрических датчиках давления нет движущихся частей, они прочны, имеют линейные характеристики, долговечны и обладают хорошей воспроизводимостью результатов. Они могут противостоять высоким статическим нагрузкам, однако с высокой точностью реагируют на небольшие колебания давления. К достоинствам пьезоэлектрических преобразователей относится также возможность измерения быстропеременных величин. Недостатками являются невысокая чувствительность, непригодность к измерению статических величин, относительно невысокий уровень выходного сигнала, что требует применения в измерительной системе промежуточных усилителей.

Современные датчики давления – это сложный комплекс самых разных компонентов: высокочувствительных сенсоров, электронных схем, микропроцессоров. Микропроцессор производит математическую обработку информации непосредственно в процессе измерения давления, а также активно управляет процессом измерения. Обработка данных в самом приборе – основное отличие интеллектуальных датчиков от других приборов для измерения давления.

На выходе интеллектуальные датчики давления дают аналоговый электрический сигнал и цифровой сигнал. Интеллектуальные датчики давления могут быть запрограммированы в зависимости от требований конкретного производства с учетом его динамики. Наличие микропроцессора позволяет не только повысить точность измерений, но и значительно расширить функции прибора. Такие датчики давления могут обрабатывать и хранить в памяти большие массивы информации, работать в автономном режиме значительный период времени, проводить самодиагностику работы сенсора и корректировать возникающие погрешности.

Рисунок 6.9 – Пример применения преобразователя давления ОВЕН ПД100

Наиболее известными производителями интеллектуальных датчиков давления являются такие отечественные производители как промышленная группа «Метран» (Emerson Process Management), «Манометр», «Элемер» и зарубежные компании «Endress & Hauser», «Valcom», «Honeywell», «Yokogawa», «Fisher–Rosemount».

Популярными моделями являются «Метран – 150», датчики высокой технологии DPharpEJX («Yokogawa»), датчики серии АИР («Элемер»), Комплексы «САПФИР» («Манометр») и другие.