Датчик давления устройство физические параметры которого изменяются

Датчик давления — устройство, физические параметры которого изменяются в зависимости от давления или разности давлений жидкостей, газов. В датчиках давления, давление преобразуется в электрический сигнал или цифровой код. Унифицированный выходной сигнал постоянного тока или напряжения (0 -20, 4 -20 м. А и 0 -5, 0, 4 -2 В).

Датчик давления состоит из: -первичного преобразователя давления (в составе которого чувствительный элемент и приемник давления); -схемы вторичной обработки сигнала; -различных корпусных деталей; -защиты от внешних воздействий; -устройства вывода информационного сигнала Общая схема преобразователя давления в электрический сигнал

По виду измеряемого давления различают : -абсолютные ; -дифференциальные; -относительные; -вакуумные датчики.

Абсолютное давление – давление, значение которого при измерении отсчитывается от давления, равного нулю. Относительное(избыточное) давление – разность давлений, одно из которых, принятое за начало отсчёта, является абсолютным давление окружающей среды. Pо = Paбс – Pатм. Дифференциальное(разность) давление – разность двух произвольных давлений, значение одного из которых принято за начало отсчёта (В этом случае основное значение имеет разность давлений, а не абсолютное значение каждого из них). ∆P = P 1 - P 2. Вакуумметрическое давление величина, на которую измеряемое давление меньше барометрического.

По принципу преобразования давления в электрический сигнал или по типу используемого чувствительного элемента : • Тензометрический • Емкостной • Резонансный • Индуктивный • Пьезорезистивный метод и т. д.

Тензорезистор - тонкопленочный резистор на сапфировой подложке, сопротивление которого изменяется от величины приложенного усилия деформации подложки Тензочувствительный элемент датчиков давления состоит из: qдвух тензорезисторов, расположенных на краю диафрагмы qдвух, расположенных на более плотном участке кристалла Вместе они образуют мостовую схему. Принцип действия тензопреобразователей основан на явлении тензоэффекта в материалах.

Под действием давления в мембране возникают изгибающие напряжения → изменение сопротивления и разбалансировка моста. Данное напряжение рассогласования прямо пропорционально приложенному давлению (U ≈ P). 24… 36 В +I +U -U 0 Выход 0. . . 5 м. А 4. . . 20 м. А Тензорезистор P Принципиальная схема тензодатчика Соединение в мост (мост Уитстона) - для усиление выходного сигнала, т. к изменение сопротивления чувствительного элемента тензодатчика мало.

Мост Уитстона на тензорезисторах Принцип работы моста Уитстона: В начальном состоянии мост находится в состоянии баланса: R 1 = R 3, R 2= R 4, т. е. между точками разность потенциалов равно нулю. Если изменить величину хотя бы одного из сопротивлений, например R 2, то между точками с и d возникнет разность потенциалов, которая будет тем больше, чем больше изменится сопротивление R 2.

различаются по типу чувствительного элемента: Фольговые тензорезисторы Проволочные тензорезисторы Чувствительный элемент из Чувствительный элемент - фольги толщиной несколько проволока из сплава Ni-Cu микрометров. или Ni-Cr, толщиной 13 -25 микрометров. + датчики малого размера + относительно низкая + Выпускаются: стоимость. • на бумажной подложке; • спец. тензорезисторы для бетона; • тензорезисторы на большие деформации; • спец. для высоких температур. Полупроводниковые тензорезисторы Чувствительный элемент изготовлен из монокристалла кремния. + Подходят для измерения микро деформаций и для производства высокочувствительных датчиков. + Тензочувствительность кремниевых резисторов в 10… 100 раз выше, чем у металлических (проволочных или фольговых) тензометров - подвержены влиянию температуры - не обладают достаточной линейностью.

Датчик давления в разобранном виде

Достоинства 1. 2. 3. 4. Высокая степень защиты от агрессивной среды Высокий предел рабочей температуры Налажено серийное производство Низкая стоимость Недостатки 1. Неустранимая нестабильность градуировачной характеристики 2. Высокие гистерезисные эффекты от давления и температуры 3. Низкая устойчивость при воздействии ударных нагрузок и вибраций

Емкостные преобразователи используют метод изменения емкости конденсатора при изменении расстояния между обкладками. При изменении давления мембрана с электродом деформируется и происходит изменение емкости. Емкостной преобразователь давления. Известны керамические или кремниевые емкостные первичные преобразователи давления и преобразователи, выполненные с использованием упругой металлической мембраны В элементе из керамики или кремния, пространство между обкладками обычно заполнено маслом или другой органической жидкостью.

RS 485 G МПК C P Принципиальная схема емкостного датчика давления 4… 20 м. А

Схема первичного преобразователя давления для емкостного датчика.

Достоинства 1. Высокая точность; 2. Высокая стабильность характеристик; 3. Возможность измерять низкий вакуум; 4. Простота конструкции. Недостатки 1. Зачастую, нелинейная зависимость емкости от приложенного давления ; 2. Необходимо дополнительное оборудование или электричекая схема для преобразования емкостной зависимости в один из стандартных выходных сигналов; 3. Гистерезис.

В основе метода лежит изменение резонансной частоты колеблющегося упругого элемента при деформировании его силой или давлением. Частота резонатора и будет показывать величину, с которой давление давит на мембрану, а она в свою очередь давит на резонатор.

Частным примером может служить кварцевый резонатор. При прогибе мембраны, происходит деформация кристалла кварца, подключенного в электрическую схему и его поляризация. Изменение давления → изменение частоты колебаний кристалла. Подобрав параметры резонансного контура, изменяя емкость конденсатора или индуктивность катушки, можно добиться того, что сопротивление кварца падает до нуля – частоты колебаний электрического сигнала и кристалла совпадают — наступает резонанс. Упрощенный вид резонансного чувствительного элемента, выполненного на кварце

Достоинства 1. Высокая стабильность характеристик; 2. Высокая точность измерения давления( погрешность 0. 01 %). Недостатки 1. 2. 3. При измерении давления агрессивных сред необходимо защитить чувствительный элемент, что приводит к потери точности измерения; Высокая стоимость; Длительное время отклика;

Индукционный способ основан на регистрации вихревых токов (токов Фуко). Чувствительный элемент состоит из двух катушек, изолированных между собой металлическим экраном. В катушках генерируется электрический сигнал переменного тока таким образом, что заряд и разряд катушек происходит через одинаковые промежутки времени. Индукционный преобразователь давления

Преобразователь измеряет смещение мембраны при отсутствии механического контакта. При отклонении мембраны создается ток в фиксированной основной катушке, что приводит к изменению индуктивности системы. Смещение характеристик основной катушки дает возможность преобразовать давление в стандартизованный сигнал, по своим параметрам прямо пропорциональный приложенному давлению.

Достоинства 1. Возможность измерения низких избыточных и дифференциальных давлений с высокой точностью; 2. Незначительное влияние температуры на точность измерения. Недостатки 1. Сильное влияние магнитного поля; 2. Чувствительность к вибрациям и ударам.

Основаны на пьезоэлектрическом эффекте. Пьезоэлектрический эффект (пьезоэффект) состоит в том, что при механических деформаций некоторых кристаллов в определённых направлениях на их гранях появляются электрические заряды противоположных знаков. В датчиках давления применяется в основном монокристаллический кремний, который служит чувствительным элементом датчика. Устанавливается на диэлектрическое основание с использованием легкоплавкого стекла или методом анодного сращивания (рисунок). Под действием измеряемого давления на внешней и внутренней сторонах пары пластин пьезоэлектрика возникают электрические заряды, причём суммарная ЭДС (между выводом и корпусом) изменяется пропорционально давлению.

Такие датчики целесообразно применять при измерении быстроменяющегося давления; если давление меняется медленно, то возрастает погрешность преобразования из-за "стекания" электрического заряда с пластин на корпус. Монокристалл кремния на диэлектрическом основании

Возбуждение колебаний и передача частоты механических колебаний в электрический, частотный сигнал происходят путем помещения двухконтурных резонаторов в постоянное магнитное поле и пропускания переменного электрического тока через тело резонатора в контуре возбуждения. Благодаря эффекту электромагнитной индукции, в измерительном контуре возникает переменная ЭДС с частотой, равной частоте колебаний резонатора измерительного контура. Электрическая схема пьезоэлектрического датчика давления Обратная связь контура возбуждения по измерительному контуру вместе с эффектом сдвига частоты вынужденных колебаний в сторону резонансной частоты обеспечивают постоянное соответствие частоты электрических колебаний резонансной (собственной) частоте механических колебаний тела резонатора.

Кремниевый резонатор защищен герметичной капсулой и интегрирован в плоскость кремниевой мембраны. Т. к кремниевый резонатор располагается на механической измерительной мембране, упругие деформации приводят к изменению его параметров и, соответственно, к изменению генерируемой частоты. Это значение измеряется микропроцессорным контроллером (МПК), обеспечивающим выдачу результатов измерений в виде унифицированного токового сигнала на выход датчика.

HART G МПК 4… 20 м. А f HART - сигнал Резонатор t P Общий вид пьезоэлектрического датчика с первичным преобразователем давления и схемы вторичной обработки сигнала. G – резонансный генератор; МПК – микропроцессорный контроллер.

Конструктивные исполнения для разных категорий сред работы датчика давления Чистые неагрессивные среды Агрессивная среда Чувствительные элементы либо без защиты, либо с защитой силиконовым гелем. Преобразователь давления в герметичном металлостеклянном корпусе, с разделительной диафрагмой из нержавеющей стали, передающей давление измеряемой среды на ИПД посредством кремнийорганической жидкости.

Достоинства 1. Высокая стабильность характеристик; 2. Устойчивость к ударным нагрузкам и вибрациям; 3. Низкие (практически отсутствуют) гистерезисные эффекты; 4. Высокая точность; 5. Возможность измерять давление различных агрессивных сред. Недостатки 1. 2. Ограничение по температуре (до 150ºC); Размещение резонатора на мембране и возможность его усталостного разрушения в процессе эксплуатации.

По виду выходного сигнала: - Аналоговый - Цифровой

Цифровые датчики давления

Датчик Нового Поколения Компактный и легкий Легко переносить Легко хранить Легко устанавливать EJX Датчики давления

Датчики дифференциального и статического давления Новая серия EJX – Время отклика 95 мсек – Макс. рабочее давление для базовых моделей – 25 МПа – Стабильность 0, 1 % в течении 10 лет безо всяких ограничений – Точность 0, 04% стандартно и 0, 025% как опция – Глубина перестройки шкалы 1: 200 – Многопараметрический тип

ВОЗМОЖНОСТИ Ø Мультисенсорный преобразователь Один датчик – 2 задачи! Дифференциальное давление Ø Самое быстрое время отклика Ø Высоконадежный чувствительный элемент (Самое высокое качество) Ø Самое высокое максимальное рабочее давление Ø Самодиагностика Ø Высокая точность + Ø Компактный, легкий ØУдобный дисплей Статическое давление

СРАВНЕНИЕ ВРЕМЕНИ ОТКЛИКА

ВОЗМОЖНОСТИ Ø Мультисенсорный преобразователь Один датчик – 2 задачи! Дифференциальное давление Ø Самое быстрое время отклика Ø Высоконадежный чувствительный элемент (Самое высокое качество) Ø Самое высокое максимальное рабочее давление Ø Самодиагностика Ø Высокая точность Ø Компактный, легкий ØУдобный дисплей Статическое давление

Чувствительный элемент – сердце датчика

Структура сенсора H Кремниевый резонатор

ПРИНЦИП РАБОТЫ СЕНСОРА Сторона низкого давления • При приложении давлений – Внешний сенсор растягивается (частота) – В это время внутренний сенсор сжимается (частота ) • Измеряемая разность давлений пропорциональна разности частот Растяж. Сжат. Сторона высокого давления

ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СЕНСОРА Эпитаксиальное выращивание Силиконовая подложка Si. O 2 Формирование резонатора P++ N+ Tип Si Фотолитография и Травление РЕЗОНАТО Р Формирование вакуумной оболочки Эпитаксиальное P++ P+ выращивание N+ Механический резонатор вместе с кремниевой мембраной представляют собой ЕДИНЫЙ МОНОКРИСТАЛЛ

Компоновка сенсора Вид резонатора под электронным микроскопом 3 1 2 4 Оболочка Резонатор 10 мкм Монокристалл кремния 1 – резонатор 2 – кремниевая мембрана 3 – запирающая капсула 4 – вакуумная полость Отсутствие гистерезиса Вакуумная камера

Частотно-резонансный метод измерения 120 100 =20 k. Hz 80 =40 k. Hz Частота (k. Hz) 60 ft fc 40 Резонатор 20 Растяжение Сжатие Давление процесса Давление 0 0 Кремниевая чувствительная мембрана 2 резонатора 25 50 75 % от ВПИ Монокристаллический кремниевый резонатор Кремниевая мембрана 100

Многопараметрический датчик Схема работы резонансного моста f 1 f 2 f 1 - f 2 = Пропорциональна перепаду давлений (Частота) (дифференциальному) f 1 + f 2 = Пропорциональна статическому (Частота) . . давлению R = Пропорционально температуре R (Сопротивление)

Кремниевый резонатор – это… Единая монокристаллическая структура ь Идеальные упругие свойства ь Полное отсутствие гистерезиса ь Стабильность Мультисенсорный дифференциальный резонансный сенсор ь Симметричный выходной сигнал ь Аппаратная компенсация влияния температуры и ь статического давления Измерение одним сенсором сразу 3 -х параметров (T, P и DP) Частотный выход сразу с сенсора ь Высокая точность и разрешение 0, 004% ь Широкий диапазон перенастройки шкалы ь Низкое соотношение шум/сигнал

Погрешность, % Цифровая целостность Долговременная стабильность Время, год Погрешность измерения ± 0, 04 %

Все разработчики датчиков вынуждены признать, что емкостной и пьезорезистивный методы измерения давно исчерпали себя. Тип сенсора Пьезосопротивление Емкостной (R пл. от деформации) Пьезосопр-е Конструкция (С от перемещения) Si стекло Вых. сигнал Чувств-ть Воздействие температуры Воздействие давления Факторы дрейфа R=2 to 5 k W R/R =2 to 5% Резонаторы Мет. электрод C= 50 to 10 0 p. F f=50 to 100 k. Hz C/C= 15 to 20% f/f = 20% Усталость материала, остаточные деф-ции (частота от деформации) Темп. перекос из-за Сопротивление также разных коэф. расш. зависит о темп-ры 0. 25%/50 град. С Сопротивление также Перекос из-за разных зависит о давления упругих свойств 0. 1%/10 MPa 0. 05%/10 MPa Загрязнение, диффузия примесей 0. 08%/50 град. С 0. 01%/10 MPa отсутствуют Si

Конструкция датчика Компоновочные блоки EJX 110

Структура капсул Сенсор Защитная мембрана Высокое давление Разд. мембрана Норм. давление Перегрузка

Кремниевая мембрана Резонатор Магнитное поле ЭДС Постоянный магнит Цепь возбуждения Частотный выход

Цифровой датчик Не требуется АЦП МПБ БП Полностью цифровые измерения 4 -20 м. А

Общая блок-схема

Определение неисправностей Неисправность Определение неисправности Колебания отсутствуют Резонатор 1 Резонатор 2 Сигнал оповещения f 1 f 2 • Простота конструкции – Возникновение неисправностей сведено к минимуму – Нет сварных швов, контакта разнородных материалов • Активный датчик – Прекращение колебаний при неисправности – Самодиагностика • Датчик с двумя резонаторами – Оповещение при отказе одного или обоих резонаторов 52 Блок диагностики

Удобный дисплей

Мнения специалистов и потребителей об EJX “Высокая точность” “Стоек” К. . . “Чисто Цифровой Сенсор” “Очень Эффективен в общем снижении стоимости владения” Турбулентности Перегрузкам Статическому давлению Температуре Вибрации Не требуется обслуживание в течение 10 лет! “Стабилен” Стабильность нуля Общая стабильность