Датчики давления • Давление жидкой среды

Датчики давления

• Давление жидкой среды в замкнутом объеме не зависит от формы сосуда, поэтому при разработке датчиков давления такие параметры как форма и размеры часто бывают не очень существенными. Если на одну из сторон сосуда с жидкостью или газом действует внешнее давление, оно передается по всему объему без изменения – закон Паскаля. • Кинетическая теория газов утверждает, что давление является мерой полной кинетической энергии молекул:

• Избыточное давление — это давление газа, превышающее давление окружающей среды. В противоположном случае — речь идет о вакууме. Давление называется относительным, когда его измеряют относительно давления окружающей среды, и абсолютным — когда оно измеряется по отношению к нулевому давлению. Давление среды может быть стационарным, когда жидкая среда находится в покое, или динамическим, когда оно относится к жидкостям в движении.

Единицы измерения давления • В системе СИ единицей измерения давления является паскалъ: 1 Па=1 Н/м 2. Это • значит, что давление 1 паскаль равно силе, равномерно распределенной по поверхности площадью 1 квадратный метр. Иногда в качестве технической единицы измерения давления применяется единица, называемая атмосфера, обозначаемая 1 атм. Одна атмосфера это давление, которое оказывает столб воды высотой 1 метр на площадку 1 квадратный сантиметр при температуре +4°С и нормальном гравитационном ускорении. Между единицами давления существует следующая взаимосвязь: • 1 Па = 9. 869 х 10 -6 атм = 7. 5 х 10 -4 см ртутного столба • Для грубых оценок можно запомнить еще одно соотношение: 0. 1 мм Н 2 О создает давление, приблизительно равное 1 Па. В промышленности применяется другая единица давления, называемая торр (это название дано в честь физика Торричелли), которая определяется как давление, создаваемое столбиком ртути высотой 1 мм при 0°С, нормальном атмосферном давлении и нормальной гравитации. Нормальное давление атмосферы Земли, равное 760 торр, называется технической атмосферой: • 1 атм = 760 торр = 101, 325 Па.

• Принцип действия любого датчика давления заключается в преобразовании давления, испытываемого чувствительным элементом, в электрический сигнал. В конструкцию практически всех преобразователей давления входят сенсоры, обладающие известной площадью поверхности, чья деформация или перемещение, возникающие вследствие действия давления, и определяются в процессе измерений. Таким образом, многие датчики давления реализуются на основе детекторов перемещения или силы, причиной возникновения которой является тоже перемещение.

Ртутные датчики давления • U-образный датчик давления, за- полненный ртутью, применяемый для измерения давления газов , использующий принцип сообщающихся сосудов. U-образный провод с точкой заземления в центре помещается в U- образную трубку с ртутью. Часть этого провода оказывается закороченной ртутью, в результате чего сопротивление в обоих ветвях провода всегда будет пропорционально высоте столбиков ртути. Полученные резисторы включены в схему моста Уитстона, который находится в уравновешенном состоянии пока равно нулю дифференциальное давление в трубке. Давление, приложенное к одному из концов трубки (например, левой), приводит к разбалансировке мостовой схемы и появлению на ее выходе ненулевого сигнала. • Чем выше давление в левой части трубки, тем больше сопротивление соответствующего плеча и тем меньше сопротивление противоположного. Выходное напряжение пропорционально разности сопротивлений R в двух плечах моста, незакороченных ртутью участков провода:

Сильфоны, мембраны и тонкие пластины • Чувствительные элементы, входящие в состав датчиков давления, являются ме- ханическими устройствами, деформирующимися под действием внешнего на- пряжения. Такими устройствами могут быть трубки Бурдона (С-образные, спиральные и закрученные), гофрированные и подвесные диафрагмы, мембраны, сильфоны и другие элементы, форма которых меняется под действием на них давления.

Сильфоны

• Сильфон преобразует давление в линейное перемещение, которое может быть измерено при помощи соответствующего датчика. • Таким образом, сильфон выполняет первый этап преобразований давления в электрический сигнал. Он обладает относительно большой площадью поверхности, что дает возможность получать довольно существенные перемещения даже при небольших давлениях. Жесткость цельного металлического сильфона пропорциональна модулю Юнга материала и обратно пропорциональна внешнему диаметру и количеству изгибов на нем. Жесткость сильфона также связана кубической зависимостью с толщиной его стенок.

• Диафрагма, применяемая в анероидных барометрах для преобразования давления в линейное отклонение. Диафрагма, формирующая одну из стенок камеры давления, механически связана с тензодатчиком, который преобразует ее отклонения в электрический сигнал. В настоящее время большинство датчиков давления такого типа изготавливаются с кремниевыми мебранами, методами микротехнологий.

• Мембрана — это тонкая диафрагма, радиальное растяжение которой S изме- ряется в Ньютонах на метр (рис. 10. 3 Б). Коэффициентом жесткости при изгибе здесь можно пренебречь, поскольку толщина мембраны гораздо меньше ее радиуса (по крайней мере в 200 раз). Приложенное давление к одной из сторон мембраны сферически выгибает ее. При низких значе-ниях давления р отклонение центра мембраны zm и ее механическое напряжение m являются квазилинейными функциями давления (напряжение измеряется в Н/м 2): • Zm = r 2 P/4 S , m = S/g • где г — радиус мембраны, a g — ее толщина. Механическое напряжение мембраны считается постоянным по всей ее поверхности. Частоту колебаний мембраны можно определить по формуле:

• При значительной толщине мембраны, когда ее отношение r/g <100, речь уже идет о тонкой пластине (рис. 10. 3 А). Если такую пластину закрепить между двумя зажимными кольцами, в системе появится значительный гистерезис, вызванный силами трения между кольцами и пластиной. Поэтому пластину и поддерживающие компоненты лучше изготавливать в виде монолитной конструкции. Для пластины, также как и для мембраны, максимальное отклонение линейно связано с давлением: • где Е — модуль Юнга (Н/м 2), a — коэффициент Пуассона. Максимальное меха- ническое напряжение в пластине тоже является линейной функцией давления: •

Пьезорезистивные датчики • Изменение сопротивления пропорционально приложенному механическому напряжению, и, следовательно, приложенному давлению. Резисторы располагаются на диафрагме так, чтобы их продольные и поперечные коэффициенты тензо- чувствительности имели противоположные знаки, тогда изменения значений ре- зисторов также будут иметь разные знаки. При включении резисторов в полумостовую схему и при подаче на нее напряжения возбуждения Е, выходной сигнал будет равен выражению: •

• В этом датчике пьезорезистивный элемент, представляющий собой тензодатчик, формируется методом ионной имплантации на кремниевой диафрагме. К выводам резистора 1 и 3 подводится напряжение возбуждения. Под прямым углом к направлению тока возбуждения прикладывается давление, вызывающее механическое напряжение диафрагмы, которое, в свою очередь, формирует в ре- зисторе поперечное электрическое поле, снимаемое в виде напряжения с выводов 2 и 4.

Изготовление кремниевой мембраны методом сплавления кремния: А — технологические этапы изготовления, Б — сравнение двух диаф- рагм, полученных по разным технологиям • Микродатчик состоит из двух частей: верхней и нижней под- ложек (рис. 10. 6 А). В нижней закрепленной подложке методом анизотропного травления формируется полость по размеру диафрагмы. Толщина нижней подложки составляет 0. 5 мм, а требуемая длина диафрагмы — 250 мкм, поэтому в результате анизотропного травления формируется пирамидальная полость глубиной 175 мкм. Следующий шаг заключается в соединении методом сплавления нижней подложки с верхней, состоящей из кремния р-типа с нанесенным эпитаксиальным слоем я-типа. Толщина эпитаксиального слоя соответствует заданной конечной толщине диафрагмы. После этого методом контролируемого травления удаляется часть верхней подложки, в результате чего от нее остается только тонкий слой из монокристаллического кремния, который и образует диафрагму датчика. Далее методом ионной имплантации формируются резисторы, а методом травления проделываются контактные отверстия. На последнем этапе нижняя подложка заземляется и шлифуется до получения желаемой толщины устройства — порядка 140 мкм.

Датчики давления бывают трех типов, позволяющих измерять абсолютное, дифференциальное и манометрическое давление • Абсолютное давление, например, барометрическое, измеряется относительно давления в эталонной вакуумной камере, которая может быть как встроенной (рис. 10. 7 А), так и внешней.

• При изготовлении дифферен- циального или манометрического датчика, кремниевый кристалл располагается внутри камеры, в которой формируются два отверстия с двух сторон кристалла (рис. 10. 7 Б). Для защиты устройства от вредного влияния окружающей среды внутренняя часть корпуса заполняется силиконовым гелем, который изолирует по-верхность кристалла и места соединений, но позволяет давлению воздействовать на диафрагму.

• Штуцеры располагаются параллельно другу с одной стороны датчика, но встречаются датчики и с соосным расположением штуцеров. Если давление среды, приложенное к плюсовому штуцеру, больше давления среды в минусовом штуцере, то датчик покажет разницу (перепад) давлений со знаком плюс. Если к плюсовому штуцеру приложено меньшее давление чем к минусовому, то перепад будет со знаком минус.

• Чувствительным элементом датчика перепада является упруго деформируемая измерительная мембрана с закрепленными на ней тензорезисторами. Измерительная мембрана изолирована от рабочей среды. Давление среды прикладывается к защитным мембранам, расположенным с обоих сторон от измерительной мембраны. Полости между защитными и измерительной мембранами заполнены специальной жидкостью. Под действием приложенных давлений защитные мембраны деформируются, деформируя измерительную мембрану - в след за ней деформируются тензорезисторы. При этом их сопротивление изменяется. Это изменение сопротивления воспринимается электроникой датчика перепада и соразмерно преобразуется в то или иное значение выходного аналогового сигнала. В отличие от обычного датчика давления, у которого измеряемое давление прикладывается только к одной стороне мембраны, к мембране датчика разности давления измеряемое давление среды прикладывается с обеих сторон. Поэтому

Корпуса датчиков давления • •

• В процессе работы датчика перепада вентиля на плюсовой и минусовой трассах должны быть полностью открыты, а уравнительный вентиль полностью закрыт. При проверке датчика перепада на ноль вентиля на плюсовой и минусовой трассах закрываются, а уравнительный вентиль открывается. После чего производиться настройка нуля датчика перепада регулировочными резисторами или средствами встроенного программного обеспечения датчика. После того как настройка нуля датчика выполнена уравнительный вентиль перекрывается, а отсечные вентиля открываются. Для некоторых устаревших моделей датчиков перепада давлений, например, типа Сапфир, в первую очередь открывается вентиль на плюсовой трассе, а уже потом вентиль на минусовой трассе. Это связано с конструктивным исполнением чувствительного элемента. Современным датчикам перепада последовательность открытия плюсового и минусового вентилей безразлична.

Реле давления • Схема контроля чистоты фильтра работает следующим образом. Плюсовая камера дифференциального датчика давления соединяется с пространством трубы до фильтра, минусовая камера с трубой после фильтра. Если фильтр чистый, то рабочая среда (газ, воздух, вода и т. п. ) беспрепятственно проходят через фильтр. Давления среды до и после фильтра практически равны. По мере загрязнения фильтра его сопротивление протекающему потоку возрастает, а значит, возрастают потери давления на фильтре. В результате давление среды после фильтра становиться меньше чем давление среды до фильтра. Возникшая разность (перепад) давлений воздействует на мембрану датчика перепада, изгибает ее в определенном направлении, что в результате приводит либо к замыканию встроенной контактной группы, либо к перемещению стрелки датчика перепада в "красную" зону. • Замкнувшийся контакт датчика перепада либо включает сигнализирующую лампу "Засорение фильтра", либо запускает схему автоматической очистки (промывки) фильтра. Нахождение стрелки датчика перепада в "красной" зоне (для датчиков перепада без выходной контактной группы) сигнализирует обслуживающему установку персоналу о необходимости проведения технического обслуживания фильтра - его очистке.

Зависимость характеристик от давления

Схема датчика давления топлива • Основа датчика - сенсорный элемент, объединяющий стальную мембрану и тензорезисторы. Толщина стальной мембраны соответствует измеряемому давлению (чем толще мембрана, тем больше давление). Тензорезисторы преобразуют деформацию стальной мембраны в изменение электрического сопротивления. Тензорезисторы соединены по мостовой схеме (т. н. мостик Уинстона) и к ним через усилитель подается напряжение. • Работа датчика давления топлива осуществляется следующим образом. Через штуцер топливо попадает к стальной мембране, которая прогибается пропорционально величине давления. Соответственно изменяется величина сопротивления тензорезисторов. Входное напряжение датчика при этом может изменяться в пределах 0 -80 м. В. С помощью усилителя величина напряжения увеличивается до значений порядка 0 - 5 В и подается на электронный блок управления. Блок управления в соответствии с заложенной программой оценивает текущее значение давления топлива. В случае отклонения давления топлива от заданной величины срабатывает регулирующий клапан в топливной рампе • 1 - электрический разъем • 2 - электронная схема • 3 - сенсорный элемент • 4 - топливная рампа • 5 - штуцер • 6 - топливо

Система автоматического поддержания воды • Насос подключается через частотный преобразователь и, исходя из показаний датчика давления, поддерживается постоянный уровень давления в системе. Преобразователь программируется так, чтобы всегда поддерживать необходимое давление (например, 4, 5 -5 атм. ) Насос работает в режиме плавного пуска и остановки, не вызывая гидравлических ударов и избегая работы с полной нагрузкой. В этом режиме экономится электроэнергия, не нагружается электрическая сеть, увеличивается срок службы насоса, обеспечивается защита насоса. . Преобразователь сам запускается и отслеживает показания датчика давления. Когда открывается кран, давление в баке начинает уменьшаться и преобразователь незамедлительно реагирует на это включением насоса и восстановлением нужного уровня давления, а когда уровень будет достигнут - насос отключится.

• Насос подключается через частотный преобразователь и, исходя из показаний датчика давления, поддерживается постоянный уровень давления в системе. Преобразователь программируется таким образом, чтобы всегда поддерживать необходимое давление (например, 4, 5 -5 атм. ) Так насос работает в режиме плавного пуска и остановки, не вызывая гидравлических ударов и избегая работы с полной нагрузкой без необходимости. В этом режиме экономится электроэнергия, не нагружается электрическая сеть, увеличивается срок службы насоса, обеспечивается защита насоса. . Преобразователь сам запускается и отслеживает показания датчика давления. Когда открывается кран, давление в баке начинает уменьшаться и преобразователь незамедлительно реагирует на это включением насоса и восстановлением нужного уровня давления, а когда уровень будет достигнут - насос отключится.