Какие чувствительные элементы находятся в манометрах с тензопреобразователем

Манометры с тензопреобразователями

Действие измерительных тензопреобразователей основано на изменении электрического сопротивления чувствительного элемента например, проволоки или ленты из тензочувствительного материала при его деформации.

Тензопреобразователи могут быть использованы для дистанцион­ного измерения давления, если их механически соединить с манометрической пружиной или мембраной, которые деформируются подавлением среды.

К Тензочувствительным материалам относятся сплавы меди и ни­келя, никеля и хрома, константам и др. Основными требованиями для них являются стабильность характеристик, малый температурный коэффициент электрического сопротивления, высокая чувствительность.

Тензопреобразователь наклеивается на деформируемый элемент (мембрану), при деформации которого изменяются размеры и элект­рическое сопротивление проволоки, причем это изменение зависит от степени деформации. Изменение сопротивления измеряется обычно мостовой схемой. Для уменьшения влияния температуры на показания давления применя­ются специальные схемы термокомпенсации.

Выпускаются также полупроводниковые тензопреобразователи типа «Кристалл», приборы давления «Сапфир – 22»; в которых для преобразования силово­го воздействия давления в электрический сигнал использу­ется сапфировая мембрана с напыленными кремниевыми тензорезисторами.

Элементы измерительной схемы и усилитель находятся в бло­ке 3

При деформации мембраны в соответствии с эпюрой напряжений на рисунке

касательные напряжения имеют постоянный знак тогда как радиальныеего меняют. Поэтому у радиально размещенных тензорезисторов вблизи края мембраны с ростом давления сопротивление снижается, а у касательно размещенных увеличи­вается.

По изменению сопротивления и тарировочному графику определяют изменение величины давления.

Приборы выпускаются в нескольких модификациях, предназначенных для измерения избыточного давления (ДИ), вакуума (ДВ), избыточного давления и вакуума (ДШ), абсолютного давления (Щ), раз­ности давлений (ДЦ), гидростатического давления (ДГ).

Достоинством преобразователя является то, что в нем используются небольшие деформации чувствительных элементов. Это повышает стабильность характеристик, обеспечивает виброустойчивость, и надежность преобразователей. Погрешность приборов может быть снижена до 0,1%.

Грузопоршневые манометры

В грузопоршневых манометрах измеряемое давление уравновеши­вается силой тяжести неуплотненного поршня с грузами. Манометры используются в качестве образцовых средств воспроизведения еди­ницы давления в диапазоне от 10 -1 до 10 13 Па, а также для точных измерений давления в лабораторной практике. Эти приборы являются приборами высокой точности (классы от 0,005 до 0,2). С помощью таких приборов возможно выполнять поверку других приборов для измерения давления. В последние годы разработаны грузопоршневые приборы для измерения небольших давлений и вакуума, а также для измерения разности давлений и атмосферного давления.

Для расширения диапазона давлений, измеряемых грузопоршневыми манометрами, используются поршни дифференциальные, разгружен­ные, косвенного нагружения с мультипликаторами.

Низкая погрешность воспроизведения и измерения давления с помощью грузопоршевых манометров определяется в соответствии с высокой точностью задания массы грузов, площади сечения поршня и ускорения свободного падения.

Манометры с тензопреобразователями (тензорезисторные манометры)

Тензорезисторные манометры по быстродействию приближаются к пьезоэлектрическим манометрам. В манометрах с тензопреобразователями используется зависимость активного сопротивления проводника или полупроводника от степени его деформации. Тензорезисторные манометры представляют собой мембраны, на которых размещены проволочные, фольговые или полупроводниковые резисторы, сопротивление которых меняется при деформации мембраны под действием давления. На рис.2.10 показана схема устройства тензорезисторов, которые представляют собой спираль, состоящую из нескольких петель проволоки, наклеенную на тонкую бумажную, плёночную или лаковую основу. Сверху спираль закрывают такой же тонкой бумагой или плёнкой. Фольговые преобразователи изготавливаются из металлической фольги толщиной 0,001-0,01 мм вытравливанием. а бРис. 2.10 Схема устройства тензопреобразователя:

А) проволочного; б) фольгового

Схема преобразователя «Сапфир 22» типа ДИ, предназначенного для измерения избыточных давлений с верхним пределом измерения 0,4 МПа и выше, представлена на рис.2.11. Чувствительным элементом манометра является двухслойная мембрана 1. Измеряемое давление действует на металлическую мембрану, к которой сверху припаяна сапфировая мембрана с тензорезисторами. Элементы измерительной схемы и усилитель находятся в блоке 2.

Рис.2.11 Схема измерительного преобразователя давлений ДИ

Ионизационные манометры

Ионизационные манометры — наиболее чувствительные измерительные приборы для очень низких давлений. Для измерения давления в диапазоне 10 -1 …10 -8 Па используются ионизационные манометры. Они измеряют давление косвенно через измерение ионов образующихся при бомбардировке газа электронами. Чем меньше плотность газа, тем меньше ионов будет образовано. Термоэлектроны соударяются с атомами газа и генерируют ионы. Ионы притягиваются к электроду под подходящим напряжением, известным как коллектор. Ток в коллекторе пропорционален скорости ионизации, которая является функцией давления в системе. Таким образом, измерение тока коллектора позволяет определить давление газа. Имеется несколько подтипов ионизационных манометров. Большинство ионных манометров делятся на два вида: горячий катод и холодный катод. Третий вид — это манометр с вращающимся ротором более чувствителен и дорог, чем первые два. В случае горячего катода электрически нагреваемая нить накала создаёт электронный луч. Электроны проходят через манометр и ионизуют молекулы газа вокруг себя. Образующиеся ионы собираются на отрицательно заряженном электроде. Ток зависит от числа ионов, которое, в свою очередь, зависит от давления газа. Принцип манометра с холодным катодом тот же, исключая, что электроны образуются в разряде созданным высоковольтным электрическим разрядом. Схема ионизационного манометра с горячим катодом представлена на рис. 2.12. Основным элементом манометра является стеклянная манометрическая лампа, содержащая катод 1, который находится внутри анодной сетки 2, окруженной цилиндрическим ионным коллектором 3.Рис. 2.12 Схема ионизационного манометра Эжектируемые раскаленным катодом электроны ускоряются положительным напряжением, приложенным между анодом и катодом. При движении электроны ионизируют молекулы разреженного газа. Положительные ионы попадают на отрицательно заряженный коллектор 3. При постоянстве анодного напряжения и электронной эмиссии величина коллекторного тока I_к зависит от измеряемого давления.

Манометры с тензопреобразователями. Устройство, принцип действия манометров с тензопреобразователем.

Манометры с тензопреобразователями по быстродействию приближаются к пьезоэлектрическим манометрам. Их чувствительные элементы (сенсоры) представляют собой мембраны, на которых размещены проволочные, фольговые или полупроводниковые резисторы, сопротивление которых меняется при деформации мембраны под действием давления. Проволочные тензорезисторы проще в изготовлении, но их коэффициент тензочувствительности, определяемый отношением относительных изменений сопротивления к деформации, на порядок меньше, чем у полупроводниковых. В западной литературе тензопреобразователи давления обычно называют пьезопреобразователями, поскольку на греческом языке piezo означает давлю.

В настоящее время в РФ выпускаются преобразователи давления на базе КНС — структуры (кремний на сапфире). В преобразователях давления фирмы Siemens используется КНК-структура (кремний на кремнии). Характерным представителем преобразователей с КНС-структурой является «Сапфир-22», разработанный НИИТеплоприбором, его модификации в аналоговом и микропроцессорном вариантах в настоящее время выпускаются многими заводами РФ. В этих приборах для преобразования силового воздействия давления в электрический сигнал используется сапфировая мембрана с напыленными кремниевыми резисторами. Схема преобразователя «Сапфир-22» типа ДИ, предназначенного для измерения избыточных давлений с верхним пределом измерения 0,4 МПа и выше, представлена на рис. 1, а. Чувствительным элементом манометра является тензопреобразователь 1 с двухслойной мембраной. Измеряемое давление действует на титановую мембрану, к которой сверху припаяна сапфировая мембрана с тензорезисторами. Элементы измерительной схемы и усилитель находятся в блоке 2.

Рис. 1. Схемы преобразователей давления с тензопреобразователями :

а — давления: 1 — тензопреобразователь; 2 2 — электронный блок; б — силы: 1,2 — мембраны; 3 — рычаг тензопреобразователя силы 4; 5 — электронный блок

Существуют два типа тензопреобразователей: давления (рис. 1, а) и силы (рис. 1, б). В тензопреобразователях давления измеряемое давление действует непосредственно на мембрану, поскольку при измерении давления в диапазоне 0,4 МПа и выше на мембране с тензопреобразователями диаметром 6. 8 мм развиваются усилия, достаточные для ее деформации. В тензопреобразователях силы 4 нижняя металлическая мембрана имеет рычаг 3, к которому прикладывается сила, развиваемая мембранным блоком под действием давления. В преобразователях с диапазоном измерения менее 0,4 МПа (см. рис. 1, б) используются в качестве чувствительных элементов блоки из двух мембран 1, 2, жестко соединенных между собой и находящихся под воздействием атмосферного и измеряемого давлений (разрежения), либо разности давлений.

Жесткость мембранного блока в значительной мере определяется жесткостью мембранно-рычажного тензопреобразователя (преобразователя силы). Смещение центров мембран приводит к изгибу рычага 3 и сапфировой мембраны с тензорезисторами 4. Усилитель и элементы измерительной схемы находятся в блоке 5. Ряд давлений ниже 0,4 МПа перекрывается четырьмя моделями преобразователей, имеющими четыре различных площади мембран. При минимальных пределах измерения от 0,16 до 1,6 кПа (модель 10) диаметр мембранного блока составляет 90 мм, при пределах от 25 до 250 кПа (модель 40) он равен 64 мм, при этом соотношение площадей составляет 2:1.

Рис. 2. Схема размещения тензорезисторов на поверхности мембраны (я) и эпюра напряжений (б)

Принципиальная схема размещения резисторов на поверхности сапфировой мембраны представлена на рис. 2, а. При деформации мембраны в соответствии с эпюрой, приведенной на рис. 2, б, касательные напряжения σ _τ имеют постоянный знак, тогда как радиальные σ _τ его меняют. В связи с этим у размещенных радиально вблизи края мембраны тензорезисторов с ростом давления сопротивление снижается, а у размещенных касательно увеличивается. Выбирая точки размещения тензорезисторов, обеспечиваем увеличение чувствительности измерительной схемы.

Недостатком преобразователей этого типа особенно низкопредельных является значительный температурный коэффициент, составляющий около 0,1 %/°С. В связи с этим во всех преобразователях производится температурная компенсация, которая исходит из индивидуальных температурных характеристик каждого прибора. Для введения компенсации температурных уходов начального сигнала и диапазона в качестве терморезистора используется сопротивление диагонали питания тензомоста, которое зависит от температуры и не зависит от давления. Эта диагональ является плечом моста температурной компенсации. Пропорциональный температуре усиленный сигнал его небаланса используется как для изменения тока питания тензомоста при коррекции температурных изменений диапазона преобразователя, так и для устранения смещения его статической характеристики, вызванного температурой. В некоторых преобразователях этого типа (ф. Honeywell) для измерения температуры преобразователя применяется терморезистор, напыленный на участок мембраны, где отсутствуют создаваемые давлением деформации.

В микропроцессорных преобразователях «Сапфир-22МП» микропроцессор используется для введения температурной компенсации, линеаризации статической характеристики измерительного блока, изменения пределов измерения.

Основное достоинство приборов давления с тензопреобразователями — использование малых деформаций чувствительных элементов, что повышает их надежность и стабильность характеристик, а также обеспечивает виброустойчивость. При осуществлении тщательной температурной компенсации предельная приведенная погрешность приборов составляет ±0,075 %, ±0,1 %.

5.1.1. Тензопреобразователи

Относительное изменение электрического сопротивления проводника под воздействием прилагаемого к нему деформирующего усилия положено в основу принципа работы тензорезисторного метода. Выражение, характеризующее действие этого принципа, может быть представлено как

где d_R – относительное изменение электрического сопротивления рабочего элемента тензопреобразователя; k_R – коэффициент тензочувствительности; k_d – коэффициент задействованности деформации; d – относительная деформация рабочей части упругого элемента.

Из (5.3) следует, что определяющими в тензометрическом методе измерения являются чувствительность преобразователя и деформационная способность его упругой основы.

Коэффициент тензочувствительности является функцией удельного сопротивления и геометрических размеров тензорезистора (при воздействии на него деформации) и определяется известной зависимостью

k_R = (1+2m) + DR. (5.4)

Здесь m – коэффициент Пуассона; DR – относительное изменение удельного электрического сопротивления под воздействием относительной деформации.

Тензопреобразователи могут выполняться в виде проволоки или фольги. Проволока закрепляется между электроизолированными опорами или фиксируется (наклеивается) на поверхности упругого элемента. Для повышения чувствительности преобразователя проволоку, константановую или выполненную из сплава НМ23ХЮ, размещают в виде серпантинно расположенной решетки, концы которой соединяют с измерителем электрического сопротивления. Тонкая фольга (4…12 мкм), закрепляемая лаком на поверхности упругого элемента, может также служить чувствительным элементом тензопреобразователя. Однако у таких конструкций может наблюдаться эффект ползучести, когда при долговременных деформациях металлическая фольга или проволока медленно возвращается к первоначальному ненапряженному состоянию (релаксация напряжений). При повышенных температурах этот эффект усиливается. Кроме того, лак, клей, основа преобразователя могут вызывать появление гистерезиса, как и металлическая фольга, проволока после снятия напряжения не сразу возвращаются к своей первоначальной геометрии.

Наибольший тензоэффект (максимальная чувствительность) достигается травлением фольги и изготовлением чувствительного элемента в виде решетки (рис. 5.2). На базе 1 плотно фиксируется решетка 2, служащая основной рабочей частью преобразователя.

Рис. 5.2. Схема тензопреобразователя: 1 – база; 2 – решетка; 3 – выходы

Под воздействием давления база, а с ней и решетка деформируются, и изменяется электрическое сопротивление последней, о чем можно судить по показаниям измерителя сопротивления, подсоединяемого к выходам 3.

Наиболее часто в последние годы применяются тензорезисторы в виде пленки с нанесенным путем вакуумной возгонки и последующей конденсации на ее поверхности тензочувствительным материалом.

Подобным образом изготовляются полупроводниковые тензорезисторы на основе кремния и германия. На основе кремния могут функционировать две структуры: КНК (кремний на кремнии) и КНС (кремний на сапфире). КНК-структура сложна в реализации из-за несовершенства изоляционных свойств. Наиболее широкое применение, особенно в измерительных преобразователях теплотехнических параметров типа «Сапфир», «Метран», получили КНС-структуры.

Одним из основных недостатков тензорезисторных методов измерения является температурная зависимость, т. е. нестабильность показаний, обусловленных влиянием температуры. с нижения такого влияния можно добиться в измерительных схемах, работающих в комплексе с первичным измерительным преобразователем.

Измерительные схемы, наиболее часто применяемые для работы с тензопреобразователем, выполняются в виде моста или делителя напряжения. Мостовая схема предпочтительнее, так как она позволяет, как это показано ниже, скомпенсировать различные побочные влияния. Однако в условиях ограниченной площади для установки тензопреобразователя, подверженного влиянию только деформационной составляющей, в качестве измерительной схемы применяют делитель напряжения.

Элементами измерительной мостовой схемы также могут быть несколько тензопреобразователей и различные вспомогательные элементы. В зависимости от конструкции несколько тензорезисторов могут включаться последовательно, параллельно или последовательно-парал-лельно.

В измерительную цепь часто включается дополнительный резистор, изменяющий свое сопротивление под влиянием «паразитного» фактора таким образом, чтобы сохранялся начальный разбаланс измерительной схемы. Так, с помощью включения в измерительную цепь терморезистора, сопротивление которого зависит только от температуры окружающей среды, в схеме учитывается и компенсируется мультипликативная температурная погрешность и на выходе генерируется электрический параметр, являющийся функцией только деформационной составляющей тензопреобразователя.

Коэффициент задействованности деформации и относительная деформация рабочей части упругого элемента тензопреобразователя из выражения (5.1) зависят от конструкции упругого элемента – основы, на которой крепится непосредственно база преобразователя.

В качестве упругих элементов при тензорезисторном методе измерения могут использоваться стержневые, кольцевые, мембранные, балочные конструкции. Однако наиболее часто в практическом приложении манометрии применяются мембраны. Толщина, размер гофров, диаметр – параметры, определяющие эффективность использования мембраны в качестве первичного преобразователя. Более детально варианты применения мембран в качестве чувствительных элементов манометрических приборов рассмотрены в п.2.3.

В теплотехнических приборах наиболее часто применяются тензорезисторы в виде кремниевой пленки, нанесенной на сапфировую монокристаллическую основу (КНС-структура). В традиционном исполнении тензочувствительный элемент для измерительного преобразователя давления с рычажной деформацией конструктивно монтируется в цилиндре диаметром около 16 мм и длиной до 35 мм. К сожалению, процессы деформации чувствительного элемента в таких системах достаточно сложны, и рабочие характеристики их во многом зависят от уровня технологии изготовления.

ул. Ярцевская, д. 29, корп.2

© 2002 — 2024. НПО ЮМАС
Разработка и производство приборов измерения давления и температуры: манометров, термометров,
напоромеров и клапанов в Москве, Екатеринбурге, Самаре, Санкт-Петербурге, Уфе, Омске, Тюмени и Нижнем Новгороде.
Все права защищены.

Уважаемый пользователь. Уведомляем Вас о том, что персональные данные, которые Вы можете оставить на сайте, обрабатываются в целях его функционирования. Если Вы с этим не согласны, то пожалуйста покиньте сайт. В противном случае это будет считаться согласием на обработку Ваших персональных данных.
Политика конфиденциальности