Тензорезисторные преобразователи давления

Измерительные преобразователи давления, оснащенные преобразовательными элементами тензорезисторного типа получили название тензорезисторных измерительных преобразователей давления. Преобразователи давления этого вида представляют собой деформационный ЧЭ, чаще всего мембрану, на которую наклеиваются или напыляются тензорезисторы.

Принцип действия

В основе принципа работы тензорезисторов лежит явление тензоэффекта, суть которого состоит в изменении сопротивления проводников и полупроводников при их деформации. Связь между изменением сопротивления тензорезистора и его деформацией устанавливается соотношением:

где DR/R – относительное изменение сопротивления тензорезистора;

k_t — постоянный коэффициент, определяемый материалом тензорезистора;

D l | l – относительное изменение длины тензорезистора.

Современные технологии изготовления полупроводниковых тензорезисторов делают возможным изготовление тензорезисторов непосредственно на кристаллическом элементе, выполненном из кремния или сапфира. Упругие элементы кристаллических материалов обладают упругими свойствами, приближающимися к идеальным. Сцепление тензорезистора с мембраной за счет молекулярных сил позволяют отказаться от использования клеящих материалов и улучшить метрологические характеристики преобразователей. [3]

Схема принципиальная

Рис. 52. Схемы тензорезисторных чувствительных элементов

На рис. 52, а показана сапфировая мембрана 3 с расположенными на ней однополосковыми тензорезисторами р-типа с положительной 1 и отрицательной 2 чувствительностями. Положительной чувствительностью обладает тензорезистор, у которо­го отношение DR/R>0, если же DR/R <0 — чувствительность отрицательна. Структура однополоскового тензорезистора приведена на рис. 52, б. Здесь 1 — тензорезистор; 2 — защитное покрытие; 3 — металлизированные токоведущие дорожки; 4 — упругий элемент преобразователя (сапфировая мембрана). Тензорезисторы можно располагать на мембране так, что при деформации они будут иметь разные по знаку приращения сопротивления. Это позволяет создавать мостовые схемы, в каждое из плеч которого включаются тензорезисторы с соответствующим значением DR/R и даже термокомпенсационные элементы.

Рис. 53. Схемы тензорезисторных измерительных преобразователей разности давлений с унифицированным токовым выходным сигналом

На рис. 53, а показана схема тензорезисторного измерительного преобразователя разности давления. Мембранный тензомодуль 4 представляет собой металлическую мембрану, к которой сверху припаяна сапфировая мембрана с напыленными четырьмя кремниевыми тензорезисторами, образующими плечи неравновесного моста. Тензомодуль закреплен на основании 2 и отделен от измеряемой среды двумя разделительными металлическими мембранами 1 и 3. Замкнутые полости между тензомодулем и мембранами заполнены полиметилсилоксановой жидкостью. Измеряемая разность давлений Р1— Р2воздействует на тензомодуль через указанные мембраны и жид­кость. Через герметичные выводы 5 тензомодуль подключается к встроенному электронному устройству 6. С помощью этого устройства изменение сопротивления тензорезисторов преобразуется в унифицированный токовый выходной сигнал (0—5, 0—20 или 4—20 мА), который передается по искробезопасной двухпроводной линии дистанционной передачи к блоку питания 7. Последний устанавливается во взрывобезопасном помещении и обеспечивает питание первичного преобразователя по двухпроводной линии. По этой же линии одновременно передается выходной токовый сигнал. Наряду с указанной функцией блок питания повышает мощность выходного сигнала до уровня, необходимого для подключения внешней нагрузки Rн, и формирует заданный уровень выходного сигнала (0—5, 0—20 или 4—20 мА). В тензорезисторных преобразователях избыточного давления, абсолютного давления и разрежения используются измерительные блоки, аналогичные рассмотренным. Отличие состоит в том, что измерительный преобразователь подключается к объекту «плюсовой» камерой, а «минусовой» сообщается с атмосферой. У измерительных преобразователей абсолютного давления «минусовая» камера вакуумирована.

Тензорезисторный измерительный преобразователь давления с тензомодулем рычажно-мембранного типа показан на рис. 53, б. Тензомодуль рычажно-мембранного типа 3 размещен в заполненной полиметилсилоксановой жидкостью замкнутой полости I и отделен от измеряемой среды металлическими гофрированными мембранами 2 и 9. Мембраны по наружному контуру приварены к ос­нованию 10 и соединены между собой центральным штоком 5, который связан с концом рычага тензомодуля. Разность давлений вызывает прогиб мембран 2 и 9 тензомодуля 3, что сопровождается изменением сопротивления тензорезисторов 4. Электрический сигнал с тензомодуля через герметичные выводы 5 подается во встроенное электронное устройство 6, которое связано с блоком питания 7. Назначение блока питания аналогично рассмотренному.

Погрешности

Классы точности тензорезисторных измерительных преобразователей избыточного давления, разрежения и разности давлений 0,6; 1,0; 1,5. Время установления выходного сигнала при скачкообразном изменении измеряемого параметра 0,5 и 2,5 с. Диапазоны измерений: избыточного давления — от 0–10~3 до 0–60 МПа; разряжения — от –1–0 до –10–0 кПа; абсолютного давления — от 0–2,5 кПа до 0–2,5 МПа; разности давлений — от 0–1 кПа до 0–2,5 МПа.

Кроме рассмотренных разработана модификация тензорезисторного преобразователя, предназначенного для измерения избыточного давления. Преобразователь имеет унифицированные токовые сигналы 0 — 5, 0 — 20, 4 — 20 мА. Классы точности преобразователя 0,25; 0,5; 1,0. Диапазоны измерений избыточного давления от 0 — 2,5 кПа до 0—100 МПа.

Дата добавления: 2014-01-20