Манометры с тензопреобразователями

Пьезоэлектрические манометры

Принцип действия пьезоэлектрических манометров основан на пьезоэлектрическом эффекте, сущность которого состоит в возникновении электрических зарядов на поверхности сжатой кварцевой пластины, которая вырезается перпендикулярно электрической оси кристаллов кварца. Схема пьезоэлектрического манометра представлена на рис. 7.10.

Рис. 7.10. Схема пьезоэлектрического манометра

Измеряемое давление с помощью мембраны 1 преобразуется в усилие, сжимающее кварцевые пластины 2. Электрический заряд, возникающий на металлизированных плоскостях 3 под действием усилия F со стороны мембраны 1, определяется выражением

,

где p – давление, действующее на металлическую мембрану 1 с эффективной площадью S; k – пьезоэлектрическая постоянная, Кл/Н.

Напряжение на входе усилителя, подключенного к выходу пьезопреобразователя, определяется общей емкостью измерительной цепи C,

.

Кварц в отличие от других сегнетоэлектриков, обладающих пьезоэффектом, является механически прочным и имеет высокую жесткость, что исключает влияние упругой характеристики мембраны 1 на коэффициент передачи пьезоэлектрического преобразователя.

Частота собственных колебаний преобразователя достигает десятков килогерц, вследствие чего они широко применяются на технологических объектах, характеризуемых высокочастотными изменениями давления.

Пьезоэлектрическая постоянная кварца, составляющая около 2×10^-12 Кл/Н, отличается стабильностью и слабой зависимостью от температуры, что позволяет использовать пьезопреобразователи для измерения давления высокотемпературных сред.

Из-за утечки заряда пьезоэлектрические преобразователи не используются для измерения статических давлений.

С целью повышения чувствительности несколько кварцевых пластин включаются параллельно. Верхний предел измерения давления у этих приборов достигает 100 МПа (1000 кгс/см²).

Манометры с тензорезистивными преобразователями по быстродействию приближаются к пьезоэлектрическим манометрам.

Представляют собой мембраны, на которых размещены проволочные, фольговые или полупроводниковые резисторы, сопротивление которых меняется при деформации мембраны под действием давления.

Они проволочные тензорезисторы проще в изготовлении, но их коэффициент тензочувствительности, определяемый отношением относительных изменений сопротивления к деформации, на порядок меньше, чем у полупроводниковых.

В настоящее время получили широкое применение приборы давления серии «Сапфир» и «Метран» (промышленная группа «Метран»), «Мида» (промышленная группа «Микроэлектронные датчики»), в которых для преобразования силового воздействия давления в электрический сигнал используется сапфировая мембрана с напыленными кремниевыми резисторами (структура КНС).

Схема преобразователя «Сапфир-22» типа ДИ, предназначенного для измерения избыточных давлений, представлена на рис. 7.11.

Рис. 7.11. Схема измерительного преобразователя давления ДИ

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.

Принципиальная схема размещения резисторов на поверхности сапфировой мембраны представлена на рис. 7.12, a. При деформации мембраны в соответствии с эпюрой, приведенной на рис. 7.12, б, касательные напряжения e_t имеют постоянный знак, тогда как радиальные e _r его меняют. В связи с этим у радиально размещенных тензорезисторов вблизи края мембраны с ростом давления сопротивление снижается, а у касательно размещенных увеличивается. Выбирая точки размещения тензорезисторов, обеспечивают увеличение чувствительности измерительной схемы и возможность введения температурной компенсации.

Рис. 7.12. Схема размещения полупроводниковых тензорезисторов

Преобразователи «Сапфир-22» имеют на выходе токовый сигнал 0¸5 мА (0¸20, 4¸20 мА) при сопротивлении нагрузки до 2,5 кОм (1 кОм), предельная погрешность приборов – 0,25; 0,5 %, напряжение питания преобразователей – 36 В.

Приборы выпускают в нескольких модификациях, предназначенных для измерения избыточного давления (ДИ), вакуума (ДВ), избыточного давления и вакуума (ДИВ), абсолютного давления (ДА), разности давлений (ДД), гидростатического давления (ДГ).

В преобразователях с диапазоном измерения менее 0,4 МПа (рис. 7.13) 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.

Рис. 7.13. Схема измерительного преобразователя разности давлений ДД

Жесткость мембранного блока определяется жесткостью мембранно-рычажного тензопреобразователя. Смещение центров мембран приводит к изгибу рычага 3 и сапфировой мембраны с тензорезисторами 4. Усилитель и элементы измерительной схемы находятся в блоке 5.

Основным достоинством преобразователей «Сапфир-22» является использование небольших деформаций чувствительных элементов, что повышает их надежность и стабильность характеристик, а также обеспечивает виброустойчивость преобразователей. При осуществлении тщательной температурной компенсации предельная погрешность приборов может быть снижена до 0,1 %.

Датчики «Метран» имеют преимущества перед датчиками «Сапфир»:

- повышены точностные характеристики;

- уменьшена дополнительная температурная погрешность для всех классов точности за счет улучшения схемы термокомпенсации;

- улучшены эксплуатационные характеристики в части регулировки и подстройки диапазона измерений;

- повышена надежность за счет уменьшения числа электронных компонентов и плат при применении интегральных элементов.

В последних датчиках «Метран-100» имеются уже шесть исполнений электронного преобразователя и не применяется аналоговый преобразователь (АП):

– МП (МП1) – микропроцессорный преобразователь. Здесь аналоговый сигнал о давлении через АЦП преобразуется в цифровой код. Микроконтроллер производит коррекцию и линеаризацию характеристики преобразователя давления. Итоговый цифровой сигнал через ЦАП преобразуется в унифицированный токовый сигнал. Энергонезависимая память микроконтроллера предназначена для хранения коэффициентов коррекции характеристики. Контроль и настройка параметров датчика осуществляются с помощью трехкнопочного переключателя и индикаторного устройства (выносного ЖКИ при исполнении МП или встроенного при исполнении МП1).

Кнопки 1 и 2 используются для:

· контроля и настройки параметров датчика;

· установки нуля;

· настройки единиц измерения;

· настройки времени установления выходного сигнала (демпфирования) от 0,2 до 25,6 с.

Кнопка 3 используется при:

· настройке диапазона измерений;

· установке «смещенного» начального значения выходного сигнала;

· выборе прямой или инверсной характеристики;

· выборе системы единиц измерения;

· калибровке датчика.

Кнопка 3 запломбирована для защиты от несанкционированного доступа.

Применение микропроцессорной электроники позволило обеспечить возможность самодиагностики (при неисправности датчика выходной сигнал меньше 3,7 мА), контроля и настройки параметров датчика непосредственно на месте эксплуатации, увеличить динамический диапазон до 25:1;

– МП2 (МП3) – микроконтроллер одновременно с возможностью на месте коррекции и линеаризации характеристик датчика поддерживает НАRТ-протокол. Это позволяет иметь дополнительные возможности:

· осуществлять удаленно настройку параметров датчика, его конфигурирование, калибровку, тестирование с помощью управляющих устройств (ручной портативный НАRТ-коммуникатор, компьютер или контроллер, оснащенный НАRТ-модемом и соответствующим драйвером)

· применять датчики как в аналоговых, так и в цифровых системах автоматизации.

Дальнейшим развитием микропроцессорных преобразователей датчиков «Метран-100» стала разработка преобразователей МП4 и МП5, в которых применяется физический интерфейс связи RS -485, по которому осуществляется настройка датчика и передача данных о состоянии измеряемой среды. В этих датчиках аналоговый измерительный сигнал не передается. Для связи используются протоколы обмена ICP или Modbus.

Все датчики фирмы «Метран» обычно имеют следующие характеристики:

· вес от 1 до 10,4 кг в зависимости от модели;

· наработка на отказ до 100 тыс. часов;

· вероятность безотказной работы за 2000 часов – 0,97;

· межповерочный интервал: 2 года для исполнения АП, 3 года для исполнения МП;

· питание 36±0,7 В или 12÷36 В. (Современные датчики давления потребляют не более 1,2 Вт. Ранее у дифференциально-трансфор­ма­торных датчиков ДНЭ-МИ, ДСЭ-МИ потребление составляло до 8 Вт при питании от 220 В);

· температурный диапазон работы –40 ÷ +70 °С;

· основная погрешность к верхнему пределу измерения – 0,1; 0,25; 0,5; 1,0;

· выходной сигнал линейно-возрастающий или линейно-убыва­ющий 0–5; 5–0; 0–20; 20–0; 4–20; 20–4 (в датчиках «Метран-100 ДД» впервые введена зависимость по закону квадратного корня для измерения расхода на сужающих устройствах);

· исполнение обыкновенное, экспортное или взрывозащищенное – искробезопасная цепь (Ех) или взрывонепроницаемая оболочка (Вн);

· климатическое исполнение:

o УХЛ3.1 – температура окружающей среды 5÷50 °С, относительная влажность до 95 % при 35 °С;

o У2 – температура окружающей среды –40÷70 °С, относительная влажность до 95 % при 35 °С;

o Т3 – температура окружающей среды –25÷70 °С, относительная влажность до 100 % при 35 °С;

· степень защиты от воздействия пыли и воды IP65;

· гарантийный срок эксплуатации:

o 18 месяцев (для датчиков с АП);

o 36 месяцев (для датчиков с МП).

В табл. 7.3 приведены данные по датчикам 1151 и 3051 фирмы Fisher - Rosemount, которые были взяты за образцы при изготовлении датчиков «Метран-100». Основная погрешность данных датчиков не превышает 0,1 % в диапазоне 10, что является высокой точностью для промышленных систем.

Появляются датчики давления с цифровым выходом на многоточечную полевую шину (Fieldbus) типа Modbus, ASI и др.

Для измерения высоких давлений в диапазоне 250¸1600 МПа используются манометры сопротивления манганиновые, в которых чувствительным элементом является катушка из манганиновой проволоки. Сопротивление катушки меняется под воздействием измеряемого давления, коэффициент изменения сопротивления составляет 2,4×10^-11 1/Па. Предельная погрешность манометров не превышает 1 %.

Дата добавления: 2014-01-04