Электрические измерители давления

На сегодняшний день наибольшие успехи достигнуты в построении электрических манометров, реализующих резистивный, емкостной и виброрезонансный принципы измерения.

Датчики типа «Сапфир» («Корунд»)

Работа первичных измерительных преобразователей типа «Сапфир», «Корунд» основана на использовании различных эффектов в структурах «кремний на сапфире».

Исторически первыми в нашей стране появились манометры типа «Сапфир». Чувствительный элемент у них — плоская мембрана малого диаметра, деформация которой преобразуется в стандартный токовый сигнал 0 — 5, 0 — 20 или 4−20 мА. К поверхности стальной или титановой мембраны присоединён полупроводниковый тензорезисторный преобразователь. Он состоит из сапфировой монокристаллической подложки с определённой кристаллографической ориентацией, па которой методом гетероэпитаксиальной технологии выращена тонкая (толщиной не более 1 мкм) монокристаллическая пластина кремния, обладающая тензорезисторпым эффектом.

Разновидностью приборов «Сапфир» являются преобразователи «Корунд», выполненные по той же технологии.

Преобразователи «Сапфир» имеют высокую точность, маленькую металлоёмкость, они компактны и малогабаритны.

Их недостатками являются: некоторая сложность изготовления, смещение нуля выходного сигнала, а иногда и изменение характеристики во времени, влияние температуры на показания вследствие большого значения коэффициента объёмного расширения кремнийорганической жидкости, хотя «Сапфир» и имеет температурную компенсацию.

Сапфир (греч. сталлрвфоа, от древнеевр. саппир — синий камень) — минерал, голубая или синяя разновидность корунда, окрашенная примесью Fe³~H Ti⁴⁺. Драгоценный камень первого класса. Красный корунд, окрашенный примесью Сг³⁺, называют рубином. Синтетический сапфир применяют в микроэлектронике, ИК технике и т. п.

Корунд, нем. Korund, от древнеинд. курунвид — минерал подкласса простых оксидов, природный безводный глинозём АЬОз с примесью Cr, Fe, Ti и др. Прозрачные разновидности корунда — драгоценные камни (рубины, сапфиры и др.). Синтетический корунд с добавками Cr³⁺, Fe³⁺ получают в промышленных масштабах и используют в квантовой электронике, часовой промышленности и т. п.

Кремний, лат. Silicium, Si — химический элемент IV группы периодической системы, атомный номер 14, атомная масса 28,086. Один из важнейших полупроводниковых материалов.

Измерительные преобразователи «Сапфир» используют для измерения различных физических величин: абсолютного и избыточного давления, разрежения, разности давлений, расхода жидкости или газа, уровня жидкости, температуры и т. п.

Преобразователи давления «Сапфир» предназначены для работы в системах автоматического контроля, регулирования и управления технологическими процессами и обеспечивают непрерывное преобразование избыточного давления и разрежения («Сапфир-ДИ»), разности давлений («Сапфир-ДД») и абсолютного давления жидких и газообразных сред, неагрессивных к материалам контактирующих изделий (титановые сплавы), в унифицированный токовый выходной сигнал.

Они могут быть использованы для работы со вторичной регулирующей аппаратурой и индикаторными приборами, регуляторами и другими устройствами автоматики, систем контроля и управления давлением.

Работа первичного измерительного преобразователя избыточного давления основана на использовании гензоэффекта (от лат. tensus — напряжённый… и effectus — исполнение, действие) в структуре «кремний на сапфире». Измеряемое давление воздействует на титановую мембрану, на внутренней поверхности которой напаяна сапфировая подложка с эпитаксиальными кремниевыми резисторами, образующими мост. Эпитаксия, от грсч. 8л1 — на, над, сверх… и та^ш — расположение — ориентированный рост одного кристалла на поверхности другого, т.с. подложки.

Титан, лат. Titanium, от греч. tixavoa — титаны, Ti — химический элемент IV группы периодической системы, атомный номер 22, атомная масса 47,88, металл. Титан и его сплавы — важнейшие конструкционные материалы в авиа-, ракето-, кораблестроении, в химической промышленности.

Деформация мембраны под действием давления приводит к изменению электрического сопротивления резисторов и, следовательно, к разбалансу моста, пропорциональному приложенному давлению. Этот разбаланс измерительного моста преобразуется электронным преобразователем в унифицированный токовый сигнал.

Внешний вид преобразователя избыточного давления «Сапфир-ДИ» показан на рис. 4.8 а, а микропроцессорный манометр «Сапфир-22МТ» — на рис. 4.8 6.

Измерительный микропроцессорный преобразователь «Сапфир 22-МТ» представляет собой новое поколение из серии «Сапфир» и имеет следующие технические и метрологические характеристики:

• — пределы допустимой погрешности 0,25; 0,15 и 0,1;
• — диапазон измерений от -100 кПа до 100 МПа;
• — выходной сигнал:
  • 0 — 5 и 5 — 0 мА — для моделей с четырёхпроводной схемой включения;
  • 4 — 20 и 20 — 4 мА — для моделей с двухи четырёхпроводной схемами включения;
• — перенастройка диапазона 10:1;
• — температура окружающей среды от -50 до 80 °C;
• — температура измеряемой среды от -50 до 120 °C;
• — степень защиты IP65;
• — взрывозащищённость Exia, Exds;
• — время наработки на отказ 250.000 часов;

Он имеет следующие функциональные возможности:

• — перенастройка диапазонов;
• — смещение нуля диапазонов измерений до 90% шкалы;
• — раздельная настройка диапазона измерений и его начальных значений;
• — возможность настройки на предельно узкий диапазон измерений в любой части шкалы (эффект электронной линзы);
• — переключение фиксированных диапазонов при помощи микропереключателей;
• — облегчённый доступ к клеммам тестового сигнала;
• — кнопочное переключение выходного сигнала 4−20 мА на 0−5 мА и обратно;
• — реверсирование характеристик выходного сигнала;
• — ограничение выходного сигнала в режиме перегрузки (не более 22 мА);
• — установка «нуля» нажатием внешней кнопки;
• — интеграция в аналоговые системы управления;
• — возможность подключения выносного блока индикации.

Преобразователь избыточного давления «Корунд-ДИ» представляет собой единую конструкцию (рис. 4.9), в которой первичный измерительный преобразователь соединён с электронным преобразователем.

Измеряемое давление через штуцер (от нем. Stutzen) 1 подаётся на металлическую мембрану 3, с внутренней стороны которой находится сапфировая подложка 4 с нанесёнными на неё кремниевыми резисторами. В кожухе 5, герметично соединённом с крышкой 6, находится плата (от фр. plat — плоский) электронного преобразователя с потенциометрами для корректировки «нуля» 7 и «диапазона» 8. Регулировочные винты 7 и 8 закрыты заглушкой 10 на крышке 6. На кожухе 5 установлен разъём 9 для подсоединения ответной части с проводами линий связи.

Конструкция преобразователя разности давлений «КорундДД» показана на рис. 4.10, а его внешний вид — на рис. 4.11.

Датчик мембранно-рычажного типа (4, 5 и 6) преобразователя «Корунд-ДД» размещён внутри основания 9 в замкнутой полости 11, заполненной кремнийорганической жидкостью, и отделён от измеряемой среды металлическими полированными.

Рис. 4.8. Внешний вид манометров «Сапфир-22»: а — «Сапфир-22»; б — «Сапфир-22МТ».

Рис. 4.9. Схема преобразователя «Корунд-ДИ»:

1 — штуцер; 2 — рабочая полость; 3 — металлическая мембрана; 4 — сапфировая подложка с резисторами; 5 — кожух; 6 — крышка; 7, 8 — потенциометры; 9 — разъём; 10- заглушка.

Рис. 4.10. Схема преобразователя разности давлений «Корунд-ДД»:

1 — электронное устройство; 2 — гермоввод; 3 — прокладка; 4 — тензопреобразователь; 5 — тяга; 6 — шток; 7 — «+» камера; 8 — мембрана; 9 — основание; 10 — фланец; 11 — замкнутая полость; 12- «-» камера гофрированными (от франц. gaufrcr — прессовать складки) мембранами 8. Мембраны 8 приварены по наружному контуру к основанию 9, а левая мембрана соединена с центральным штоком 6. Шток (нем. Stok — палка, ствол) связан с помощью тяги 5 с концом рычага тензопреобразователя 4, на который нанесена сапфировая подложка. Фланцы (нем. Flansch) 10 уплотнены прокладками 3. Воздействие измеряемой разности давлений (большее подаётся в камеру 7, меньшее — в камеру 12) вызывает деформацию мембран 8, изгиб мембраны тензопреобразователя 4 и изменение сопротивления тензорезисторов. Электрический сигнал от тензопреобразователя передаётся из измерительного блока в электронное устройство 1 по проводам через гермоввод 2 и преобразуется в унифицированный токовый сигнал.

Рис. 4.11. Внешний вид манометра «Корунд».

Измерительный блок выдерживает без разрушения воздействие односторонней перегрузки избыточным давлением от 0,1 до 25 МПа в зависимости от модификации. Это обеспечивается тем, что при такой перегрузке одна из мембран 8 ложится на профилированную поверхность основания 9.

Другой разновидностью электрических манометров является емкостной манометр, принцип действия которого заключается в изменении под действием давления ёмкости конденсатора, одной из обкладок которого является мембрана (рис. 4.12). Все свободное пространство между стенками камеры и мембраной обязательно заполняется несжимаемой жидкостью (обычно силиконовое масло).

Рис. 4.12. Схема емкостного электрического манометра.

Для емкостных манометров характерны потенциально высокая термоустойчивость, быстродействие, стабильность, отсутствие шумов и самонагрева.

К недостаткам резистивного и емкостного манометров относится остаточная деформация и механическая усталость центральной мембраны; для пьезорезистивного манометра — это нестабильность стеклянной подложки и дрейф сопротивления плёнок, связанный с диффузией примесей в материале. В них наличествует преобразование «деформация-сопротивление-ток» или «деформация-ёмкоегь-ток».