Деформационные манометры

Пружинные манометры, вакуумметры, мановакуумметры, тяго­меры, напоромеры, дифференциальные манометры и барометры составляют обширную группу приборов для технических изме­рений. Пределы измерения, классы точности, допустимая температур­ная погрешность и некоторые другие параметры для отдельных видов приборов устанавливаются стандартами. Действие пружинных приборов основано на измерении вели­чины деформации различного вида упругих элементов. Деформа­ция упругого чувствительного элемента преобразуется переда­точными механизмами того или иного вида в угловое или линей­ное перемещение указателя по шкале прибора. Преимущества пружинных приборов — простота устройства, надежность, универсальность, портативность и большой диа­пазон измеряемых величин. Пружинные приборы изготовляются различных классов точности.

По виду упругого чувствительного элемента пружинные при­боры делятся на следующие группы:

1) приборы с трубчатой пружиной или собственно пружинные (рис. 5, а и б);

2) мембранные приборы, у которых упругим элементом слу­жит мембрана (рис. 5, б), анероидная или мембранная коробка (рис. 5, г и д), блок анероидных или мембранных коробок (рис. 5, е и ж);

3) пружинно-мембранные с гибкой мембраной (рис. 5, з);

4) приборы с упругой гармониковой мембраной (сильфоном) (рис. 5, к);

5) пружинно-сильфонные (рис. 5, и).

 

Рисунок 5 – Типы пружинных приборов

Наиболее широко применяются приборы (манометры, вакуум­метры, мановакуумметры и дифманометры) с одновитковой труб­чатой пружиной.

Основная деталь прибора с одновитковой трубчатой пружи­ной—согнутая по дуге окружности трубка эллиптического или плоскоовального сечения (рис.6). Одним концом трубка заде­лана в держатель, оканчивающийся ниппелем с резьбой для присоединения к полости, в которой измеряется давление. Внутри держателя есть канал, соединяющийся с внутренней полостью трубки.

Если в трубку подать жидкость, газ или пар под избыточным дав­лением, то кривизна трубки умень­шится и она распрямляется; при создании разрежения внутри трубки кривизна ее возрастает и трубка скручивается. Так как один конец трубки закреплен, то при изменении кривизны трубки ее свободный конец перемещается по траектории, близкой к пря­мой, и при, этом воздействует на передаточный механизм, который поворачивает стрелку прибора. Свойство изогнутой трубки некруглого сечения изменять величину изгиба при изменении давления в ее полости является следствием изменения формы сечения. Под действием давления внутри трубки эллиптическое или плоскоовальное сечение, деформируясь, приближается к круговому сечению (малая ось эллипса или овала увеличивается, а большая уменьшается).

Манометры с трубчатой пружиной изготовляют на давление до 1000 МПа.

Рисунок 6 – Приборы с одновитковой трубчатой пружиной

а) – схема трубчатой пружины (1 – трубка; 2 – держатель;) б) – эллиптическое поперечное сечение; в) – плоскоовальное поперечное сечение

 

Зависимость перемещения свободного конца трубчатой пружины от измеряемого давления линейна до некоторого наиболь­шего давления, называемого пределом про­порциональности. При его превышении по­является остаточная деформация пружины, и она становится непригодной. С учетом это­го давление, соответствующее конечному значению шкалы, устанавливают примерно в 2 раза ниже предела пропорциональности.

В соответствии с этим, шкалу манометра (верхний предел измерения), выбирают таким образом, чтобы рабочий предел измерения (наибольшее рабочее давление) был не более 3/4 верхнего предела измерения (при постоянном давлении Рм=Рраб·4/3) и не более 2/3 верхнего предела измерения (при переменном давлении Рм=Рраб·3/2). В последнем случае, рабочий диапазон измеряемых давлений должен находиться во второй трети шкалы манометра. Верхние пределы измерения манометра выбирают из ряда (1; 1,6; 2,5; 4 и 6)•10 n, где n - целое положительное или отрицательное число. Принято значение рабочего давления отме­чать на шкале манометра красной чертой (рис.7).

Наряду с одновитковыми трубчатыми пру­жинами используют и многовитковые спиральные. Они обладают более высокой чувствительностью. Приме­няют их в основном в самопишущих приборах.

Трубчато-пружинные манометры с одновитковой пружиной широко применяют на производстве для местного контроля давле­ния.

Рисунок 7 – Общий вид приборов с одновитковой трубчатой пружиной

Электрические манометры

Электрические датчики давления (рис. 8) состоят из первичного преобразователя давления, в состав которого входят: чувствительный элемент и приемник давления, схемы вторичной обработки сигнала, различные по конструкции корпусные детали и устройства вывода.

Основное отличие этих приборов друг от друга заключается в точности регистрации давления, которая зависит от принципа преобразования давления в электрический сигнал.

В приборах этой группы измеряемое давление оказывает воздействие на чувствительный элемент и изменяет его электрические параметры: электрическое сопротивление, электрическую емкость или заряд, которые становятся мерой измеряемого давления.

Рисунок 8 - Блок-схема преобразователя давления в электрический сигнал

1 – чувствительный элемент; 2 – приемник давления; 3 – преобразователь давления;

4 – измерительный преобразователь давления

 

Большинство применяемых сегодня общепромышленных ИПД реализуется на трех основных принципах:

- емкостные - используют упругий чувствительный элемент в виде конденсатора с изменяющимся зазором: смещение или прогиб происходит под действием измеряемого давления подвижного электрода - мембраны (относительно неподвижного) и вследствие этого изменение его электрической емкости;

- пьезоэлектрические - основаны на зависимости поляризованного заряда или резонансной частоты пьезоэлектрических кристаллов (кварц, турмалин и др.) от давления, приложенного к ним;

- тензорезисторные - используют зависимость активного сопротивления проводника или полупроводника от степени его деформации.

 

Действие емкостных манометров основано на изменении емкости плоского конденсатора при изменении расстояния между обкладками. Устройство одного из емкостных мано­метров показано на рисунке 9. Корпус манометра снабжен ниппелем для присоединения к объекту измерения. В дно ниппеля впаяна мембрана воспринимающая давление. В верхнюю часть корпуса ввернута втулка 3, положение которой относительно корпуса может фиксироваться контргайкой. Внутрь втулки 3 вставлен керамический цилиндр-изолятор с электродом. Электрод оканчивается диском, являющимся второй обкладкой конденсатора. Под действием давления мембрана прогибается, изменяется расстояние между ней и диском, увеличивается емкость конденсатора. Выбирая размеры мембраны, можно создавать приборы для измерения давлений в широком диапазоне.

Рисунок 9 – Емкостный манометр

1 – корпус; 2 – мембрана; 3 – втулка; 4 – контргайка; 5 – изолятор; 6 –электрод; 7 – диск

 

С использованием емкостного сенсора созданы датчики давления модели 3051CD, 3051CG, 3051L, 2051CD, 2051CG, 2051L. (ПГ Метран).

Рисунок 10 – Общие виды датчиков давления МЕТРАН серии 3051

 

Фирма Smar (Бразилия) также выпускает ряд высокоточных датчиков давления с емкостными сенсорами.

Основными достоинствами емкостных преобразователей давления являются:

- высокая чувствительность (до 500 В/мм);

- простота конструкции;

- малые размеры и масса;

- малая инерционность;

- высокая точность;

- стабильность характеристик.

К недостаткам таких преобразователей относятся:

- большое внутреннее сопротивление;

- влияние на работу преобразователя паразитных емкостей (требуется экранирование);

- необходимость усиления снимаемого сигнала;

- потребность в источнике напряжения высокой частоты;

- сильное влияние изменения температуры, влажности и загрязнений окружающей среды;

- для достижения максимальной чувствительности монтаж производят короткими проводами, что не всегда удобно.

 

В основе работы тензопреобразователей (тензорезисторов) лежит явление тензоэффекта, заключающееся в изменении активного сопротивления проводниковых и полупроводниковых материалов при их механической деформации.

По способу нанесения датчиков на чувствительные элементы их делят на наклеиваемые и ненаклеиваемые.

По конструктивному исполнению датчики делятся на проволочные, фольговые и полупроводниковые.

Проволочные тензопреобразователи (рис. 11) конструктивно представляют собой отрезок тонкой проволоки длиной l (диаметром 0,02...0,05 мм), которую зигзагообразно наклеивают на тонкую бумажную или пленочную основу (подложку) 2. Сверху проволоку также закрывают тонкой бумагой, лаковой пленкой 3 или фетром. Для включения в измерительную схему к концам проволоки припаиваются медные выводы 4.

Рисунок 11 - Проволочный тензопреобразователь:

1 - проволока; 2 - подложка; 3 - защитная пленка; 4 - медные выводы

 

Фольговые тензопреобразователи (рис.12) представляют собой следующее поколение проволочных тензопреобразователей.

Вместо решеток из проволоки в них применяют решетку из фольги толщиной 0,004...0,012 мм.

На рисунке 12 показаны тензопреобразователи разных конструкций:

а) типовая форма фольгового тензопреобразователя;

б) коротко-базовый преобразователь;

в) преобразователь для наклейки на круглую мембрану.

Фольговые тензопреобразователи могут пропускать больший ток, чем проволочные, так как имеют большую площадь поперечного сечения проводника при тех же размерах решетки.

Они обладают большей теплоотдачей, из-за площади прилегания к деформируемой детали (чувствительному элементу датчика). Благодаря этому можно увеличить значение номинального тока до 0,2 А.

Сопротивление фольговых тензопреобразователей равно 30 - 250 Ом.

В качестве материала решеток проволочных и фольговых тензопреобразователей применяются как чистые металлы (серебро, платина, медь), так и сплавы (константан, нихром, манганин и др.).

Основными достоинствами проволочных и фольговых тензопреобразователей являются:

- полное отсутствие их влияния на деформацию детали;

- линейность характеристики;

- низкая стоимость.

Основным недостатком преобразователей этого типа является низкий температурный диапазон работоспособности: от -40 до +70°С.

Рисунок 12 - Фольговые тензопреобразователи:

а - типовой; б - короткобазовый; в – круговой

 

Полупроводниковые тензопреобразователи отличаются от проволочных и фольговых большим (до 50%) изменением сопротивления при деформации и более высоким пределом чувствительности к температуре (в 10 - 20 раз).

Преимущества этих преобразователей заключаются в более высоком (в 60 раз) коэффициенте тензочувствительности, малых размерах (длина базы А = 3 - 10 мм), больших значениях выходного сигнала.

Наиболее сильно тензоэффект выражен в таких полупроводниковых материалах, как германий, кремний, антимонид индия, фосфид индия, арсенид галлия, антимонид галлия.

Для тензопреобразователей используют германий и кремний в виде пластин.

Существует несколько способов изготовления полупроводниковых тензопреобразователей:

- вырезание из полупроводникового монокристалла;

- выращивание монокристалла посредством конденсации паров;

- нанесение тонких пленок со свойствами монокристаллов на некоторые виды подложек;

- получение диффузионным способом.

В изготовлении тензорезисторных ИПД промышленного назначения применяют технологию КНС - «кремний на сапфире».

Эти ИПД обладают высоким механическим, изолирующим и теплоустойчивым качествами.

Конструкция чувствительного элемента тензопреобразователя, изготовленного по этой технологии, представлена на рисунке 13.

Рисунок 13 - Чувствительный элемент полупроводникового тензопреобразователя

 

Чувствительный элемент состоит из сапфировой подложки, на которую диффузионным способом наносят тензорезисторы (чаще всего тензорезисторы наносятся в виде уравновешенного измерительного моста Уинстона).

Рисунок 14 - Структурная схема тензорезисторного преобразователя давления

 

Подложка припаяна твердым припоем к титановой мембране. Чувствительный элемент включается в общую измерительную цепь преобразователя давления. Структурная схема преобразователя приведена на рисунке 14. Деформация измерительной мембраны под действием внешнего давления Р приводит к локальным деформациям тензорезисторного моста, состоящего из постоянных тензорезисторов R2, R3, R4 и переменного R1, которые приводят к разбалансу мостовой схемы. Разбаланс преобразуется электронным блоком в унифицированный выходной электрический сигнал.

К достоинствам данного типа чувствительных элементов можно отнести:

- высокий температурный диапазон работоспособности (от «-160» до «+1500»°С);

- хорошую защищенность чувствительного элемента от воздействия любой агрессивной среды;

- хорошо налаженное серийное производство;

- относительно невысокую себестоимость.

Основными недостатками этих тензопреобразователей являются:

- малая гибкость;

- небольшая механическая прочность;

- нелинейность;

- большой разброс характеристик однотипных преобразователей;

- нестабильность параметров.

Несмотря на имеющиеся недостатки, значительная часть применяемых в нашей стране датчиков давления выпускается на основе тензорезисторных чувствительных элементов._

Конструкция одной из моделей такого датчика - тензопреобразователя «Сапфир-22ДИ» представлена на рисунке 15. Мембранный тензопреобразователь 3 размещен внутри основания 9. Внутренний канал 4 тензопреобразователя заполнен кремнийорганической жидкостью и отделен от измеряемой среды металлической гофрированной мембраной 6, приваренной по наружному контуру к основанию 9. Полость 10 сообщается с окружающей атмосферой. Измеряемое давление поступает в камеру 7 фланца 5, который уплотнен прокладкой 8.

Это давление действует на мембрану 6 и через жидкость воздействует на мембрану тензопреобразователя, вызывая ее прогиб и изменение сопротивления тензорезисторов.

Электрический сигнал от тензопреобразователя передается из измерительного блока в электронный блок 1 по проводам через гермовывод 2.

Рисунок 15 - Конструкция измерительного преобразователя давления

1 - электронный блок; 2 -гермовывод; 3 - тензопреобразователь; 4 - канал;

5 -фланец; 6 - измерительная мембрана; 7 -измерительная камера;

8 - прокладка; 9 - основание; 10 - внутренняя полость.

 

Значительная часть применяемых в нашей стране датчиков давления выпускается на основе тензорезистивных чувствительных элементов. Например, датчики давления серии МЕТРАН предназначены для измерения избыточного давления (ДИ), разрежения (ДВ), давления-разрежения (ДИВ), разности давлений (ДД). Чувствительный элемент – кристалл сапфира с кремниевыми пленочными тензорезисторами (структура КНС - кремний на сапфире).

 

Действие пьезоэлектрических преобразователей (рис. 16) основан на пьезоэффекте — свойстве некоторых кристаллических веществ создавать электрические за­ряды под действием механической силы. Самым распространенным ма­териалом для таких датчиков являет­ся кварц. Пьезоэлемент вырезается особым образом из кристалла кварца.

Главным достоинством таких прибо­ров является их безынерционность. Заряды возникают мгновенно в момент приложения силы. Это делает пьезоэлектрические приборы незаменимыми при измерениях в быстропротекающих процессах, связанных с изменением давления (изучение явлений кавитации, взрывных реакций и т.п.).

"Пьезорезистивными" обычно называют монокристаллические кремниевые сенсоры с диффузионными пьезорезисторами, в которых упругим элементом служит сама кремниевая мембрана.

Чувствительным элементом датчиков этого типа является пьезоэлемент — материал, выделяющий электрический сигнал при деформации (прямой пьезоэффект). Пьезоэлемент находится в измеряемой среде, он будет выделять ток пропорциональный величине изменения давления. Так как электрический сигнал в пьезоматериале выделяется только при деформировании, а при постоянном давлении деформирование не происходит, то этот датчик пригоден только для измерения быстро меняющегося давления.

 

Рисунок 16 – Конструкция пьезодатчика

Конструкция пьезорезистивного сенсора представлена на рисунке 16. Как и тензорезистивный, он содержит упругую мембрану, закрепленную на стеклянном основании, на которой имеется мост Уитстона, преобразующий деформацию мембраны в электрический сигнал. Однако в данном случае мембрана изготавливается из монокристаллического кремния, а вместо тензорезисторов используются сформированные методом диффузии пьезорезисторы. Поскольку жесткость кремниевой мембраны значительно ниже, чем металлической, разность давлений передается от наружных разделительных мембран через силиконовое масло непосредственно на сенсор без использования рычагов, тяг и т. п.

Достоинствами пьезорезистивных сенсоров яв­ляются малый гистерезис, стойкость к вибрации и однородность упругой мембраны.

Недостатки в основном те же, что у тензорезистивных, но выражены в меньшей степени:
низкая чувствительность (2...5%);

сильное влияние температуры (за счет изменения удельного сопротивления пьезорезисторов);
существенное влияние статического давления;

недостаточная стабильность (фактором дрейфа является загрязненность примесями);
наличие нелинейности.

Пьезоэлектрические приборы позволяют измерять давление до 100МПа.

Рисунок 17 – Общий вид пьезоэлектрических датчиков давления

 

Основным достоинством пьезорезистивных датчиков является высокая стабильность характеристик, по сравнению с КНС преобразователями. ИПД на основе монокристаллического кремния устойчивы к воздействию ударных и знакопеременных нагрузок. Если не происходит механического разрушения чувствительного элемента, то после снятия нагрузки он возвращается к первоначальному состоянию, что объясняется использованием идеально-упругого материала.