Тензорезисторные измерительные преобразователи давления.

Измерительные преобразователи давления, оснащенные преобразо­вательными элементами тензорезисторного типа получили название тензорезисторных измерительных преобразователей давления. Преобразователи давления этого вида представляют собой деформационный чувствительный элемент, чаще всего мембрану, на которую наклеиваются или напыляются тензорезисторы. В ос­нове принципа работы тензорезисторов лежит явление тензоэффекта, суть которого состоит в изменении сопротивления проводников и полупроводников при их деформации.

Получили распространение проволочные и фольговые тензоре­зисторы, изготавливаемые из проводников типа манганина, нихро­ма, константана, а также полупроводниковые тензорезисторы, из­готавливаемые из кремния и германия р- и n-типов. Сопротивле­ние тензорезисторов, изготавливаемых из проводников, составляет 30 — 500 Ом, а сопротивление полупроводниковых тензорезисторов от 5·10^-2 — 10 кОм.

Совершенствование технологии изготовления полупроводниковых тензорезисторов создало возможность изготавливать тензоре­зисторы 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 клеющих материалов и улучшить метрологические характеристики преобразователей. На рисунке 1.8(а) показана сапфировая мембрана 3 с расположенными на ней однополосковыми тензорезисторами р-типа с положительной 1 и отрицательной 2 чувствительностями.

 

Рисунок 1.8 - Схемы тензорезисторных чувствительных эле­ментов

По­ложительной чувствительностью обладает тензорезистор, у которо­го отношение ΔR/R>0, если же ΔR/R<0— чувствительность отри­цательна. Структура однополоскового тензорезистора приведена на рисунке 1.8(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 дедеформации они будут иметь разные по знаку приращения сопротивления. Это позволяет создавать мостовые схемы, в каждое из плеч которого вклю­чаются тензорезисторы с соответствую­щим значением ΔR/R и даже термоком­пенсационные элементы.

На рисунке 1.9(а) показана схема тензорезисторного измерительного преобразо­вателя разности давления.

Рисунок 1.9 - Схемы тензорезисторных измерительных преобразова­телей разности давлений с унифицированным токовым выходным сигналом

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— P₂ воздействует 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 R_н, 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 рисунке 1.9(б). Тензомодуль рычажно-мембранного типа 3 размещен в заполнен­ной полиметилсилоксановой жидкостью замкнутой полости 1 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 8, 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.

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 секунды.

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.