Пьезоэлектрические измерительные преобразователи давления.

В основу работы этих преобразователей положено преобразование измеряемого давления в усилие посредством деформационного чув­ствительного элемента и последующего преобразования этого уси­лия в сигнал измерительной информации пьезоэлектрическим пре­образовательным элементом. Принцип действия пьезоэлектричес­кого преобразовательного элемента основан на пьезоэлектрическом эффекте, наблюдаемом у ряда кристаллов, таких, как кварц, тур­малин, титанат бария и др. Суть пьезоэлектрического эффекта со­стоит в том, что если кварцевые пластины Х-среза подвергнуть сжатию силой N, то на ее поверхно­сти возникнут заряды разных зна­ков. Значение заряда Q связано с силой N соотношением

Q = kN,

где k — пьезоэлектрическая постоян­ная.

Значение k не зависит от разме­ра пластины и определяется приро­дой кристалла. На рисунке 1.10 показана схема пьезоэлектрического измерительно­го преобразователя давления.

Рисунок 1.10 - Схема пьезоэлектриче­ского измерительного преобразо­вателя давления

Измеряемое давление преобразуется мембраной 4 в усилие, вызыва­ющее сжатие столбиков кварцевых пластин 2 диаметром 5 мм и толщиной 1 мм. Возникающий электрический заряд Q через выво­ды 1 подается на электронный усилитель 5, обладающий большим входным сопротивлением—10¹³ Ом.

Для уменьшения инерционности преобразователя объем каме­ры 3 минимизируют.

Так как частота собственных колебаний системы «мембрана — кварцевые пластины» составляет десятки килогерц, то измеритель­ные преобразователи этого типа обладают высокими динамически­ми характеристиками, что обусловило их широкое применение при контроле давления в системах с быстропротекающими процессами.

Чувствительность пьезоэлектрических измерительных преобра­зователей давления может быть повышена путем применения не­скольких, параллельно включенных кварцевых пластин и увеличе­ния эффективной площади мембраны.

Верхние пределы измерений пьезоэлектрических преобразовате­лей давления с кварцевыми чувствительными элементами 2,5 — 100 МПа. Классы точности 1,5; 2,0. Из-за утечки заряда с кварце­вых пластин преобразователи давлений этого типа не использу­ются для измерения статических давлений.

Отечественной про­мышленностью давно выпускаются маномет­ры с полупроводниковыми тензопреобразователями типа «Кристалл». С начала 80-х также начат выпуск приборов давления «Сапфир-22». Дифманометры «Сапфир» характеризуются высокой точностью и малыми габаритными размерами.

Чувствительным элементом у «Сапфира» является плоская дисковая мембрана малого диаметра, деформация которой преобразуется в стандартный токовый сигнал 0 – 5 мА с помощью тензорезисторов.

К поверхности дисковой мембраны из стали или титана жестким припоем присоединен полупроводниковый тензорезистороный преобразователь. Он состоит из диэлектрической сапфировой монокристаллической подложки с определенной кристаллографической ориентацией, на которой методом гетероэпитаксиальной технологии выращена тонкая монокристаллическая пленка кремния, обладающая тензорезисторным эффектом.

Дифманометры «Сапфир» бесшкальные. В связи с этим возможны два вари­анта наименования этих дифманометров. Первое — дифманометр мембранный бесшкальный с электрическим преобразователем перемещения или деформации мембраны в выходной сигнал. Второе — двухступенчатый преобразователь перепада давления сперва в перемещение или деформацию мембраны, а затем с по­мощью тензорезисторного эффекта в выходной сигнал (электри­ческий). Разработчиками и заводами-изготовителями для диф­манометров типа «Сапфир» принят по­следний вариант, и называют эти дифманометры сокращенно пре­образователями разности давлений.

Конструкция такого преобразователя «Сапфир-22ДД» зави­сит от значения предельного перепада давления. На рисунке1.11(а) показано устройство преобразователей на большие предельные перепады.

Рисунок 1.11 - Устройство преобразователей «Сапфир-22Д».

 

Измеряемый перепад давления воспри­нимается гофрированными мембранами 7 к 10 (толщиной около 0,1 мм), края которых приварены к основанию 8. Внутри после­днего размещена измерительная дисковая мембрана 4 с тензопреобразователем. Вся внутренняя полость основания заполнена кремнийорганической жидкостью, которая и передает давление р₁ по каналу 6, а давление р₂ по каналу 11 на мембрану 4. Крышки 5 и 9 стянуты с основанием болтами и уплотнены прокладками 3. При односторонней перегрузке мембраны 7 или 10 прижимаются к боковым поверхностям основания 8, которые имеют соответ­ствующий профиль. Зазор между мембранами и основанием око­ло 0,5 мм, а измерительное перемещение мембран 0,2-0,3 мм. Упругость последних (вместе с упругостью мембраны 4) уравно­вешивает измеряемый перепад давления. Их профиль и глуби­на гофрировки обеспечивают линейность характеристики при пе­ремещении до 0,3 мм при наименьшей жесткости.

Тензопреобразователь соединен проводами, проходящими че­рез герметический вывод 2, с электронным устройством 1. По­следнее преобразует разность двух напряжений, снимаемых с из­мерительного моста, в унифицированный сигнал постоянного тока, изменяющийся в пределах 4-20 мА при двухпроводной линии связи и 0-5 мА или 0-20 мА при четырехпроводной линии свя­зи. В электронное устройство 1 входят: микросборка стабилиза­тора напряжения и регулируемого источника тока, а также эле­менты схемы температурной компенсации и перенастройки диа­пазона измерения (с помощью включения перемычек) в пределах 10 процентов. Устройство снабжено корректорами нуля и диапазона изме­рения. Питание всей схемы от источника постоянного тока напря­жением 36 В. Основная погрешность рассмотренной модели 0,25 и 0,5 процента.

Для средних и небольших перепадов давления рассмотренная конструкция не пригодна вследствие большой жесткости диско­вой мембраны и применяется конструкция, схема которой пока­зана на рисунке1.11(б). Здесь мембрана 3, установленная в основании 7, изготовлена как одно целое с рычагом 4 и работает на изгиб при перемещении нижнего конца рычага 4 пластинчатой тягой 9, закрепленной в рычаге с помощью винта. Другой конец тяги 9 связан со штоком 5, переходящим в диски с гофрированной на­ружной поверхностью. Эти диски образуют жесткие центры гоф­рированных мембран 6 и 8, воспринимающих измеряемый пере­пад давления. Каждая из мембран своими концами приварена к основанию 7, а в средней части к соответствующему диску, обра­зующему ее жесткий центр. Вся внутренняя полость основания между воспринимающими мембранами заполнена кремнийорга­нической жидкостью. Герметический вывод 2 для проводов от тензопреобразователя и электронное устройство 1 аналогичны тем, которые были ранее рассмотрены. При перегрузке мембраны 6 и 8 прижимаются к соответственно гофрированным поверхностям основания 7 и дисков штока 5, образующих их жесткие центры.

Преобразователи «Сапфир – 22ДД» имеют высокую точность, металлоемки, компактны и малогабаритны. Их недостатки: некоторая сложность изготовления; смещение нуля выходного сигнала, а иногда и изменение характеристики во времени; влияние температуры на показания вследствие большого коэффициента объемного расширения кремнийорганической жидкости, хотя тензорезисторный преобразователь и содержит элементы для температурной компенсации.

С 2004 года производство сориентировано на выпуск датчиков: коррозионностоиких «Метран – 49», малогабаритных «Метран – 55», интеллектуальных «Метран – 100».