5.2.1. Тензометрические преобразователи
Одними из наиболее распространенных измерительных преобразователей давления являются приборы серии «Сапфир». В них применяются первичные тензометрические преобразователи в виде пластины из монокристаллического сапфира, прочно соединенной с металлической мембраной. На сапфировой мембране размещены кремниевые пленочные тензорезисторы (КНС-структура).
В приборах «Сапфир-22ДИ» и «Сапфир-22ДИВ» моделей 2150, 2160, 2170 и 2350 в качестве основы используется измерительный блок с защитной мембраной, показанный на рис. 5.9,а. Тензопреобразователь 1 нанесен методом напыления на сапфировую мембрану и установлен в корпусе 2. Металлическая гофрированная мембрана 3 приваривается по наружному контуру к корпусу и образует внутреннюю замкнутую полость 4, заполняемую полиметилсилоксановой, наиболее часто называемой кремнийорганической, жидкостью. Пространство над тензопреобразователем сообщено с окружающей средой. Штуцер с крышкой 5 предназначен для подвода измеряемой среды.
Рис. 5.9. Схемы блоков преобразования приборов серии «Сапфир-22»:
а – с защитной мембраной; б – без мембраны; в – с мембранными блоками; 1 – тензопреобразователь; 2 – корпус; 3 – металлическая гофрированная мембрана; 4 – полость; 5 – штуцер с крышкой; 6 – электронный блок; 7 – рычаг; 8 – шток; 9 – входная металлическая гофрированная мембрана; 10 – подводящий штуцер; 11 – полость измеряемого давления; 12 – камера
Измеряемое давление через подводящий штуцер с крышкой воздействует на гофрированную мембрану и через кремнийорганическую жидкость передается на сапфировую мембрану и тензопреобразователь. Под влиянием давления эта мембрана прогибается, подвергает растяжению или сжатию отдельные участки тензосистемы, что вызывает изменение сопротивления тензорезистора, отслеживаемое электронным измерительным блоком 6.
Преобразователи «Сапфир-22ДА» моделей 2050 и 2060 отличаются от описанных выше тем, что полость над тензопреобразователем вакууммируется и герметизируется Этим обеспечивается измерение абсолютного давления.
В моделях 2151, 2161, 2171 применяются измерительные блоки, конструкция которых представлена на
рис. 5.9,б. В них роль подводящего штуцера выполняет корпус 2. Измеряемая среда подводится непосредственно к сапфировой мембране с тензопреобразователем 1. Полость над преобразователем в этих моделях соединена с окружающей средой или, как в моделях «Сапфир-22ДА» 2051 и 2061, вакууммируется и герметизируется. Эти модели предназначены для измерения средних и высоких давлений (0,4…100 МПа).
Для измерения малых давлений (2,5…250 кПа) применяются измерительные блоки с упругими чувствительными элементами, показанные на рис. 5.9,в. Сапфировая мембрана с тензопреобразователем 1 установлена в корпусе 2, и нижней плоскостью жестко соединена с рычагом 7, который другим своим концом неподвижно закреплен на штоке 8. Этот шток связывает между собой жесткие центры мембран 3 и 9, которые по наружному контуру герметично приварены к корпусу и образуют закрытый контур. Этот контур, как и пространство камеры 12, вакууммирован и обеспечивает герметизацию. Корпус в месте установки мембраны изготовлен с профилем, идентичным ее профилю, что позволяет при превышении максимально допустимого давления «складываться» мембране с корпусом и таким образом обеспечивать сохранность ее профиля при превышении предельно допустимых нагрузок.
Измеряемое давление через подводящий штуцер 10 поступает в полость 11 и воздействует на мембрану. Это приводит к прогибу последней и соответственно к смещению ее жесткого центра, а также перемещению рычагапрогиб сапфировой мембраны и изменение сопротивления тензопреобразователя отслеживаются электронным блоком 6.
В некоторых конструкциях приборов серии «Сапфир», предназначенных для измерения уровня, подводящий штуцер изготавливается в виде фланца с «открытой» мембраной для монтажа непосредственно на технологической емкости.
При пользовании приборами серии «Сапфир», как впрочем с большинством современных измерительных преобразователей давления и разности давлений возможно достаточно легко перестраивать рабочий диапазон. В отдельных устройствах могут изменяться верхний и нижний пределы преобразования на следующие по измерительному ряду значения (выше или ниже) или на любую стандартизованную величину в рамках значений, приемлемых для данной модели (в соотношениях от 1:4
до 1:6).
К недостаткам приборов этой серии относятся: недостаточная температурная устойчивость рабочей характеристики, временная нестабильность «нуля».
Тензометрические сенсоры применяются также в датчиках давления «Сапфир», «МТ100» и манопреобразователях ряда других известных фирм.
Компания «Метран» провела дополнительные исследования тензометрического принципа измерения и предложила более совершенный чувствительный элемент в виде диска диаметром около 30 мм и толщиной до 3 мм.
Этой компанией выпускаются измерительные преобразователи как для измерения разности давлений, так и для избыточного и абсолютного давления. Более высокие технологии изготовления чувствительного элемента и совершенные измерительные схемы позволили снизить температурную погрешность приборов «Метран» с 0,2…0,25 % на 10 оС (традиционная для отечественных приборов температурная нестабильность) до 0,09 %. Совершенствование измерительных схем обеспечило возможность перенастройки рабочих диапазонов в отношениях до 1:25.
Работа измерительных преобразователей типа ДМ5007 также строится на одном из наиболее распространенных принципов – тензорезистивном. Попарно тензорезисторные чувствительные элементы размещены в двух автономных замкнутых контурах первичного блока, заполненных жидкостью ПЭС-2. Через разделительное устройство (пассивную коррозионно-стойкую мембрану) один контур сообщается с окружающей средой, другой – с измеряемым давлением. Оба контура имеют идентичные электровводы в зону измеряемого давления, а также одинаковые конструкции, что позволяет включать пары тензорезисторных чувствительных элементов в мостовую измерительную схему. Таким образом, одно плечо схемы генерирует сигнал по давлению и температуре окружающей среды, а также другим «паразитным» параметрам, другое – позволяет получать сигнал, зависящий от всех упомянутых факторов, включая измеряемого давления. Разность в значениях полученных сигналов свидетельствует о значениях измеряемого давления.
Принципиальная структурная схема работы измерительного преобразователя ДМ5007 изображена на
рис. 5.10.
На одно плечо измерительного моста 1 с помощью чувствительного элемента поступает сигнал по давлению рабочей среды рраб. Второе плечо моста генерирует сигнал по давлению окружающей среды рокр. Температура окружающей среды Токр, а также другие возможные «паразитные» факторы автоматически компенсируются в мостовой схеме измерения. В результате на выходе моста формируется сигнал напряжения рассогласования DU, однозначно связанного с измеряемым давлением рраб. Этот сигнал усиливается в блоке 2 и преобразовывается в унифицированный параметр в блоке 3. Работа мостовой измерительной схемы и функциональных блоков обеспечивается питанием от стабилизатора напряжения 4.
Рис. 5.10. Принципиальная структурная схема измерительного преобразователя ДМ5007: 1 – измерительный тензомост; 2 – усилитель напряжения рассогласования; 3 – преобразователь; 4 – стабилизатор напряжения
Диапазоны измеряемого давления прибора ДМ5007 – стандартные до максимального значения 160 МПа. Классы точности – 0,25; 0,5; 1,0.
Многие современные предприятия освоили производство тензометрических измерительных преобразователей, которые получили широкое применение в различных отраслях промышленности. Так, на основе гетероэпитаксиальных кремниевых резисторов функционируют измерительные преобразователи «МИДА» (рис. 5.11), малогабаритные, при допускаемой основной погрешности от ±0,25 до ±1,0.
Рис. 5.11. Измерительный преобразователь «МИДА»: 1-подводящий штуцер; 2 – металлическая мембрана; 3 – основание; 4 – чувствительный элемент; 5 –плата; 6 – разъем.
Измеряемая среда с давлением рраб через подводящий штуцер 1 поступает в рабочую полость преобразователя и воздействует на металлическую мембрану 2, сваренную с основанием 3. На внешней стороне мембраны установлен чувствительный элемент 4, представляющий собой монокристаллическую сапфировую подложку, на поверхности которой сформированы гетероэпитаксиальные кремниевые резисторы, включенные в тензочувствитензочувствительную мостовую схему. Измерительная схема как и элементы настройки размещена на плате 5. Подвод питания и съем электрического выходного сигнала производится через разъем 6.
Таким образом, среда измеряемого давления подводится к разделительной металлической мембране, вызывает ее прогиб, что приводит к деформации сапфирового основания чувствительного элемента и разбаланса тензочувствительного моста. Такие изменения отслеживаются измерительной схемой.
Измерительные преобразователи «МИДА» имеют рабочий диапазон от 0,04 до 160 МПа.