На емкостном принципе основана работа приборов некоторых ведущих производителей измерительных преобразователей, таких как FISHER-ROSEMOUNT, FUJI. Эти устройства уникальны по своим техническим характеристикам, но обладают и достаточно высокой стоимостью. Поэтому они мало используются при измерении избыточного давления, но широко – при измерении разности давлений.
Наиболее широкое применение получили измерительные преобразователи с емкостными сенсорами компании Rosemount Inc.
Одной из наиболее известных конструкций сенсоров этой фирмы является дельта-ячейка, принципиальная схема которой показана на рис. 5.12. Сенсорная мембрана 1 и обкладки 2, 3 образуют электрические конденсаторы, заполненные снаружи затвердевающим компаундом-диэлектриком 4. Образовавшийся блок установлен в металлическом корпусе 5, состоящем из двух частей. В целях исключения влияния внешних механических воздействий на показания ячейки они сварены между собой герметичным швом. Внутренние полости электрических конденсаторов соединены с соответствующими полостями внешнего воздействия, образованными разделительными мембранами 6, 7 и корпусом. Эти полости образуют между собой герметичные сосуды, заполняемые различными жидкими средами, такими как водные растворы глицерина, пропилен гликоля, силиконовым маслом, жидкостями типа Syltherm, Neobee.
Электрические выводы 8, 9 и 10 соединены с соответствующими обкладками двух электрических конденсаторов и сенсорной мембраной, выполняющей роль общего электрода. Измеряемое давление ризб, воздействуя на разделительную мембрану 7, прогибает ее. Этот прогиб, преобразуемый в давление технического масла, передается сенсорной мембране. Даже малый ход мембраны (около 0,1 мм) из-за небольших расстояний между обкладками конденсатора приводит к увеличению электрической емкости, образованной сенсорной мембраной 1 и обкладкой 2, и уменьшению емкости, состоящей из этой мембраны и обкладки 3. Такие изменения отслеживаются измерительным блоком на соответствующих парах электровыводов 8–9 и 9–10.
Рис. 5.12. Принципиальная схема емкостной дельта-ячейки фирмы ROSEMOUNT: 1 – сенсорная мембрана; 2, 3 – обкладки автономных емкостных ячеек; 4–твердый компаунд-ди-электрик; 5 – корпус;
6, 7 – разделительные мембраны; 8, 9
и 10 – электрические выводы емкостей
На разделительную мембрану 6 воздействует атмосферное давление ратм. В варианте измерительного преобразователя абсолютного давления на разделительную мембрану 6 устанавливается кожух, внутренняя полость которого вакууммируется.
Наиболее совершенной моделью емкостного сенсора компании ROSEMOUNT Inc. является копланарная ячейка, принципиальная схема которой представлена на рис. 5.13. Сенсорная мембрана 1 попарно с обкладками 2 и 3 автономных полостей образует емкостные ячейки, снаружи которых пространство заполняется компаундом-диэлектри-ком 4. Этот блок размещен в металлическом корпусе 5. Внутренние полости емкостных ячеек сообщены с соответствующими полостями входных камер, образованных корпусом и разделительными мембранами 6 и 7. Причем для уменьшения методической погрешности разделительные мембраны расположены в одной горизонтальной плоскости, отчего ячейка получила название копланарной.
Рис. 5.13. Принципиальная схема емкостной копланарной ячейки:
1 – сенсорная мембрана; 2, 3 – обкладки автономных емкостных ячеек; 4 – компаунд-диэлектрик; 5 – корпус; 6, 7 – разделительные мембраны; 8, 9 и 10 – электрические выводы емкостей; 11 – измерительная схема; 12 – лента электрических выводов.
На разделительные мембраны автономно воздействуют давления ратми ризб. Изменение электрических емкостей между электродами, роль которых выполняют сенсорная мембрана 1 и обкладки автономных емкостных ячеек, отслеживается через электровводы 8, 9 и 10 измерительной схемы 11. На выходе схемы располагается лента электрических выводов 12 с присоединительным электрическим разъемом.
Измеряемое давление воздействует на разделительную мембрану 7 и через разделительную жидкость передается на сенсорную мембрану 1. Под воздействием этого мембрана 1 прогибается, и в результате изменяется электрическая емкость ячеек, образованных сенсорной мембраной и обкладками. В одной ячейке электрическая емкость увеличивается, в другой – уменьшается.
Электрические ячейки включаются в разные плечи измерительного моста. На одну из разделительных мембран 6, воздействует атмосферное давление. В измерителях абсолютного давления - вакуум. Соответственно при включении этого блока в одно плечо измерительного моста, а другого блока (избыточное давление – емкостная ячейка) – в другое плечо на выходе измерительной схемой 11 в ленте электрических выводов 12 генерируется электрический сигнал напряжения по величине измеряемого избыточного давления.
Измерительные преобразователи с дельта и копланарными ячейками имеют выходной сигнал 4…20 мА с обязательным оснащением цифровым кодом в виде Hart-протокола или по дополнительному заказу Fieldbus-протокола.
Отличительной особенностью измерительных преобразователей фирмы ROSEMOUNT Inc. является компактность и универсальность переходного блока соединения сенсорного узла с импульсными линиями. Благодаря этому измеритель может изменять свое функциональное назначение.
Представляет интерес новая разработка фирмы по вариантам нарушения профиля при превышении предельно допустимого давления. Разделительная мембрана изготовляется таким образом, что на общей поверхности имеются две воспринимающие давление площадки: центральная, наиболее чувствительная, и периферийная, включающаяся в работу при существенных деформациях центральной. Сигнал по остаточным явлениям на периферийной площадке включается в компенсационную систему генерирования сигнала по измеряемому давлению. Это повышает точность измерения, особенно в условиях работы с максимально допустимыми параметрами. Корпус прибора изготовляется литым из алюминиевых сплавов, а для агрессивных сред - из нержавеющей стали, металлов типа Hastelloy, Monel, тантал.
Большие возможности применения емкостного метода в разработке манометрических приборов подтвердили во ВНИИМ имени Д. И. Менделеева, создав государственный специальный эталон единицы абсолютного давления для диапазона от 1 × 10–3 до 1 × 103 Па со случайной погрешностью не более 0,001 Па.
Метод функционирования эталона основан на электростатической компенсации прогиба металлической мембраны, который появляется из-за разности давления в камерах мембранно-емкостного преобразователя.
