Датчик абсолютного давления

Выбор по единственному критерию «чем дешевле, тем лучше» чаще всего приводит к ложной экономии, если в комплексе не учитываются дополнительные затраты конкретного применения, эксплуатационные издержки и показатели надёжности. Современные общепромышленные ИПД - это интеллектуальные, со встроенным микропроцессором, интегральные преобразователи с цифровым интерфейсом. Они обладают свойствами диагностики и конфигурирования на расстоянии (установка нуля и диапазона шкалы, выбор технических единиц, ввод данных для идентификации и физического описания датчика и т.п.), обеспечивают более высокое соотношение измеряемых диапазонов, улучшенную температурную компенсацию, повышенную основную точность. Однако это не значит, что другие ИПД уже не нужны, каждый тип ИПД имеет свою эффективную пользовательскую нишу.

 

5. Обзор устройств измерения давления

Принцип действия датчиков основан на упругой деформации чувствительного элемента (сенсора) под действием давления.

Измеряемое давление подводится через штуцер в рабочую полость датчика и вызывает деформацию диафрагмы. Это приводит к изменению геометрии резисторов, находящихся с ней в тесной механической связи и изменению их сопротивления. Происходит преобразование приложенного давления (механический вход) в изменение сопротивления (электрический выход).

Датчики давления измеряют разность двух давлений, воздействующих на измерительную мембрану (чувствительный элемент) датчика. Одно из этих давлений - измеряемое, второе - опорное, то есть то давление, относительно которого происходит отсчет измеряемого.

Датчики абсолютного давления предназначены для измерения величины абсолютного давления жидких и газообразных сред. Опорное давление - вакуум. Воздух из внутренней полости чувствительного элемента датчика откачан. Например, барометр - частный случай датчика абсолютного давления.

Датчики избыточного давления предназначены для измерения величины избыточного давления жидких и газообразных сред. Опорное давление - атмосферное; таким образом, одна сторона мембраны соединена с атмосферой.

Датчики дифференциального (разности, перепада) давления предназначены для измерения разности давления среды и используются для измерения расхода жидкостей, газа, пара, уровня жидкости. Давление подается на обе стороны мембраны, а выходной сигнал зависит от разности давлений.

Датчики гидростатического давления предназначены для преобразования гидростатического давления контролируемой среды в сигнал постоянного тока. Измеряют давление столба жидкости, зависящее только от его высоты и от плотности самой жидкости.

Датчики вакуумметрического давления (разряжения) предназначены для измерения величины вакуумметрического давления жидких и газообразных сред. Опорное давление в этих датчиках также атмосферное. Однако, в отличие от датчиков избыточного давления, измеряемое давление меньше атмосферного, т.е. существует разрежение относительно атмосферы.

Датчики избыточного давления-разряжения представляют собой сочетание датчиков избыточного и вакуумметрического давлений, т.е. измеряют как давление, так и разрежение.

Датчик давления Метран-100 предназначен для работы в системах автоматического контроля, регулирования и управления технологическими процессами и обеспечивает непрерывное преобразование измеряемых величин - давления избыточного, абсолютного, разрежения, разности давлений, гидростатического давления нейтральных и агрессивных сред в унифицированный токовый выходной сигнал дистанционной передачи, цифровой сигнал на базе HART-протокола.

Датчики моделей 1133, 1233, 1143, 1243, 1153, 1533, 1543 предназначены для работы в различных отраслях промышленности, в том числе в пищевой при контакте с пищевыми продуктами (материалы – сталь 12Х18Н10Т, сплав 36НХТЮ).

Датчик давления Метран-100-Вн предназначен для установки и работы во взрывоопасных зонах помещений и наружных установок согласно с нормативными документами, регламентирующими применение электрооборудования во взрывоопасных условиях.

Датчик давления Метран-100-ДД предназначен для измерения расхода жидкости, газа или пара по величине переменного перепада давления на сужающем устройстве трубопроводе, могут иметь зависимость аналогового выходного сигнала, пропорциональную корню квадратному из значений входной измеряемой величины - перепада давления.

Микроэлектронные датчики абсолютного давления МИДА-ДА-13П предназначены для непрерывного преобразования значения избыточного давления жидкостей и газов, неагрессивных к материалам контактирующих деталей (титановые сплавы ВТ-1 и ВТ-9) в унифицированный сигнал постоянного тока или напряжения постоянного тока в системах контроля и управления давлением, использующихся, в том числе, в пищевой промышленности.

Датчики давления серии DMD предназначены для непрерывного преобразования измеряемой величины – разности давления жидких и газообразных сред (в том числе агрессивных) в унифицированные выходные сигналы по напряжению, либо в токовые выходные сигналы.

Датчик давления DMD 331 предназначен для измерения разности низких и средних давлений (от 2 кПа до 1,6 МПа).

Датчик давления DMD 341 предназначен для измерения разности низких давлений (от 600 Па до 100 кПа)

Высоконадежные и высокоточные интеллектуальные ИПД SITRANS P (серии MKII, DS, HK) фирмы Siemens предназначены для измерения уровня избыточного, дифференциального и абсолютного давления жидкости от 1 мбар до 4000 бар.

 

6. Обоснование и выбор схемы датчика давления для расчета

 

Выбираем датчик давления компенсационного преобразования с электростатической обратной связью, так как он обладают погрешностью только в цепи обратной связи, следовательно, имеет большую точность измерения, большой диапазон измерения, лучше упругие свойства.

Принципиальная схема датчика давления, объединенная с электрической схемой, приведена на рисунке 3.

Рисунок 3 - Принципиальная схема датчика давления, объединенная с электрической схемой

Чувствительный элемент датчика давления выполнен из двух одинаковых кремниевых мембран с жестким центром, своими кромками приваренных к основанию из боросиликатного стекла. Плоскость каждой мембраны совмещена с кристаллографической плоскостью.

Упругая перемычка по периметру пластинки сформирована симметричной лункой с наклоном граней 54°44' в семействе четырех плоскостей. Для снижения массы жесткого центра с внешней стороны каждой мембраны часть материала вытравлена.

Демпфирование мембран осуществляется за счет перекачки жидкости, находящейся в подмембранных плоскостях, через калиброванное отверстие. Измерительные емкости С1, и С2 образованы неподвижными электродами, выполненными на стеклянном основании и подвижными электродами, функции которых выполняют жесткие центры проводящих кремниевых мембран. Разность давлений Ар = р1 - р2 вызывает перемещение мембран относительно неподвижного электрода, которое емкостным мостом преобразуется в электрическое напряжение, интегрируется (ОУ1), масштабируется (ОУ2), и выходное напряжение Uвых в противофазе смещению мембран поступает на подвижные электроды, реализуя принцип силовой обратной связи. Электрическая схема включает также генератор высокой частоты F с триггерным делителем (Т), логические элементы, ключевое устройство Кл1-+-Кл4 для питания емкостного преобразователя и ключевое устройство Кл5, Кл6 для переключения схемы с режима измерения в режим силовой компенсации. Блок-схема измерительной цепи датчика давления приведена на рисунке 4

Рисунок 4 - Блок-схема измерительной цепи датчика давления

 

7. Выбор чувствительного элемента датчика давления (мембрана)

 

Выбираем форму мембраны в виде квадратной пластины с жестким недеформируемым центром с размерами А = 10-2м. Мембрана изготавливается из кремния.

 

7. Расчёт жесткости, максимального перемещения мембраны и собственной частоты

перемещение соответствует центру пластинки с координатами х = A/2 и z = A/2

МПа = 1*106 Па;

A = 10-2 м;

D – цилиндрическая жесткость пластины;

cn – толщина; cn = 0,8*10-3 м; E = 1,69*1011 H/м2; = 0,358

                                                                                           (1)

H*м;

м (1мкм);                             (2)

• Определение жесткости пластины

; (S = A2)                                                   (3)

H/м;

• Расчет собственной частоты колебаний пластинки с жестким центром

;                                                                                             (4)

где:

G – жесткость пластины;

mц – масса жесткого центра;

mn – масса упругой перемычки;

cn, cm – толщины;

a = 2*10-3 м;

cn = 0,8*10-3 м, cm = 0,35*10-3 м, =2,33*103 кг/м3;

;

;

;

• Расчет коэффициента демпфирования

                                                                                                   (5)

- демпфирующая среда азот;

S1, S2 – площади поперечных сечений калиброванного отверстия и подмембранной плоскости ;

 

l = 0,5*10-2м; n0 – число калиброванных отверстий, n0 = 1;

S1 = 10-4 м2; S2 = 10-6 м2;

;

• Расчет погрешности

; ; ;

см = 0,35*10-3 м; виброускорение; ;

;

погрешность;

;

 

8. Выбор емкостных преобразователей перемещения

 

Наиболее распрастраннеными преобразователями перемещений чувствительных элементов в настоящее время являются емкостные датчики.

Работа преобразователей этого типа основана на изменении емкостей между подвижными электродами, расположенными обычно на чувствительном элементе прибора и неподвижными электродами, расположенными на элементах корпуса.

Емкости между соответствующими парами электродов определяются зависимостями:

;

;

 

 

9. Расчет толщины металлизации электродов емкостных датчиков

Толщина слоя металлизации выбирается из условия постоянства зазора h0 при изменении температуры, что принципиально возможно при равенстве приращений зазора и толщины слоя металлизации:

;                                                                              (6)

- для кремния;

- для стекла;

(1 микрон)

(1,5 микрон)

 

10. Расчет толщины слоя диффузии

 

(6 микрон)

- кремний;

- легированный кремний;

 

11. Расчет полной передаточной функции преобразователя

 

;                                                                                              (7)

где:

KП = U0/2h0 – статический коэффициент передачи преобразователя (крутизна характеристики);

;

;

;

Рассчитаем частоту генератора

; ; ;

Выбираем частоту генератора ;

; примем R = 1кОм =1*103 Ом; тогда ; ;

 

12 Выбор и размеры чувствительного элемента (мембраны)

 

В соответствии с рисунком 4 разностное давление ∆р воспринимается квадратной мембраной площадью А2. На чувствительный элемент (мембрану) с передаточной функцией:

                                                                                   (8)

действует разностная сила ∆F = FД – Fp. Электростатическая сила цепи обратной связи Fp = Uвых*Wос. Передаточная функция определяется выражением:

[H/B]                                                                         (9)

                                                        (10)

                                                              (11)

                                                          (12)

                                                          (13)

13. Передаточная функция замкнутой цепи

 

Запишем передаточную функцию замкнутой цепи по рисунку 4 с учетом (8), (9) и (7):

                                                                 (14)

где:

;

;

;

;

                         (15)

S – площадь взаимного перекрытия электродов емкостного преобразователя.

 

14. Расчет частотных характеристик датчика давления