Тензорезестивный принцип измерения давления

Так как изменение  сопротивления тензорезистора, обусловленное  наличием ТКС материала чувствительного элемента, равно , то общее изменение сопротивления тензорезистора, вызванное изменением температуры окружающей среды на θΔ... ,

                                                            (3.5)

Основной динамической характеристикой тензорезисторов является их собственная частота, значение которой для наклеенных тензорезисторов лежит в пределах 100...300 кГц. Собственная частота тензорезистора определяет предельную частоту исследуемого процесса, при которой частотными погрешностями можно пренебречь. Для исследований переменных деформаций обычно выбирают тензорезистивный преобразователь, собственная частота которого хотя бы в 5...10 раз превышала частоту деформаций.

Важным параметром тензорезисторов  является допустимая мощность ..., которая может рассеиваться в тензорезисторе при условии, что его перегрев не превысит допустимого значения. Допустимая мощность тензорезистора находится в определенной зависимости от его геометрических размеров, что может использоваться как при определении ... для известных тензорезисторов, так и при определении геометрических размеров проектируемых преобразователей, исходя из заданной допустимой мощности или допустимого значения измерительного тока:

                                                           (3.6)

где - тепловое сопротивление; ... - площадь поверхности теплоотдачи материала резистора; - коэффициент теплоотдачи; - удельная тепловая нагрузка. Отвод теплоты от тензорезистора до исследуемой детали через слой клея и подложку значительно превышает теплоотдачу в окружающий воздух. Поэтому можно считать, что практически все тепло отводится в исследуемую деталь, а за площадь - принимают для пленочных и фольговых тензорезисторов поверхность резистора, обращенную к исследуемой детали, а для проволочных - половину цилиндрической поверхности проволоки чувствительного элемента.

Удельная мощность используемых в настоящее время проволочных, фольговых и полупроводниковых тензорезисторов независимо от рассеиваемой в них мощности и полной поверхности, занимаемой чувствительным элементом, обычно колеблется в незначительных пределах: =26...28 кВт/м...(или м...) .

Допустимое значение измерительного тока через тензорезистор может  быть определено из соотношения  .  Для проволочных тензорезисторов с базой , количеством проводов в решетке чувствительного элемента n... и диаметром провода d

 (3.7)

 (3.8)

Отсюда 

                 (3.9)

Особенностью приклеиваемых  тензорезистивных преобразователей является то обстоятельство, что они представляют собой преобразователи разового действия, т.е. не могут быть переклеены из объекта на объект. Поэтому функция преобразования рабочего тензорезистора не может быть определена, а для ее оценки определяют функцию преобразования аналогично, так называемого градуировочного, преобразователя из той же партии. Естественно, что такой способ оценки характеристик рабочих тензопреобразователей применим лишь в том случае, когда свойства преобразователей всей партии совершенно идентичны, а остаточные деформации, вызываемые затвердеванием клея при приклейке рабочих и градуировочных преобразователей, так же одинаковы. Опыт показывает, что погрешность от неидентичности при тщательной приклейки тензорезисторов и хорошем качестве клея обычно не превышает 1,5%.

Следует отметить, что  для приклеивания тензорезисторов  к исследуемой детали применяются  специальные клеи, для работы в  нормальных температурных условиях - ацетатно-целлулоидные и бакелито-фенольные (БФ) клеи, для работы при высоких  температурах (до 600...800°С)- кремнийорганические цементы (например, Б-56, ВН-12) и специальные цементы на основе жидкого стекла или полисилоксанов.

Тензочувствительность готовых тензопреобразователей  практически не поддается точному  расчету, так как она может существенно отличаться от тензочувствительности исходного материала. Кроме влияния технологических факторов на воспроизводимость тензорезистивных свойств материала существенное влияние на значение коэффициента тензочувствительности преобразователя оказывают изогнутости в местах закругления проволоки, особенно в петлевых преобразователях. В этих местах образуются участки, не воспринимающие деформацию в направлении оси базы. Уменьшение чувствительности, вызванное этим фактором, тем больше, чем меньше измерительная база (в двухслойных преобразователях с уменьшенной базой чувствительность может уменьшиться на 20...30%). Существенное влияние на результирующую чувствительность оказывает поперечный тензо-эффект, обусловленный наличием участков проволоки, перпендикулярных оси базы преобразователя и воспринимающих поперечную деформацию. Этого недостатка практически полностью лишены фольговые и пленочные преобразователи, у которых сечение    проводящего слоя в месте изгиба может быть значительно увеличено.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4  СОВРЕМЕННАЯ РЕАЛИЗАЦИИ ИЗМЕРЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ ТЕНЗОРЕЗИСТИВНЫМ МЕТОДОМ

Тензометрические измерения  производятся при помощи модулей АЦП ЦАП "SigmaUSB" или АЦП ЦАП "SigmaWiFi" и программы "Тензометр". В качестве чувствительных элементов могут быть использованы тензорезисторы в различных исполнениях. Тензорезистивный эффект применяется для измерения различных физических величин: веса, давления, механического напряжения и т.п. На рисунке 5.1, например, показаны формы измерительных решеток тензорезисторов фирмы "Месстехник-HBM". На рисунке 4.2 представлен внешний вид типичного датчика давления производства ООО "Метроник".

Рисунок 4.1 - Формы измерительных решеток тензорезисторов фирмы "Месстехник-HBM".

 

 

Рисунок 5.2 - Внешний вид датчика давления производства ООО "Метроник".

При построении многоканальных контрольно-измерительных систем автоматизации технологических процессов используются несколько модулей SigmaUSB или SigmaWiFi: в этом случае количество измерительных каналов может достигать 128. Для подключения такого количества датчиков используются клеммные модули (рисунки 5.3 и 5.4). Для интеграции тензоизмерительной системы в уже существующий процесс возможна установка модулей на DIN-рейку.

 

Рисунок 4.3 - Клеммные модули для интеграции тензоизмерительной системы

  Рисунок 4.4 - Клеммные модули для интеграции тензоизмерительной        системы

Для контроля и управления процессами используется цифровой вход/выход  модуля SigmaUSB или SigmaWiFi. Например, при превышении давления в контролируемой точке исследуемого объекта, с цифрового выхода на исполнительный механизм подается сигнал, что приводит к его срабатыванию и, например, к открытию спускового клапана. При нормализации давления сигнал с цифрового выхода выключается и продолжается нормальное функционирование системы. Порограммы (уставки) срабатывания цифрового входа и выхода устанавливаются оператором. Контроль измеряемых параметров и алгоритмы срабатывания уставок могут быть различными. Весь процесс измерения параметров, срабатывания уставок и возникновение нештатных ситуаций отображается на экране в реальном времени и протоколируется для дальнейшего анализа и хранения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

 

В данной курсовой работе был проведен обзор существующих методов измерения давления и их сравнительный анализ. Был подробно рассмотрен физический принцип тензорезистивного метода преобразования давления. И на основании  всего этого можно установить, что тензорезистивные датчики обладают целым рядом преимуществ по сравнению с другими датчиками. К их достоинствам относятся:

1 Высокая степень защиты от агрессивной среды ;

2 Высокий предел рабочей температуры ;

3 Налажено серийное производство ;

4 Низкая стоимость.

К недостаткам тензорезистивных датчиков следует отнести:

1 Неустранимая нестабильность градуированной характеристики ;

2 Высокие гистерезисные эффекты от давления и температуры .

 

Список использованнЫх Источников

 

1. Гуртовцев А. Измерение давления в автоматизированных системах// Журнал  “Современные технологии автоматизации”. 2001. №4. – c. 86-89.
2. Абрамов А. Тензометрические датчики// Журнал  ''Электроника''. 2008. №2.- c. 34 – 35.
3. Левшина Е.С. Электрические измерения физических величин.1983,М.: Мир ,105 с
4. Бриндли К. Измерительные преобразователи.1991,М., 353 с.
5. Виглеб Г. Датчики. Устройство и применение.1989,М.: Мир,100 с.