В настоящее время используются разнообразные методы и средства измерения давления. Средства измерения давления (манометры, вакуумметры, барометры) по физическим эффектам, положенным в основу принципа действия первичного измерительного преобразователя (датчика), делятся на несколько групп. Наибольшее распространение получили жидкостные (в которых измеряемое давление уравновешивается давлением столба жидкости); деформационные (в которых значение деформации упругого чувствительного элемента пропорционально измеряемому давлению); тензометрические (основанные на тензометрическом эффекте материалов) средства измерения. Нас будут интересовать только электрические методы и средства измерения давления. В свою очередь электрические манометры делятся на аналого-вые и цифровые. Первые – простые, достаточно надежные, дешевые приборы и потому широко распространены в задачах стационарных измерений на промышленных объектах. Цифровые манометры дают возможность организации автоматизированных измерений, позволяют решать как задачи длительной регистрации, так и задачи управления технологическими процессами.
Переход к электрическим выходным сигналам первичных преобразователей может быть организован по-разному. Для преобразования перемещения упругого элемента в электрический сигнал используются различные вторичные измерительные преобразователи: индуктивные/индукционные (меняется индуктивность катушки или взаимная индуктивность двух катушек), трансформаторные (меняется выходное напряжение трансформатора), резистивные (меняется сопротивление, например, тензодатчика), емкостные (меняется емкость датчика) и др. Рассмотрим некоторые из возможных вариантов преобразования давления в электрический сигнал.
Трансформаторные преобразователи. Один из вариантов перехода к электрическому выходному сигналу представлен на рис. 91.
В основе конструкции механической части – мембранная коробка /, герметично разделенная на две части упругой мембраной 2. Под воздействием разности входных давлений р] и ръ поступающих в обе части коробки 1, мембрана 2 прогибается, перемещая при этом сердечник 3 дифференциального трансформаторного преобразователя 4. перемещение сердечника изменяет исходное равновесие мостовой схемы, образованной двумя одинаковыми половинами L вторичной обмотки трансформатора и двумя равными резисторами R. При этом выходной сигнал моста U вых изменяется пропорционально перемещению сердечника и, следовательно давлению или разности давлений р 1 и р 2. Это выходное напряжение U вых можно просто измерить вольтметром переменного напряжения.
Рис. 91. Манометр с электрическим выходным сигналом: 1 – мембранная коробка;
2 – мембрана; 3 – сердечник; 4 – дифференциальный трансформаторный преобразователь
Тензометрические преобразователи. Сегодня все большее распространение находят манометры с тензометрическими чувствительными элементами, которые закреплены на деформируемых под воздействием измеряемого давления поверхностях.
Тензометрический эффект проявляется в изменении электрического сопротивления проводников (или полупроводников) при изменении геометрии (например, при изгибе) проводника. Тензорезистроы часто выполняются из тонкой металлической фольги и представляют собой достаточно длинный проводник, компактно уложенный в плоскости поверхности упругой пластины или мембраны (рис.92).
Рис. 92. Тензометрический эффект: 1 – упругая пластина; 2 – 1-й тензорезистор (R 0+D R);
3 – 2-й тензорезистор(R 0 – D R)
Обычно (для повышения чувствительности измерения) устанавливают два тензорезистора – на противоположные поверхности пластины. Эти датчики жестко крепятся (приклеиваются) к пластине и изгибаются вместе с ней.
Если исследуемое давление р изгибает упругую пластину вниз, то длина верхнего тензорезистора увеличивается, его сечение уменьшается и сопротивление его растет: R 0 + D R. У расположенного на нижней поверхности пластины датчика – все наоборот, в результате действия давления р его сопротивление уменьшается: R 0 – D R. Это изменение сопротивления легко могут быть представлены электрическим сигналом тока или напряжения. Обычно тензорезисторы включаются в мостовые схемы (неуравновешенные мосты) – рис. 92.
Выходное напряжение неуравновешенного моста U вых зависит от изменения сопротивлений плеч моста. Достаточно иметь хотя бы один тензорезистор, но для обеспечения линейности преобразования целесообразно включать в соседние плечи моста два одинаковых (рис.101, а), но с различными знаками изменения сопротивления при изгибе пластин (сопротивление резистора R 1+ увеличивается, а R 2 – уменьшается). Для повышения чувствительногсти часто используют четыре тензорезистора (рис.92, б). Включают их таким образом, чтобы в соседних плечах моста стояли датчики с противоположными изменениями значений сопротивлений. Если в мостовой схеме все датчики одинаковы, имеют равные наминальные значения сопротивлений R и равные модули изменения D R при воздействии давления, то выходное напряжение моста U вых можновыразить следующим образом:
U вых = U п (D R/ R),
где U п – напряжение питания моста.
Далее это напряжение может быть измерено аналоговыми измерителями или преобразовано в цифровой код, который, в свою очередь, может быть выведен на цифровой индикатор, сохранен или передан другим устройствам. Структура собственно цифрового манометра практически не отличается от структуры других цифровых приборов.
Тензометрический принцип успешно используется и для построения дифференциальных манометров. При этом также может быть использована традиционная механическая конструкция: мембранная коробка из двух герметично изолированных частей (камер), прогибающаяся мембрана между ними, на которой жестко закреплены (например, приклеены) тензорезисторы.
Современные микроэлектронные технологии обеспечивают широкие возможности создания миниатюрных чувствительных элементов (датчиков) манометров. Упрощенное устройство микроэлектронного резистивного тензометрического датчика показано на рис. 93.
На тонкой пластине кремния сформированы тензорезисторы (по тонко- или толстопленочной технологии) R1, R2, R3, R4 и соединительные проводники. Пластина закреплена на упругой мембране и деформируется (прогибается) вместе с ней.
Рис. 93. Устройство микроэлектронного резистивного датчика: 1 – кремниевая пластина; 2 – мембрана
Сопротивление резисторов R2 и R4 при деформации значительно увеличивается (до 20...50 %), а сопротивление резисторов R1, R3 практически не меняется. Все резисторы образуют мостовую схему, выходное напряжение которой определяется деформацией и, следовательно, значением измеряемого давления р.
На рис. 103 схематично показаны варианты конструктивного исполнения мембранной коробки датчиков для измерения абсолютного, относительного и дифференциального давлений.
На рис. 94, а приведен вариант мембранной коробки для измерения абсолютного давления (например, атмосферного p атм). Вариант на рис. 94, б предназначен для измерения относительного (дифференциального) давления как разности между атмосферным и измеряемым. Измерение дифференциального р дифкак разности между двумя измеряемыми давлениями р 1 и р 2иллюстрируется на рис. 94, в.
а б в
Рис. 94. Варианты конструкции мембранной коробки датчиков
Существует понятие трансмиттера (Transmitter),что означает такой полный преобразователь, который содержит и датчик, и цепи нормирования (кондиционирования) сигнала, т.е. выполняет и первичное, и вторичное преобразование входной величины – давления. На выходе трансмиттера – унифицированный сигнал: 0... 100 мВ, или 0... 10 В, или 4...20 мА, или иные, принятые стандартными, уровни. Погрешности преобразования (типичные) – 0,5...2,5 %.
Емкостные преобразователи. Помимо резистивных применяются и емкостные датчики давления. В емкостных датчиках мембрана выступает в роли одной из пластин конденсатора (рис. 95). Изменение ее положения приводит к изменению емкости датчика изатем, например, к изменению выходного напряжения моста переменного тока.
Благодаря достижениям микроэлектронной технологии габаритные размеры таких датчиков могут быть чрезвычайно малыми (единицы – десятки квадратных миллиметров). Кроме того, на кремниевой пластине могут размешаться и некоторые элементы вторичного преобразования, например, мостовые схемы, усилители.
Рис. 95. Емкостный тензометрический датчик
