Манометры с тензопреобразователями. Устройство, принцип действия манометров с тензопреобразователем.
Манометры с тензопреобразователями по быстродействию приближаются к пьезоэлектрическим манометрам. Их чувствительные элементы (сенсоры) представляют собой мембраны, на которых размещены проволочные, фольговые или полупроводниковые резисторы, сопротивление которых меняется при деформации мембраны под действием давления. Проволочные тензорезисторы проще в изготовлении, но их коэффициент тензочувствительности, определяемый отношением относительных изменений сопротивления к деформации, на порядок меньше, чем у полупроводниковых. В западной литературе тензопреобразователи давления обычно называют пьезопреобразователями, поскольку на греческом языке piezo означает давлю.
В настоящее время в РФ выпускаются преобразователи давления на базе КНС — структуры (кремний на сапфире). В преобразователях давления фирмы Siemens используется КНК-структура (кремний на кремнии). Характерным представителем преобразователей с КНС-структурой является «Сапфир-22», разработанный НИИТеплоприбором, его модификации в аналоговом и микропроцессорном вариантах в настоящее время выпускаются многими заводами РФ. В этих приборах для преобразования силового воздействия давления в электрический сигнал используется сапфировая мембрана с напыленными кремниевыми резисторами. Схема преобразователя «Сапфир-22» типа ДИ, предназначенного для измерения избыточных давлений с верхним пределом измерения 0,4 МПа и выше, представлена на рис. 1, а. Чувствительным элементом манометра является тензопреобразователь 1 с двухслойной мембраной. Измеряемое давление действует на титановую мембрану, к которой сверху припаяна сапфировая мембрана с тензорезисторами. Элементы измерительной схемы и усилитель находятся в блоке 2.
Рис. 1. Схемы преобразователей давления с тензопреобразователями:
а — давления: 1 — тензопреобразователь; 2 2 — электронный блок; б — силы: 1,2 — мембраны; 3 — рычаг тензопреобразователя силы 4; 5 — электронный блок
Существуют два типа тензопреобразователей: давления (рис. 1, а) и силы (рис. 1, б). В тензопреобразователях давления измеряемое давление действует непосредственно на мембрану, поскольку при измерении давления в диапазоне 0,4 МПа и выше на мембране с тензопреобразователями диаметром 6...8 мм развиваются усилия, достаточные для ее деформации. В тензопреобразователях силы 4 нижняя металлическая мембрана имеет рычаг 3, к которому прикладывается сила, развиваемая мембранным блоком под действием давления. В преобразователях с диапазоном измерения менее 0,4 МПа (см. рис. 1, б) используются в качестве чувствительных элементов блоки из двух мембран 1, 2, жестко соединенных между собой и находящихся под воздействием атмосферного и измеряемого давлений (разрежения), либо разности давлений.
Жесткость мембранного блока в значительной мере определяется жесткостью мембранно-рычажного тензопреобразователя (преобразователя силы). Смещение центров мембран приводит к изгибу рычага 3 и сапфировой мембраны с тензорезисторами 4. Усилитель и элементы измерительной схемы находятся в блоке 5. Ряд давлений ниже 0,4 МПа перекрывается четырьмя моделями преобразователей, имеющими четыре различных площади мембран. При минимальных пределах измерения от 0,16 до 1,6 кПа (модель 10) диаметр мембранного блока составляет 90 мм, при пределах от 25 до 250 кПа (модель 40) он равен 64 мм, при этом соотношение площадей составляет 2:1.
Рис. 2. Схема размещения тензорезисторов на поверхности мембраны (я) и эпюра напряжений (б)
Принципиальная схема размещения резисторов на поверхности сапфировой мембраны представлена на рис. 2, а. При деформации мембраны в соответствии с эпюрой, приведенной на рис. 2, б, касательные напряжения σ τ имеют постоянный знак, тогда как радиальные σ τ его меняют. В связи с этим у размещенных радиально вблизи края мембраны тензорезисторов с ростом давления сопротивление снижается, а у размещенных касательно увеличивается. Выбирая точки размещения тензорезисторов, обеспечиваем увеличение чувствительности измерительной схемы.
Недостатком преобразователей этого типа особенно низкопредельных является значительный температурный коэффициент, составляющий около 0,1 %/°С. В связи с этим во всех преобразователях производится температурная компенсация, которая исходит из индивидуальных температурных характеристик каждого прибора. Для введения компенсации температурных уходов начального сигнала и диапазона в качестве терморезистора используется сопротивление диагонали питания тензомоста, которое зависит от температуры и не зависит от давления. Эта диагональ является плечом моста температурной компенсации. Пропорциональный температуре усиленный сигнал его небаланса используется как для изменения тока питания тензомоста при коррекции температурных изменений диапазона преобразователя, так и для устранения смещения его статической характеристики, вызванного температурой. В некоторых преобразователях этого типа (ф. Honeywell) для измерения температуры преобразователя применяется терморезистор, напыленный на участок мембраны, где отсутствуют создаваемые давлением деформации.
В микропроцессорных преобразователях «Сапфир-22МП» микропроцессор используется для введения температурной компенсации, линеаризации статической характеристики измерительного блока, изменения пределов измерения.
Основное достоинство приборов давления с тензопреобразователями — использование малых деформаций чувствительных элементов, что повышает их надежность и стабильность характеристик, а также обеспечивает виброустойчивость. При осуществлении тщательной температурной компенсации предельная приведенная погрешность приборов составляет ±0,075 %, ±0,1 %.