Лекция №11.
Тема лекции:Датчики давления в системах автоматики.
Цель лекции: Знакомство с многообразием принципов действия датчиков давления систем судовой автоматики.
1. Жидкостные приборы
Принцип действия основан на законе Паскаля: уровни жидкостей
в сообщающихся сосудах при одинаковых давлениях в обоих сосудах лежат в одной горизонтальной поверхности т.е. при Р1 = Р2 Н1 = Н2.
а) U - образный манометр
Под действием давления Рабc подведенному к одному из концов прибора образуется разность уровней h.
Тогда Рабс = Ратм + h*ρ*g.
Ризб = Рабс - Ратм = h*ρ*g.
где ρ - плотность рабочей жидкости
g - ускорение свободного падения.
Погрешность равна ±2 мм столба рабочей жидкости.
б) Чашечный манометр с наклонной трубкой
(разновидность U - образного манометра)
Принцип что и у U - манометра.
Длина шкалы 250 мм. Цена деления 1 мм.
2. Деформационные приборы (манометры)
В промышленности получили широкое распространение. Диапазон измерений 0-160 Па; 0-1000 МПа.
Принцип действия: уравновешивание измеряемого давления силами упругих деформаций чувствительных элементов (трубчатая пружина [трубка Бурдона], мембрана, сильфон).
а) трубчатая пружина. Изменение давления Р вызывает деформацию трубки и перемещение ее свободного конца. (При подаче на вход манометра Ризб трубка разжимается, а при подаче разрежения сжимается).
б) мембрана. Изготавливается в виде тонкой пластинки из нержавеющей стали, резины, пластмассы.
Недостаток: небольшой ход чувствительного элемента
в) сильфон - гофрированный тонкостенный сосуд, выполненный из упругого материала (латунь, коррозионностойкая сталь). Обычно число гофр 4-24.
Длина 13-100 мм. Диаметр 12-100 мм. Рабочий ход сильфона 2-21 мм.
Для всех трех случаев: ∆h = k*∆Р
где k - коэффициент усиления трубчатой пружины, мембраны или сильфона, соответственно.
Деформация чувствительных элементов может преобразовываться в электрический сигнал с помощью преобразователей перемещений (потенциометрического, индуктивного, емкостного, тензометрического).
3. Грузопоршневые приборы
Принцип действия: основан на уравновешивании сил, создаваемых с одной стороны измеряемым давлением, а с другой стороны грузом и поршнем.
О величине давления судят по величине не массы грузов и поршня, а по перемещению поршня.
Высокая точность (кл. точности 0,02..0,2).
Широкий диапазон (0,1..100 МПа).
Применение: в основном для поверки и градуировки.
Различают следующие типы преобразователей давления:
o абсолютного давления, Р1 равно давлению вакуума (т.е. оно равно нулю), а Р2 – измеряемое давление;
o дифференциального давления, измеряют разность давлений Р1 и Р2. (Часто применяется для измерения расхода в расходомерах переменного перепада);
o избыточного давления, измеряют отклонения давления Р1, от атмосферного Р2, это отклонение может быть как больше нуля, так и меньше.
В большинстве случаев автоматические измерительные преобразователи давления создаются на основе упругих чувствительных элементов – сильфонов и мембран. Сильфон можно соединить с движком потенциометра.
Мембрана присоединяется к кристаллу кварца, электроду конденсатора или дифференциальному трансформатору. Благодаря пьезоэлектрическому эффекту деформированный кварцевый кристалл генерирует разность потенциалов. Изменение емкости конденсатора, присоединенного к мембране, можно измерить каким-либо электрическим методом. Дифференциальный трансформатор выдает электрический сигнал пропорциональный перемещению мембраны.
В основе работы тензорезистора лежит эффект, заключающийся в изменении активного сопротивления проводниковых и полупроводниковых материалов при их механической деформации.
Сегодня полупроводниковые датчики давления — одно из наиболее динамично развивающихся направлений в области электроники. В мире насчитывается больше сотни компаний, занятых производством полупроводниковых датчиков давления различного применения. Изделия этих фирм-производителей имеют примерно равное качество, а аналогичные типы приборов находятся в одной ценовой категории.
Основой современных датчиков давления является тензочувствительный элемент. Это, как правило, четыре идентичных пьезорезистора, имплантированных в канавки, вытравленные на поверхности кремниевой мембраны и соединенных по мостовой схеме.
Внешнее давление вызывает деформацию мембраны, что приводит к разбалансировке моста. Значение создаваемого напряжения рассогласования (полезный сигнал) прямо пропорционально приложенному давлению. Этот принцип заложен в основу работы любого датчика, но на нем и заканчивается сходство. Дело в том, что теперь выпускаются приборы для применения в самых разных областях (начиная от схем контроля засорения фильтра бытового пылесоса до измерителей давления эксплуатационных жидкостей летательных аппаратов) с различными электрическими, конструктивными, климатическими и ценовыми характеристиками. Большое разнообразие конструктивных исполнений, широчайший диапазон измерения (от нескольких десятков миллиметров водяного столба до сотен атмосфер), способность работать в различных средах, в том числе агрессивных, все варианты стандартных выходных сигналов, наличие прецизионных моделей плюс гибкая ценовая политика предоставляют разработчику неограниченную свободу выбора датчика практически для любой области применения.
Чтобы получить четкое и систематизированное представление сразу обо всей линейке датчиков давления, необходимо провести классификацию компонентов по основным признакам, а именно: по типу и величине измеряемого давления, типу измеряемой среды и выходного сигнала.