Датчики давления. Часть I - Ульяновский государственный

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
"УЛЬЯНОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ"
Кафедра "ИВК"
Датчики давления. Часть I
Составители:
студенты группы Пд-41
Лаврешин П. И.
Саушкин Д. И.
Руководители проекта:
Шивринский В. Н.
Горбоконенко В. Д.
Ульяновск, 2012
Аннотация
Выбор датчиков при проектировании измерительно-вычислительных
комплексов и систем является достаточно сложной и важной задачей. В работе рассмотрены различные принципы построения датчиков давления и
тенденции их развития с учетом дальнейшего использования. Приведены основные метрологические характеристики, а также приведены примеры построения комплексов на основе датчиков давления.
Материал, изложенный в данной работе, целесообразно использовать
при самостоятельной подготовке студентов по соответствующей теме в курсах «Физические основы получения информации», «Проектирование измерительно-вычислительных комплексов».
Ключевые слова: давление, датчики абсолютного давления, избыточного
дифференциального давления, HART-протокол, датчики-реле, тензометрическая аппаратура, тонкопленочные тензорезисторы, комплексы и системы измерения давления, волоконно-оптические датчики, многоточечные модули.
2
Введение ………………………………………………………………………….5
1. Датчики давления ……………………………………………………………7
1.1. Принципы реализации……………………………………………………7
1.2. Датчики абсолютного и избыточного давления………………………..9
1.3. Высокочастотные датчики давления…………………………………...11
1.4. Датчики дифференциального давления………………………………..12
1.5. Датчики давления в гигиеническом исполнении……………………...12
1.6. Датчики абсолютного, дифференциального и избыточного давления с
HART-протоколом………………………………………………………13
1.7. Датчики-реле давления с дисплеем……………………………….……14
1.8. Электронные реле давления…………………………………………….14
2. Тенденции развития датчиков давления ...................................................15
2.1. Микроэлектронный датчик давления и температуры...........................15
2.2. Высокотемпературный
высокочувствительный
емкостной
датчик
пульсаций давления..................................................................................21
2.3. Серия общепромышленных датчиков давления МИДА-13П 16……..26
2.4. Волоконно-оптический датчик давления на туннельном эффекте…..31
2.5. Многоточечные модули давления……………………………………...34
2.6. Тензорезисторы………………………………………………………….37
2.7. Тензометрическая аппаратура…………………………………………..40
2.8. Перспективные тонкопленочные тензорезисторные датчики давления
для ракетной и авиационной техники…………………………………44
2.9. Интегральные датчики………………………………………………….53
2.10.Первичные преобразователи давления на основе арсенидов галлияалюминия………………………………………………………………...57
3. Комплексы на основе датчиков давления………………………………..59
3.1. Инновационный комплекс измерения давления "Метран"…………...59
3.2. Тензометрический измерительно-вычислительный комплекс ИВК
М2………………………………………………………………………...63
3.3. Тензометрическая система "Эпсилон"…………………………………68
3
4. Задачи по теоретическому курсу…………………………………………..71
Список использованной литературы .............................................................75
4
Введение
Давление - важнейший параметр многих технологических процессов [1].
Давление при равномерно распределенной нагрузке определяется силой,
приходящейся на единицу поверхности:
Единица давления в СИ - паскаль (Па):
Единица давления в системе СГС - дина на квадратный сантиметр
(дин/см²).
Размерность давления устанавливает соотношение между единицами Па
и дин/см² [1].
В системе МКГСС единица давления - кгс/м², равная, очевидно, 9,81Н/м²
= 98,1 дин/см². Давление 1кгс/м² с большой степенью точности равно давлению водяного столба высотой 1мм. Действительно, слой воды площадью в
1м² и толщиной 1мм занимает объем, равный 1дм³, а, следовательно, его вес с
большой точностью равен 1кгс. Поэтому в технике единицу давления кгс/м²
часто называют миллиметром водяного столба (мм вод.ст.). Это особенно
удобно в тех случаях, когда пользуются водяными манометрами (например,
при измерении скорости газа в трубопроводах).
Единицу давления системы СГС дин/см² в физической литературе раньше называли бар [1]. В метеорологии под этим названием понимается внесистемная единица в 106 дин/см², равная соответственно 105 Па. В настоящее
время название «бар» применяется только в последнем значении.
Наряду с указанными единицами в физике и технике широко пользуются рядом внесистемных единиц давления. Из них весьма распространена единица физическая (нормальная) атмосфера (атм), определяемая как давление
воздуха, уравновешивающее ртутный столб высотой в 76 см при плотности
5
ртути
13,595г/см³
и
нормальном
ускорении
свободного
падения
980,665см/с². На каждый квадратный сантиметр такой столб оказывает давление, равное его весу. Точное значение:
Так как это давление равно приблизительно 1,003кгс/см², вместо него
часто пользуются технической атмосферой (ат), равной точно 1кгс/см²:
В системе МТС существовала единица давления пъеза (пз), равная давлению одного стенда на квадратный метр:
Весьма часто давление измеряют непосредственно в миллиметрах ртутного столба (мм рт. ст.) или в торах (Тор) - в честь Торричелли. Последнее
название в русской литературе не получило широкого распространения:
В системных и соответствующих кратных и дольных единицах давления
измеряется также всякое механическое напряжение.
Датчики давления предназначены для измерений и непрерывного преобразования давления в унифицированный выходной сигнал постоянного тока или
напряжения.
Используются датчики в регуляторах и других устройствах автоматики в системах автоматического контроля, регулирования и управления технологическими
процессами в системах водообработки, отопления, вентиляции и кондиционирования; гидравлических системах, холодильной технике, расходомерах и счетчиках;
дизельных двигателях; тормозных системах; уровнемерах, в испытательных стендах и т.д. [2].
Индустриальные измерения и контрольно-измерительная аппаратура применяются во всех областях промышленности - от атомной до пищевой и фармакологической; соответственно, везде нужны и датчики давления.
6
Принцип действия датчиков основан на упругой деформации чувствительного
элемента (сенсора), на который нанесены полупроводниковые тензорезисторы,
включенные по схеме моста Уинстона. 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 [3].
1. Датчики давления
1.1. Основные принципы реализации датчиков давления
Датчик давления состоит из первичного преобразователя давления, в составе
которого чувствительный элемент и приемник давления, схемы вторичной обработки сигнала, различных по конструкции корпусных деталей и устройства вывода.
Основным отличием одних приборов от других является точность регистрации давления, которая зависит от принципа преобразования давления в электрический сигнал: тензометрический, пьезорезистивный, емкостной, индуктивный, резонансный,
ионизационный и др. [3,4].
При тензометрическом методе чувствительные элементы датчиков базируются на принципе измерения деформации тензорезисторов, припаянных к титановой мембране, которая деформируется под действием давления.
Пьезорезистивный метод основан на интегральных чувствительных элементах из монокристаллического кремния. Кремниевые преобразователи имеют высокую временную и температурную стабильности. Для измерения давления чистых
неагрессивных сред применяются, так называемые. Lowcost - решения, основанные
на использовании чувствительных элементов либо без защиты, либо с защитой си7
ликоновым гелем. Для измерения агрессивных сред и большинства промышленных
применений применяется преобразователь давления в герметичном металлостеклянном корпусе, с разделительной диафрагмой из нержавеющей стали, передающей давление измеряемой среды посредством кремнийорганической жидкости.
Емкостные преобразователи используют метод изменения емкости конденсатора при изменении расстояния между обкладками. Известны керамические или
кремниевые ѐмкостные первичные преобразователи давления и преобразователи, выполненные с использованием упругой металлической мембраны. При изменении давления
мембрана с электродом деформируется и происходит изменение емкости. В элементе из
керамики или кремния, пространство между обкладками обычно заполнено маслом или
другой органической жидкостью. Недостаток - нелинейная зависимость емкости от приложенного давления.
В основе резонансного метода лежат волновые процессы: акустические или электромагнитные. Это и объясняет высокую стабильность датчиков и высокие выходные характеристики прибора. К недостаткам можно отнести индивидуальную характеристику преобразования давления, значительное время отклика, не возможность проводить измерения в
агрессивных средах без потери точности показаний прибора.
Индуктивный метод основан на регистрации вихревых токов (токов Фуко). Чувствительный элемент состоит из двух катушек, изолированных между собой металлическим экраном. Преобразователь измеряет смещение мембраны при отсутствии механического контакта. В катушках генерируется электрический сигнал переменного тока таким
образом, что заряд и разряд катушек происходит через одинаковые промежутки времени.
При отклонении мембраны создается ток в фиксированной основной катушке, что приводит к изменению индуктивности системы. Смещение характеристик основной катушки дает возможность преобразовать давление в стандартизованный сигнал, по своим параметрам
прямо пропорциональный приложенному давлению.
В основе ионизационного метода лежит принцип регистрации потока ионизированных частиц. Аналогом являются ламповые диоды. Лампа оснащена двумя электродами:
катодом и анодом, - а также нагревателем. В некоторых лампах последний отсутствует, что
связано с использованием более совершенных материалов для электродов. Преимуществом
8
таких ламп является возможность регистрировать низкое давление - вплоть до глубокого
вакуума с высокой точностью. Однако следует строго учитывать, что подобные приборы
нельзя эксплуатировать, если давление в камере близко к атмосферному. Поэтому подобные преобразователи необходимо сочетать с другими датчиками давления, например, емкостными. Зависимость сигнала от давления является логарифмической.
1.2. Датчики абсолютного и избыточного давления
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 избыточного давления-разряжения представляют собой сочетание
датчиков избыточного и вакуумметрического давлений, т.е. измеряют как давление, так и разрежение [5].
Для надежной работы датчиков необходимо выбирать материалы
элементов, контактирующих с измеряемой средой (мембран, фланцев и
уплотнительных колец) химически стойкими к этим средам. Например,
для различных сред эксплуатации материалом мембран сенсоров может
быть нержавеющая сталь, титан, титановый сплав, керамика и др.
Датчики давления также отличаются по климатическому исполнению.
Следует обращать внимание на климатические условия (температура
окружающей среды, влажность, прямое попадание воды и солнечных лучей) в месте установки датчика. Они должны соответствовать тем условиям, на которые он рассчитан [3].
9
Датчики давления имеют различные метрологические характеристики
(классы точности) - обычно от 0,05% до 0,5%. Особо точные датчики используются на важных объектах в различных отраслях промышленности.
Некоторые виды датчиков давления имеют взрывозащищенное исполнение. Эти модели могут успешно использоваться для определения
давления на взрывоопасных объектах с присутствием взрывчатых и легко
воспламеняющихся газов и жидкостей [2].
Описание и характеристики некоторых типов датчиков абсолютного и
избыточного давления приведены в таблице 1.1.
Таблица 1.1
Датчики абсолютного и избыточного давления
Диапазон
давлений
Основная
погрешность
DMP
331
от 40 мбар
до 40 бар
Общепромышленное применение, пневматика, контроль технологических про0,35%/0,25% цессов. Опция: исполнение
с низким энергопотреблением (6 - 15 В) и выходным
сигналом 0,8 - 3,2 В
DMK
331
от 0,6 бар
до 600 бар
DMP
333
от 60 бар
до 600 бар
DMP
334
от 600 бар
до 2200 бар
DMP
343
от 10 мбар
до 1 бара
Тип
Приложения
Описание
Датчик с пьезорезистивным кремниевым
сенсором.
Мембрана из нержавеющей стали. Возможно изготовление
датчика с открытой
мембраной.
Датчик давления с
Медицина, химическая и толстопленочным
фармацевтическая
про- керамическим сен0,5%
мышленность,
гальвано- сором. Штуцер из
производство.
нержавеющей стали
или PVDF.
Общепромышленное приДатчик с пьезоременение, гидравлика, исзистивным кремнипытательное оборудование.
евым сенсором на
0,35%/0,25% Опция: исполнение с низвысокие давления.
ким энергопотреблением(6
Мембрана из нер- 15 В) и выходным сигнажавеющей стали.
лом 0,8 - 3,2 В
Датчик давления с
Гидравлика, испытатель- тонкопленочным
0,35%/0,25%
ное оборудование.
металлическим сенсором.
Датчик с пьезореПневматика,
вакуумная
0,35%
зистивным кремнитехника, медицина.
евым сенсором
10
1.3. Высокочастотные датчики давления
Описание и характеристики некоторых типов высокочастотных датчиков давления приведены в таблице 1.2 [6].
Таблица 1.2
Высокочастотные датчики давления
Тип
Диапазон
давлений
Основная
погрешность
DMP
331i
от 170 мбар
до 35 бар
0,1%
DMP
331i
от 70 бар до
600 бар
0,1%
HMP
331
от 100 мбар
до 600 бар
x|acti
x|acti
LD
301
от 170 мбар
до 35 бар
от 160 мбардо 10 бар
от 1,25 мбар
до 250 бар
0,1%
Приложения
Описание
Для калибровочных и
испытательных стендов,
поверочных установок,
контроль технологических процессов, учет расхода и калориметрия.
Для калибровочных и
испытательных стендов,
поверочных установок,
контроль технологических процессов, учет расхода и калориметрия.
Нефтяная и газовая промышленность, контроль
технологических
процессов,
высокоточные
измерения.
Высокоточный датчик давления с пьезорезистивным
кремниевым
сенсором.
Мембрана из нержавеющей
стали. Перенастройка нуля
0..80% и диапазона 1:10.
Высокоточный датчик давления с пьезорезистивным
кремниевым
сенсором.
Мембрана из нержавеющей
стали. Перенастройка нуля
0..80% и диапазона 1:10.
0,1%
Химическая, фармацевтическая и пищевая промышленность.
Измерение давления высокотемпературных сред (до
300 ºС).
0,1%
Химическая, фармацевтическая и пищевая промышленность.
Измерение давления высокотемпературных сред (до
300 ºС).
0,1%
Химическая
промышленность, контроль технологических процессов,
высокоточные измерения
дифференциального давления.
Датчик давления с HARTпротоколом, EExia, EExd.
Перенастройка нуля 0..80%
и диапазона 1:10.
Датчик давления с HARTпротоколом (опция), EExia.
Перенастройка нуля 0..80%
и диапазона 1:10. Возможность настройки при
помощи клавиш на панели.
Пьезорезистивный кремниевый сенсор.
Датчик давления с HARTпротоколом (опция),EExia.
Перенастройка нуля 0..80%
и диапазона 1:10. Возможность настройки при помощи клавиш на панели.
Емкостной керамический
сенсор.
Датчик дифференциального давления с HART-протоколом, EExia, EEx d. Перенастройка
диапазона
1:40.
11
1.4. Датчики дифференциального давления
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. Описание и характеристики некоторых типов датчиков дифференциального давления приведены в таблице 1.3. [6].
Таблица 1.3
Датчики дифференциального давления
Диапазон
давлений
Тип
DPS+
DPS
100
от 600 Па
до 100 кПа
от 10 Па
до 1,6 кПа
DMD от200 мбар
331
до 16 бар
LD
301
от 1,25 мбар
до 250 бар
Основная погрешность
0,35%
1,0%/0,5%/0,2%
Приложения
Медицинское оборудование, системы отопления,
кондиционирования и вентиляции, измерение скорости потока.
Медицинское оборудование, системы отопления,
кондиционирования и вентиляции, измерение скорости потока.
0,5%
Общепромышленное
применение, измерение
потока.
0,1%
Химическая промышленность,
контроль
технологических процессов, высокоточные
измерения дифференциального давления.
Описание
Датчик дифференциального давления
с пьезорезистивным
кремниевым сенсором.
Датчик дифференциального давления
с индуктивным сенсором.
Компактный датчик
дифференциального
давления с двумя
пьезорезистивными
кремниевыми сенсорами.
Датчик дифференциальногодавления
с
HARTпротоколом, EExia,
EEx d. Перенастройка диапазона 1:40.
1.5. Датчики давления в гигиеническом исполнении
Описание и характеристики некоторых типов датчиков давления в гигиеническом исполнении приведены в таблице 1.4 [6].
12
Таблица 1.4
Датчики давления в гигиеническом исполнении
Диапазон
давлений
Тип
DMP
331 P
DMK
331 P
DS
200 P
от 100 мБар
до 400 Бар
от 1 бара
до 400 бар
от 100 мбар
до 40 Бар
Основная
погрешность
0,35%
FSO
0,5% FSO
0,35%
FSO
Приложения
Химическая, фармацевтическая и пищевая
промышленность.
Измерение
давления высокотемпературных сред (до
300 ºС).
Химическая, фармацевтическая и пищевая
промышленность.
Измерение
давления высокотемпературных сред (до
300 ºС).
Химическая, фармацевтическая и пищевая
промышленность.
Измерение
давления высокотемпературных сред (до
300 ºС).
Описание
Датчик давления с различными
типами подключения к процессу (резьба, фланец, clamp). Открытая мембрана из нержавеющей стали. Пьезорезистивный кремниевый сенсор.
Датчик давления с различными
типами подключения к процессу (резьба, фланец, clamp). Открытая мембрана из нержавеющей стали. Толстопленочный керамический сенсор.
Датчик-реле давления с индикатором. Различные типы подключения к процессу (резьба,
фланец, clamp). Пьезорезистивный кремниевый сенсор. Открытая мембрана из нержавеющей стали.
1.6. Датчики абсолютного, дифференциального и избыточного давления с HART-протоколом
Описание и характеристики некоторых типов датчиков абсолютного,
дифференциального и избыточного давления с HART-протоколом приведены
в таблице 1.5 [6].
13
Таблица 1.5
Датчики абсолютного, дифференциального и избыточного давления с
HART-протоколом
Диапазон
давлений
Тип
от 100 мбар
до 600 бар
HMP
331
от 1,25 мбар
до 250 бар
LD
301
Основная
погрешность
0,1%
0,1%
Приложения
Нефтяная и газовая промышленность, контроль
технологических процессов, высокоточные измерения.
Химическая промышленность, контроль технологических процессов, высокоточные измерения дифференциального давления.
Описание
Датчик давления с HARTпротоколом, EExia, EEx d.
Перенастройка
нуля
0..80% и диапазона 1:10
Датчик дифференциального давления с HARTпротоколом, EExia,EEx d.
Перенастройка диапазона
1:40
1.7. Датчики-реле давления с дисплеем
Описание и характеристики некоторых типов датчиков-реле давления с
дисплеем приведены в таблице 1.6 [6].
Таблица 1.6
Датчики-реле давления с дисплеем
Тип
Диапазон
давлений
DS
200
от 40 мбар
до 600 бар
DS
200 P
от 100 мбар
до 40 Бар
Основная
погрешность
Приложения
Описание
0,35%
Общепромышленное применение, пневматика, гидравлика, контроль технологических процессов.
0,35%
Химическая, фармацевтическая и пищевая промышленность. Измерение
давления высокотемпературных сред (до 300 ºС).
Датчик-реле давления с
индикатором. Пьезорезистивный кремниевый сенсор.
Датчик-реле давления с
индикатором. Различные
типы подключения к процессу (резьба, фланец,
clamp). Открытая мембрана из нержавеющей стали.
1.8. Электронные реле давления
Электронные реле давления являются альтернативой механическим реле
и контактным манометрам. Электронные реле давления имеют следующие
преимущества: более высокие точность и износоустойчивость, высокая вре14
менная стабильность, простота в эксплуатации и большое число циклов использования. Описание и характеристики некоторых типов электронных реле
давления приведены в таблице 1.7 [6].
Таблица 1.7
Электронные реле давления
Тип
Диапазон
давлений
Основная
погрешность
DS 4
от 1 бара
до 10 бар
1,0%
DS 6
от 2 бар
до 400
бар
1,0%
ПО
для
DS
4/6
-
-
Приложения
Описание
Автоматика, пневма- Реле давления с настраиваетика, системы управ- мыми порогами срабатывания
ления
и гистерезисом
Реле давления с настраиваеАвтоматика, пневмамыми порогами срабатывания
тика, гидравлика, сиси гистерезисом, аналоговый
темы управления.
выходной сигнал
В комплект поставки входит
Комплект для конфиинтефейс для подключения к
гурирования параметРС (RS232), кабели, програмров датчиков
мное обеспечение
2. Тенденции развития датчиков давления
2.1.Микроэлектронный датчик давления и температуры [7]
Научно-технический прогресс в настоящее время немыслим без широкого внедрения и использования информационно-измерительных систем
(ИИС), важнейшей частью которых являются первичные измерительные преобразователи - датчики. Отсутствие в стране недорогих, надежных датчиков,
имеющих малые габариты и вес при высоких метрологических характеристиках, не только сдерживает развитие многих отраслей народного хозяйства, но и является одним из основных факторов, снижающих конкурентоспособность отечественной продукции на мировом рынке [7].
В качестве примера рассмотрим микроэлектронный датчик давления и
температуры. При стендовой и натурной отработке теплоэнергетических агрегатов (ТЭА) летной и ракетно-космической техники одной из основных задач является измерение полей давления и температуры в различных узлах
ТЭА. Значительные градиенты полей и высокая динамика процессов в современных ТЭА чрезвычайно осложняет получение достоверной информа15
ции о состоянии объекта. При этом наибольшей достоверности измерения
можно добиться лишь при совмещении точек измерения давления и температуры по всему измеряемому объекту, а также при малой инерционности самого процесса преобразования.
Существующие средства измерения зачастую не отвечают этим требованиям из-за отсутствия в стране малогабаритных быстродействующих многопараметрических датчиков, способных одновременно измерять несколько
величин, в частности, давление и температуру.
Анализ зарубежной информации показал, что в настоящее время интенсивно разрабатываются совмещенные датчики давления и температуры. Потребность в таких датчиках значительна, так как в общем объеме измерений
от 60 до 70 % их приходится на измерение давления и температуры.
Исходя из актуальности задачи был разработан миниатюрный полупроводниковый датчик давления и температуры, конструкция которого показана
на рис. 2.1.
Разработанный датчик конструктивно выполнен в виде единого блока,
содержащего ЧЭ, компенсационную плату, внешние электрические выводы и
несущий пластмассовый корпус. Общий вес датчика около 5 г. ЧЭ содержит
кремниевый кристалл 2, соединенный электростатическим способом со стеклянным кольцом 7. В теле кремниевого кристалла методами интегральной
технологии сформированы пьезо- и термоэлементы 9. Элементы кристалла
золотыми проводниками 6 соединяются с нормализующей тонкопленочной
компенсационной платой 5. Электрический сигнал, соответствующий измеряемому параметру, подается на внешние электрические выводы 5.
Чувствительный элемент, компенсационная плата и внешние выводы закрепляются с помощью компаунда в корпусе 4а и сверху закрываются крышкой 46 (показана штриховой линией). Корпус и крышка датчика изготавливаются из поликарбоната. Элементом, воспринимающим давление и температуру, является миниатюрный кремниевый профилированный кристалл с
пьезорезисторами 7, соединенными в мост Уинстона, и терморезисторами 8 и
16
9, первый из которых служит для целей термокомпенсации, а второй - является термодатчиком. Для уменьшения влияния переходных сопротивлений на
точность датчика все межэлементные соединения в кристалле выполнены в
виде высоколегированных областей.
Рис.2.1. Конструкция и измерительная схема датчика
давления и температуры
17
Давление внешней среды, воздействуя на воспринимающий элемент
(ВЭ), вызывает его деформацию, а разница температур между контактирующей со средой поверхностью и планарной стороной кристалла приводит к
возникновению в его объеме теплового потока.
Под воздействием давления и температуры пьезорезисторы 7 и терморезисторы 5, 9 изменяют свои сопротивления Δ(Rx) и Δ(Rtx) пропорционально
деформации Δ(x) и разнице температур Δ(tx), соответственно. Изменения
Δ(Rx) и Δ(Rtx) преобразуются в мостовой схеме (МС) в потенциальные Ux, Utx
или токовые сигналы, которые, после корректировки по температуре и нормализации по уровню, через внешние выводы 5 подаются в ИИС.
Пьезорезисторы
кристалла имеют номинал 5 кОм и поверх-
ностное сопротивление Rs = 100 Ом/квадрат. Пьезорезисторы формируются
термодиффузией бора в кремний. Номинал терморезисторов Rt1 и Rt2 составляет 30 кОм, при Rs = 1000 Ом/квадрат. Терморезисторы сформированы ионной имплантацией однозарядными ионами бора. Резисторы компенсационной платы - тонкопленочные, из сплава Х20Н75Ю, осажденные методом вакуумного напыления на ситалловые подложки с последующей фотолитографией резистивных и контактных пленок. Контактная группа платы - хроммедь-никель. Все резисторы компенсационной платы подгонялись после
монтажа ее в корпус датчика. Подгонка осуществлялась локальной подрезкой
резисторов на установке АМЦ-077.
Кристаллы и компенсационные платы датчиков изготавливались групповыми методами на высокопроизводительном технологическом оборудовании, обеспечивающем высокий процент выхода годных, а корпусные детали на литьевом пресс-автомате с применением многоместной пресс-формы.
В результате настройки и испытаний макетов датчиков было выяснено
следующее:
1) изменения Δ(R)/R от давления для продольных и поперечных пьезорезисторов - линейны (рис. 2.2);
18
2) экспериментальные зависимости сопротивления терморезисторов,
пъезорезисторов и тонкопленочных компенсационных резисторов R к от температуры имеют вид, приведенный на рис. 2.3, при этом характеристика сопротивления пьезорезисторов от температуры нелинейна, а сами резисторы
имеют разброс как внутри датчика (продольный и поперечный пьезорезисторы), так и от датчика к датчику. Нелинейность обусловлена зависимостью
пьезорезистивных коэффициентов кремния от температуры, а разброс номиналов - технологическим разбросом элементов кристалла.
Рис.2.2. Зависимость сопротивления пьезорезисторов от давления
Сопротивление компенсационных резисторов от температуры практически не зависит. В результате проведения температурных испытаний были
установлены следующие числовые значения основных характеристик:
- в диапазоне температур (-75...+90)°С ТК сопротивления (ТКС) пьезорезисторов составил +3·10-2 %/°С, ТКС тонкопленочных компенсационных резисторов -6·10-5%/°С;
- величина начального выходного сигнала после на стройки составила
0,02...0,04 мВ;
- величина номинального выходного сигнала датчика при давлении
0,6 МПа равна 60 мВ;
- давление, при котором разрушался кристалл, составило 1,6 МПа;
-
погрешность
от
температуры
начального
выходного
сигнала
(0,02...0,04) %/ °С, номинального выходного сигнала (0,02... ...0,05) %/ °С.
19
Рис.2.3. Температурные зависимости сопротивления термо-пьезо- и
компенсационных резисторов: о -
,• -
,× -
Таким образом, в результате разработки, изготовления и испытания макетов миниатюрных датчиков были получены удовлетворительные результаты по стабильности, чувствительности и диапазонам измерения. Благодаря
своей конструктивной простоте и функциональной завершенности датчик
выгодно отличается от аналогичных датчиков давления, а наличие в нем канала измерения температуры позволяет значительно повысить информативность процесса измерения. Отсутствие в датчике дефицитных материалов и
малая трудоемкость изготовления дают возможность выпускать его массовыми сериями. Кроме того, можно в 1,5 раз уменьшить габариты датчика и
повысить его точностные характеристики путем оптимизации элементов
термокомпенсации [7].
20
2.2. Высокотемпературный высокочувствительный емкостной датчик пульсаций давления [8]
В настоящее время актуальным является обеспечение безопасности эксплуатации объектов энергетики, нефтегазовой, химической промышленности
и др.
Нарушение нормального условия эксплуатации подобных объектов сопровождается высокой опасностью и материальными затратами. Одним из
распространенных видов отказов являются течи теплоносителей в энергетике, течи нефтепродуктов из трубопроводов и т, д. Звуковое давление P течей
возникает тогда, когда среда динамически возмущена.
На возмущение среды (воздуха) влияют плотность воздуха , скорость
частиц
атмосферное давление
температура T, т. е.
.
Параметры течи исследуемого объекта оценивают уровнем звукового
давления и его спектральной характеристикой.
В настоящее время подобные задачи, а частности, обнаружение течи,
решают или пытаются решить при помощи дорогостоящих акустических систем. В большинстве случаев высокая стоимость микрофонов является причиной отказа от оснащения промышленных объектов подобными устройствами. Следовательно, надежные, дешевые датчики давления с хорошими
метрологическими характеристиками являются крайне необходимым компонентом для широкой области современной контрольно-измерительной акустической аппаратуры [8].
Поэтому проектирование высокотемпературного высокочувствительного датчика звукового давления (пульсаций), разработка способа обнаружения
низких уровней звукового давления течи, смешанного с шумами и помехами,
с минимальной стоимостью (меньше зарубежных аналогов примерно в 10
раз) крайне необходимо. На рис. 2.4 представлена схема устройства для измерения звукового давления. На рисунке приняты следующие обозначения:
1 - емкостной чувствительный элемент; 2 - боковой экран; 3 - герметик;
4,7 - нижняя и верхняя обкладки; 5 - каркас; 6, 20 - крышка с защитной сет21
кой; 8,9 - фольга с диэлектрической пленкой; 10 - экран кабеля; 11 - внешний
экран; 12 - дополнительный экран; 13, 14 - согласующий и нормирующий
усилители; 15 - индикатор; 16 - источник питания и поляризации; 17 - изолятор; 18 - изоляционный слой; 19 - первый экран; 21 - опорные отверстия;
R - сопротивление нагрузки.
Рис.2.4. Устройство для измерения звукового давления
Обнаружение и изучение явления течи основывается на закономерностях теоретической акустики и эмпирических соотношениях, полученных в
результате обобщения опыта создания и эксплуатации подобной аппаратуры.
Устройство содержит емкостной чувствительный элемент 1, который
размещен в каркасе 5 и сверху закрыт крышкой 20 с защитной сеткой В основании корпуса, основном экране и в нижней обкладке конденсатора высверлено опорное отверстие. Нижняя обкладка 4 соединена с центральной
жилой кабеля 10 провода длиной l. Первый экран 19 соединен с верхней обкладкой 7 и экраном из фольги 9 на основе диэлектрической пленки 8. Второй экран кабеля изолирован от корпуса изоляционным слоем 18. По мере
возможности свободные участки корпуса датчика залиты термо- и влагостойким герметиком 3. Второй экран изолирован от земли изолятором 17 из
диэлектрика.
Устройство (см. рис. 2.4) предназначено для дистанционного измерения
звукового давления течи на определенном расстоянии от исследуемого объ22
екта в местах повреждения с площадью S. Предполагается, что электрический сигнал течи смешан с фоновыми звуковыми Uф, тепловыми Ut, дробовыми Uд , импульсными Uи , контактными Uк и электрическими Uш шумами.
Тепловой шум в датчике и в кабеле возникает при изменении окружающей
температуры. Звуковое давление течи Ps в свободном пространстве через защитную сетку 6 поступает на поверхность верхней обкладки (мембраны)
конденсатора. Преобразованное в электрический сигнал звуковое давление Ps
с нижней обкладки конденсатора 2 через проводник а длиной l и центральную жилу кабеля поступает на плюсовой вход согласующего усилителя 13.
Верхняя обкладка 7, основной экран 1, боковой экран 2 и пленочный экран из
фольги 9 электрически связаны между собой и через первый экран 19 кабеля
присоединены к положительному полюсу источника поляризации 16. Отрицательный полюс источника поляризации соединен с корпусом дополнительного экрана 12 и отрицательным полюсом согласующего усилителя 13. Далее
с выхода усилителя 13 сигнал, смешанный с помехами и шумами, через нормирующий усилитель напряжения 14 поступает на вход индикатора 15. Такое
соединение в случае необходимости позволяет регулировать уровень выходного сигнала путем измерения коэффициента усиления нормирующего усилителя и напряжения поляризации датчика. Индикатор присоединен к нормирующему усилителю и источнику питания 16.
Устройство можно реализовать как в одноканальном, так и в многоканальном исполнении.
Исследуемым объектом служил трубопровод теплоносителя, представленный на рис. 2.5. На рисунке приняты обозначения: ИО - исследуемый
объект (трубопровод); 1-4 - датчики звукового давления.
23
Рис.2.5. Схема подключения трубопровода
На поверхности трубопровода в качестве источника звукового давления
течей изображены повреждения в виде трещин (отверстия в форме окружности или эллипса) в точках х1...xn с площадью отверстия повреждения S. Датчики расположены на определенном расстоянии от трубопровода и направлены в эти точки. Через исследуемый объект протекает поток жидкости B
статическим давлением P с высокой температурой по всей длине трубопровода. Статическое давление и сечение трубопровода радиусом r не изменяются. При этом излучаемое звуковое давление в условных местах повреждения х1...хn будет равняться проходящему звуковому давлению в трубопроводе
Pt. Принимают, что площади Sx1=Sxn=S в точках повреждения х1...хn одинаковые.
Допускают, что теплоноситель и исследуемый объект имеют сравнительно низкую теплоемкость, распространение звука очень близко к адиабатическому даже на низких частотах. Звуковое давление зависит от плотности
носителя и материала трубопровода. В звуковом потоке волны возникают
вблизи условных источников звуков х1... хn и излучают звуковую энергию во
всех направлениях и на больших расстояниях от источников х 1...хn . Допускают, что размеры исследуемого объекта (диаметр трубы 2r = const) и от24
дельные размеры повреждения на поверхности трубопровода, по которой
распространяются волны звукового давления, будут малы по сравнению с
длиной волны исследуемого объекта.
Разрабатываемая математическая модель измерительного канала датчика [8] и экспериментальные исследования позволили получить основные характеристики измерительного канала звукового давления.
Тип датчика ...........датчик давления емкостный четырехслойный (ДДЕ-4)
Толщина чувствительного элемента, мкм………….................…………300-500
Габаритные размеры корпуса, мм……..........................................…………12х44
Верхний предел измерений, Па (дБ)………....................................…….200(140)
Допустимая перегрузка, Па (дБ)……...............................................…….500(148)
Нижний предел измерений, мкПа (с длиной антивибрационного кабеля 3035м)….....................................................................................................7,5·104 (70)
Коэффициент преобразования, 1/Па………........................................……2·10-2
Рабочий диапазон частот при неравномерности АЧХ 5-6 Гц ...............20-2·104
Нелинейность амплитудной характеристики, % ..............................................1,0
Суммарная погрешность измерения в лабораторных условиях, % ...................3
Уровень собственных шумов, В………...................................................(1-2)·10-4
Емкость датчика, пФ ..........................................................................................100
Сопротивление нагрузки, Ом…….....................................................…….107-109
Сопротивление на выходе (измерительной аппаратуры), Ом ..................50-300
Акустическое сопротивление, Ом…..........................................................4,1·104
Рабочий диапазон температуры, ºС…….........................................…..-60…+200
Погрешность результатов измерений с учетом погрешности градуировки, нелинейности, неравномерности амплитудно-частотной характеристики,
временной и температурной нестабильности, приведенная к верхнему пределу 200 находится в пределах 17-20 % [8].
25
2.3. Серия общепромышленных датчиков давления МИДА-13П[9]
Промышленная группа МИДА (Микроэлектронные датчики) разработала и выпускает комплекс малогабаритных микроэлектронных датчиков давления МИДА-13П.
Все датчики используют для преобразования давления в электрический
сигнал тензочувствительные преобразователи (ТП) на основе гетероэтитаксиальных структур "Кремний на сапфире" (КНС), что обеспечивает высокую
точность, стабильность и надежность приборов.
Датчики серии МИДА-13П предназначены для измерения избыточного
(ДИ), абсолютного (ДА) давления, разрежения (ДВ) и избыточного давленияразрежения (ДИВ). Верхний предел измеряемого давления меняется от 4кПа
до 250МПа по нормальному ряду. Основная погрешность (при комнатной
температуре) составляет 0,15; 0,2: 0,25 или 0.5 % от верхнего предела измерений (кроме датчиков МИДА-13П-К). Датчики выпускаются с выходными
сигналами 4...20мА (двухпроводная линия), 0...5мА (трех- и четырехпроводная линия) и 0..5В (четырех проводная линия). Выпускаются также датчики с
малым энергопотреблением (ток питания не более 2...5мА), имеющие выходной сигнал в виде напряжения постоянного тока, нижнее значение которого
может находиться в пределах 0...5В, а верхнее - в пределах 3... 10В (трехпроводная линия).
Кроме обычного исполнения датчики выпускаются во взрывобезопасном исполнении с видом взрывозащиты "искробезопасная цепь" МИДА-13ПЕх (ОExial11СТ4) и "взрывонепронипцаемая оболочка" МИДА-1ЗП-Вн
(1Ехd11ВТ4"Х"). Датчики МИДА-1ЗП-Вн-Г имеют встроенный блок грозозащиты, который защищает электронную схему датчика от действия мощных
импульсных помех, создаваемых грозовыми разрядами или промышленным
оборудованием.
Датчики МИДА-13П работают в диапазоне температур от - 40 до +80°С
(рабочий диапазон может быть изменен по дополнительному требованию потребителя). В отличие от большинства традиционных датчиков давления на
26
основе КНС. в которых питание тензопреобразователя осуществляется постоянным током для использования явления температурной самокомпенсации, в датчиках МИДА-13П мостовая схема ТП питается постоянным напряжением. Это дает ряд преимуществ при производстве датчиков: вместе с тем
при правильно подобранных параметрах чувствительного элемента и схемы
коррекции температурной погрешности результирующая температурная погрешность датчиков по сравнению с питанием постоянным током, не увеличивается [9].
Важная особенность датчиков МИДА-13П - незначительная величина
нелинейности
вариации
преобразования (в среднем не более 0,12%) - см. рис. 2.6 и
(в среднем не более 0,05%) - см, рис. 2.7; последнее обстоятель-
ство характерно для тензопреобразователей на основе структур КНС. Поэтому основная погрешность измерения датчиков определяется, главным образом, не нелинейностью и вариацией, а зоной дополнительной температурной
погрешности (рис. 2.7), величина которой отечественными стандартами
жестко связана с основной погрешностью. Это необходимо учитывать при
сравнении параметров датчиков с зарубежными аналогами, где, в основном,
точность датчиков определяется, как корень квадратный из суммы квадратов
нелинейности, вариации и повторяемости. Для датчиков МИДА-13П эта величина лежит в пределах 0.05...0.2%.
27
Рис.2.6. Среднее значение и дисперсия нелинейности датчиков
МИДА-ДИ-13П с различными диапазонами измерения
(цифры указывают величину выборки)
Важнейший параметр любого датчика - стабильность его характеристик
во времени. Разработанные технологические способы стабилизации параметров ТП обеспечивают изменение характеристик датчиков МИДА-13П после
термоциклирования в диапазоне температур от -40 до +80°С не более
0,3%/100 циклов, N=100, N - количество термоциклов (рис. 2.8). Это позволило выпустить модель датчиков МИДА-13П-М, в которых отсутствует регулировка начального выходного сигнала и чувствительности, поскольку за
весь срок службы изменение выходного сигнала не выходит за пределы гарантированной основной погрешности (0,5 или 1,0%). Такие датчики имеют
более высокую степень пылеводозащиты и особенно удобны для применения
в коммунальном хозяйстве.
28
Материалом, контактирующим с измерительной средой, в датчиках
МИДА-13П является титан и его сплавы - что обеспечивает высокую коррозионную стойкость датчиков, а также возможность их применении в пищевой
промышленности. Вместе с тем, для случаев, когда измеряемая среда не
нейтральна но отношению к титану, по специальному заказу могут быть изготовлены датчики, в которых материалом, контактирующим с измеряемой
средой, является нержавеющая сталь.
Рис.2.7. Среднее значение и дисперсия вариации датчиков
МИДА-ДИ-13П с различными диапазонами измерения
ПГ МИДА постоянно совершенствует общепромышленные датчики
давления, повышает их метрологические и эксплуатационные характеристики. Так, по результатам серийного выпуска и опыта эксплуатации в 2003 г.
прошли государственные испытания и введены в номенклатуру датчики с
основной погрешностью 0,2 и 0,15% (для них величина дополнительной температурной погрешности в стандартном диапазоне температур равна соот29
ветственно 2 и 1,6%). Начиная с 2004г. в датчиках с основной погрешностью
0,25 и 0,5% снята регулировка диапазона изменения выходного сигнала, поскольку опыт показал, что его изменение в установленных условиях эксплуатации практически отсутствует. Разработан, прошел приемочныеиспытания и
будет выпускаться с 2004 г. датчик МИДА-13П-КН, допускающий в условиях службы КИП перестройку диапазона измерения до величины 1:10. причем
на нижнем пределе погрешность во всем температурном диапазоне не превышает 0,5%. Такой датчик может также работать в режиме "электронной
лупы", когда высокое разрешение может устанавливаться в любом месте
максимального диапазона измерений.
Рис.2.8. Изменение основной погрешности датчиков МИДА-ДИ-13П
после термоциклирования в диапазоне температур -40...+80ºС
Особое внимание ПГ МИДА уделяет повышению надежности датчиков.
Все отказы датчиков внимательно анализируются с целью совершенствования конструкции и технологии изготовления. К сожалению, приходится констатировать, что большая часть отказов датчиков связана с ошибками при их
установке и эксплуатации. Поэтому разработаны и введены в эксплуатационные документы подробные рекомендации потребителям, соблюдение кото-
30
рых поможет избежать повреждения сложных и высокоточных приборов, какими являются микроэлектронные датчики давления МИДА-13П.
Тысячи датчиков давления МИДА-13П работают в различных отраслях
промышленности, энергетики, транспорта, коммунального хозяйства России
и стран СНГ. Крупнейшие потребители датчиков МИДА-13П - атомная энергетика, предприятия добычи и транспортировки нефти и газа, металлургические и химические заводы. Тензомодули давления, являющиеся основным
узлом датчиков, экспортируются в Чехию, Китай, Японию.где на их основе
выпускаются датчики давления с высокими метрологическими и эксплуатационными характеристиками.
Датчики МИДА-13П внесены в Государственный реестр средств измерений РФ (№ 17636-03) имеют все необходимые разрешения, свидетельства и
сертификаты. Датчики внесены также в Государственные реестры средств
измерений Украины, Белоруссии и Казахстана [9].
2.4. Волоконно-оптический датчик давления на туннельном эффекте [10]
Известные волоконно-оптические датчики давления (ВОДД) отражательного типа, в которых оптические волокна (ОВ), установлены на фиксированном расстоянии от светоотражающей деформируемой металлической
мембраны, имеют существенный недостаток - высокую температурную погрешность из-за изменения геометрических размеров датчиков, в частности начального зазора между мембраной и торцом ОВ. Существенную долю в
температурную погрешность ВОДД вносит мембрана, что объясняется изменением ее геометрических размеров и модуля упругости материала. Кроме
того, ВОДД отражательного типа имеют низкую чувствительность преобразования и малого глубину модуляции оптического сигнала в связи с потерями в зоне измерения из-за расхождения светового потока в пределах аппаратурного угла оптического волокна.
31
Эти недостатки устранены в ВОДД на основе оптического туннельного
эффекта, содержащем подводящее и отводящее оптические волокна, оптическую призму с кольцевой прокладкой толщиной, приблизительно равной
длине волны источника излучения, и мембрану, перемещающуюся под действием измеряемого давления относительно гипотенузной грани призмы.
В этом датчике можно использовать в качестве мембраны кварцевую
пластину малых габаритов (радиус мембраны при измерении давления в диапазоне 0...300 кгс/см² составит приблизительно 4…5мм). Такое конструктивное решение позволяет снизить до минимума погрешность, обусловленную
изменением конструктивных параметров датчика при изменении температуры окружающей среды. Например, при использовании кварцевого стекла
марки С5-1, температурный коэффициент линейного расширения которого
равен 5·10 °С, при изменении температуры в диапазоне от -100 до +500°С относительное расширение материала составит приблизительно 0,0025%, изменение модуля Юнга приведет к дополнительной погрешности, не превышающей 1%.
Однако данный ВОДД имеет ряд недостатков, существенных при работе
в жестких условиях:
- конструкция датчика негерметична (технологически трудно обеспечить
герметичность узла "призма-мембрана");
- узел стыковки ОВ с призмой сложен: в качестве основного оптического элемента используется прямоугольная призма, в основании которой лежит
прямоугольный треугольник, и для обеспечения требуемого угла падения
света на отражающую поверхность необходимо призму дорабатывать, выдерживая угол точностью до долей градуса; это требует дорогостоящей технологической оснастки и специального измерительного оборудования;
- точность установки торцов подводящих и отводящих оптических волокон относительно призмы должна быть высокой;
32
- конструкция не обеспечивает надежный контакт между торцами оптических волокон и гранями призмы необходимый при эксплуатации в сложных условиях при воздействии вибраций, ударов и т. п.
Авторами предложен ВОДД на туннельном эффекте, лишенный перечисленных выше недостатков, и процесс его изготовления. Упрощенная конструкция предлагаемого датчика показана на рис. 2.9.
Датчик содержит кварцевую мембрану 1, деталь треугольной формы 2
("подушку"), подводящие и отводящие оптические волокна 3, прокладку 4,
напиленную на металлическую крышку 5, металлический корпус 6, штуцер 7,
ситаллоцемент 8, клей 9, источник излучения (ИИ) 10, приемник излучения
(ПИ) 11. Начальный зазор Х0 определяется толщиной прокладки 4. ОВ вклеиваются в корпус на расстоянии друг от друга, при этом свободные концы
волокна выступают над поверхностью корпуса и укладываются на "подушку"
2 треугольного сечения. Для исключения поломов ОВ угол при вершине закруглен, а расчетный радиус скругления поверхности углубления, куда укладывается волокно, равен
где dOB - диаметр волокна.
Рис.2.9. ВОДД на туннельном эффекте
33
Датчик работает следующим образом (см. рис. 2.9). От источника излучения ИИ 10 световой поток Ф0 подводящим оптическим волокнам 3 направляется а сторону мембраны 1 под углом θ, значение которого задается формой и размерами "подушки" 2, и выбирается из условия обеспечения максимальной чувствительности преобразования и глубины модуляции оптического сигнала в соответствии с выражением.
Под действием давления Р мембрана прогибается, и в центральной части
зазор между мембраной и отполированными торцами оптических волокон 3
становится меньше начального значения. В результате изменяется отражательная способность в области полированных торцов оптических волокон,
соответственно изменяется интенсивность отраженного под углом θ от данной области светового потока Ф(Р), несущего информацию о давлении Р и
поступающего по отводящим оптическим волокнам на приемник излучения
ПИ 11. Приемник излучения преобразует оптический сигнал в электрический.
Прогиб мембраны в предлагаемом датчике составляет доли микрона, поэтому динамическая погрешность минимальна. Кроме того, использование
кварцевой мембраны вместо металлической существенно снижает температурную погрешность, обусловленную изменением геометрических параметров и упругих свойств мембраны при изменении температуры окружающей
среды.
Предлагаемый датчик не требует сложных технологических и измерительных операций при изготовлении. Он может быть использован для измерения больших давлений при изменении температуры окружающей среды в
диапазоне ±100°С в изделиях ракетно-космической техники.
2.5. Многоточечные модули давления [11]
Одним из основных видов испытаний в аэродинамических трубах являются исследования распределения давления по поверхности модели. Особенностью таких испытаний является большое количество (до 1000) точек по34
верхности, в которых необходимо определять перепад давления относительно некоторого характерного для конкретных испытаний, уровня.
Современными средствами измерений при проведении таких исследований являются размещаемые внутри модели многоточечные модули давления
(ММД), позволяющие существенно (на порядок и более) сократить время измерения по сравнению с электромеханическими коммутаторами пневмотрасс, применяемыми ранее. Первые отечественные модули давления
ММД-24 были созданы ЦАГИ в конце 1980-х годов под руководством
Г.Д. Ташкинова.
Чувствительные элементы давления (ЧЭД) разрабатывались по ТЗ
ЦАГИ в НПО "Электронприбор" (Ярославль). Проведенные в ЦАГИ исследования характеристик ЧЭД позволили обработать технологию их создания.
Так как при разработке ЧЭД не ставилась задача обеспечения идентичности
их характеристик, то характеристики элементов устанавливались индивидуально, а нелинейность усчитывалась аппроксимацией полиномом соответствующей степени. В этом случае погрешность измерения давления определяется, главным образом, температурными изменениями "нуля'' и коэффициентов преобразования.
Для учета этой погрешности в ММД зарубежных фирм датчики давления периодически подключают к известному давлению и вводят соответствующие поправки в их показания. Однако, используемые при этом переключатели увеличивают объем ММД, снижают их надежность и увеличивают время измерения. Поэтому при разработке отечественных ММД была
принята схема с термостабилизацией корпуса. Температурная погрешность
снижается в этом случае более чем на порядок и определяется, главным образом, изменениями распределения температуры в зоне расположения датчиков.
На базе модуля ММД-24 создана измерительная информационная система Т-128 для исследования распределения давлении в крупнейшей
трансзвуковой аэродинамической трубе. Система обеспечивает измерение
35
давления в 1100 точках при скорости опроса 5000 точек/с и погрешности измерения давления 0,2%. Модули ММД-24 используются также в составе мобильной измерительной системы при исследованиях распределения давления
в ряде аэродинамических труб.
Созданные средства метрологического обеспечения позволяют проводить оперативные градуировки ММД непосредственно перед испытаниями и
после, что обеспечивает высокую надежность результатов измерений.
Для сокращения объемов ММД была проведена работа, позволившая в
том же корпусе ЧЭД разместить 16 преобразователей давления вместо 12 и
на их основе создать модуль ММД-32 на 32 канала, имеющий практически
тот же объем, что и ММД-24.
Опыт эксплуатации систем с ММД-24 показал, что использование только одного типоразмера усложняет и удорожает испытания. Для различных
условий применения принят конструктивный ряд, базирующийся на чувствительных элементах типа ЧЭД-16; ММД-32, -64 и -128 на 32. 64 и 128 измерительных каналов соответственно. При этом ММД-32 и ММД-64 - внутримодельные, ММД-128 - внемодельные, размещаемые, как правило, в камере
давления трубы и используемые для исследования распределения давления
по поверхности рабочей части трубы. Модуль ММД-64 выполнен двух вариантах - блочном и плоском для различного типа моделей.
Для измерений больших перепадов давления (4·105 Па) на основе
ЧЭД-
12 создан внемодельный тип ММД-96 на 96 каналов измерения.
Проведенные расчеты тепловых потоков позволили обоснованно выбрать теплоизоляцию блоков и уменьшить градиенты температуры в ЧЭД.
Система термостабилизации - аналоговая, а не релейная, как в предшествующих разработках, что повысило точность поддержания температуры и исключило тепловые "толчки", свойственные релейной схеме. Отсутствие
жестких ограничений на объем модуля позволило разместить в нем как блоки
питания датчиков и электронных устройств, так и все необходимые элементы
- коммутаторы датчиков, усилители сигналов, систему термостатирования.
36
Модуль ММД-96 - функционально законченное управляемое от ЭВМ
устройство с питанием от сети 36В и уровнем выходных сигналов датчиков
±10В.
Основные характеристики ММД:
Число каналов............................................................................................32,64,128
Основные диапазоны перепадов давления, Па....................................(0.2...1)·105
Основная приведенная погрешность при аппроксимации индивидуальных
характеристик полиномом третьей степени, %.......................................0.15...0.2
Температурный коэффициент "нуля", приведенный к ном. сигналу, %...0.02
Температурный коэффициент чувствительности...........................................0,01
Для исследований и поверок ММД создан стенд СГД-3, включающий в
себя автоматический задатчик давления и систему управления, измерения и
обработки информации. Стенд аттестован Госстандартом на поверку средств
измерения давления, включая ММД, для авиакосмической отрасли.
Разработанные и ЦАГИ ММД смогут найти применение при исследованиях распределения давления в газодинамических установках различного
назначения с большим количеством измеряемых величин [11].
2.6. Тензорезисторы [12]
Первые отечественные тензорезисторы были созданы в ЦАГИ и предназначались для измерения деформации при испытаниях конструкций самолетов на прочность. В дальнейшем были разработаны тензорезисторы для исследований прочности при повышенных и криогенных температурах, а также
для испытаний на выносливость и др. [12].
Следующее направление развития работ по созданию тензорезисторов создание прецизионных тензорезисторов для измерительных устройств, к которым относятся аэродинамические весы; динамометры: датчики давления,
углов атаки модели и др. Длительное время для обеспечения этих задач использовались проволочные тензорезисторы с пленочной подложкой - 1П,
1ПН. Разработки фольговых тензорезисторов позволили повысить точность
37
измерений, создать прецизионные малобазные тензорезисторы для аэродинамических весов.
Разработана теория передачи деформации в тензорезисторах, которая
позволила, в частности, создавать тензорезисторы, компенсирующие ползучесть системы балка - тензорезистор. Разработаны также способы и средства
компенсации температурных погрешностей тензорезисторов, расширившие
температурный диапазон применения измерительные устройств. Разработка
качественно новых тензорсзисторов предопределяет разработку новых материалов для их изготовления, прежде всего металлических сплавов для чувствительных элементов и новых связующих.
Серия высокоомных сплавов для изготовления фольговых и проволочных тензорезисторов высокого класса точности разработана совместно с
ЦНИИ черной металлургии. Среди них никель-молибденовые сплавы, легированные хромом, алюминием и ванадием, имеющие высокое удельное сопротивление и обеспечивающие высокую стабильность характеристик тензорезисторов в широком диапазоне температур. В частности, никельмолибденовый сплав Н70МХЮЭ с добавками германия позволил создать
фольговый тензорезистор ФНМГ, разброс температурных характеристик которого при наклейке на сталь находится на уровне лучших зарубежных образцов. Основные технические характеристики тензорезисторов приведены в
таблице 2.1.
38
Таблица 2.1
Основные технические характеристики тензорезисторов
Марка
Номинальное
сопротивление,
Ом
База,
мм
Область
рабочих
температур, ºС
Характеристики тензорезисторов
Чувствительность,
Часовая ползучесть, П, %
Основное применение
Проволочные
5..2
0
5ПН
5ЮФ
П
-100..+100
-269..+100
1,95..2,15;
1,83;
100..400
до 800
5..2
5
СКФН
3СПК
-200..+200
-150..+300
1ВК54
НМ
1ВК54
ХЮ
-269..+400
100..800
2ВК54
НМ
5..2
0
-269..+500
5..2
5
-269..+400
2,0..2,15;
1,85..2,05;
Измерительные устройства, работающие в условиях длительных нагрузок (статических и динамических)
Исследование прочности в сложных
условиях (криогенные температуры,
магнитные поля), измерение температурных напряжений при нагреве и
охлаждении и др.
Измерение статических и динамических деформаций при усталостных и
акустических нагрузках
Исследование прочности натурных
конструкций в широком диапазоне
температур
1,8..1,9;
2,45..2,55;
2,05..2,15;
Исследование прочности в широком
диапазоне температур
Исследование прочности натурных
конструкций в широком диапазоне
температур
Фольговые
ФКП1
-3400А
-150..+100
100..400
ФНМГ
-1-300
0,5..
5
-269..+100
2,2..2,3;
2,15;
2,1..2,2;
ФНМ2-600
100..600
1..3
-269..+200
1ФК3-200
100..400
1..5
-150..+200
ФНМГ
100..120
0
0,5..
5
-269..+400
2,6;
2,16;
Измерительные устройства, работающие в условиях длительных нагрузок
(статических и динамических)
Исследование прочности в сложных
условиях (криогенные температуры,
магнитные поля), измерение температурных напряжений при нагреве и
охлаждении и др.
Измерительные устройства высокой
точности. Прочностные исследования
в сложных условиях
Измерительные устройства, работающие при повышенных температурах
Измерительные, в том числе миниатюрные, устройства высокой точности
Примечание: Разброс чувствительности (СКО),
Разработки клеев проводились, главным образом, в сотрудничестве с
ВИАМ. Разработаны клеи на основе органических и неорганических полимеров для высокотемпературных тензорезисторов (400...450)°С, созданы кремнийорганические клеи. Например, соединения на клее ВК-18М способны вы39
держивать воздействие температуры порядка 450°С в течение не менее
2000 ч. и 600°С в течение 500ч.
В таблице приведены основные характеристики разработанных тензорезисторов и указаны области их применения.
Разработанные в ЦАГИ тензорезисторы обеспечивают измерения при
испытаниях конструкций летательных аппаратов на прочность и выносливость, а также используются при создании измерительных устройств для исследования аэродинамики и прочности на экспериментальных установках
ЦАГИ и в ряде других организаций отрасли
2.7. Тензометрическая аппаратура [13]
Разработки тензометрической аппаратуры и систем ведутся с традиционных для ЦАГИ направлениях:
- прецизионная аппаратура для измерения сигналов с аэродинамических
весов, тензорезисторных преобразователей сил, давления, перемещений, углов и др. при исследованиях аэродинамики и прочности летательных аппаратов;
- аппаратура для исследований динамических процессов с помощью тензорезисторов и тензорезисторных преобразователей механических величин;
- тензометрическая аппаратура для исследований прочности и выносливости конструкций.
Современная аппаратура, рассчитана на использование в составе измерительных систем с возможностью управления от ЭВМ.
ТЕНЗОМЕТРИЧЕСКАЯ АППАРАТУРА ТИПА 16АНЧ-28
(разработчики И. И. Морозов, В.С. Волобуев, Г.В, Родзевич)
В отличие от известной аппаратуры АНЧ различных модификаций, выпускавшейся Уфимским приборным заводом (УПЗ) и предназначенной главным образом, для исследований динамических процессов, основное назначение аппаратуры типа 16АНЧ-28 - измерения с высокой точностью низкоча40
стотных сигналов с тензорезисторных преобразователей механических величин, в частности, аэродинамических весов.
Частота несущей снижена до 225 Гц, что уменьшает, в частности, погрешность от влияния кабелей, связывающих датчики с аппаратурой, и в то
же время обеспечивает необходимое подавление помех промышленной частоты. Для обеспечения исследований динамических процессов, например,
испытаниях на флаттер, в аппаратуре предусмотрено питание датчиков и от
источника постоянного напряжения; частотный диапазон в этом случае составляет 0...10кГц. Измерительные каналы аппаратуры имеют по три независимых выхода - с ФНЧ Баттерворта с частотами среза Fc1 = 1; 2; 5; 10 Гц, с
ФНЧ Бесселя с Fc2 = 5; 10; 20; 50Гц и высокочастотный до 10кГц. Балансировка тензомостов производится поактивной и реактивной составляющим;
калибровочные сигналы позволяют контролировать работу аппаратуры на
всех диапазонах измерения.
Аппаратура выполнена в конструктивах АНЧ изготовления УПЗ.
Основные характеристики аппаратуры:
Число измерительных каналов ........................................................................... 16
Сопротивление тензорезисторов, Ом .................................................... 100..1000
Пределы измерения деформаций,мкм/м...±(500; 1000; 2000; 4000, 6000, 1200)
Напряжение питания датчиков, В.................................... 3; 6; 9 (225Гц) 3,6,9
Длина кабелей к датчикам, м ....... ..................................................................≤100
Выходное напряжение, В .................................................................................... 10
Основная погрешность (при измерении статических сигналов), % ............ 0,03
Нелинейность, %, ............................................................................................≤0,01
Напряжение шума, приведенное ко входу при Fc1= 5 и 10Гц, мкВ ..............<1
Приведенный ко входу дрейф нуля за 8ч, мкВ. . .............................................≤1
Изменение чувствительности за 8 ч, % .........................................................≤0,01
По своим характеристикам, т, е. номиналам датчиков, диапазонам измерения и частотным характеристикам, аппаратура 16АНЧ-28 является в определенной мере универсальной. Универсальность - характерная черта серийно
41
выпускавшихся типов тензометрической аппаратуры и систем, что связано со
стремлением разработчиков обеспечить широкий круг решаемых задач при
больших затратах времени на организацию серийного выпуска. В то же время универсальность повышает стоимость аппаратуры, а также стоимость ее
технического обслуживания и метрологического обеспечения. В настоящее
время объем производства аппаратуры определяется, как правило, конкретным заказчиком и в этом случае нет необходимости в ее универсальности,
повышающей стоимость и снижающей надежность. Рассматриваемая ниже
аппаратура, разработанная в 2001-2003гг., предназначена для обеспечения
задач конкретного вида испытаний. Современная элементная база и новые
схемотехнические решении обеспечивают высокую помехозащищенность и
надежность аппаратуры.
Изготавливается аппаратура в корпусах "Евромеханика-19" [13].
АППАРАТУРА ТЕНЗОМЕТРИЧЕСКАЯ ТИПА АТМ/С-16
(разработчики А.В. Фурман, Г.В. Родзевич)
Предназначена для измерения статических сигналов с тензорезисторов,
соединенные по схеме моста или полумоста. Обеспечивает усиление и фильтрацию сигналов, а также питание датчиков напряжением несущей частоты
прямоугольной формы.
Основные характеристики аппаратуры:
Число измерительных каналов ......................................................................До 16
Сопротивление тензорезисторов, Ом .........................................................50..400
Напряжение питания датчиков, В .......1; 2; 4; 103,6,9; постоянное напряжение
Частота напряжения питания датчиков, Гц ….......................225, 450, 900, 1800
Длина кабелей к датчикам, м ......................................................................... ≤100
Коэффициентов усиления сигналов датчиков................... 625, 1250, 2500, 5000
Пределы измерения деформаций при чувствительности тензорезисторов
К=2 и Uп = 2В, мкм/м ...................................................... ±(500; 1000; 2000;4000)
Выходное напряжение, В ............................................................................±5; ±10
Основная приведенная погрешность, % ......................................................... 0,05
42
Аппаратура применяется для определения остаточных напряжений методом деструкции в элементах авиационных двигателей, а также для измерения сигналов с тензорезисторных динамометрических устройств на установках для исследований прочности конструкций, а также в аэродинамических
трубах.
Для исследований статодинамических процессов разработан вариант
АТМ-16, в котором при частоте питания 5500Гц обеспечивается частотный
диапазон исследуемых сигналов 0..500 Гц при неравномерности АЧХ не более 1% и основной погрешности 0.1% [13].
ТЕНЗОМЕТРИЧЕСКАЯ АППАРАТУРА ТИПА АТМ/Д-24
(разработчики Г.В. Родзевич, А.И. Бекпемищев, А. В. Фурман)
Предназначена для исследования динамических процессов с помощью
одиночных тензорезисторов, в частности, используется при определении динамических напряжений в лопатках компрессоров авиационных двигателей.
Питание тензорсзисторов - от источника постоянного тока.
Основные характеристики аппаратуры:
Число измерительных каналов ............................................................................24
Номинальное сопротивление тензорезисторов, Ом ................................50…300
Ток питания тензорсзисторов, мА ....................................................................±10
Пределы измерения деформаций при чувствительности тензорезистора К= 2
и Rн = 100Ом, мкм/м ........................................................500; 1000; 2000; 4000
Частотный диапазон при неравномерности АЧХ <= 3%. Гц ..........20…20000
Частота среза фильтра нижних частот по уровню 0.7, кГц, ............1;2;5;10;60
Основная погрешность (на частоте 1 кГц), %...................................................0.2
Изготовляется также вариант АТМД-10 на 10 измерительных каналов.
Для исследований статодинамических процессов создана аппаратура
АТМ/Д-24М, предназначенная для измерения сигналов с тензорезисторных
акселерометров, датчиков пульсаций давлений и других механических величин. Питание датчиков осуществляется постоянным напряжением, диапазон
43
исследуемых частот 0...20кГц, в режиме отделения статической составляющей - 5…20000Гц.
Приведенные характеристики тензометрической аппаратуры установлены для определенных групп. Напряжение питания датчиков, диапазоны измерения и балансировки, частоты среза фильтров нижних частот и ряд других характеристик могут изменяться в соответствии с требованиями заказчика. Обязательными являются наличие контрольных сигналов, позволяющих
проверять работу аппаратуры, и обеспечение возможности управления от
ЭВМ.
Первичная поверка производится метрологической службой ЦАГИ, в
ряде случаев для аппаратуры создаются дискретные имитаторы сигналов
датчиков, позволяющие автоматизировать процедуру поверки и обработки ее
результатов.
2.8. Перспективные тонкопленочные тензорезисторные датчики
давления для ракетной и авиационной техники [14]
Тактико-технические требования, предъявляемые к датчикам авиационной техники, при наличии определенных отличий имеют достаточно много
общего с требованиями, предъявляемыми к датчикам ракетно-космической
техники. Поэтому многие современные образцы приборов измерения давления ракетной техники могут быть достаточно просто адаптированы для эксплуатации в составе самолетов и вертолетов.
Ракетная техника характеризуется высокими уровнями воздействующих
факторов в течение сравнительно короткого интервала времени. В авиации,
как правило, воздействующие факторы меньше по амплитуде, но действуют
более длительное время.
Независимо от принципа преобразования все датчики давления в той
или иной степени критичны к воздействию широкого диапазона температур
и повышенных уровней виброускорений. Применение пассивных мер защиты
(импульсные трубки, амортизаторы) значительно усложняет конструкцию,
44
увеличивает погрешность вследствие ухудшения динамических характеристик и, к тому же, не всегда возможна. Размещение датчика давления непосредственно на двигателе для измерения в необходимой точке отбора принципиально обеспечивает более высокую достоверность измерения, но, как
правило, сопровождается воздействием на датчики давления широкого диапазона температур и повышенных виброускорений. Причем в большинстве
реальных случаев температура воздействия как на авиационный, так и на ракетный двигатель носит нестационарный характер, т. е. меняется во времени
и в пространстве. Это касается как температуры измеряемой (масло, топливо,
воздух), так и окружающей датчик давления среды (воздух, газ и т. п.). В результате датчики подвергаются воздействию нестационарной температуры
измеряемой и окружающей сред, повышенных виброускорений. Воздействие
нестационарной температуры измеряемой и окружающей сред на датчик
давления приводят к появлению дополнительной погрешности, существенно
превышающей погрешность датчика в стационарных температурных условиях.
Длительные теоретические и экспериментальные исследования, проведенные в НИИФИ, показали что температурные погрешности датчика в нестационарном температурном режиме зависят в основном, от двух факторов:
- неравномерности температурного поля на мембране;
- неравномерности температурных деформаций мембраны в зоне установки тензорезисторов, обусловленной температурным полем.
В результате автономных испытаний, проведенных НИИФИ, установлено, что аддитивная погрешность при воздействии нестационарной температуры измеряемой среды самых массовых и совершенных тонкопленочных
датчиков давления Вm206, Bm212, используемых при отработке и штатной
работе жидкостного ракетного двигателя, достигает 30% на 200°С номинального выходного сигнала. Погрешность от воздействия нестационарной температуры окружающей среды составляет 10% номинального выходного сигнала или 0,05% / °С. У других датчиков эта погрешность еще больше.
45
Многолетние экспериментальные и теоретические исследования показали превалирующее влияние неравномерности распределения температурного
толя, появляющегося вследствие воздействия нестационарной температуры
измеряемой среды в зоне размещения тензорезисторов, на погрешность измерений при традиционном проектировании чувствительных элементов датчиков. В связи с этим даже при абсолютно одинаковых температурных коэффициентах сопротивления тензорезисторов разница температур в зонах их
размещения (достигающая, например, нескольких десятков градусов при
скачкообразном изменении температуры от -20 до -196°С) приводит к различному изменению сопротивлений противоположных плеч мостовой измерительной схемы.
В НИИФИ разработаны, изготовлены и испытаны опытные образцы
тонкопленочных тензорезисторных датчиков давления Вm212А.1, имеющие
минимальную погрешность в условиях воздействия нестационарной температуры измеряемой и окружающей сред.
Отличительной особенностью датчиков Вm212А.1 является выполнение
радиальных и окружных тензорезисторов в виде идентичных элементовквадратов, размещенных по периферии мембраны и соединенных низкоомными перемычками.
Датчик давления содержит упругий элемент в виде круглой жесткозащемленной мембраны 1, выполненной за одно целое с опорным основанием 2, на которой расположены соединенные в мостовую схему тензорезисторы, размещенные по дуге окружности 3 и радиусу мембраны 4. Окружные
тензорезисторы выполнены в виде соединенных низкоомными перемычками
5 и равномерно размещенных по периферии мембраны идентичных резистивных квадратов 6.
Датчик давления работает следующим образом.
При воздействии давления на мембрану в ней возникают радиальные и
тангенциальные напряжения, которые приводят к появлению на планарной
стороне мембраны радиальных и тангенциальных деформаций (см. рис. 2.10).
46
Так как резистивные квадраты касаются границы раздела мембраны и спорного основания двумя наиболее удаленными от центра мембраны вершинами, а также в связи с тем, что размеры сторон резистивных квадратов выбраны исходя из определенного соотношения, резистивный квадрат окружного
тензорезистора подвергается воздействию растягивающих тангенциальных
деформаций, направленных вдоль длины резистора, и сжимающих радиальных деформаций, направленных перпендикулярно длине резистора. В результате воздействия таких деформаций сопротивление резистивного квадрата окружного тензорезистора увеличивается. Вследствие аналогичных причин резистивный квадрат радиального тензорезистора подвергается воздействию растягивающих тангенциальных деформаций, направленных перпендикулярно длине тензорезистора, и сжимающих радиальных деформаций,
направленных вдоль длины тензорезистора.
47
Рис.2.10. Расположение тензорезисторов на планарной стороне чувствительного элемента датчика Bm212А.1:
48
Обозначения, принятые на рисунке: 1,4 - мембраны; 2 - опорное основание; 3 - окружность; 5 - низкоомные перемычки; 6 - резистивные квадраты.
В результате воздействия таких деформаций сопротивление резистивного квадрата радиального тензорезистора уменьшается. В связи с тем, что
окружные и радиальные тензорезисторы выполнены в виде последовательно
соединенных низкоомными перемычками и равномерно размещенных по периферии мембраны идентичных квадратов, изменение сопротивления окружных и радиальных тензорезисторов будет равно сумме изменений сопротивлений соответствующих резистивных квадратов. Изменение сопротивлений
противоположно включенных окружных и радиальных тензорезисторов преобразуется мостовой схемой в электрический сигнал, который поступает на
выходные контакты датчика.
Кроме того, в датчиках Вm212А.1 использовано несколько ноу-хау,
принадлежащих НИИФИ. Результаты автономных испытаний датчиков
Вm212А.1 показали, что их аддитивная погрешность в условиях воздействия
нестационарной температуры измеряемой среды не превышает 0,7% или
0,0035%/°С, что меньше погрешности серийно изготавливаемых датчиков
более чем в 40 раз. Погрешность от воздействия нестационарной температуры окружающей среды не превышает 0,0018%/°С.
Более чем 25-летний опыт эксплуатации тонкопленочных датчиков давления при отработке и летной эксплуатации ракетных двигателей показал,
что основными причинами отказов датчиков при воздействии уровней виброускорений, превышающих требования технических условий на датчики
(6000 м/с2), явились:
- обрыв золотых выводных проводников, соединяющих контактные
площадки чувствительного элемента датчика с контактами промежуточной
колодки внутри датчика;
- разрушение корпуса датчика;
- разрушение кабельного ввода кабельной перемычки, соединяющей
корпус датчика и его разъем.
49
Несмотря на то, что отказы датчиков Вm212 никогда не приводили к созданию аварийной ситуации, повышение виброустойчивости тонкопленочных датчиков давления является весьма актуальной задачей. Поэтому в
опытных образцах датчиков Вт212А.1 комплексно использованы конструктивно-технические решения, направленные на повышение виброустойчивости датчиков давления. По сравнения с серийным датчиком Bm212 конструкция датчика BmА1.2 изменена существенным образом. За счет изменения конструкции гермоколодки удалось обеспечить совмещение функций
промежуточной колодки крышки и гермопроходника в одном элементе конструкции. В результате оказалось возможным уменьшить длину корпуса датчика в 2 раза, что значительно уменьшило вероятность разрушения корпуса
при воздействии повышенных виброускорений. Кроме того, объединение
функций промежуточной колодки и гермопроходника в одном элементе позволило изменить конфигурацию с S-образной на С-образную и уменьшить
длину выводных проводников, соединяющих контактные площадки чувствительного элемента с контактами колодки, что также повысило стойкость к
воздействию повышенных виброускорений. В датчике Вm212А.1 применен
хорошо зарекомендовавший себя ранее способ односторонней контактной
сварки выводных проводников с контактными площадками чувствительного
элемента , который позволяет увеличит момент инерции выводного проводника в месте присоединения к контактной площадке, а следовательно, повысить виброустойчивость выводных проводников.
Повышение виброустойчивости достигается также за счет того, что в
датчик давления введена установленная на корпусе со стороны, противолежащей чувствительному элементу, глухая резьбовая втулка, на боковой поверхности которой сформирован выполненный с ней за одно целое цилиндрический патрубок, расположенный к корпусу под острым углом.
На рис. 2.11. изображен в разрезе общий вид датчика Вm212 А.1, установленного на штуцере изделия.
50
Рис.2.11. Общий вид датчика Bm212А.1:
На рисунке приняты следующие обозначения: 1 - чувствительный элемент; 2 - штуцер; 3 - прокладка; 4 - накидная гайка; 5 - цилиндрический корпус; 6 - герметизирующая втулка; 7 - проводники; 8 - контактная колодка; 9 цилиндрическая втулка; 10 - провода; 11 - патрубок; 12 - контакты; 13 - кабельная перемычка.
Датчик содержит чувствительный элемент 1, состоящий из сопрягаемой
со штуцером части мембраны, накидную гайку 4, цилиндрический корпус 5.
Тензосхема чувствительного элемента выполнена методами тонкопленочной
технологии. В корпусе расположена герметичная контактная колодка 8, контакты 12 которой с одной стороны при помощи выводных проводников соединены с контактными площадками чувствительного элемента, а с другой
стороны - с проводами 10 кабельной перемычки. На контактную колодку
надета герметизирующая втулка 6, которая с одной стороны по торцу сварена
с контактной колодкой, а с другой - с чувствительным элементом. Герметизирующая втулка обеспечивает герметичность внутренней за мембранной
полости датчика. Контактная колодка и провода залиты связующим материалом - эпоксидным компаундом. На корпусе датчика со стороны, противоле51
жащей чувствительному элементу, навинчена на клее цилиндрическая втулка
9, на боковой поверхности которой сформирован выполненный с ней за одно
целое патрубок 11, при помощи которого кабельная перемычка 13 присоединяется к корпусу датчика. Датчик давления установлен на штуцер 2 изделия.
Прокладка 3 служит для обеспечения герметичности соединения датчика со
штуцером. Расстояние L от втулки 9 до накидной гайки 4 выбирается из соотношения S/2.
Оригинальная конструкция датчика Bm212А.1 с расположением кабельного ввода под определенным углом к корпусу обеспечила уменьшение расстояния от кабельного ввода до места закрепления в изделии более чем в 4
раза (с 30 до 7 мм), что создало все предпосылки для исключения разрушения
кабельного ввода при воздействии повышенных виброускорений.
Кроме того, удалось существенно снизить массу датчиков (до 95 г).
Проведенные в НИИФИ автономные испытания опытных образцов датчиков Bm212А.1 на воздействие виброускорений 6000 м/с2 полностью подтвердили правильность выбранных решений. Таким образом, в опытных образцах датчиков Bm212А.1 комплексно решены задачи:
- минимизации погрешности от воздействия нестационарной температу-
ры измеряемой среды;
- минимизации погрешности от воздействия нестационарной температу-
ры окружающей среды;
- повышения виброустойчивости;
- уменьшения габаритных размеров и массы датчиков.
Такие датчики давления должны найти самое широкое применение для
измерения давления не только в ракетных двигателях, но и в двигателях самолетов и вертолетов.
После проведения испытаний в составе изделий и подготовки производства в НИИФИ будет организовано серийное производство датчиков с минимизированной погрешностью в условиях нестационарной температуры измеряемой и окружающей сред с повышенной виброустойчивостью.[14]
52
2.9. Интегральные датчики [15]
НИИФИ является ведущим предприятием в области датчикостроения.
НИИФИ располагает возможностями для разработки и производства интегральных тензорезисторных тонкопленочных датчиков абсолютного и избыточного давлений, емкостных тонкопленочных датчиков абсолютного давления и разности давлений, пьезорезисторных датчиков абсолютного и избыточного давлений, пьезоэлектрических датчиков быстропеременных и акустических давлений, тензорезисторных фольговых датчиков деформаций и
силы, емкостных и фотооптических автокомпенсационных датчиков, линейных
ускорений,
индуктивных,
вихретоковых
и
индуктивно-
трансформаторных датчиков линейных и угловых перемещений, индукционных и волоконно-оптических датчиков оборотов, терморезисторных датчиков температуры.
Наряду с созданием широкой номенклатуры конструкторской документации на датчики разработаны базовые и уникальные технологические процессы. Так, НИИФИ обладает комплектами типовых технологических процессов изготовления чувствительных элементов тонкопленочных тензорезистивных и емкостных датчиков давления; комплектом типовых технологических процессов изготовления упругих чувствительных элементов акселерометров из кварца; комплектом типовых технологических процессов электрохимического полирования упругих элементов из сплавов с заданными свойствами упругости, в том числе из элинваров.
Разработаны и освоены в производстве следующие технологические
процессы:
-изготовление металлостеклянных соединений;
- герметизация электронно-преобразующей аппаратуры методом пайки;
- электростатическое соединение деталей из кремния с деталями из
стекла;
- соединение кремниевых мембран с корпусом из металла или керамики;
53
- изготовление деталей из муллитовой керамики, согласованной по
ТКЛР с кремнием;
- заливка блоков РЭА с бескорпусными элементами вибропрочным компаундом;
- формирование сложнорельефных кремниевых кристаллов для чувствительных элементов линейных акселерометров;
- формирование монокристаллических тензо- и терморезисторов с заданным уровнем легирования примесью в кремниевой подложке;
- формирование поликристаллических тензо- и терморезисторов с заданным уровнем легирования на покрытой диэлектриком подложке;
- плазмохимическое травление кремния при разделении пластин на кристаллы круглой формы с диаметром до 20мм;
- прецизионное размерное формообразование методом химического
травления сложноконтурных сквозных пазов и упругих перемычек ЧЭ из
кварцевого стекла;
- высокопрочное неразъемное соединение деталей из щелочных стекол с
деталями из кремния в электростатическом поле высокого напряжения;
- прецизионная электроискровая обработка непрофилированным электродом-инструментом сложных закрытых профилей в деталях из трудно обрабатываемых материалов;
- размерная обработка кремния для создания чувствительных элементов
датчиков механических величин;
- изготовление кремниевых тензорезисторов на гибкой диэлектрической
основе.
В настоящее время, нетрудно заметить доминирующее положение занимают интегральные тензорезисторные тонкопленочные и пьезоэлектрические датчики давления. Это объясняется их достаточно высоким техническим
уровнем вследствие глубокой конструкторско-технологической проработки и
использования высоких технологий.
54
Определенные тенденции роста экономики в стране, сложившиеся в
1999-2000 гг., сказываются положительно и на росте потребностей рынка
датчиковой аппаратуры. Необходимо отметить, что рынок датчиковой аппаратуры в наиболее развитых странах на протяжении последних лет имеет
один из самых высоких показателей темпов роста в приборостроении.
Надо заметить, что основной объем производства датчиков приходится
на США, Европу и Японию. В частности, применение датчиков и электронных систем на их основе резко повышают потребительские свойства автомобилей, особенно комфорт и безопасность, но вместе с тем и удорожает их
стоимость. Доля электронных и электротехнических компонентов составляла
около 25-30% общей стоимости автомобиля. Причем 3/4 от этого значения
приходится на электронику. Основными датчиками, используемыми на автомобиле, являются датчики скорости, температуры, положения, вибрации,
ускорения, давления.
Отечественным автомобилестроительным предприятиям в перспективе в
массовом количестве потребуются датчики и измерительные системы на их
основе для измерения: давления масла, давления в тормозной системе, давления в топливопроводах, давления воздуха, отношения давлений, положения рейки топливного насоса, положения кузова относительно горизонтали,
нагрузки на ось транспортного средства, угла поворота дроссельной заслонки, уровня топлива, уровня охлаждающей жидкости, уровня масла в картере
двигателя, числа оборотов колес и коленвала, температуры топлива, температуры масла, температура охлаждающей жидкости, температура воздуха во
всасывающем коллекторе, температуры выхлопных газов, температуры воздуха в кабине, температуры наружного воздуха, градиента температуры и
температурного режима подкапотного пространства. Также найдут широкое
применение датчики детонаций - широкополосные и узкополосные, датчики
измерения скорости движения автомобиля, датчики перемещений педали газа и штока, открытия заслонки впрыска, датчик-свеча для одновременного
создания искры и измерения быстропеременных давлений в камере сгорания,
55
датчики системы антиблокировки колес автомобиля, датчики ускорений для
систем безопасности, датчики крутящего момента, бесконтактные датчики
положения узлов и деталей автомобиля, измеритель остаточной емкости аккумулятора, сигнализатор препятствий, сигнализатор опасного сближения
двух транспортных средств, сигнализатор речи для звуковой сигнализации,
системы диагностики, мотортестер, система навигации, датчики для комплектации стендового оборудования для автоматизации сборки двигателей на
конвейере.
Другой отраслью, которая востребует особо совершенные датчики, является авиационная промышленность.
Следует заметить, что для авиационной отрасли несвойственно многообразие принципов действия датчиков. Наибольшее применение в авиации
развитых стран находят датчики интегральные пьезорезистивного, виброчастотного и тензорезисторного принципов действия. Датчики имеют высокие
метрологические и эксплуатационные характеристики и соответственно высокие цены.
НИИФИ с создан ряд унифицированных тонкопленочных тензорезисторных датчиков абсолютного давления аналогичных по назначению и техническому уровню, и, наш взгляд, превосходящие упомянутые датчики, но
по цене в 3-4 раза меньше.
Совершенствование датчиков специалисты НИИФИ видят дальнейшие
интеграции на основе микроэлектронной технологии в единые модули элементов, чувствительных к различным физико-химическим величинам, конструктивных элементов, элементов измерительных цепей, схем компенсации
и преобразования; в расширении функциональных возможностей за счет
микропроцессорной обработки информации.
Широкомасштабное применение интегральных датчиков (ИД) имеет место в вооруженных силах развитых стран. Датчики военного назначения и
системы обработки данных создаются по специальным целевым программам.
56
В заключение необходимо подчеркнуть, что датчиковая аппаратура является одной из наиболее важных составных частей информатики в целом,
развитие которой определяет в конечном счете уровень цивилизации страны.
2.10. Первичные преобразователи давления на основе арсенидов
галлия-алюминия [16]
Первичный преобразователь давления на основе полупроводникового
соединения АlхGа1-хАs представляет собой резистор, сопротивление которого
практически линейно увеличивается под воздействием всестороннего сжатия.
В отличие от описываемых преобразователей, широко известные кремниевые сенсоры давления обычно состоят из четырех резисторов, укрепленных на диафрагме, потому что кремний чувствителен только к одностороннему сжатию или растяжению. Чаще всего диафрагма и резисторы формируются на кремниевой пластине в едином ТП. Имеются также модификации
кремниевых сенсоров на сапфировых диафрагмах. Диапазон измеряемых
давлений кремниевых сенсоров зависит от толщины диафрагмы. Одинаковая
чувствительность кремниевых сенсоров при различных диапазонах измерения может быть достигнута путем изменения толщины диафрагмы. Однако
кремниевые сенсоры имеют два недостатка: 1) верхний предел измеряемых
давлений составляет примерно 200МПа; 2) собственная частота сенсоров
обусловливается колебаниями диафрагмы и обычно не превышает 250 кГц.
ППД на основе полупроводникового соединения Аl хGа1-хАs могут быть
использованы для измерения как высоких гидростатических, так и очень
быстро меняющихся давлений благодаря тому, что данные преобразователи
чувствительны к всестороннему сжатию [10].
Соединение АlхGа1-хАs является твердым раствором арсенида галлия
(GaAs) и арсенида алюминия (AlAs). Состав х плавно меняется по толщине
пленки, из-за чего достигается хорошая линейность характеристики сопротивление-давление и слабая зависимость этой характеристики от температу57
ры. Сравнительные характеристики ППД на основе АlхGа1-хАs и кремниевых
сенсоров давления приведены в таблице 2.2.
Таблица 2.2.
Сравнительные характеристики ППД на основе АlхGа1-хАs и кремниевых сенсоров давления
Параметр
Кремниевые сенсоры давления
Выходной сигнал в диапазоне давлений 0..1 МПа, мВ/В
Выходной сигнал в диапазоне давлений 0..1 МПа, мВ/В
Выходной сигнал в диапазоне давлений 0..1 МПа, мВ/В
Нелинейность выходного сигнала в диапазоне измерения, %
Динамическая погрешность в диапазоне частот 0..40 кГц, %
Изменение чувствительности в диапазоне температур -20..80 ºС, %
50
50
0,5..1,5
10..30
15..20
ППД на основе
АlхGа1-хАs (мостовая схема)
0,4
40
240
0,5..
3..8
2..7
Соединение АlхGа(1-х)Аs толщиной 15...30мкм выращивается на изолирующей подложке GaAs методом жидкофазной эпитаксии. Во время выращивания слои легируются примесью олова до концентрации носителей порядка 1017 см-3 для создания проводимости n-типа. Резисторы формируются
на подложке посредством фотолитографии и химического травления слоя
АlхGа(1-х)Аs до подложки GaAs. Омические контакты формируются путем вакуумного напыления сплава Au-Ge-Ni с последующим вжиганием. Размеры
ППД составляет от 0.5·0,5·0,3 до 3,5·1,0·0,3мм в зависимости от допускаемого
тока питания. Номинальное сопротивление ППД обычно находится в пределах 250...450Ом.
При помощи ППД можно измерять давление без применения диафрагмы
путем непосредственного их размещения в измеряемой среде. Основными
областями применения таких преобразователей являются быстро меняющиеся давления в диапазоне от 0...4 до 0...250 МПа и высокие статические давления в диапазоне от 0...16МПа до 0...1ГПа. Для измерения меньших статических давлений чувствительность рассматриваемых ППД недостаточна.
Обычно при измерении статического давления применяются четыре (или
два) ППД, имеющие идентичную зависимость сопротивления от температуры, соединенные в мостовую (или в полумостовую с двумя балластными ре58
зисторами) схему. При этом два (или один) ППД должны быть изолированы
от воздействия измеряемой среды. Для измерения динамического давления
может применяться один ППД. Разработаны также конструкции датчиков
давления, в которых ППД были изолированы от воздействия агрессивной
среды путем их размещения в герметичной полости, заполненной инертной
жидкостью и закрытой гибкой металлической диафрагмой.
ППД на основе А1хGa(1-x)Аs были разработаны в Институте физики полупроводников (г. Вильнюс.Литва) и изготавливаются уже более 20 лет. Они
выпускались мелкими сериями в период с 1981 по 1990г. В 1991г. их производство было приостановлено из-за малого спроса в связи с общим спадом
производства и научных исследований. В 1999г. производство ППД было
возобновлено. ППД использовались и используются рядом предприятий и
организаций бывшего СССР (в настоящее время Российской Федерации,
Литвы и Эстонии).
3. Комплексы на основе датчиков давления [17]
3.1. Инновационный комплекс измерения давления "Метран"
ХХI век - эра цифровых технологий. Интеллектуальное оборудование
проникает во все сферы деятельности человека. Оно позволяет точно обрабатывать любую информацию и воспроизводить ее в удобной для восприятия
форме. Фактически сегодня произошел отказ от аналоговых средств измерений в пользу интеллектуальных приборов - об этом свидетельствуют мировые тенденции производства средств автоматизации.
Применение микропроцессорной электроники позволяет получать высокую точность измерений путем введения различных поправок, значительно
уменьшающих погрешность, а также предоставляет такие возможности при
работе с оборудованием, как удаленное управление его параметрами, проверка работоспособности, настройка и многое другое. Промышленная группа
МЕТРАН - флагман приборостроительной отрасли России, следуя в ногу со
временем, постоянно совершенствует свое оборудование. Благодаря непре59
рывному инновационному процессу, торговая марка "Метран" стала одной из
наиболее популярных марок средств автоматизации, задав стандарты автоматизации техпроцессов в России и Ближнем Зарубежье.
Представляем инновационный комплекс измерения давления, основу
которого составляют микропроцессорные датчики давления серии "Метран100", "Метран-49", поддерживающие цифровые протоколы передачи данных
НАRТ и RS-485/232. Эти интеллектуальные приборы обладают следующими
реальными преимуществами:
- удаленной настройкой и диагностикой, что особенно удобно, когда
датчики расположены в труднодоступных местах, на больших расстояниях, в
условиях вредных или опасных производств;
- удаленной настройкой и диагностикой, что особенно удобно, когда
датчики расположены в труднодоступных местах, на больших расстояниях, в
условиях вредных или опасных производств;
- возможностью подключения к одной линии до 15 датчиков, объединения их в систему с цифровой передачей данных;
- одновременной передачей нескольких параметров процесса, особенно
удобной при работе с расходомерами;
- получением оперативной информации о состоянии прибора, непрерывной диагностикой, повышением надежности функционирования системы;
- постоянным доступом к параметрам прибора и др.
Для работы по протоколу HART предлагается комплекс русскоязычных
средств коммуникации:
- HART-коммуникаторы, которые позволяют перенастраивать диапазон
прибора, подстраивать ноль, выявлять причины неисправности прибора или
линии связи, читать номер прибора, дату его последней калибровки и другие
параметры, делать калибровку сенсора;
- HART-модем и HART-мультиплексор, позволяющие строить локальные АСУ, в рамках которых можно осуществлять настройку приборов непосредственно из диспетчерской, получать оперативную информацию о состо60
янии приборов, осуществлять постоянный контроль параметров, создавать
архивы процесса;
- программное обеспечение HART-Master и MUX-Master для работы с
HART-устройства- ми и программа ICP-Master для работы с датчиками давления по протоколу RS-485/232.
Одновременно с интеллектуальными датчиками давления и средствами
цифровой коммуникации, ПГ МЕТРАН обеспечивает также потребителей
дополнительными устройствами и приборами, предназначенными для грамотной адаптации датчиков к технологическому процессу и позволяющими
полнее использовать их функциональные возможности. Такое комплексное
предложение призвано облегчить, обезопасить и сделать более приятной работу обслуживающего персонала. Мы считаем важным предоставлять весь
комплекс необходимого оборудования из "одних рук", так как в этом случае
гарантируется полная совместимость и полноценное использование всех
преимуществ оборудования. В рамках данного предложения рекомендуем
использовать функциональную и вторичную аппаратуру, метрологическое
оборудование и средства присоединения к процессу производства ПГ МЕТРАН. Вторичная аппаратура представлена многоканальным регистратором
"Метран-900", предназначенным для сбора, обработки, регистрации и архивации информации, поступающей от датчиков, который является прекрасной
альтернативой бумажным самописцам; технологическим измерителемрегулятором "Метран-950", разработанным для измерения, отображения,
контроля и регулирования электрических величин, температуры и не электрических величин, а также для создания систем регистрации с помощью ПК.
Кроме того, для регулирования давления предназначены реле давления, которые обеспечивают замыкание-размыкание электрической цепи при достижении заданного значения давления установки. Функциональная аппаратура
включает в себя блоки питания "Метран-602, -604, -608" обычного и взрывозащищенного исполнения, блоки питания и корнеизвлечения "Метран-611".
Барьеры высокого потенциала "Метран-700 БВП" предназначены для защиты
61
датчиков давления, монтируемых на полевом уровне, вторичной и функциональной аппаратуры от переходных процессов в линиях связи, например, вызванных молнией. Автономный цифровой индикатор "Метран-620" разработан для отображения различных параметров, измеряемых датчиками, установленными в труднодоступных местах. Для поверки и калибровки датчиков
давления, в том числе по месту эксплуатации, рекомендуется использовать
метрологическое оборудование марки "Метран". Оно представлено портативными калибраторами давления "Метран-ПКД-1 ОМ", "Метран-ПКД-501Р", которые позволяют калибровать датчики давления, разряжения и разности давлений, показывающие и самопишущие манометры и имеют интерфейс
RS-232 для связи с персональным компьютером. Задатчики давления "Воздух" предназначены для поверки и калибровки с высокой точностью датчиков давления, разряжения и разности давлений. На их базе в ПГ МЕТРАН
разработаны метрологические стенды, представляющие собой автоматизированное рабочее место метролога и позволяющие производить метрологическое обслуживание всего парка приборов давления. Для присоединения к
процессу ПГ МЕТРАН также предлагает множество вариантов комплектов
монтажных частей, одно-, двух-, трех- и пятивентильные блоки, клапанные
блоки и вентильные системы, которые помогают упростить монтаж, наладку,
поверку и обслуживание датчиков давления на объекте.
К совершенно новой услуге относится предложение датчика давления в
сборе с клапанным блоком. Ее преимущество заключается в том,что потребитель получает проверенную на герметичность конструкцию, полностью
готовую к монтажу. В комплект поставок к датчику давления могут быть
включены разделительные, уравнительные и компенсационные сосуды, а
также различные диафрагмы, на основе которых измеряется расход по методу перепада давлений.
Таким образом, постоянный инновационный процесс, направленный на
совершенствование средств измерений, позволяет ПГ МЕТРАН предлагать
рынку лучший комплекс измерения давления, с высокими техническими ха62
рактеристиками, широкой функциональностью и отличнымиэксплуатационными свойствами.
3.2. Тензометрический измерительно-вычислительный комплекс
ИВК М2 [18]
Для повышения экономичности, информативности, точности экспериментальных исследований в аэродинамических трубах (АДТ), а также с целью обновления парка измерительного и вычислительного оборудования
АДТ в ЦАГИ создан тензометрический измерительно-вычислительный комплекс нового поколения ИВК М2. Разработанный в международном стандарте VМЕ комплекс обеспечивает проведение новых видов испытаний в АДТ.
Комплекс состоит из модулей для измерения с высокой точностью аэродинамических нагрузок, полей давления (до 1024 точек), углов положения модели, полного и статистического давления, температуры и других величин.
Базовый состав комплекса включает 16 тензометрических интегрирующих каналов, 128 быстродействующих тензометрических каналов, 8 каналов
измерения частоты, 128 дискретных каналов (по 64 ввода и вывода), 6 каналов измерения температуры. Производится аналоговая и цифровая фильтрация измеряемых сигналов. Комплекс функционирует в реальном масштабе
времени на распределенной локальной компьютерной сети под управлением
унифицированного программного обеспечения ''Поток", ориентирован на использование компьютеров типа IBM PC [18].
Аппаратное обеспечение комплекса.
Автоматизация аэродинамического эксперимента в ЦАГИ проводится с
привлечением наиболее прогрессивных открытых магистрально-модульных
систем па основе международных стандартов VME/VXI. Модульная организация таких систем, гибкость и широкий спектр применения позволяют специализированно использовать подсистемы для выполнения различных видов
измерений и управления АДТ, что позволяет достичь максимальной производительности сбора и обработки информации. Актуальной и экономически
63
необходимой становится унификация аппаратных и программных средств
систем автоматизации. Открытая архитектура VME/VXI систем в сочетании
с перспективой совершенствования методов измерения, технических и программных средств позволяют целенаправленно планировать переоснащение
АДТ измерительно-вычислительными и управляющими комплексами нового
поколения.
С учетом особенности первичных измерительных преобразователей
(датчиков) и условии их применения в АДТ разработаны модули в стандарте
VME для измерения сигналов многокомпонентных тензорезисторных преобразователей силы - тензовесов ТВ, многоточечных тензорезисторных полупроводниковых модулей давления ММД; виброчастотныхпреобразователсй
давления ПД для определения параметров потока; тензорезисторных датчиков угла положения ДП; термометров сопротивления ТС для определения
температуры торможения потока и других датчиков (рис. 3.1).
Рис.3.1. Структурная схема тензометрического измерительновычислительного комплекса ИВКМ2
64
Подсистема измерения аэродинамических нагрузок имеет ряд достоинств:
- широкий динамический диапазон.высокая разрешающая способность и
точность измерений;
- эффективное подавление динамических составляющих сигналов тензовесов цифровыми фильтрами в АЦП и цифровой фильтрацией в персональном компьютере;
- одновременность измерения сил, моментов и параметров потока,
уменьшающая влияние нестационарности потока на точность определения
аэродинамических нагрузок (и коэффициентов).
В подсистеме для исследования полей давления на моделях используются многоточечные тензорезисторные полупроводниковые модули давления
ММД, сигналы которых измеряются с помощью быстродействующего АЦП
5 и аналогового коммутатора 6. На датчики давления ММД подастся напряжение питания 5 В постоянного тока от общего источника 8. Необходимая
точность преобразования сигналов тензорезисторных датчиков и быстродействие достигаются предварительным усилением и применением быстродействующего АЦП последовательного приближения с емкостной матрицей и
автокалибровкой под управлением внутреннего микроконтроллера. Точность
измерения давления обеспечивается термостабилизацией ММД: они нагреваются с помощью специальных блоков нагрева 9 и термостабилизируются
блоками терморегуляторов 10.
В процессе эксперимента с целью контроля измеряется температура
ММД. Модуль АЦП 5 содержит три дифференциальных канала для измерения сигналов тензорезисторных датчиков давления милливольтового уровня
(0…±100мВ) и 16 каналов для измерения сигналов в диапазоне ±10В. Разрядность АЦП - 16 бит. В модуле имеется двенадцатиразрядный регистр для
управления электронными коммутаторами, размещенными в ММД, и коммутатором модулей КМ. Основная приведенная погрешность АЦП в диапазоне
±100мВ составляет 0.05%, в диапазоне ±10В - 0,02%. Аналоговый коммута65
тор 6 имеет 64 канала при однолинейной коммутации и 32 - при двух линейной. Диапазон коммутируемых сигналов ±10В.
Подсистема для исследования полей давления позволяет измерять давления в 1024 точках. Диапазоны измерения ±0.02МПа и ±0.1МПа. Быстродействие сбора данных - 10000 точек/с. Абсолютная погрешность измерения
давлений ≤100Па, среднеквадратическая погрешность градуировок измерительных каналов ≤50Па, основная приведенная погрешность измерения давления ±0.15...0,2%.
Для измерения полного р0 и статического рст давлений применяются
прецизионные виброчастотные преобразователи ПД. Сигналы ПД преобразуются в код восьмиканальным программируемым модулем измерения частоты 4. Диапазоны измерения 0,5...50кГц; время измерения (интегрирования
частоты) 0,01...4с; приведенная погрешность измерения частоты ±0.001%.
Диапазон давлений при измерении виброчастотными датчиками типа ДВБЧУ
равен 0.001...0.5МПа. Абсолютная погрешность измерения давлений 5...10Па,
относительная погрешность в диапазоне 2.7 - 5кПа составляет ≤0.05%. Минимальное время измерения параметров потока 0,02...0.05с.
Температура торможения потока T0 определяется с помощью термометров сопротивления ТС, сигналы которых нормализуются модулем 3 и измеряются с помощью модулей АЦП 5 и коммутатора 6. Для управления АДТ, а
также рабочими эталонами комплекса - блоками калиброванных напряжений
и калиброванных давлений, используются модули ввода/вывода дискретной
информации 7.
В ИВК М2 сбор и обработка данных осуществляются процессорным модулем VР7 (типа Pentium) на шине VМЕ или персональным компьютером,
связанным с крейтом VМЕ через контроллер связи 1 [18].
Программное обеспечение комплекса
Тензометрический измерительно-вычислительный комплекс ИВК М2
функционирует под управлением разработанного в ЦАГИ унифицированного
программною пакета «Поток». Программный пакет предназначен для ис66
пользования в качестве базового программного обеспечения в информационно-измерительных и управляющих вычислительных системах (ИИУВС) нового поколения, в частности, для решения задач комплексной автоматизации
аэродинамического эксперимента.
Программный пакет поддерживает проведение видов эксперимента:
- весового;
- по исследованию распределения давления;
- теплового;
- по исследованию нестационарных процессов (пульсации давления,
ускорения, нагрузок, температуры) и других видов.
Пакет используется на этапах подготовки, проведения эксперимента,
обработки, анализа и представления данных в основных промышленных
аэродинамических трубах ЦАГИ.
Основные функциональные возможности программного пакета:
- автоматизированная подготовка ИИУВС к эксперименту (тестирование
подсистем, автоматизированный ввод данных в базу данных);
- централизованное управление экспериментом в ручном или автоматическом режиме (выполнение рабочей программы эксперимента в автоматическом режиме или по командам оператора, синхронизация работы измерительных и управляющих подсистем);
- многорежимный сбор данных с измерительных устройств различного
типа с заданной частотой измерений для каждого канала;
- оперативная обработка и отображение данных;
- одновременное проведение различных экспериментов на нескольких
АДТ с использованием общей измерительной системы;
- полная обработка и представление результатов эксперимента.
Особенности программного пакета:
- масштабируемость по числу компьютеров и локальной сети;
- гибкая реконфигурация состава измерительного оборудования и прикладных функций, поддержка режимов реального времени на локальной сети
67
(встроенные механизмы передачи команд, сообщений, общая область данных
реального времени);
- распределенная обработка данных;
- детально структурированная база данных для различных видов эксперимента;
- унификация прикладных программ и данных;
- открытая архитектура для расширения программных и аппаратных
средств.
3.3. Тензометрическая система "Эпсилон" [19]
Система "Эпсилон" предназначена для измерения и обработки сигналов
тензорезисторов и тензодинамометров при испытаниях конструкций на
прочность. Система (см. рис. 3.2) содержит блоки коммутации и нормализации сигналов БКН (БКН-R одиночные тензорезисторы, БКН-4R тензомосты),
сигналы высокого уровня с которых через мультиплексор М подаются на
АЦП и далее в персональный компьютер ПК. Управление коммутацией датчиков и сбором информации осуществляется от ПК через плату цифрового
ввода-вывода I/O.[19]
68
Рис.3.2. Структурная схема ИС "Эпсилон"
Блоки БКН - функционально и конструктивно автономные блоки с питанием от сети 220 В и выходным напряжением высокого уровня, размещаемые как в помещении измерительной станции, так и вблизи исследуемой
конструкции. Блок содержит источники питания, платы коммутации, плату
нормализации сигнала и контроллер на основе микропроцессора. Питание
тензорезисторов и тензорезисторных мостов осуществляется переменным
напряжением прямоугольной формы.
Типовая схема подключения тензорезисторов Rтр к блоку БКН-R - трехпроводная, в самом же нормализаторе включение тензорезисторов и схему
преобразования абсолютного приращения сопротивления в напряжение
(ΔRтр->U)происходит по пятипроводной схеме, позволяющей выполнить
компенсацию падения напряжения на сопротивлениях открытых ключей,
коммутирующих питание тензорезисторов.
69
Подключение тензомостов к блоку БКН-4R может выполняться по четырех- или шести проводной схеме, что определяется типом кабеля, подключенного к динамометрам. Измерения для повышения помехозащищенности
осуществляются на нескольких полупериодах напряжения питания, результаты суммируются с соответствующими коэффициентами. Для ослабления
влияния высокочастотных помех используются фильтры с изменяемой постоянной времени.
Выходное напряжение блока БКН-R:
[(
)
]
где К-общий (с учетом суммирования) коэффициент усиления;
I - ток питания тензорезистора;
Rtpi - сопротивление подключенного тензорезистора;
Ro - сопротивление прецизионного реактора, равное номинальному сопротивлению тензотрезистора;
rп1, rп2 - сопротивления проводов в цепи питания тензорезистора.
К блоку БКН-R подключаются тензорезисторы с одним номинальным
сопротивлением и одним диапазоном дельта Rтр; при необходимости перехода на другое номинальное значение Rтр, производится замена сопротивления
Ro. Отказ от универсальности вызван необходимостью снижения стоимости
системы, повышения се надежности и у прощения технического обслуживания и метрологического обеспечения. Эти же соображения можно отнести и
к погрешности измерения системы. Так как погрешность определения
напряжений при тензометрировании натурных конструкций составляет несколько процентов, то снижение погрешности системы до величины, менее
чем (1...0.5)%. не приведет к реальному повышению точности измерения.
Для контроля работоспособности системы в каждом блоке БКН-R установлены прецизионные резисторы с номиналами, соответствующими нижнему и верхнему диапазонам измерения, которые опрашиваются в процессе
измерения и при выходе показаний за установленные значения оператору
выдается соответствующая информация, так же как и при выходе сигналов
70
тензорезисторов за установленные границы (обрывы и короткие замыкания
датчиков). Для проверок блока БКН-R создан управляемый от ПК имитатор
тензорезисторов, обеспечивающий дискретные изменения со противления в
диапазоне измерения.
Комплекс программ системы обеспечивает:
- управление устройствами системы;
- обработку информации с одиночных тензорезисторов, тензорезисторных розеток, тензомостов;
- представление информации в требуемой форме;
- автоматизацию поверок системы и обработки метрологической информации.
Проведены испытания системы ―Эпсилон-1000" для утверждения типа и
система внесена в Госреестр средств измерений (№ 25770-03) [19].
4. Задачи по теоретическому курсу [20]
4.1. Можно ли при использовании U-образного манометра делать отсчет
отклонения уровня от исходного только в одной трубке с последующим
удвоением?
4.2. В U-образном манометре с водяным заполнением внутренние диаметры трубок соответственно равны 8 и 8,3мм. При измерении давления уровень в первой переместился на 204 мм. Измеряемое давления считалось равным 4кПа. Оцените погрешность, вызванную неучетом реального уровня во
второй трубке.
4.3. Как изменятся показания ртутного U-образного манометра, если барометрическое давление уменьшилось на 7кПа при неизменном абсолютном
измеряемом давлении? Температура окружающей среды и ускорение свободного падения остаются нормальными.
4.4. Ртутный барометр с латунной шкалой в Ленинграде показывает
при температуре t=30ºС. Приведите показания барометра к
71
нормальным условиям. Географическая широта Ленинграда 60о, он расположен на уровне моря.
4.5. Определите цену деления чашечного манометра в единицах давления, если он заполен ртутью. Диаметр минусовой трубки 6, диаметр плюсового сосуда 60 мм. Деления на шкале нанесены через 1мм. Условия измерения: t=0ºС, g=980,665 м/с2.
4.6. Рассчитайте каким должно быть соотношение между диаметрами
плюсового и минусового сосудов чашечного манометра, чтобы при отсчете
уровня жидкости только в минусовом сосуде погрешности измерения разности давления не превосходило 0,1%.
4.7. Изменяется ли чувствительность микроманометра при изменении
угла наклона измерительной трубки?
4.8. Длина столбика жидкости в трубке микроманометра составляла 95
делений при постоянной шкале прибора K=0,6. Изменится ли относительная
погрешность измерения давления, если трубку установить в положение, при
котором постоянная шкалы прибора K=0,3?
4.9. Определите цену деления спиртового микроманометра с наклонной
трубкой, если диаметр трубки 4мм, диаметр плюсового сосуда 70мм, угол
наклона трубки микроманометра 48º23’, плотность спирта (концентрация
96%) в условиях градуировки при t=20ºС и
кг/м3. Расстояние меж-
ду отметками шкалы равно 1мм. Ускорение свободного падения – нормальное. Определите поправочный множитель на изменение плотности спирта,
если микроманометр работает при температуре 35ºС (
кг/м3).
4.10. Давление отсчитано по шкале спиртового микроманометра при рабочих условиях t=40ºС, g=9,8156 м/с2. Определите действительное измеряемое давление, если градуировка производилась при t=20ºС, g=9,80665 м/с2.
Отсчет по шкале n=195, K=0,8. Плотность спирта
кг/м3,
кг/м3
4.11. Чувствительным элементом манометра является сильфон. Уравновешивание давления (разности давления) осуществляется за счет упругого
72
взаимодействия сильфона и пружины, эффективная площадь сильфона
мм2, жесткость пружин Кп = 9,20Н/мм, жесткость одного гофра
сильфона к воздействию осевого усилия К0 = 0,25Н/мм, число гофр 8. При
перемещении стрелки манометра от начала до конца шкалы донышко сильфона перемещается на h = 4,5мм. Определите пределы измерения манометра.
4.12. Определите погрешность манометра с токовым выходным сигналом (0-5мА) с пределами измерения 0-4МПа, если при измерении давления
3,2 Мпа выходной сигнал составил I=3,93мА.
4.13. Определите погрешность манометра с пневматическим выходным
сигналом (0,02-0,1МПа) и пределом измерения 0-0,6МПа, если при давлении
0,45 Мпа значение выходного сигнала составило 0,084МПа.
4.14. Выберите шкалу манометра (определите верхний предел измерения) для измерения постоянного давления: а) 0,3МПа; б) 26МПа.
4.15.Какой должна быть жесткость пружины в колокольном дифманометре с пружинным уравновешиванием, чтобы изменение перепада давления
от 0 до 1,6кПа вызывало перемещение колокола на 4мм? Диаметр колокола
50мм.
4.16. Влияет ли плотность жидкости, заполняющей колокольный дифманометр, на его диапазон измерения?
4.17. Рассчитайте вес уравновешивающего груза кольцевого дифманометра с диапазоном измерения 0-4кПа.
Примеры решения задач:
Ответ к задаче № 4.1.
Диаметры трубок могут оказаться различными, и отклонение уровней
в трубках может быть различным. Поэтому делать отсчет по уровню в
одной трубке не допускается.
Ответ к задаче № 4.3.
U-образный манометр фактически измеряет разность между измеряемым и атмосферным давлением. Если барометрическое давление уменьши73
лось на 7кПа, а абсолютное измеряемое давление осталось неизменным, то
показания манометра должны увеличиться на 7кПа.
Ответ к задаче № 4.8.
Применительно к микроманометру чувствительность определяется
отношением изменения длины столба жидкости в измерительной трубке к
изменению давления, которое вызвало изменение уровня. С уменьшением угла
наклона при неизменном измеряемом давлении длина столба увеличивается
и, следовательно, чувствительность тоже увеличивается.
74
Список использованной литературы
1.
Сена Л. А. Единицы физических величин и их размерности. М.: Наука,
1988.
2. Датчики теплофизических и механических параметров: Справочник в трех томах./ Под общ.ред. Коптева, Ю.Н.; Под ред. Богдатьева, Е.Е., Гориша, А.В.,
Малкова. Я.В.// М.: ИПРЖР, Т.1 (кн.2) 1998 - 512 с., Т.2 1999-688 с.
3. Датчики давления, разряжения и разности давлений с электрическими аналоговыми сигналами ГСП. Общие технические условия.// ГОСТ 22520-85.
4. Датчики давления-принцип действия и виды датчиков [Электронный ресурс]:
база данных. – Режим доступа: http://www.kip-k-s.ru.
5. Датчики давления, разрежения и разности давлений с электрическими аналоговыми выходными сигналами ГСП. Общие технические условия. /ГОСТ 2252085 (СТ СЭВ 4124-83).
6. Датчики BD Sensor DMP, DMK, LMP, LMK, DMD, HMP [Электронный ресурс]:
база данных. – Режим доступа: http://www.encom74.ru/bm/3ml/.
7.
Михайлов П.Г. Микроэлектронный датчик давления и температуры//
Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика, 2003.- №11.
8.
Казарян А.А. Высокотемпературный высокочувствительный емкостной
датчик пульсаций давления// Измерительная техника, 2003.-№9.
9.
Бушев Е.Е., Николайчук О.Л., Стучебников В.М. Серия общепромышленных датчиков давления МИДА-13П 16 // Датчики и системы.
2004. - №6.
10. Бадеева Е.А., Гориш А.В., Крупкина, Т.Ю. Волоконно-оптический датчик
давления
на
туннельном
эффекте//
Датчики
и
системы.
2005. - №8.
11. Беклемишев А.И., Чекрыгин В.Н. Многоточечные модули давления//
Датчики и системы. 2004. -№3.
12. Клокова Н.П. Тензорезисторы// Датчики и системы. 2004.- №3.
13. Родзевич Г.В., Фурман А.В. Тензометрическая аппаратура// Датчики и
системы. 2004.- №3.
75
14. Белозубов Е.М. Перспективные тонкопленочные тензорезисторные датчики давления для ракетной и авиационной техники// Измерительная
техника.2004.- №4.
15. Мокров Е.А. Интегральные датчики// Датчики и системы. 2000.- №1.
16. Шимкявичюс Ч.С. Первичные преобразователи давления на основе арсенидов галия-аллюминия// Приборы и системы. Управление, контроль,
диагностика. 2004.- №2
17. Промышленная группа МЕТРАН. Инновационный комплекс измерения
давлени "Метран"// Датчики и системы. 2005.- №6.
18. Блокин-Мечталин Ю.К., Петроневич В.В., Чумаченко Е.К. Тензометрический измерительно-вычислительный компдекс ИВК М2// Датчики и
системы. 2004.- №3.
19. Датчики и системы/ Е. М. Кольман, А.И. Беклемишев, А.С.Липешонков
и др.// 2004.- №3.
20.
Кузнецов Н.Д. Сборник задач и вопросов по теплотехническим измерениям и приборам. - М.: Энергоатомиздат, 1985.
76