Основные методы преобразования датчика давления

 

 

КУРСОВАЯ  РАБОТА

Тема «Основные методы преобразования датчика давления»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Содержание

 

 Введение……………………………………………………………………….…...3

 Глава 1. Основные  понятия датчика давления………………………………….4

 Глава 2. Виды  методов преобразования давления  в электрический сигнал….5

 Глава 3. Современное  применение датчиков давления в промышленности...11

 Заключение…………………………………………………………………………18     Список  использованной литературы……………………………………………..19

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

           Под термином «датчик» принято понимать устройство, преобразующее какую-либо физическую величину (силу, массу, давление, магнитное поле, световой поток, радиацию и т.д.) в электрический выходной сигнал дистанционной передачи, значение которого пропорционально изменению входного параметра. Это определение отсекает показывающие приборы типа манометр, термометр и электрические сигнализаторы, работающие по принципу реакции на пороговые значения (больше/меньше заданной величины). В последнее время в связи с удешевлением электронных систем всё чаще применяются датчики со сложной обработкой сигналов, возможностями настройки и регулирования параметров и стандартным интерфейсом системы управления. Имеется определённая тенденция расширительной трактовки и перенесения этого термина на измерительные приборы, появившиеся значительно ранее массированного использования датчиков, а также по аналогии — на объекты иной природы, например, биологические. Понятие датчика по практической направленности и деталям технической реализации близко к понятиям измерительный инструмент и измерительный прибор, но показания этих приборов в основном читаются человеком, а датчики, как правило, используются в автоматическом режиме.

      В данной курсовой работе будут рассмотрены методы преобразования давления в электрический сигнал.

 

Глава 1. Основные понятия датчика давленияение манометр

Датчик давления — устройство, физические параметры  которого изменяются в зависимости  от давления измеряемой среды (жидкости, газы, пар). В датчиках давление измеряемой среды преобразуется в унифицированный пневматический, электрический сигналы или цифровой код.

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. Классифицируются датчики давления по измеряемому параметру, например: абсолютного давления, избыточного давления, разрежения, давления-разрежения, разности давления, гидростатического давления.

 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.

 

 

 

 

 

Глава 2. Виды методов преобразования давления в электрический сигнал

2.1 Тензометрический  метод

      Чувствительные элементы датчиков базируются на принципе измерения деформации тензорезисторов, припаянных к титановой мембране, которая деформируется под действием давления.

      Тензорезисторы (тензометрические датчики) служат для измерения механических напряжений, небольших деформаций, вибрации. Действие тензорезисторов основано на тензоэффекте, заключающемся в изменении активного сопротивления проводниковых и полупроводниковых материалов под воздействием приложенных к ним усилий.

2.2 Пьезорезистивный  метод

           Метод основан на использовании пьезоэлектрического эффекта (пьезоэффекта), заключающегося в том, что при сжатии или растяжении некоторых кристаллов на их гранях появляется электрический заряд, величина которого пропорциональна действующей силе. Пьезоэффект обратим, т. е. приложенное электрическое напряжение вызывает деформацию пьезоэлектрического образца - сжатие или растяжение его соответственно знаку приложенного напряжения. Это явление, называемое обратным пьезоэффектом и используется для возбуждения и приема акустических колебаний звуковой и ультразвуковой частоты, а также для измерения давления, вибрации и т.д. Эти датчики основаны на интегральных чувствительных элементах из монокристаллического кремния. Кремниевые преобразователи имеют высокую временную и температурную стабильности. Для измерения давления чистых неагрессивных сред применяются, так называемые, Low cost — решения, основанные на использовании чувствительных элементов либо без защиты, либо с защитой силиконовым гелем. Для измерения агрессивных сред и большинства промышленных применений используется преобразователь давления в герметичном металло-стеклянном корпусе, с разделительной диафрагмой из нержавеющей стали, передающей давление измеряемой среды посредством кремнийорганической жидкости.

2.3 Ёмкостной  метод

Ёмкостные преобразователи  используют метод изменения ёмкости  конденсатора при изменении расстояния между обкладками. Известны керамические или кремниевые ёмкостные 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. Таким образом, принцип действия основан на зависимости электрической емкости конденсатора от размеров, взаимного расположения его обкладок и от диэлектрической проницаемости среды между ними. 

Для двухобкладочного плоского конденсатора электрическая емкость  определяется выражением:

С = e₀eS/h

где e₀ - диэлектрическая постоянная; e - относительная диэлектрическая проницаемость среды между обкладками; S - активная площадь обкладок; h - расстояние между обкладками конденсатора.

Зависимости C(S) и C(h) используют для преобразования механических перемещений в изменение емкости. 

   Емкостные датчики, также как и индуктивные, питаются переменным напряжением (обычно повышенной частоты - до десятков мегагерц). В качестве измерительных схем обычно применяют мостовые схемы и схемы с использованием резонансных контуров. В последнем случае, как правило, используют зависимость частоты колебаний генератора от емкости резонансного контура, т.е. датчик имеет частотный выход.

Достоинства емкостных  датчиков - простота, высокая чувствительность и малая инерционность. Недостатки - влияние внешних электрических полей, относительная сложность измерительных устройств.

Емкостные датчики  применяют для измерения угловых  перемещений, очень малых линейных перемещений, вибраций, скорости движения и т. д., а также для воспроизведения  заданных функций (гармонических, пилообразных, прямоугольных и т. п.).

Емкостные преобразователи, диэлектрическая проницаемость e которых изменяется за счет перемещения, деформации или изменения состава диэлектрика, применяют в качестве датчиков уровня непроводящих жидкостей, сыпучих и порошкообразных материалов, толщины слоя непроводящих материалов (толщиномеры), а также контроля влажности и состава вещества.

2.4 Резонансный  метод

       В основе 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, невозможность проводить измерения в агрессивных средах без потери точности показаний прибора.

2.5 Индуктивный  метод

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.

Индуктивные датчики служат для бесконтактного получения информации о перемещениях рабочих органов машин, механизмов, роботов и т.п. и преобразования этой информации в электрический сигнал.

Принцип действия индуктивного датчика основан на изменении индуктивности обмотки  на магнитопроводе в зависимости от положения отдельных элементов магнитопровода (якоря, сердечника и др.). В таких датчиках линейное или угловое перемещение X (входная величина) преобразуется в изменение индуктивности (L) датчика. Применяются для измерения угловых и линейных перемещений, деформаций, контроля размеров и т.д.

В простейшем случае индуктивный датчик представляет собой  катушку индуктивности с магнитопроводом, подвижный элемент которого (якорь) перемещается под действием измеряемой величины. 

Индуктивный датчик распознает и соответственно реагирует на все токопроводящие предметы. Индуктивный датчик является бесконтактным, не требует механичесого воздействия, работает бесконтактно за счет изменения электромагнитного поля.

Преимущества:

-   нет механического износа, отсутствуют отказы, связанные с состоянием контактов;

-   отсутствует дребезг контактов и ложные срабатывания;

-   высокая частота переключений до 3000 Гц;

-   устойчив к механическим воздействиям.

Недостатки: сравнительно малая чувствительность, зависимость индуктивного сопротивления от частоты питающего напряжения, значительное обратное воздействие датчика на измеряемую величину (за счет притяжения якоря к сердечнику).

2.6 Ионизационный  метод

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 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.

 

 

 

 

 

 

 

 

Глава 3. Современное  применение датчиков давления в промышленности

По своей физической природе давление (сила, действующая на единицу площади) не может быть измерена прямыми методами, то есть непосредственным сравнением с эталоном. Распределенную по поверхности силу надо заменить равнодействующей силой, приложенной к математической точке и преобразовать в физическую величину, доступную для наблюдения. Первым подобное устройство в 17 веке создал итальянский физик и математик Торричелли. Заполненная ртутью и запаянная с одного конца стеклянная трубка открытым концом погружается в сосуд с ртутью. Ртуть из трубки перетекает в сосуд, но под действием атмосферного давления останавливается на высоте, соответствующей значению этого давления. В день проведения эксперимента эта величина составила 760 мм, что в последствии было принято за «нормальное значение». Легко показать, что высота столба ртути прямо пропорциональна атмосферному давлению. Именно поэтому первыми единицами для измерения давления были мм ртутного столба и воды. Однако, как мы уже видели, по своей природе давление не «расстояние между двумя точками», а сила. Отсюда появился метод, отражающий физическую сущность давления. Если на поршень, площадь которого точно известна, воздействовать калиброванной силой, то легко определить величину создаваемого поршнем давления (сила, деленная на площадь). На этом принципе и созданы самые точные образцовые приборы - грузопоршневые манометры. Очевидно, что этим методом удобно задавать давление по дискретным значениям.

Перед нами стоит иная задача - измерять непрерывно меняющуюся величину. Для выбора оптимальной схемы построения прибора, предназначенного для применения практически во всех отраслях промышленности, введем критерии, по которым будем сравнивать предполагаемые решения:

• первым критерий - способ преобразования механической величины в электрическую, обеспечивающий более высокую точность и стабильность измерения;

• второй критериий - технологическое воспроизведение этого способа в промышленных масштабах.

Итак, основным элементом наших датчиков является механоэлектрический преобразователь, то есть устройство, преобразующее давление, в электрический параметр: сопротивление, емкость, электрический заряд и т.д. В последнее время для простоты речи термин «механоэлектрический преобразователь» заменяют понятием «сенсор», в данном случае сенсор давления. Сенсор должен иметь чувствительный элемент (ЧЭ), который воспринимает распределенную по поверхности силу и преобразует механическую энергию в электрическую.

Исторически первую группу ЧЭ образуют устройства, в которых давление преобразуется в силу, вызывающую перемещение математической точки ее приложения. Наиболее распространенными ЧЭ этого типа являются трубка Бурдона, которая «разгибается» под действием давления, сильфон и мембранная коробка, жесткий центр которых совершает поступательное движение.

Итак, ЧЭ преобразует давление жидкости или газа в перемещение. Перемещение ЧЭ создает силу, которая в свою очередь вызывает перемещение соленоида в магнитной катушке (индуктивный датчик), перемещение контакта по поверхности резистора потенциометра (потенциометрический датчик), смещение обкладки конденсатора (емкостной датчик) и т.д. При сбросе давления трубка или мембрана должны вернуться в исходное состояние. Величина не возврата обычно называется упругим гистерезисом и является источником неустранимой погрешности прибора. Очевидно, что чем больше величина перемещения, тем больше значение выходного сигнала. Вместе с тем, чем больше перемещение, тем больше упругое последействие материала ЧЭ, а значит, и нелинейность, гистерезис, временная нестабильность. Преимуществами этой схемы преобразования являются простота реализации защиты от перегрузки измеряемым давлением и относительная несложность изготовления датчиков невысокой точности.

Вторую группу (современную) образуют сенсоры, в которых давление преобразуется в деформацию упругой мембраны. Давление так и остается распределенной силой, а ЧЭ является вся поверхность мембраны, прогибающейся под действием давления (рисунок 1).

        

 

 

       

         Без давления                                 Под давлением