2. УСТРОЙСТВА ИЗМЕРЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ С УПРУГИМИ ЧУВСТВИТЕЛЬНЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ

Устройства измерения давлений с емкостным преобразователем. В устройстве измерения давлений с емкостным преобразователем чувствительным элементом является мембрана, которая представляет собой одну из пластин конденсатора. Мембрана имеет свободу деформации в одном направлении и перемещается под действием переменного давления, изменяя величину емкости конденсатора. Максимальное изменение емкости может составлять величину порядка 20% полной емкости преобразователя. Вторая пластина конденсатора неподвижна и крепится на корпусе.

Измерительный диапазон определяется толщиной мембраны и начальным зазором между пластинами конденсатора. Измерительный диапазон можно сдвинуть в область меньших давлений, уменьшая начальный зазор между пластинами.

Рис. V.2. Кривые зависимости емкостного преобразователя от величины давления при различной толщине С слюдяной пластины, помещенной в зазор

В плоскопараллельном конденсаторе связь между емкостью и зазором имеет гиперболический характер и поэтому для использования участка характеристики, близкого к линейному, необходимо применять малые зазоры и малые перемещения мембраны по отношению к величине зазора.

Однако практически в таких устройствах невозможно применять зазоры меньше 0,025 мм. Линейность и чувствительность измерительного устройства можно улучшить, вводя в зазор пластину из материала с высокой диэлектрической постоянной, например, из слюды.

Толщина слюдяной пластины подбирается экспериментально для каждого конкретного случая. На рис. V.2 изображены зависимости емкости С (или величины измерительного сигнала) от величины приложенного давления Зависимость А получается при слюдяной пластине, толщина которой составляет 0,9 величины зазора b между пластинами конденсатора; кривая Б соответствует толщине слюдяной пластины а кривая В — толщине слюдяной пластины При измерении подвижная пластина конденсатора не остается параллельной неподвижной пластине, а приобретает некоторую кривизну. Придавая определенную кривизну неподвижной пластине, можно также улучшить линейность характеристики емкостного преобразователя.

Диаметр плоской неподвижной пластины конденсатора для улучшения линейности характеристики должен быть равным примерно 0,7 диаметра мембраны. Это позволяет использовать для измерения емкости наиболее плоскую часть мембраны.

Расчет емкостного измерительного устройства в большинстве случаев сводится к определению геометрических размеров мембраны (толщины и радиуса при заданной собственной частоте мембраны или при заданной чувствительности выбору параметров емкостного преобразователя [2].

Связь между собственной частотой мембраны, закрепленной по периметру, и ее чувствительностью определяется так:

где Е — модуль упругости материала;

— допустимая стрела прогиба мембрана;

— плотность материала мембраны, причем собственная частота для такой мембраны может быть определена выражения

Кратко рассмотрим вопрос термической стабильности емкостного измерителя давлений. Суммарная величина емкости датчика выражается формулой

где С — величина емкости между пластинами до приложения давления;

— величина емкости, зависящая от приложенного давления;

— величина емкости, зависящая от изменения температуры деталей устройства.

Характер зависимости определяется свойствами мембраны, условиями ее закрепления и отношением толщины к диаметру. Величина на которую изменяется емкость под влиянием температуры, зависит от линейных температурных деформаций материала, приводящих к изменению величины зазора между пластинами, и от изменения формы мембраны вследствие внутренних напряжений в ней, вызванных условиями ее закрепления и неравномерностью прогрева. Конструкция охлаждаемого емкостного измерительного устройства приведена на рис. V.3, Охлаждаемая мембрана выполнена вместе с корпусом измерительного устройства. Внутри корпуса на изоляторе 3, установленном в регулировочной втулке 4, расположена неподвижная пластина 2 и экранированная катушка 5 температурной компенсации. Основное назначение этой катушки — уменьшение смещения нулевой точки, которое возникает из-за изменения температурного режима. Упругий элемент состоит из двух мембран, соединенных вместе. На одной мембране сдёланы специальные выступы, на которых расположена вторая, плоская, мембрана. Охлаждающая жидкость проходит между двумя мембранами по лабиринту, образованному выступами. Благодаря обильному охлаждению и наличию компенсационной катушки

изменения температурного режима не сказываются на результате измерения.

Для преобразования изменений емкости в пропорциональные изменения напряжения в большинстве случаев применяются электрические схемы, в которых высокочастотный синусоидальный электрический сигнал подвергается в соответствии с изменениями емкости амплитудной или частотной модуляции. Известны два основных метода амплитудной модуляции, применяемых в таких измерительных устройствах. В одном из них изменение емкости, включенной в резонансный контур, вызывает изменение его резонансной частоты и соответствующее изменение амплитуды тока в контуре. Существует много вариантов схем с использованием резонансного контура. Положительные качества этих схем — высокая чувствительность и хорошая линейность; отрицательные качества — зависимость показаний устройства от напряжения питания, наличие нулевого тока, требующего дополнительного источника для компенсации и большая чувствительность к изменению емкости соединительного кабеля. Последний недостаток в некоторых случаях можно значительно уменьшить, помещая весь контур в корпусе измерительного устройства.

Рис. V.3. Устройство для измерения давления с охлаждаемой мембраной

В другом методе амплитудной модуляции конденсатор измерительного устройства используется в качестве реактивного сопротивления в мостовой схеме, питаемой током постоянной частоты. Баланс моста осуществляется при ненагруженном измерительном устройстве. При нагружении будет происходить разбаланс моста и в его диагонали появится переменный ток, пропорциональный изменению емкости. Измерительный мост обычно выполняют симметричным. При этом два смежных плеча составляют емкости, одна из которых является преобразователем; два других плеча могут составлять постоянные омические сопротивления. Такие мостовйе схемы отличаются хорошей стабильностью и при ненагруженном преобразователе могут полностью балансироваться. Измерительный мост (или часть его) можно разместить в корпусе измерительного устройства, что существенно снижает влияние емкости соединительного кабеля на показания схемы. Недостатком таких схем по сравнению со схемами, имеющими резонансные контуры, является некоторое уменьшение чувствительности.

Схемы, работающие по принципу частотной модуляции, используются реже. Принцип работы измерителя давления с частотной модуляцией заключается в следующем. Емкость преобразователя

включается в контур генератора таким образом, что при изменении данной емкости происходит частотная модуляция электрических колебаний, формируемых генератором. Генераторы, применяемые в таких схемах, работают на частоте порядка и максимальная частотная модуляция составляет примерно 2—4%. Полученные сигналы через катодный повторитель подаются на измерительное устройство, в котором изменения частоты колебаний на элементе резонансной схемы создают сдвиг фазы между напряжением и током. Разность фаз детектируется и подается через катодный повторитель на управляющее устройство.

Схема устройства контроля давления, в которой использован дифференциальный емкостный преобразователь, приведена на рис. V.4. Упругая мембрана 1 расположена между двумя неподвижными мембранами 2 и 3.

Рис. V.4. Схема включения дифференциального емкостного преобразователя

Рис. V.5. Схема измерительного устройства с емкостным преобразователем давления, основанным на зависимости диэлектрической проницаемости от давления

Центральная мембрана заземлена, а две неподвижных включены в плечи моста, питаемого от генератора Г. В диагональ моста включено измерительное устройство.

Для уменьшения размеров и веса рассматриваемых устройств желательно использование в качестве преобразующих элементов электретов, что также несколько упростит измерительную схему. Если на одну из пластин поместить электрет, то при прогибе мембраны и соответствующем сближении двух пластин на них будет наводиться э. д. с., которая будет характеризовать величину приложенного к мембране усилия.

То обстоятельство, что диэлектрическая проницаемость газов, жидкостей и твердых тел зависит от давления, может быть использовано для построения измерительных устройств с емкостными преобразователями. Измерительное устройство этого типа, предназначенное для измерения давления бензина (рис. V.5), состоит из цилиндрического конденсатора и 2, выдерживающего высокое давление. В диапазоне давлений от 1 до диэлектрическая проницаемость бензина изменяется на 0,5%. Статическая характеристика (зависимость величины емкости от давления) нелинейна. Применив компенсационную нелинейную схему, можно получить выходной ток, который является линейной функцией давления. Данное устройство можно использовать в диапазоне давлений от О

до . Вода и газы, растворимые в бензине, однако, вызывают гистерезис характеристики «емкость—давление». Такое измерительное устройство пригодно также для измерения давления других неполярных жидкостей.

Измерительные устройства с тензометрическими преобразователями. Принцип действия устройств контроля давления с проволочными тензоэлементами основан на свойстве металлических проводников изменять свое сопротивление деформировании. При этом теизоэлемент испытывает деформации, одинаковые с деформациями детали, на поверхность которой он наклеен.

Изменение сопротивления тензоэлемента служит мерой приложенного давления. Температура среды оказывает существенное влияние на показания устройств, для измерения давления, в которых используются тензоэлементы. Эффект температурного воздействия на тензоэлемент зависит не только от величины температуры, но и от скорости ее изменения (см. гл. III, § 1). На величину измерительного сигнала влияет жесткость упругого элемента, которая является функцией имеющихся в нем внутренних напряжений. При измерении давления в средах, имеющих нестационарную температуру, неравномерный прогрев упругого элемента, к которому приклеен тензоэлемент, может привести к возникновению внутренних напряжений. Последние определяют величину ошибки измерения. Если тензоэлемент наклеен непосредственно на мембрану, температурные искажения создаются линейным тепловым расширением мембраны и изменением ее формы. Для уменьшения ошибки при измерении давления в средах с нестационарными температурами необходимо применять внутреннее охлаждение мембран.

Рис. V.6. Измерительная мостовая схема включения тензометрического преобразователя; Т — тензоэлемент; Г — генератор; У — усилитель переменной составляющей, РП — регистрирующий прибор

Влияние температуры на характеристику измерительного устройства проявляется в зависимости электрического сопротивления проволоки тензоэлемента от температуры, в неодинаковом тепловом расширении проволоки и упругого элемента, приводящем к дополнительной деформации проволоки, и в изменении формы упругого элемента под действием температуры. Для устранения температурных погрешностей, возникающих в результате зависимости сопротивления тензоэлемента от температуры, применяют компенсационный тензоэлемент, включаемый в одно из плеч измерительного моста. Компенсационный тензоэлемент нагревается одинаково с основным тензоэлементом, но не подвергается деформации.

Для измерения нестационарных давлений с помощью тензометрических устройств в последних нередко применяют неравновесные

мосты переменного тока. Составными частями схемы такого устройства являются высококачественный генератор, формирующий электрические сигналы несущей частоты, усилитель, выпрямитель и регистрирующий прибор. Схема подобного тензометрического измерительного устройства приведена на рис. V.6. Сопротивления являются постоянными плечами измерительного моста. Сопротивление предназначено для калибровки схемы, причем параллельно этому сопротивлению часто включается небольшая переменная емкость С, назначение которой — балансировка фазового угла. Для удовлетворительного измерения нестационарных давлений необходимо, чтобы частота переменного тока питания моста была в 8—10 раз больше частоты наивысшей гармонической составляющей пульсации давлений. Обычно эта частота составляет

Рис. V.7. Измерительное устройство с неохлаждаемым тензометрическим преобразователем: а — с плоской мембраной, б — измерительное устройство с чувствительным элементом в виде цилиндра

На рис. V.7, а показана конструкция неохлаждаемого измерительного устройства с тензометрическим элементом 2, наклеенным непосредственно на плоскую упругую мембрану 1. Частота собственных колебаний мембраны составляет Такое устройство позволяет контролировать быстропеременные давления, имеющие интенсивность возрастания до за 1 мксек.

Устройства для измерения давления с упругим эдементом, выполненным в виде цилиндра, деформируемого в радиальном направлении, изображено на рис. V.7, б. Упругий элемент 1 изготовлен в виде гильзы, имеющей цилиндрическую проточку. На гильзу в утонченном месте наклеен пррволочный тензоэлемент 2. Второй тйкой же тензоэлемент 3 наклеен на толстостенную часть корпуса. Тензоэлемент 2 — рабочий, а тензоэлемент 3 предназначен для температурной компенсации. Динамические свойства такого измерительного устройства определяются частотой собственных колебаний упругой цилиндрической гильзы.

На рис. V.8. приведено устройство для измерения давления с внутренним упругим элементом, на который опирается мембрана. Фигурная мембрана в данном случае передает давление на упругую

втулку, на которую наклеены два тензоэлемента. Мембрана выполнена из двух гофрированных стальных пластин 7, имеющих толщину 0,1 мм и диаметр 10 мм и связанных между собой распорной втулкой 6 с отверстиями. Между пластинами протекает вода, подаваемая ,в корпус устройства. С наружной стороны мембрана нагружена измеряемым давлением а с внутренней стороны — противодавлением сжатого воздуха Воспринимаемое усилие передается внешней пластиной через распорную втулку на помещенный внутри корпуса упругий цилиндр. На наружную поверхность этого цилиндра наклеены два проволочных тензоэлемента, причем один тензоэлемент расположен параллельно оси цилиндра, другой — по окружности. Оба тензоэлемента включены в смежные плечи измерительного моста. При сжатии упругого цилиндра измеряемым давлением сопротивление осевого тензоэлемента уменьшается, а сопротивление окружного тензоэлемента увеличивается. Изменение сопротивлений двух тензоэлементов вызывает соответствующий ток разбаланса измерительного моста.

Рис. V.8. Чувствительный элемент тензометр ического преобразователя с охлаждаемой мембраной: — измеряемое давление; — противодавление сжатого воздуха; 1 — корпус преобразователя; 2 — зажимная втулка; 3 — проволочные тензоэлементы; 4 — упругий цилиндр; 5 — распорное кольцо; 6 — распорная втулка; 7 — мембраны; 8 — вывод измерительного сигнала

При таком включении в измерительную схему двух тензоэлементов влияние изменений температуры автоматически компенсируется. Собственная частота колебаний такого устройства составляет

Рассмотрим измерительное устройство, конструктивное исполнение которого показано на рис. V.9.

Устройство предназначено для измерения высоких давлений и неприменимо для контроля давлений в агрессивных жидких и газовых средах, а также в» средах, имеющих высокую и нестационарную температуру. Здесь упругая мембрана заменена поршнем У, который точно сочленен с цилиндрическим корпусом и опирается на упругое кольцо. На упругом кольце 2 наклеены тензоэлементы 3, измеряющие его деформацию. Значительная жесткость тензометрического кольца обеспечивает достаточно высокий верхний предел частотного диапазона.

В ряде устройств для измерения давлений применяются также не наклеенные тензометрические элементы, а связанные с мембраной

при помощи растяжек. В этом случае тензоэлементы не соприкасаются с мембраной, что улучшает температурный режим их работы. Измерительное устройство этого типа представлено на рис. V.10. Преобразователь имеет два тензоэлемента 2 и 3, выполненных в виде двух проволочек, которые в точках а закреплены на мембране, а в точках в — на участке корпуса, примыкающем к мембране 1. Точки с тензоэлементов прикреплены к пружинам 4, установленным на днище преобразователя. Выводы от тензоэлементов выполнены в точках и с. Четыре тензоэлемента образуют активные плечи моста. Прогиб диафрагмы уменьшает натяжение плеч а, с и а, с и увеличивает натяжение плеч При этом соответственно изменяется их сопротивление.

Рис. V.9. Измерительное устройство с тензометрическим преобразователем, поршнем и упругим кольцом

Рис. V.10. Схема измерительного устройства с растянутыми тензоэлементами

В такой схеме отсутствует влияние температуры на показания преобразователя. Это происходит вследствие того, что температурное изменение размеров деталей преобразователя оказывает одновременное и очень малое воздействие на натяжение тензонитей, так как при этом почти не изменяется усилие пружины. Затем эти малые воздействия компенсируются в мостовой схеме.

Измерительные устройства с индуктивными преобразователями. В индуктивных устройствах, служащих для контроля давления, обычно индуктивный преобразователь включается в одно из плеч измерительного моста переменного тока, питаемого от генератора. Выходной сигнал, поступающий с моста, усиливается, детектируется и подается на соответствующий элемент цепи управления. В последнее время в большинстве устройств для измерения давлений с индуктивными преобразователями применяется дифференциальный принцип включения катушек, что позволяет повысить чувствительность измерительного устройства. Конструктивное исполнение одного из вариантов такого измерительного устройства приведено

на рис. V.II. Преобразователь состоит из двух катушек 2, которые включены в плечи измерительного моста, питаемого переменным напряжением с частотой 3 кгц. Измеряемое давление подается в полость 4, образованную двумя упругими мембранами 3 и корпусом. Сердечники 1 расположены с наружных сторон обеих мембран с малым зазором относительно них. Индуктивные катушки включены в противоположные плечи измерительного моста.

Измерительные устройства с индуктивными преобразователями могут иметь различное конструктивное исполнение. Обычно эти устройства по габаритам больше, чем устройства с пьезоэлектрическими или емкостными преобразователями и более сложны по конструкции. Кроме того, недостатком применяемых в них индуктивных элементов является то, что они чувствительны к изменению температуры, которая непосредственно влияет на магнитную проницаемость материала деталей датчика.

К этой же группе можно отнести измерительные устройства с дифференциально-трансформаторными преобразователями. Устройство такого типа приведено на рис. V.12.

Рис. V.11. Измерительное устройство с двумя тонкими мембранами и индуктивным преобразователем

Рис. V.12. Измеритель давления с дифференциальным трансформатором: 1 — диафрагма; 2 — подвижной сердечник; 3 — катушка

Преобразователь состоит из трех обмоток, коаксиально намотанных на полый каркас, и отдельного ферромагнитного сердечника, связанного с мембраной. Первичная обмотка намотана по всей длине каркаса; две одинаковые вторичные обмотки намотаны встречно так, что движение сердечника внутри катушки вызывает изменение связи между

обмотками. При нейтральном положении сердечника напряжение на выходе равно нулю. Перемещение сердечника относительно центрального положения в ту или иную сторону вызывает появление напряжения на выходе. При изменении направления движения сердечника напряжение на выходе изменяется по фазе на 180°. У такого преобразователя в определенном диапазоне перемещений сердечника сохраняется линейная характеристика.

Измерительные устройства с ионно-механическими преобразователями. На рис. V.13 приведена конструкция измерительного устройства с ионно-механическим преобразователем (механотроном), который является механически управляемой ионной лампой, работающей на тлеющем разряде. К медному корпусу с одной стороны приварена упругая стальная мембрана 1, а с другой — стеклянная часть вакуумной колбы 5, на которой расположен неподвижный электрод 2. Упругая мембрана 1 является подвижным электродом и прогибается под действием измеряемого давления. Чувствительный элемент укреплен в металлическом корпусе 4 с помощью гайки 3 и закрыт защитным кожухом 6. Изменение анодного тока в ионно-механическом преобразователе пропорционально деформации мембраны и может являться мерой величины давления, приложенного к ней.

Рис. V. 13. Измерительное устройство с ионно-механическим преобразователем

Высокая чувствительность ионномеханических преобразователей позволяет использовать такие устройства без дополнительных усилителей при непосредственном соединении с управляющим устройством. Однако с помощью таких измерительных устройств затруднительно измерять постоянную составляющую нестационарного давления.

Рассматриваемые преобразователи могут включаться как в измерительные схемы, в которых на электродах создается постоянное напряжение, так и в схемы, работающие в импульсном режиме. В измерительном устройстве, схема которого изображена на рис. V.13, под действием измеряемого давления происходит уменьшение расстояния между электродами, что сопровождается падением напряжения. Это падение напряжения пропорционально произведению расстояния между электродами на величину давления газа, заполняющего разрядную полость. Таким образом, в данной схеме по изменению напряжения на электродах преобразователя можно судить об изменении величины давления, приложенного к мембране. Ионно-механический преобразователь может включаться в измерительную схему таким образом, чтобы его работа осуществлялась в импульсном режиме газового разряда между электродами.

При работе в режиме импульсного разряда величина напряжения, необходимого для зажигания разряда, зависит от расстояния между электродами, т. е. от давления измеряемой среды. В этом случае для проведения непрерывного измерения следует применять схемы, позволяющие осуществлять достаточно частое зажигание заряда. Необходимый режим можно получить при использовании преобразователя в качестве разрядника релаксационного генератора.

Ионно-механический преобразователь можно применить и в дифференциальном измерительном устройстве. В этом случае две измерительные мембраны соединены металлической растяжкой, к которой присоединен штырь механотрона. Такое устройство позволяет производить регистрацию давления в диапазоне 0,1 — 400 мм рт. ст. Измерительное устройство имеет несложную электрическую схему.

Существенным положительным свойством ионно-механического преобразователя является высокая чувствительность, которая позволяет в ряде случаев применять его без дополнительных усилителей. Такие преобразователи обладают довольно высокими динамическими свойствами и могут с успехом применяться для контроля нестационарных давлений.

Измерительные устройства с магнитокомпенсационными преобразователями. Существенного улучшения динамических характеристик мембранных измерительных устройств можно добиться путем использования компенсационных измерительных схем, имеющих обратную связь. В таких устройствах применяется метод автоматической стабилизации положения упругого элемента. Электродинамический исполнительный механизм, управляемый следящей системой, на входе которой находится измеритель малых перемещений, удерживает мембрану в среднем положении при любой величине измеряемого давления. Мерой давления в данном случае является ток в обмотке исполнительного механизма. Перемещения мембраны в устройстве исчезающе малы, и упругий элемент здесь выполняет роль герметизирующей перегородки, стабильность упругих свойств которой не имеет значения. В этих устройствах схемы обратной связи могут быть выполнены с воздействием как по выходному сигналу, так и по его производным, причем в последнем случае имеется возможность полной стабилизации мембраны. В таких системах обратная связь может включать в себя следующие элементы: электрический преобразователь перемещения мембраны, дифференцирующее устройство, усилитель и электродинамический исполнительный механизм.

Рассмотрим конструкцию измерительного устройства с магнитокомпенсационным преобразователем, разработанного для контроля малых перемещений.

На рис. V.14. показано устройство преобразователя с силовым уравновешиванием, обеспечивающего линейное преобразование в электрический сигнал давления воздуха, изменяющегося от 0,2 до

Сила давления воздуха, поступающего в сильфон 3, вызывает поворот коромысла 4. При этом сердечник 2 смещается относительно катушек индуктивности автогенератора, что приводит к изменению амплитуды его выходного напряжения.

Рис. V.14, Измерительное устройство с магнитокомпенсационным преобразователем: 1 — автогенератор, 2 — сердечник, управляющий работой автогенератора 1, 3 — сильфон преобразователя давления, 4 — коромысло, 5, 6 — подвижная катушка и магнит магнитоэлектрического обратного преобразователя, 7 — транзистор

Выходное переменное напряжение автогенератора выпрямляется и усиливается усилителем 7. К выходу усилителя подключена катушка 5 обратного преобразователя. Изменение тока 1, протекающего через подвижную катушку, приводит к появлению усилия уравновешивающего внешние усилия, действующие на коромысло.

Рис. V. 15. Структурная схема преобразователя с силовым уравновешиванием: 1 — сильфон, 2 — коромысло; 3 — электрическая часть преобразователя; 4 — подвижная катушка; — подводимое давление; — усилие, развиваемое сильфоном, — усилие, создаваемое магнитоэлектрическим обратным преобразователем (подвижной катушкой), — другие внешние усилия (помехи), — суммарное значение всех усилий, приложенных к коромыслу.

Максимальное перемещение сердечника 2 не превышает 0,01 мм.

В идеальном случае зависимость выходного тока преобразователя от времени точно повторяет зависимость измеряемого давления от времени.

В реальных схемах преобразователей зависимость выходного тока от времени характеризуется некоторым запаздыванием и выбросами, определяемыми степенью перерегулирования. Оптимальные параметры измерительного преобразователя могут быть найдены на основе анализа его динамических характеристик.

На рис. V.15 приведена структурная схема преобразователя. Объектом регулирования является коромысло 2, электрическая часть преобразователя является регулятором. Для упрощения расчетов сильфон и магнитоэлектрический преобразователь рассматривают как линейные, безынерционные элементы.

Динамические (частотные) характеристики коромысла, как объекта регулирования, могут быть найдены из уравнения его движения:

где х — координата перемещения центра подвижной катушки; — масса коромысла, приведенная к центру подвижной катушки;

— постоянная демпфирования, определяемая параметрами короткозамкнутого витка в магнитоэлектрическом преобразователе;

с — коэффициент упругости, в основном определяемый упругими свойствами сильфона.

Введем следующие обозначения:

— частота собственных колебаний недемпфированной системы;

— коэффициент успокоения (затухания).

Тогда

Отсюда в операторной форме может быть определена передаточная функция звена (объекта регулирования):

Передаточная функция электрической части измерительного преобразователя определяется следующим выражением:

где — статический коэффициент передачи преобразователя;

Т — постоянная времени усилительных цепей;