Что такое пьезоэлектрический датчики давления?
Пьезоэлектрические датчики давления можно дополнительно классифицировать в зависимости от того, измеряется ли электростатический заряд кристалла, его удельное сопротивление или его электростатический заряд на резонансной частоте. В зависимости от того, какое явление используется, кристаллический датчик можно назвать электростатическим, пьезорезистивным или резонансным.
Когда к кристаллу кварца применяется давление, сила или ускорение, в кристалле возникает заряд, пропорциональный приложенной силе. Фундаментальное различие между этими кристаллическими датчиками и устройствами статической силы, такими как тензодатчики, заключается в том, что электрический сигнал, генерируемый кристаллом, быстро затухает. Эта характеристика делает эти датчики непригодными для измерения статических сил или давления, но полезными для динамических измерений.
Когда на кристалл действует давление, он упруго деформируется. Эта деформация приводит к потоку электрического заряда (который длится несколько секунд). Результирующий электрический сигнал может быть измерен как показатель давления, приложенного к кристаллу. Эти датчики не могут определять статическое давление, но используются для измерения быстро меняющегося давления, возникающего в результате взрывов, пульсаций давления (в ракетных двигателях, двигателях, компрессорах) или других источников ударов или вибрации. Некоторые из этих прочных датчиков могут обнаруживать события давления, имеющие «время нарастания» порядка миллионной доли секунды, и более подробно они описаны далее в этой главе.
Выходной сигнал таких датчиков динамического давления часто выражается в «относительных» единицах давления (например, в фунтах на квадратный дюйм вместо манометрического), тем самым соотнося измерение с начальным состоянием кристалла. Максимальный диапазон таких датчиков составляет 5 000 или 10 000 фунтов на квадратный дюйм. Желательные характеристики пьезоэлектрических датчиков включают их прочную конструкцию, небольшой размер, высокую скорость и самогенерируемый сигнал. С другой стороны, они чувствительны к колебаниям температуры и требуют специальных кабелей и усиления.
Они также требуют особой осторожности во время установки: одно из таких соображений заключается в том, что их крутящий момент при установке должен дублировать крутящий момент, при котором они были откалиброваны (обычно 30 дюйм-фунтов). Другим фактором, который может повредить их производительности из-за замедления скорости отклика, является глубина пустой полости под полостью. Чем больше полость, тем медленнее реакция. Поэтому рекомендуется, чтобы глубина полости была минимальной и не превышала диаметр зонда (обычно около 0, 25 дюйма).
Преобразователи электростатического давления имеют небольшие размеры и прочные конструкции. Сила к кристаллу может быть приложена в продольном или поперечном направлении, и в любом случае это вызовет высокое выходное напряжение, пропорциональное приложенной силе. Сигнал напряжения, генерируемый кристаллом самостоятельно, полезен там, где подача питания на датчик нецелесообразна или невозможна. Эти пьезоэлектрические датчики также обеспечивают высокую скорость отклика (30 кГц с пиками до 100 кГц), что делает их идеальными для измерения переходных явлений. На рис. 3-9 показан датчик давления с компенсацией ускорения. В этой конструкции компенсация обеспечивается добавлением сейсмомассы и отдельного «компенсационного кристалла» обратной полярности.
Поскольку кварц является распространенным природным минералом, эти пьезоэлектрические преобразователи обычно недороги. Турмалин, встречающаяся в природе полудрагоценная форма кварца, обладает субмикросекундной чувствительностью и полезен при измерении очень быстрых переходных процессов. Правильно выбрав кристалл, разработчик может обеспечить >как хорошую линейность, так и пониженную температурную чувствительность.
Хотя пьезоэлектрические преобразователи не способны измерять статическое давление, они широко используются для оценки явлений динамического давления, связанных со взрывами, пульсациями или условиями динамического давления в двигателях, ракетных двигателях, компрессорах и других устройствах под давлением, которые подвержены быстрым изменениям. Они могут определять давление от 0, 1 до 10 000 фунтов на кв. дюйм (от 0, 7 кПа до 70 МПа). Типичная точность составляет 1% от полной шкалы с дополнительным 1% от полной шкалы на каждые 1000¡ температурного воздействия.
Пьезорезистивные датчики давления работают на основе зависимости удельного сопротивления кремния под нагрузкой. Похож на тензодатчикПьезорезистивный датчик состоит из диафрагмы, на которую наклеены четыре пары кремниевых резисторов. В отличие от конструкции тензометрического датчика, здесь сама диафрагма изготовлена из кремния, а резисторы диффундируют в кремний в процессе производства. Диафрагма завершается приклеиванием диафрагмы к необработанной кремниевой пластине.
Если датчик предполагается использовать для измерения абсолютного давления, процесс приклеивания выполняется в вакууме. Если требуется эталонный датчик давления, полость за диафрагмой сообщается либо с атмосферой, либо с эталонным источником давления. При использовании в технологическом датчике кремниевая диафрагма защищена от прямого контакта с технологическими материалами заполненной жидкостью защитной диафрагмой, изготовленной из нержавеющей стали или другого сплава, отвечающего требованиям эксплуатации в отношении коррозии.
Пьезорезистивные датчики давления чувствительны к изменениям температуры и должны иметь температурную компенсацию. Пьезорезистивные датчики давления можно использовать в диапазоне от примерно 3 фунтов на квадратный дюйм до максимум примерно 14000 фунтов на квадратный дюйм (от 21 кПа до 100 МПа).
Резонансные пьезоэлектрические датчики давления измеряют изменение резонансной частоты кристаллов кварца под действием приложенной силы. Датчик может состоять из подвешенной балки, которая колеблется, будучи изолированной от всех других сил. Луч поддерживается в колебаниях на своей резонансной частоте. Изменения приложенной силы приводят к изменениям резонансной частоты.
Эти датчики можно использовать для измерения абсолютного давления с диапазонами от 0–15 до 0–900 фунтов на кв. дюйм (от 0–100 кПа до 0–6 МПа) или для измерения дифференциального давления с диапазонами от 0–6 до 0–40 фунтов на кв. от 0-40 кПа до 0-275 кПа).
Индуктивные/редуктивные датчики давления
Ряд ранних конструкций датчиков давления был основан на магнитных явлениях. К ним относятся использование индуктивности, сопротивления и вихревых токов. Индуктивность — это свойство электрической цепи, выражающее количество электродвижущей силы (ЭДС), индуцированной заданной скоростью изменения тока, протекающего в цепи. Сопротивление — это сопротивление магнитному потоку, противостояние магнитного вещества магнитному потоку. В этих датчиках изменение давления вызывает движение, которое, в свою очередь, изменяет индуктивность или сопротивление электрической цепи. Рисунок 3-10A иллюстрирует использование линейного регулируемого дифференциального трансформатора (LVDT).как рабочий элемент преобразователя давления. LVDT работает по принципу коэффициента индуктивности. В этой конструкции три катушки подключены к изолирующей трубке с железным сердечником, который расположен внутри трубки с помощью датчика давления.
Переменный ток подается на первичную катушку в центре, и если сердечник также центрирован, во вторичных катушках (№1 и №2) будут индуцироваться одинаковые напряжения. Поскольку катушки соединены последовательно, это условие приведет к нулевому выходному сигналу. При изменении технологического давления и перемещении сердечника разность напряжений, индуцированных во вторичных обмотках, пропорциональна давлению, вызывающему движение.
Преобразователи давления типа LVDT доступны с точностью 0, 5% полной шкалы и диапазонами от 0–30 фунтов на кв. дюйм (0–210 кПа) до 0–10 000 фунтов на кв. дюйм (0–70 МПа). Они могут определять абсолютное, манометрическое или дифференциальное давление. Их основными ограничениями являются подверженность механическому износу и чувствительность к вибрации и магнитным помехам.
Сопротивление является эквивалентом сопротивления в магнитной цепи. Если изменение давления изменяет зазоры в путях магнитного потока двух сердечников, отношение индуктивностей L1/L2 будет связано с изменением технологического давления. Датчики давления на основе сопротивления имеют очень высокий выходной сигнал (порядка 40 мВ/В возбуждения), но должны возбуждаться переменным напряжением. Они чувствительны к блуждающим магнитным полям и температурным эффектам, составляющим около 2 % на 1000 °F. Из-за их очень высоких выходных сигналов они часто используются в приложениях, где требуется высокое разрешение в относительно небольшом диапазоне. Они могут охватывать диапазоны давления от 1 дюйма водяного столба до 10 000 фунтов на кв. дюйм (>от 250 Па до 70 МПа). Типичная точность составляет 0, 5% полной шкалы.
Оптический
Оптические датчики давления обнаруживают влияние незначительных движений, вызванных изменениями технологического давления, и генерируют соответствующий электронный выходной сигнал (Рисунок 3-11). В качестве источника света используется светоизлучающий диод (LED), а флюгер блокирует часть света, когда он перемещается диафрагмой. Когда технологическое давление перемещает лопасть между исходным диодом и измерительным диодом, количество получаемого инфракрасного света изменяется.
Оптические датчики давления должны компенсировать старение светодиодного источника света с помощью эталонного диода, который никогда не блокируется крыльчаткой. Этот эталонный диод также компенсирует сигнал от накопления грязи или других материалов покрытия на оптических поверхностях. Оптический преобразователь давления невосприимчив к температурным эффектам, так как исходный, измерительный и эталонный диоды в равной степени подвержены влиянию изменений температуры. Кроме того, поскольку величина перемещения, необходимая для выполнения измерения, очень мала (менее 0, 5 мм), ошибки гистерезиса и воспроизводимости практически равны нулю.
Оптические преобразователи давления не требуют особого обслуживания. Они обладают превосходной стабильностью и предназначены для длительных измерений. Они доступны в диапазоне от 5 до 60 000 фунтов на кв. дюйм (от 35 кПа до 413 МПа) и с точностью 0, 1% от полной шкалы.
Практические соображения
В промышленных приложениях хорошая воспроизводимость часто важнее абсолютной точности. Если давление процесса варьируется в широком диапазоне, датчики давления с хорошей линейностью и малым гистерезисом являются предпочтительным выбором.
Изменения температуры окружающей среды и технологического процесса также вызывают ошибки при измерении давления, особенно при обнаружении низкого давления и небольшого перепада давления. В таких случаях необходимо использовать температурные компенсаторы. Изменения в электропитании также снижают производительность датчиков давления. Чувствительность (S) преобразователя определяет степень изменения выходного напряжения (VO) при изменении напряжения питания (VS) при неизменном измеренном давлении (Pm) и номинальном давлении преобразователя (Pr).:
В системе измерения давления общая погрешность может быть рассчитана по методу суммы квадратов: общая погрешность равна квадратному корню из сумм всех отдельных погрешностей, возведенных в квадрат.