Зміст
Вступ
Розділ 1. Характеристика трьох імовірних датчиків для контролю тиску.
Ємнісні датчики тиску
Тензорезистивні датчики тиску
П’єзоелектричні датчики тиску
Розділ 2. Розробка конструкторської схеми вимірювання тиску
2.1. Вибір оптимального варіанту структурної схеми
Розділ 3. Розробка електричної принципової схеми інформаційно-вимірювальної системи тиску
Розділ 4 Електричні розрахунки компонентів системи вимірювання тиску
Розділ 5. Розрахунок похибки системи вимірювання тиску
Висновок
Література
Додатки
Вступ
Тиск — фізична величина, яка чисельно дорівнює силі, що діє на одиницю площі поверхні тіла та діє за напрямом зовнішньої нормалі до цієї поверхні.
Тиск позначається малою латинською літерою p.
Тиск — скалярна величина, тож не залежить від напрямку. Загальнішим поняттям, ніж поняття тиску є поняття напруження. У анізотропних середовищах деформація залежить від напрямку прикладеної сили, тому для опису дії сили в таких середовищах використовується інша величина: тензор механічних напружень. Тому поняття тиску найкраще характеризує пружні властивості газів і рідин.
У системі СІ тиск вимірюється у паскалях. 1 Па = 1 Н/м2. Іншими популярними одиницями вимірювання тиску є торр або міліметр ртутного стовпа й атмосфера або бар. Позасистемна одиниця тиску - п′єза.
Вимірювання тиску полягає у встановленні значення тиску у рідкому чи газоподібному середовищі. Це необхідно для керування технологічними процесами та забезпечення безпеки виробництва. Крім цього, цей параметр використовується при непрямих вимірюваннях інших технологічних параметрів: рівня, витрати, температури, густини і т. д. В системі СІ за одиницю тиску береться паскаль (Па).
У більшості випадків первинні перетворювачі тиску мають неелектричний вихідний сигнал у вигляді сили або переміщення і об'єднані в один блок з вимірювальним приладом. Якщо результати вимірювань необхідно передавати на відстань, то застосовують проміжне перетворення цього неелектричного сигналу в уніфікований електричний або пневматичний. При цьому первинний і проміжний перетворювачі об'єднують в один вимірювальний перетворювач.
Для вимірювання тиску використовують власне манометри та його різновиди: вакуумметри, мановакуумметри, дифманометри, а також, напороміри, тягоміри, тягонапороміри, датчики тиску, барометри та ін.
Абсолютний тиск, (pабс) — це тиск, для вимірювання якого за початок відліку беруть тиск, що дорівнює нулю. За початок відліку абсолютного тиску приймають тиск усередині посудини, з якої повністю видалене повітря.
Надлишковий тиск (pнадл) — різниця між абсолютним і барометричним (атмосферним) тисками.
Атмосферний (барометричний) тиск (pб) — тиск, створюваний масою повітряного стовпа земної атмосфери. Його значення, що залежить від висоти місцевості над рівнем моря, географічної широти та метеорологічних умов.
Розділ 1. Характеристика трьох імовірних датчиків для контролю тиску
Ємнісні датчики тиску.
Ємнісні датчики тиску реалізуються на основі кремнієвих діафрагм. У таких датчиках переміщення діафрагми щодо опорної пластини змінює ємність між ними. Ємнісні датчики працюють найефективніше при невисоких тисках.
Монолітні ємнісні датчики тиску, виготовлені з кремнієвих кристалів, володіють максимальною стабільністю робочих характеристик. Переміщення діафрагми може забезпечити 25% зміни ємності в широкому діапазоні значень, що робить можливим проведення прямого оцифрування результатів вимірювань.
Рис.1.1. Ємнісний датчик тиску
1 - капіляр; 2, 3 - мембрана; 4, 5 - основа; 6 -ізолятор, 7 - конус (обкладка конденсатора); 8 - обкладка конденсатора, 9 - прокладка; 10 – підмембранна камера
Тензорезистивні датчики тиску.
До складу датчиків такого типу входять два компоненти: пластина відомої площі і детектор, вихідний сигнал якого пропорційний прикладеній силі.
Датчик тиску з кремнієвою діафрагмою складається з самої діафрагми і вбудованих в неї дифузійним методом тензорезистивних перетворювачів. Так як монокристалічний кремній має дуже хороші характеристиками пружності, в такому датчику відсутня повзучість і гістерезис навіть при високому тиску.
Коефіцієнт тензочутливості кремнію у багато разів перевищує аналогічний коефіцієнт тонкого металевого провідника. Зазвичай тензорезистори включаються по схемі моста Уітстона.
Максимальна вихідна напруга таких датчиків зазвичай становить кілька сот мілівольт, тому на їх виході ставляться підсилювачі сигналів. Кремнієві резистори мають досить сильну температурну чутливість, тому завжди при розробці датчиків на їх основі необхідно передбачати ланцюг температурної компенсації.
Рис.1.2. Тензорезистивний датчик тиску на кремнієвій діафрагмі
Рис.1.2.1. Тензорезистивний датчик різниці тисків:
1 - корпус; 2 - електричні висновки, 3 - контактні провідники; 4 - кремнієвий чутливий елемент; 5 - тензорезистори, 6 - область з'єднання кристала і підкладки; 7 – термокомпенсуюча підкладка; 8 - область з'єднання підкладки і корпусу; 9 - підмембранна порожнина, 10 - отвір в підкладці; 11 - захисний гель
П’єзоелектричні датчики тиску.
П'єзоелектричний датчик - вимірювальний перетворювач механічного зусилля в електричний сигнал; його дія заснована на використанні п'єзоелектричного ефекту (див. рис 1.3 ). Один з варіантів конструкції п'єзоелектричного датчика тиску показаний на рис . Під дією вимірюваного тиску на зовнішній і внутрішній сторонах пари пластин п’єзоелектрика виникають електричні заряди, причому сумарна ерс (електрорушійна сила) (між виводом і корпусом) змінюється пропорційно тиску. П'єзоелектричний датчик доцільно застосовувати при вимірі бистрозмінюючого тиску; якщо тиск міняється повільно, то зростає похибка перетворення із-за «стікання» електричного заряду з пластин на корпус. Включенням додаткового конденсатора паралельно п'єзоелектричного датчика, можна зменшити погрішність виміру, проте при цьому зменшується напруга на виводах датчика.
Рис.1.3. П'єзоелектричний датчик:
Р — вимірюваний тиск; 1 — п’єзопластіни; 2 — гайка з діелектрика; 3 — електричний вивід; 4 — корпус (службовець другим виводом); 5 — ізолятор; 6 — металевий електрод.
Отже, оцінивши вище розглянуті датчики, можна зробити висновок, що найбільш доцільно використовувати п’єзоелектричні датчики. Основні переваги п'єзоелектричних датчиків — їх високі динамічні характеристики і здатність сприймати коливання тиску з частотою від десятків гц до десятків Мгц. Застосовуються вони при тензометричних вимірах, у вагових і сортувальних (по вазі) пристроях, при вимірах вібрацій і деформацій і т.д.