Резонансные сенсоры давления и датчики давления на их основе
Известно, что частота свободных колебаний струны музыкального инструмента зависит от длины струны и степени её натяжения.
Это свойство можно использовать для построения сенсора, чувствительного к величине прикладываемого давления.
Устройство, основанное на этом принципе, показано на следующем рисунке:
Компания Foxboro использовала данный принцип преобразования давления в частоту в своем раннем резонансном проводном датчике давления.
Позже, корпорация Yokogawa Японии применила кремниевый микрорезонатор в качестве сенсора, ставший основанием для их успешной линии датчиков давления «DPharp».
Фотография датчика давления Yokogawa модель EJA110 с использованием данной технологии:
Давление процесса поступает через порты в двух фланцах, воздействует на пару разделительных диафрагм, сообщая движение чувствительной диафрагме через заполняющую жидкость, где резонансные элементы изменяют свою частоту колебаний с изменением деформации диафрагмы. Электронный блок, находящийся в верхнем корпусе, преобразует изменение частоты резонаторов в стандартный выходной сигнал, пропорциональный приложенному давлению.
Это, конечно, датчик дифференциального (разностного) давления. Даже когда датчик разобран частично, он не выглядит очень отличимым от датчика на основе дифференциального конденсатора:
Существенные отличия скрыты от наблюдателя внутри капсулы сенсора, хотя, функционально этот датчик является почти таким же, как его кузен на основе дифференциального конденсатора. В нём так же используются заполняющая жидкость и разделительные диафрагмы, чтобы защитить тонкие кремниевые резонаторы от потенциально разрушительных жидкостей и газов процесса, и от воздействия сверхдавлений.
Интересное преимущество резонансного элемента сенсора давления состоит в том, что сигнал сенсора очень легко преобразовать в цифровую форму. Вибрация каждого резонансного элемента воспринимается пакетом электроники как переменный ток «подсчитана» по заданному промежутку времени и преобразована в цифровой вид. Кварцевый кристалл электронного генератора чрезвычайно точен, обеспечивает стабильный эталон частоты, необходимый для задания промежутка времени для подсчета количества периодов измеряемой частоты.
В проекте Yokogawa «DPharp», два резонансных элемента колеблются с номинальной частотой 90 кГц. Поскольку чувствительная диафрагма деформируется под действием приложенного дифференциального давления, один резонатор испытывает растяжение, а другой сжатие. Частота резонаторов при этом изменяется в разных направлениях в пределах до 20 кГц.
Электроника датчика определяет эту разницу в частоте двух резонаторов, преобразуя её в стандартный сигнал, пропорциональный давлению процесса.
Тензорезистивные сенсоры и датчики давления на их основе
Сенсор представляет собой резистор, проводник которого наклеен, напылён или нанесён другим способом на подложку, способную деформироваться под действием приложенной силы. Вместе с подложкой деформируется и жёстко связанный с ней проводник резистора. При деформации проводника изменяется его длина и поперечное сечение. Соответственно, будет изменяться и его сопротивление. Измеряя сопротивление тензорезистора можно определить приложенное к подложке давление.
Классический пример тензорезистора можно увидеть на следующей фотографии:
Обычно, в реальных устройствах, тензорезистор наклеивается на пружинную диафрагму. Под воздействием приложенного давления диафрагма деформируется, вместе с ней деформируется и тензорезистор.
Классическая система тензорезистивного сенсора, представленная на предыдущей иллюстрации, сделана из металла, проводника и подложки. При деформации в упругих пределах применяемого металла можно многократно нагружать сенсор без увеличения погрешности. Металлы, однако, подлежат усталости при повторных циклах нагружения, и они начинают «течь», если напряженность выше их упругого предела. Это общий источник ошибки металлических тензорезистивных сенсоров: если приложено давление выше нормы, они имеют тенденцию потерять точность из-за пластической деформации подложки и резистора.
Современные технологии производства сделали возможным изготовление подложки из кремния вместо металла. Кремний показывает высокие линейные упругие свойства в узком диапазоне деформаций и высокое сопротивление к усталости. Когда кремниевый тензорезистивный сенсор перенапрягается, он разрушается полностью, а не «течёт», как металлический сенсор. Это считают лучшим результатом, поскольку это ясно указывает на потребность в замене сенсора, тогда как металлический тензорезистивный сенсор продолжает функционировать после перенапряжения. Чтобы определить его неисправность, датчик давления необходимо демонтировать и проверить на установке для калибровки.
Упрощенная иллюстрация диафрагма / тензорезистор показана здесь:
Перемещение и изгиб диафрагмы под действием входного давления деформирует тензорезистор. На выходе появляется напряжение, пропорциональное измеряемому давлению. Это напряжение можно усилить и преобразовать в стандартные сигналы: аналоговый 4 — 20 ма или цифровые типа HART, FOUNDATION Fieldbus или другие.
В некоторых проектах, единственный кремниевый композит служит в качестве и диафрагмы и подложки тензорезистора. Так, практически полностью, используются превосходные механические свойства кремния (высокая линейность и низкая усталость). Однако, кремний химически несовместим со многими средами процесса, и поэтому давление должно быть передано кремниевой диафрагме/тензорезистору через химически инертную среду. Для этой цели устанавливают гибкую неупругую разделительную диафрагму, на которую действует измеряемое давление. Пространство между разделительной диафрагмой и кремниевой диафрагмой заполняют жидкостью (обычно на основе силикона или фторуглерода). Разделительная диафрагма передает давление процесса заполняющей жидкости, которая в свою очередь передает давление кремниевой диафрагме/тензорезистору.
Ниже приведена схема такого прибора:
Разделительная диафрагма разработана так, чтобы быть намного более гибкой, чем кремниевая диафрагма, потому что ее цель состоит в том, чтобы передать без изменений давление процесса до заполняющей жидкости, чтобы не действовать как упругий элемент. Таким образом, кремниевый датчик испытывает то же самое давление, что и приложенное к разделительной диафрагме, не входя в непосредственный контакт с жидкостью или газом технологического процесса.
Это использование заполняющей жидкости, чтобы передать давление от диафрагмы изоляции до чувствительной диафрагмы используется в большинстве, если не во всех, современных датчиках давления.
Пример датчика дифференциального давления, использующего тензорезистор на кремниевой подложке — модель Foxboro IDP10, показан на следующей фотографии:
Сенсор давления — дифференциальный конденсатор и датчики давления на его основе
В качестве сенсора в электронных датчиках давления широко применяется дифференциальный конденсатор.
В этой конструкции чувствительный элемент — тугая металлическая диафрагма, расположенная равноудаленно между двумя неподвижными металлическими поверхностями, образуя с ними пару электрических конденсаторов. Жидкость (обычно кремнийорганическая), заполняющая пространство между обкладками конденсатора, является хорошим эффективным диэлектриком и выполняет функцию передачи давления от разделительной диафрагмы к чувствительной диафрагме.
Любая разница давления поперек ячейки заставит диафрагму изгибаться в направлении меньшего давления. Чувствительная диафрагма — изготовленный с высокой точностью упругий элемент, смещение которого — предсказуемая функция приложенной силы. Приложенная сила в этом случае является функцией дифференциального (разностного) давления, действующего перпендикулярно поверхности диафрагмы.
Так как диафрагма является, по сути, одной из обкладок пары конденсаторов, то ёмкость конденсаторов будет изменяться при перемещении диафрагмы из-за изменения расстояния между обкладками.
Электронная схема датчика давления, выполненного на основе такого сенсора, подаёт на сенсор сигнал переменного тока и непрерывно измеряет разницу электрических емкостей пары дифференциальных конденсаторов, которая является функцией измеряемого давления.
Эти датчики давления являются очень точными, стабильными, и быстродействующими. Интересная особенность этой конструкции (две разделительные диафрагмы для передачи давления жидкости или газа технологического процесса единственной чувствительной диафрагме через внутреннюю заполняющую жидкость)-то, что твердая структура ограничивает движение разделительных диафрагм так, что ничто не может заставить чувствительную диафрагму деформироваться выше её пределов упругости.
Таким образом, решается задача устойчивости к давлениям, существенно превышающим пределы измерения прибора. Следует отметить, что задача защиты приборов, измеряющих разностное давление, от сверхдавления всегда является актуальной.
Дифференциальный датчик давления, показанный в собранном виде, на следующей фотографии:
Фотография крупным планом показывает устройство одной из разделительных диафрагм, которая в отличие от чувствительной диафрагмы разработана, чтобы быть очень гибкой. Концентрические складки в металле диафрагмы позволяют ей легко изгибаться от прикладываемого давления, передавая давление процесса через кремнийорганическую жидкость заполнения к упругой чувствительной диафрагме в дифференциальной емкостной ячейке:
На фото того же самого дифференциального емкостного датчика в разрезе, видны разделительные диафрагмы, чувствительная диафрагма, и порты, соединяющие их вместе:
Особенность, хорошо заметная на этой фотографии — маленькое расстояние между разделительной диафрагмой и внутренней металлической структурой, по сравнению с большим объемом полости, в которой находится чувствительная диафрагма.
Вспомните, что все внутренние полости заполняет жидкость, цель которой передавать давление от разделительных диафрагм к чувствительной диафрагме. Как упомянуто прежде, твердая металлическая структура ограничивает перемещение каждой разделительной диафрагмы таким образом, что они упираются в металлическую структуру прежде, чем чувствительная диафрагма может быть деформирована выше её упругого предела. Таким образом, чувствительная диафрагма защищена от повреждения сверхдавлением, потому что разделительным диафрагмам просто не позволено двигаться немного дальше.
Сенсор на базе дифференциального конденсатора по своей природе измеряет разницу давлений, приложенных между двух его сторон. В соответствии с этими функциональными возможностями, датчик давления на основе такого сенсора имеет два резьбовых порта, для подключения к технологическому процессу. Вся электронная схема, необходимая чтобы преобразовывать дифференциальную емкость датчика в электронное представление сигнала давления, размещена в синем корпусе выше капсулы давления и фланцев.
Более современная реализация датчика дифференциального давления на дифференциальном конденсаторе — Rosemount модель 3051:
Как и все датчики дифференциального давления, этот прибор имеет два порта, через которые давление может быть подано на датчик. Датчик, в свою очередь, реагирует только на разницу в давлениях между портами.
Конструкция узла дифференциального конденсатора более сложная в этом конкретном приборе для измерения давления. Разделительные диафрагмы находятся в одной плоскости, которая перпендикулярна плоскости чувствительной диафрагмы. Такой «планарный» дизайн делает датчик более компактным, чем прежние датчики. Но самое главное, он избавляет чувствительную диафрагму от воздействия натяжения болтов, стягивающих фланцы, что было одним из основных источников ошибки в предыдущих конструкциях. Не только при приложении усилий при затягивании болтов появляется погрешность измерения в прежних моделях 1151, но изменение температуры также приводит к изменению натяжения болтов, что также отрицательно сказывается на точности. По этим причинам в большинстве современных образцов датчиков давления стремятся изолировать сборку диафрагм от воздействия натяжения болтов, стягивающих фланцы.
Разрез датчика Rosemount модель 3051S («супермодуль») показывает, как это всё выглядит в реальной жизни:
Как и в классической конструкции модели 1151 Rosemount, мы видим, что заливка жидкостью выполняет множество функций:
- Заливка жидкостью защищает точную чувствительную диафрагму от контакта с грязными или коррозионными жидкостями или газами процесса.
- Заливка жидкостью позволяет применить разделительные диафрагмы для обеспечения защиты чувствительной диафрагмы от избыточного давления.
- Заливка жидкостью обеспечивает постоянную диэлектрическую проницаемость для дифференциальной емкости.
В серии «supermodule» (3051S) датчиков давления Rosemount электроника помещена в модуль сенсора из нержавеющей стали, а не в окрашенный синим верхний корпус. Эта позволяет уменьшить размер датчика, что бывает необходимым для применений в конструкциях с ограниченным пространством.
Частотно-резонансный датчик давления;
В основу такого сенсора положен известный “частотно-резонансный” принцип (при приложении давления к чувствительному элементу датчика происходит пропорциональное изменение частоты собственных колебаний резонатора). Этот принцип можно наглядно продемонстрировать на примере струны: натяжение струны контролируется ее собственной частотой колебаний (тоном). При натяжении струны ее тон (частота собственных колебаний) становиться выше, при ослаблении – ниже. При колебаниях струны в магнитном поле в ней возникает переменная ЭДС с частотой, равной частоте колебаний струны.
На этом принципе основана работа сенсоров давления DPHarp (Differential Pressure High Accuracy Resonant Pressure sensor) фирмы Yokogawa. Уникальность сенсора DPHarp заключается в том, что конструкция имеет чрезвычайно малые размеры (десятки микрон) в виде единого монокристалла кремния (кремниевый резонатор) без всяких швов, стыков и т.п.
Рассмотрим конструкцию сенсора (рис.9). В качестве упругого элемента используется кремниевая диафрагма, на которой расположены два чувствительных элемента. Чувствительные элементы – резонаторы расположены так, что их деформации отличаются по знаку при приложении разности давлений к сенсору.
Рис. 9. Сенсор давления DPHarp фирмы Yokogawa.
Рис. 10. Электрическая схема частотного преобразователя.
Возбуждение колебаний и передача частоты механических колебаний в электрический, частотный сигнал происходят путем помещения двухконтурных резонаторов в постоянное магнитное поле (рис. 10-11) и пропускания переменного электрического тока через тело резонатора в контуре возбуждения. Благодаря эффекту электромагнитной индукции, в измерительном контуре возникает переменная ЭДС с частотой, равной частоте колебаний резонатора измерительного контура. Обратная связь контура возбуждения по измерительному контуру вместе с эффектом сдвига частоты вынужденных колебаний в сторону резонансной частоты обеспечивают постоянное соответствие частоты электрических колебаний резонансной (собственной) частоте механических колебаний тела резонатора. Собственная частота такого ненагруженного резонатора составляет около 90 кГц.
Рис. 11. Схема частотного преобразователя.
Резонансный принцип измерения давления
Резонансный принцип измерения давления основан на преобразовании резонатора деформации в частоту колебаний.
Конструкция и схема подключения резонансного сенсора представлены на рисунке. Сенсор представляет собой монокристаллическую кремниевую мембрану специальной конструкции, на которой методом эпитаксиального наращивания сформированы два резонатора Н-образной формы. Мембрана закреплена на стеклянной подложке, разность давлений от внешних разделительных мембран датчика передается на сенсор через силиконовое масло. Резонаторы находятся в поле постоянного магнита, и каждый из них подключен в качестве частотно-задающего элемента в цепь обратной связи генератора переменного напряжения. За счет пьезоэлектрического эффекта, которым обладает кремний, напряжение на одной паре контактов резонатора преобразуется в его деформацию, а затем обратно в напряжение на другой паре контактов. В результате в цепи генерируется синусоидальное переменное напряжение на собственной частоте резонатора, поскольку он обладает очень высокой добротностью. Кварцевые резонаторы более простой конструкции повсеместно используются в электронике в качестве высокостабильных частотнозадающих элементов. Хорошо известно, что собственная частота такого резонатора определяется только тремя параметрами: его массой, геометрическими размерами и модулем Юнга.
При приложении к сенсору разности давлений мембрана изгибается, в результате ее деформации собственные частоты резонаторов изменяются пропорционально приложенному давлению. Сенсор спроектирован таким образом, что один резонатор при этом растягивается, а другой сжимается. Соответственно частота первого резонатора уменьшается, а второго увеличивается. Разность этих частот, прямо пропорциональная разности давлений, измеряется электронным модулем датчика и по ней вычисляется разность давлений. Дифференциально-резонансный принцип измерения и конструкция кремниевого резонансного сенсора обладают целым рядом очень важных преимуществ и обеспечивают разработчикам практически неограниченные возможности для совершенствования датчиков давления.
Во-первых, резонансный сенсор благодаря абсолютным упругим свойствам монокристаллического кремния не имеет гистерезиса (<0,001% измеряемой величины, в пределах погрешности эталонных средств измерения) и практически лишен нелинейности (<0,003% измеряемой величины). Собственные частоты резонаторов (порядка 90 кГц) лежат далеко за пределами спектра промышленных шумов, что обеспечивает сенсору иммунитет к вибрации.
Разность давлений: ∆P ~ f1 – f2. Статическое давление: Рст. ~ f1΄ – f1. Температура: T ~ R.
Равнозначность сторон высокого и низкого давления:
если ∆P < 0, то f1 < f2.
Во-вторых, дифференциальный выходной сигнал сенсора в сочетании с очень низким коэффициентом температурного расширения кремния (<10-5 °C-1) обеспечивает самокомпенсацию сенсора относительно влияния температуры (<0,001%/°C) и статического давления. Поскольку резонаторы идентичны, изменение температуры и статического давления приводит к сдвигу резонансных частот на одну и ту же величину, тогда как разность давлений изменяет разность частот. Кроме того, дифференциальный резонансный сенсор позволяет одновременно измерять сразу три величины: разность давлений, статическое давление и температуру. В-третьих, у резонансного сенсора отсутствуют факторы дрейфа, поскольку монокристаллический кремний химически инертен и не подвержен “усталости”, что обеспечивает практически абсолютную стабильность. Ниже приведены результаты многолетних исследований стабильности одного из первых серийно изготовленных резонансных сенсоров.
В-четвертых, частотный выходной сигнал с сенсора не требует аналого-цифрового преобразования. Резонансные частоты измеряются непосредственно цифровыми счетчиками с очень высокой точностью (<0,004% в серийных датчиках).
1. Информатика: учебник.- 3-е переработанное изд. /Под ред. Н.В. Макаровой.- М.: Финансы и статистика, 2006. – 768с.
2. Ефимова О., Морозов В., Шафрин Ю. “Курс компьютерной технологии в двух томах” Москва, АБФ, 1998.
3. Голицына О.Л., Партыка Т.Л., Попов И.И. Программное обеспечение: учебное пособие.- М.: ФОРУМ: ИНФРА – М, 2006.- 432с.
4. Н.В. Максимов, Т.Л. Партыка, И.И. Попов Архитектура ЭВМ и вычислительных систем: Учебник. М: ФОРУМ: ИНФРА – М, 2006.- 512с.
5. Куприянов А.Н. Основы защиты информации: учебное пособие для студентов высших учебных заведений / А.И. Куприянов, А.В. Сахаров, В.А. Шевцов. – М.: Издательство центр «Академия», 2006.- 256с.
6. Шафрин Ю.А. Информационные технологии в 2ч. Ч.1: Основы информатики и информационных технологий / Шафрин Ю.А. – М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2004. – 316с.
7. Шафрин Ю.А. Информационные технологии в 2ч. Ч.2: Офисная технология и информационные системы/ Шафрин Ю.А.- М.: Бином. Лаборатория знаний, 2004. -316с.
8. Максимов Н.В., Попов И.И. Компьютерные сети: Учебное пособие.- М.: ФОРУМ: ИНФРА – М, 2005. 336с.
9. Гуда А.Н., Бутакова М.А., Нечитайло Н.М., Чернов А.В. Информатика. Общий курс: Учебник / Под ред. академика РАН В.И. Колесникова. – М.: Издательско-торговая корпорация «Дашков и Ко»; Ростов н/Д: Наука-Пресс, 2006. – 400 с.
Поиск по сайту:
Главная
О нас
Популярное
ТОП
Новые страницы
Случайная страница
Изречения для студентов
Пожаловаться на материал
Обратная связь
FAQ
