Измерители гидростатического давления.

Измерение давления осуществляется датчиками, расположенными на дне при небольших глубинах или находящимися в фиксированном положении ниже поверхности воды. На каждый датчик при этом воздействуют столб воды и атмосферное давление. Это суммарное давление медленно меняется в связи с наличием в море длиннопериодных колебаний и происходящих атмосферных процессов. Волновой профиль накладывается на эти медленные изменения суммарного давления. Для измерения поверхностного волнения в этом случае используются различного типа датчики гидростатического давления.

Измерение колебаний гидростатического давления чаще всего базируется на использовании упругой деформации (перемещения) чувствительного элемента под действием приложенной разности давлений, т.е. мерой приложенного давления является линейно связанная с ним деформация. Упругим элементом в датчиках давления являются мембраны (плоские или гофрированные), сильфоны и трубчатые пружины. В свою очередь размер деформации измеряется с помощью механических, электрических, магнитных, оптических и других систем, а по использованному методу преобразователи классифицируются на резистивные, индуктивные, емкостные, резонансные и пьезоэлектрические. Рассмотрим коротко упругие элементы и методы преобразования информации.

Упругая мембрана является универсальным датчиком давления. Варьируя ее толщину и диаметр, а также применяя соответствующие материалы, удается использовать датчики этого типа для очень широкого диапазона измеряемых давлений. Для получения одинаковых температурных коэффициентов расширения желательно изготовлять мембранные преобразователи и корпуса этих преобразователей из одного и того же материала, что обеспечивает в определенной степени репрезентативность измерений.

Собственная частота мембраны определяет верхний частотный диапазон применения прибора. Высокие частоты можно получить путем увеличения толщины и уменьшения диаметра мембраны, что, правда, связано с уменьшением чувствительности. Практически идеальная линейность зависимости максимального прогиба мембраны от давления обеспечивается, если размер прогиба не превышает 0,3 ее толщины.

Максимально допустимое смещение в центре мембраны можно увеличить за счет более эффективного распределения деформации по диаметру мембраны, что обеспечивает гофрированная мембрана или мембранная коробка. Перемещение центра гофрированной мембраны может достигать 4 % радиуса. Профили гофров могут быть синусоидальными, пилообразными, трапециевидными. Преимущественное влияние на характеристику оказывает глубина гофрирования и число гофров при заданном диаметре мембраны. Гофрированные мембраны могут соединяться в коробке при пропорциональном возрастании перемещения центра. Мембранные анеройдные коробки обеспечивают большее перемещение по сравнению с максимально возможным для одиночной мембраны, но наряду с высокой чувствительностью они обладают существенной нелинейностью. Их целесообразно применять в устройствах для измерения малой изменчивости давлений, например при использовании волновых пульсаций давления.

Самым распространенным датчиком с упругим чувствительным элементом, особенно при зондировании и исследованиях колебаний уровня, являются сильфонные преобразователи, обладающие малой жесткостью и позволяющие получать большие линейные перемещения центра.

В качестве преобразователей распространены также трубчатые пружины., так называемые трубки Бурдона, представляющие собой трубки эллиптического или овального сечения, согнутые по дуге окружности с центральным углом 180-270°. Один конец пружины неподвижен, другой связан с механической регистрирующей системой.

Таким образом, мерой значения давления при использовании мембранных преобразователей является упругая деформация, или максимальный прогиб.

Методы регистрации размера прогиба мембраны: с помощью реостатных преобразователей, резистивных преобразователей, индуктивных преобразователей, резонансных преобразователей, пьезоэлектрических датчиков, туннельных диодов.

Реостатные преобразователи отличаются простотой конструкции и используются при больших перемещениях жесткого центра (сильфоны) или некоторой точки (трубки Бурдона). Они представляют собой резистор из высокоомного провода с минимально возможным температурным коэффициентом сопротивления (ТКС), который намотан на цилиндрический каркас с изолированными витками, а ползунок реостата скользит по очищенному от изоляции участку.

Резистивные преобразователи можно подразделить на проволочные и полупроводниковые тенаорезисторы. Принцип действия проволочных тензорезисторов основан на изменении сопротивления металлических проводников при их деформации. Так, сопротивление проводника R определяется выражением

R = ρ l/S

где р — удельное электрическое сопротивление; I — длина; S — площадь поперечного сечения. При наличии продольной и поперечной деформации (растяжение и сжатие) изменяются его длина и площадь поперечного сечения, т. е. сопротивление. Металлические тензометры обычно изготовляют из материалов с высоким удельным сопротивлением и малым ТКС (Константин, манганин, нихром и т. п.) в виде проволочной сетки или сетки из узких полосок фольги, наклеиваемых на подложку, или в виде тонких металлических пленок (20—50 мкм), напыляемых на непроводящую подложку, которую в свою очередь приклеивают к упругому элементу, например к мембране.

Полупроводниковые тепзорезасторы имеют коэффициент тензо-чувствительности почти на два порядка выше, чем проволочные. Различают продольную, поперечную и сдвиговую тензочувствитель-ности, характеристики которых зависят от того, каким образом тен-зокластинка вырезана из кристалла. Обычно делают так, чтобы сдвиговая чувствительность была близка к нулю. Зависимость сопротивления полупроводникового тензорезистора от деформации в направлении продольной оси

где R₀ — сопротивление ненагруженного тензорезистора; k₁ и k₂ — коэффициенты; ε— относительная деформация.

Для измерения гидростатического давления довольно широко используются интегральные тензорезисторпые преобразователи (ТП), как правило, на базе монокристаллического кремния. В основном это объясняется высокой степенью изученности его характеристик и апробированностью технологии изготовления датчиков на его базе.

Наиболее полно возможности этого материала раскрылись при использовании полупроводниковых чувствительных элементов (ПЧЭ) на основе гетероэпитаксиальных структур класса «кремний на диэлектрике» и особенно «кремний на салфире» (КНС).

Временная нестабильность ТП ПЧЭ на основе структур КНС может быть не хуже ±0,005 % за полгода, а максимальное отклонение не превышает 0,04 % диапазона измерений. В настоящее время в ТП на основе КНС используются ПЧЭ практически только в виде плоских мембран с термочувствительной схемой. При этом ПЧЭ жёстко связан с упругим элементом ТП. Одна из существенных особенностей интегральных кремниевых ТП — нестабильность схемной компенсации погрешностей (особенно температурной) измерений. Однако в настоящее время использование микропроцессоров позволяет избавиться от этих недостатков и даже расширить функциональные возможности датчиков.

В Воронежском политехническом институте разработан малогабаритный (длиной 5 мм и диаметром 0,05 мм) датчик с нитевидным кристаллом кремния в качестве первичного преобразователя. В таком датчике нитевидный кристалл кремния наклеивается на металлическую мембрану герметизированного стандартного корпуса микросхемы. Изменение гидростатического давления приводит к прогибу мембраны и соответственно к деформации растяжением наклеенного на нее нитевидного кристалла кремния и изменению напряжения на нем. Это напряжение пропорционально давлению с нелинейностью преобразования около 10^-3. Диапазон измеряемых этим датчиком значений давления 0—10⁵ Па с чувствительностью 10^-8—10^-7 В/Па.

Так же широко используются датчики давления на основе пьезорезисторного эффекта. В качестве чувствительного элемента в них чаще всего применяется тонкая кремниевая мембрана, выполняемая анизотропным травлением в кремниевой подложке n-проводимости. На поверхности мембраны с помощью диффузии или ионной имплантации формируется схема из четырех резисторов, образующих мост Уитсона. При этом резисторы располагают так,, чтобы два из них испытывали растяжение, а два — сжатие. Фирма «Endevco» (США) использует в таких датчиках не однородную по толщине, а специальным образом профилированную мембрану с концентраторами механических напряжений в месте расположения тензорезисторов. Это значительно увеличивает прочность мембраны и позволяет получить более высокую чувствительность при сохранении собственной резонансной частоты либо увеличить резонансную частоту при сохранении чувствительности.

Пьезорезисторные датчики обладают широким диапазоном измерения (0—140 мВ), высоким уровнем выходного сигнала (300—500 мВ), высокой резонансной частотой (45 кГц;—1 МГц), высокой точностью измерений (+0,25 %), температурной компенсацией, виброустойчивостью, малыми габаритными размерами и массой (до 11 г).

Индуктивные преобразователи используют воздействие перемещения чувствительного элемента на один или несколько определяющих параметров магнитной цепи, что вызывает изменение индуктивности. Обычно используют дифференциальные схемы, в которых мембрана располагается между двумя катушками индуктивности, когда изменение размера прогиба одновременно увеличивает индуктивность одной катушки и уменьшает индуктивность другой.

Резонансные преобразователи используют струны, тонкие металлические пластины, цилиндры и пьезокварцевые пластины, в которых резонансная частота колебаний пропорциональна измеряемому давлению. Наибольшее распространение в океанологической практике нашли струнные преобразователи (вибротроны), в которых собственная частота колебаний натянутой струны f соответствует выражению

где F — сила натяжения струны; m — масса; l — длина; Δl — удлинение струны; Е — модуль Юнга; ρ — плотность материала струны.

Прогиб мембраны вызывает изменение частоты собственных колебаний струны и силы ее натяжения (ее удлинение).

Струна изготавливается обычно в виде стальной проволоки или ленты, а ее жесткость, как правило, значительно меньше жесткости мембраны. Принцип работы устройства (рис. 5.3) следующий. Электрическая система в виде приемника (1) (катушка с сердечником), усилителя (2) и электромагнита (3) создает автоколебания струны на ее резонансной частоте. Любое случайное отклонение струны, обладающей некоторой остаточной намагниченностью, вызывает в приемнике появление электрического импульса, который после усилителя создает на электромагните магнитное поле, притягивающее струну, и процесс повторяется. Таким образом, устанавливаются незатухающие механические колебания струны на ее резонансной частоте. Частота же соответствующих колебаний несет информацию о деформации мембраны. Собственная частота струны подобных датчиков составляет несколько кГц. Погрешность составляет 1—3 %. Они используются, как правило, для измерения гидростатического давления, в том числе и в измерителях уровня.

Для измерений гидростатического давления (особенно высокоточных) в основном используют пьезоэлектрические датчики с применением кварцевого элемента соответствующего среза. Подобный метод позволяет фиксировать колебания уровня открытого моря на глубинах свыше 1000 м с погрешностью не хуже ±1—2 см. Достоинством таких датчиков являются: высокая стабильность характеристик; непосредственный выход информации; дискретность цифрового отсчета; легкость преобразования частота—код при сопряжении с каналом телеметрии. Однако выходной сигнал пьезоэлектрического датчика в значительной степени зависит от изменений температуры окружающей среды. Принцип действия подобных преобразователей основан на зависимости собственной резонансной частоты кварцевой пластины, являющейся их чувствительным элементом, от измеряемого давления. Для возбуждения колебаний пластины используется пьезоэффект кварца.

Конструкция кварцевого преобpазователя, например, фирмы «Хьюлетт Паккард» (по И- С. Ковчину) представляет собой (рис. 5.4) монолитный кристаллический блок. (Л с внутренней линзой (3), изготовленной из одной массы кварцевого стекла. Блок цилиндрической формы герметично закрыт с обеих сторон крышками (2) и (5), вырезанными из кристалла кварца таким образом, чтобы ориентация их кристаллографических осей совпадала с направлением таковых всего кристаллического блока. Он в свою очередь располагается внутри металлическою цилиндра (4), заполненного жидкостью и снабженного с одной стороны мягкой мембраной (6). Измеряемое гидростатическое давление через мембрану передается внутрь цилиндра, а заполняющая цилиндр жидкость подвергает монокристаллический кварц всестороннему сжатию. Частота собственных колебаний, возбуждаемых в линзе, меняется в зависимости от возрастающего давления. Для снятия этих колебаний на линзу напыляются два серебряных электрода, электрически связанных с контактами, расположенными снаружи цилиндра- Подобная система имеет добротность порядка 10е, что обеспечивает погрешность измерения уровня моря не более +1 см на глубинах до 5000 м. Для снижения температурной погрешности применено двойное термостатирование кварца со стабильностью до ±0,05 "С, что обеспечивает дрейф характеристики датчика за 1 месяц не более чем на +2 см.

В последнее время появились разработки устранения температурной погрешности в пьезокварцевых датчиках. В частности, путем алгоритмического разделения микропроцессором информации о гидростатическом давлении и температуре чувствительного элемента, что позволяет далее расширить его функциональные возможности и измерять две физические величины одним датчиком.

Туннельный диод является весьма перспективным прибором для измерения гидростатического давления. Туннельный диод — полу­проводниковый прибор, вольт-амперная характеристика которого имеет падающий участок за счет туннельного эффекта между р- и п-выраженными проводниками. В этом случае электроны без затраты энергии проходят через потенциальный барьер, которым является тонкий (порядка 100А) обеднённый слой, разделяющий в туннельном диоде область с большим числом электронов в зоне проводимости материала n-типа и большим числом дырок в материале p – типа.

В общем виде принцип работы туннельного диода:

При использовании ТД в качестве датчика давления параллельно ему включают сопротивление. В средней части вольт-амперная кривая горизонтальна, так как выбранное шунтирующее сопротивление равно отрицательному сопротивлению. Колебания гидростатического давления вызывают смещение вольт-амперной кривой., это смещение и используется для измерения давления. Использование туннельного диода как датчика позволяет получать преобразователи очень малых размеров (линейный размер менее 1 мм) и с частотным выходом. Частота в этом случае может быть линейной функцией гидростатического давления.

Волнограф модели 521 фирмы «Гидро Продукт» (США) предназначен для измерения высоты и периода волн при температуре окружающей среды 10-50 °С и является абсолютно автономной системой. В его состав входят полупроводниковый тензометрический датчик, преобразователь, самописец с записью результатов измерений на ленте и блок питания. На ленте самописца воспроизводится легко воспринимаемая аналоговая запись средних характеристик высот волн от 0 до 3 м для средних периодов волн 5-20 с. Непрерывная запись амплитуды волны осуществляется в течение 400 с каждые 1000 с. В течение этого промежутка времени определяется средний период волны по среднему времени между двумя моментами пересечения волной нулевого уровня. Точность регистрации по всем измеряемым параметрам составляет ±2 % от всей шкалы, а точность по времени в пределах ±10 %, причем данные о высоте волны автоматически корректируются установкой глубины датчика.

Измерительная схема волнографа помещена в анодированную алюминиевую сферу, состоящую из двух разделяемых полусфер с фланцевым соединением. Полусферы кроме анодирования для предотвращения обрастания подвергнуты термообработке и покрыты изнутри и снаружи эпоксидной смолой и краской. Диаметр сферы 273 мм, а толщина стенок 12,7 мм.

В рабочем положении сфера помещается для удобства эксплуатации в стальную поддерживающую раму, снабженную приспособлением для установки сферы в необходимом положении по отношению ко дну. Высота рамы 667 мм, а длина и ширина 508 мм. Автономность работы волнографа 7 суток, а в случае использования внешнего контейнера с дополнительным блоком питания автономность работы увеличивается до 30 суток. В качестве источника питания используются никель-кадмиевые батареи. Волнограф устанавливают на глубину не более 15 м, причем его можно устанавливать на дно или на АБС на больших глубинах.

Более высокая точность измерения характеристик волнения (не хуже ±1 % от всей шкалы) достигнута в аналогичной системе, выпускаемой также фирмой «Гидро Продукт», - дистанционном анализаторе волн модели. 621-S.

Система охраняемых территорий в США Изучение особо охраняемых природных территорий(ООПТ) США представляет особый интерес по многим причинам...

ЧТО И КАК ПИСАЛИ О МОДЕ В ЖУРНАЛАХ НАЧАЛА XX ВЕКА Первый номер журнала «Аполлон» за 1909 г. начинался, по сути, с программного заявления редакции журнала...

ЧТО ПРОИСХОДИТ, КОГДА МЫ ССОРИМСЯ Не понимая различий, существующих между мужчинами и женщинами, очень легко довести дело до ссоры...

Конфликты в семейной жизни. Как это изменить? Редкий брак и взаимоотношения существуют без конфликтов и напряженности. Через это проходят все...

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте: