лабораторна робота - Сапфір-22д
Мета роботи: вивчення принципів вимірювання тиску і витрати, дослідження конструкції та характеристик перетворювача різниці тисків "Сапфір-22ДД".
Вимірювання тиску необхідне практично в будь-якій галузі науки і техніки як при вивченні фізичних процесів, що відбуваються в природі, так і для нормального функціонування технічних пристроїв і технологічних процесів, створених людиною. Тиск визначає стан речовин у природі (тверде тіло, рідина, газ). За тиском контролюють стан робочих середовищ у різних технологічних процесах нафтохімічної промисловості.
Сучасні засоби вимірювань тиску є вимірювальні системи, ланки яких мають різне функціональне призначення. Найважливішим елементом будь-якого засобу вимірювання тиску є його чутливий елемент (ЧЕ), який сприймає вимірюваний тиск і перетворює його на первинний сигнал, що надходить у вимірювальний ланцюг приладу. За допомогою проміжних перетворювачів сигнал від ЧЕ перетворюється на показання манометра, а у вимірювальних перетворювачах (ІПД) - в уніфікований вихідний сигнал, що надходить до системи вимірювання, контролю, регулювання та управління. При цьому проміжні перетворювачі та вторинні прилади у багатьох випадках уніфіковані та можуть застосовуватись у поєднанні з ЧЕ різних типів.
Принцип дії резистивних манометрів ґрунтується на зміні активного опору провідника при його механічній деформації. Вперше цей ефект (тензоефект) було розглянуто англійським фізиком В.Томпсоном у 1856р. Основною характеристикою тензоефекту є коефіцієнт відносної тензочутливості, який визначається як відношення зміни опору провідника до зміни його довжини:
де - відносна зміна опору;
Для твердих тіл відносна зміна опору залежить від зміни геометричних розмірів, так і від зміни питомого опору :
(2)
де
- Зміна питомого опору матеріалу,
пов'язане із зміною його фізичних властивостей.
Принципова відмінність тензометричного методу вимірювання тиску полягає в тому, що мірою тиску є не переміщення заданої точки УЧЕ в осьовому напрямку, а деформації поверхні УЧЕ
чи поверхні пов'язаного з ним тіла. Виділяють такі основні типи тензорезисторів: дротяні, фольгові, тонкоплівкові та напівпровідникові. При цьому знаходять застосування два основні види перетворення тиску:
- тиск, що сприймається УЧЕ, викликає деформацію його поверх
ності ( що розтягує або стискає), яка перетворюється на
зміна електроопору тензорезистора;
- тиск, що сприймається УЧЕ, перетворюється на зосереджену
силу, яка деформує пружне тверде тіло із жорстко пов'язаним
із ним тензорезистором.
На відміну від металевих тензорезисторів, опір яких змінюється внаслідок деформації поперечного перерізу, напівпровідникових тензорезисторах чутливим до натягу є питомий опір, який займає дуже широкий діапазон значень. Якщо питомий опір провідників перебуває у діапазонах від 10"5 до 10"8 Ом*м, а діелектриків від 10'° до 1016Ом*м , то діапазон питомих опорів напівпровідників тягнеться від 10
5 до 104, тобто. охоплює майже десять порядків. Крім цього опірнапівпровідників істотно залежить від вмісту в них домішок, підбором яких можна змінювати опір у потрібному напрямку. Кількість вільних носіїв зарядів (електронів і дірок) визначає провідність, а отже, і питомий опір напівпровідника. При цьому чутливість такого тензорезистора до його деформації значно вища, ніж зміна опору під впливом зміни поперечного перерізу. Тому коефіцієнт тензочутливості напівпровідникового тензорезистора практично дорівнює = m. Якщо для металевих тензорезисторів коефіцієнт тензочутливості до = 2, то для кремнію k = 125-135 при р-провідності та до: = - (100-130) приn-провідності. Це дозволяє суттєво спростити апаратуру посилення вихідного сигналу.
Конструктивне виконання напівпровідникових тензорезисторів аналогічно тонкоплівковим, а при виготовленні застосовуються два основні способи:
- напівпровідниковий кремнієвий тензорезистор наноситься на ізо
ліруючу сапфірову підкладку (КНС-структура);
-напівпровідниковий кремнієвий тензорезистор з р-провідністю наноситься на кремнієву підкладку з п-провідністю (КНК-структура)
Залежно від конструктивного виконання напівпровідникові тензорезистори застосовуються для вимірювання абсолютного, надлишкового та різниці тисків. Їх перевагами є високий коефіцієнт тензочутливості, можливість мініатюризації чутливого елемента, безпосереднє застосування переваг мікроелектроніки. До недоліків можна віднести: складність технології виготовлення ЧЕ, крихкість ЧЕ (що обмежує їх застосування в умовах струсів і стрибків тиску), вплив температури на коефіцієнт тензочутливості. Остання обставина обмежує температуруексплуатації тензорезисторів на структурі КНК 120 °С. У нашій країні серійно виготовляються напівпровідникові перетворювачі типу "Сапфір-22ДД", що базуються на КНС структурі.
Витрата речовини характеризується кількістю речовини (масовою або об'ємною), що проходить через певний переріз каналу в одиницю часу. Об'ємними одиницями вимірювання витрати С) можуть бути м3/с, м3/хв, м3/год, а масовими Ом - кг/год, т/год. При цьому вимірюють миттєву витрату значення витрати в даний момент часу; середня витрата - середнє за будь-який проміжок часу значення витрати; "Пікова" витрата - максимальне значення витрати, яке спостерігалося на заданому проміжку часу.
Миттєві витрати вимірюють, як правило, при управлінні технологічними процесами, забезпеченні оптимальних режимів роботи енергетичних установок та теплових двигунів; середні витрати - при випробуваннях, визначенні "витратних характеристик" об'єктів та процесів (наприклад, при оцінках питомих витрат палива різних двигунів, дебіту нафтових та газових свердловин тощо), при облікових операціях; "Пікові" витрати характерні для досліджень, пов'язаних, наприклад, з довгостроковими прогнозами поведінки ґрунтових і стічних вод, повеневих явищ в каналах і руслах.
Одним з найбільш старих і добре вивчених методів вимірювання витрати є метод змінного перепаду тиску, заснований на вимірі перепаду тиску, що утворюється внаслідок місцевого зміни швидкості потоку рідини за допомогою пристрою, що звужує. Рівняння витрати має вигляд:
(3)
де р1 - тиск до звужуючого пристрою; р2 - тиск після звужувального пристрою; F0 - площа отвору пристрою, що звужує; а - коефіцієнт витрати пристрою, що звужує; е - поправочнийкоефіцієнт (для стисканого середовища е=1). Формулу (3) можна подати у вигляді:
(4)
де к0=
Якщо величину к0 вважати постійної і залежною від р, між витратою і перепадом буде квадратична залежність. Наслідком зазначеної залежності є: малий діапазон вимірювання кожного даного витратоміра та різка нерівномірність шкали. Зазвичай, точність витратомірного дифманометра гарантується тільки в межах від 30 до 100%.
Універсальний перетворювач "Сапфір 22ДД".
Перетворювачі "Сапфір-22ДД" призначені для роботи в САР та САУ технологічними процесами та забезпечують безперервне перетворення значення вимірюваного параметра - тиску надлишкового, абсолютного, розрідження, різниці тисків нейтральних та агресивних середовищ в уніфікований струмовий вихідний сигнал дистанційної передачі. Перетворювачі різниці тисків можуть використовуватися для перетворення значення рівня рідини, витрати рідини або газу, а при спільній роботі з блоком вилучення кореня БІК-1 можуть використовуватися для отримання лінійної залежності між вихідним сигналом і витратою.
Перетворювач складається з вимірювального блоку та електронного пристрою. Деформація чутливого елемента значення вимірюваного параметра викликає зміна електричного опору тензорезисторів тензоперетворювача, розміщеного у вимірювальному блоці. Електронний пристрій перетворювача перетворює зміну опору струмовий вихідний сигнал. Чутливим елементом тензоперетворювача є пластина з монокристалічного сапфіру з кремнієвими плівковими тензорезисторами, міцно з'єднана з металевою мембраною.
На рис.1 представлена конструкція перетворювача різниці тисків "Сапфір-22-ДЦ".Модель 2420.
Тензоперетворювач 4 мембранно-важільного типу розміщений всередині основи 9 замкнутої порожнини 11, заповненої кремнійорганічної рідиною, і відокремлений від вимірюваного середовища металевими гофрованими мембранами 8. Мембрани 8 приварені по зовнішньому контуру до основи 9 і з'єднані між собою центральним штоком 6, важеля тензоперетворювача 4 за допомогою тяги 5. Фланці 10 ущільнені прокладками 3. Вплив вимірюваної різниці тисків (більший тиск подається в «плюсову» камеру 7, менший - в «мінусову» камеру 12) викликають прогин мембрани тензоперетворювача 4 і зміну мембрани тензоперетворювача 4. Електричний сигнал від тензоперетворювача передається з вимірювального блоку електронний пристрій 1 по проводах через висновок 2.
Вимірювальний блок витримує без руйнування вплив одностороннього навантаження робочим надлишковим тиском. Це забезпечується тим, що при такому навантаженні одна з мембран 8 лягає на профільовану поверхню основи 9.
Розрахункове значення вихідного сигналу в будь-якому діапазоні виміру для перетворювачів різниці тисків визначається за формулою:
(5)
де
Мал. 1.Схема перетворювача Сапфір-22ДД моделі 2420
Блок вилучення кореня типу БІК-1
Ці блоки призначені для лінеаризації статичної характеристики дифманометрів типу Сапфір-22ДД. Блок конструктивно складається з шасі, корпусу та функціональних вузлів. Відповідні функціональні вузли об'єднані окремі модулі. Кожен модульє платою, що закінчується друкованими панелями, призначеними для вставки в роз'єми, розташовані на загальній комутаційній платі. На шасі кріпиться загальна комутаційна плата, планка з силовим трансформатором та напрямні, призначені для встановлення плат
модулів. Шасі може бути висунуто з корпусу без розриву електричних ланцюгів, що забезпечується наявністю плоского гнучкого джгута, що з'єднує шасі з тринадцятижимною колодкою, розташованої на корпусі блоку; джгут та шасі з'єднані через роз'єм. БІК-1 забезпечує формування уніфікованого вихідного сигналу, пов'язаного з вхідною наступною залежністю:
(6)
де - вихідний сигнал, мА;
