ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 04.02.2024
Просмотров: 19
Скачиваний: 0
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
Основы автоматизации технологических процессов нефтегазового производства / МЮ. Прахова, СВ. Щербинин, Е.А. Хорошавина, Л.Г. Дадаян, АН. Краснов, ОБ. Трушкин – Уфа УГНТУ, 2019 10 температурная погрешность, требующая специальных схем компенсации, одноразовость использования (при снятии с детали тензорезистор разрушается. В последние десятилетия получили преимущественное развитие полупроводниковые тензорезисторные чувствительные элементы. Чувствительность полупроводниковых тензорезисторов в десятки раз выше, чему металлических. Интегральная технология их изготовления позволяет водном кристалле кремния одновременно формировать тензорезисторы и микроэлектронный блок обработки, что образует интегральные полупроводниковые тензорезисторные чувствительные элементы. Такие чувствительные элементы реализуются двумя способами по технологии кремний на сапфире (КНС) или по технологии кремний на кремнии (КНК). Технология КНС относится к так называемой гетероэпитаксиальной технологии. При этом тонкая пленка кремния выращивается на подложке из искусственного сапфира, припаянной твердым припоем к титановой мембране. Рисунок 4.11 – Полупроводниковый тензорезисторный чувствительный элемент, выполненный по технологии КНС Технология КНК
представляет собой технологию формирования диффузионных резисторов (те. изготавливаемых одновременно с активным элементом) с изоляцией их от проводящей кремниевой подложки
p-n
переходами. Такие тензорезисторы иногда называют пьезорезисторами. Это понятие не стоит путать с понятием пьезоэлектриков. В структуре КНК мембрана из монокристаллического кремния размещается на диэлектрическом основании с использованием легкоплавкого стекла или методом анодного сращивания.
представляет собой технологию формирования диффузионных резисторов (те. изготавливаемых одновременно с активным элементом) с изоляцией их от проводящей кремниевой подложки
p-n
переходами. Такие тензорезисторы иногда называют пьезорезисторами. Это понятие не стоит путать с понятием пьезоэлектриков. В структуре КНК мембрана из монокристаллического кремния размещается на диэлектрическом основании с использованием легкоплавкого стекла или методом анодного сращивания.
Основы автоматизации технологических процессов нефтегазового производства / МЮ. Прахова, СВ. Щербинин, Е.А. Хорошавина, Л.Г. Дадаян, АН. Краснов, ОБ. Трушкин – Уфа УГНТУ, 2019 11 Рисунок 4.12 – Полупроводниковый тензорезисторный чувствительный элемент, выполненный по технологии КНК Достоинствами технологии кремний на сапфире являются
– хорошая защищенность чувствительного элемента от воздействия любой агрессивной среды
– простота изготовления
– низкая стоимость. В качестве недостатков выделяют
– низкая чувствительность (в пределах 1%);
– значительные гистерезисные явления и временная нестабильность градуировочной характеристики (из-за неоднородности конструкции
– сильное влияние температуры (за счет различия коэффициентов температурного расширения элементов сенсора и изменения электропроводности кремния
– наличие нелинейности. Достоинством технологии кремний на кремнии являются б
ó
льшая временная и температурная стабильность. Однако тензорезисторы, выполненные поданной технологии, имеют более высокую стоимость. Наибольшую погрешность в результат измерения давления с помощью тензорезисторных измерительных преобразователей вносит изменение температуры. Для ее уменьшения используются подстроечные резисторы, а также алгоритмическая коррекция, которая возможна благодаря тому, что большинство датчиков давления являются интеллектуальными.
– хорошая защищенность чувствительного элемента от воздействия любой агрессивной среды
– простота изготовления
– низкая стоимость. В качестве недостатков выделяют
– низкая чувствительность (в пределах 1%);
– значительные гистерезисные явления и временная нестабильность градуировочной характеристики (из-за неоднородности конструкции
– сильное влияние температуры (за счет различия коэффициентов температурного расширения элементов сенсора и изменения электропроводности кремния
– наличие нелинейности. Достоинством технологии кремний на кремнии являются б
ó
льшая временная и температурная стабильность. Однако тензорезисторы, выполненные поданной технологии, имеют более высокую стоимость. Наибольшую погрешность в результат измерения давления с помощью тензорезисторных измерительных преобразователей вносит изменение температуры. Для ее уменьшения используются подстроечные резисторы, а также алгоритмическая коррекция, которая возможна благодаря тому, что большинство датчиков давления являются интеллектуальными.
Основы автоматизации технологических процессов нефтегазового производства / МЮ. Прахова, СВ. Щербинин, Е.А. Хорошавина, Л.Г. Дадаян, АН. Краснов, ОБ. Трушкин – Уфа УГНТУ, 2019
4.4 Пьезоэлектрические преобразователи давления Принцип действия пьезоэлектрических преобразователей основан на прямом пьезоэлектрическом эффекте. Этот эффект был открыт братьями Жаком и Пьером Кюри в 1880 году. Однако исследования свойств вещества продолжались ив году
Липпманом исходя из термодинамических соображений был предугадан обратный пьезоэлектрический эффекта открытие его также состоялось в 1881 году и принадлежит братьям Кюри. Пьезоэлектрический эффект заключается в появлении электрических зарядов на гранях некоторых диэлектриков приих деформации. К таким диэлектрикам относятся кварц, турмалин и др, наиболее распространенным является кварц. Пьезоэлектрические свойства в кристаллах проявляются в зависимости от ориентации их осей. Рассмотрим структуру кристалла кварца. Она напоминает шестигранную призму, ограниченную двумя пирамидами. Одна из осей кристалла –
Z
соединяет вершины пирамид. Эта ось Z называется оптической осью кристалла. Оси
X
перпендикулярны коси и соединяют противолежащие ребра шестигранной призмы. Этих осей в кристалле три, они называются электрическими осями. Оси
Y называются механическими и направлены перпендикулярно к каждой площадке призмы через середины противолежащих граней, этих осей в кристалле также три. Оси
X и
Y перпендикулярны. Вырезанные из кварцевого кристалла пластинки, грани которых перпендикулярны осями, обладают пьезоэлектрическими свойствами. При отсутствии деформации все заряды в пластине скомпенсированы, иона является электрически нейтральной.
12 Рисунок 4.13 Ориентация осей в кристалле кварца
4.4 Пьезоэлектрические преобразователи давления Принцип действия пьезоэлектрических преобразователей основан на прямом пьезоэлектрическом эффекте. Этот эффект был открыт братьями Жаком и Пьером Кюри в 1880 году. Однако исследования свойств вещества продолжались ив году
Липпманом исходя из термодинамических соображений был предугадан обратный пьезоэлектрический эффекта открытие его также состоялось в 1881 году и принадлежит братьям Кюри. Пьезоэлектрический эффект заключается в появлении электрических зарядов на гранях некоторых диэлектриков приих деформации. К таким диэлектрикам относятся кварц, турмалин и др, наиболее распространенным является кварц. Пьезоэлектрические свойства в кристаллах проявляются в зависимости от ориентации их осей. Рассмотрим структуру кристалла кварца. Она напоминает шестигранную призму, ограниченную двумя пирамидами. Одна из осей кристалла –
Z
соединяет вершины пирамид. Эта ось Z называется оптической осью кристалла. Оси
X
перпендикулярны коси и соединяют противолежащие ребра шестигранной призмы. Этих осей в кристалле три, они называются электрическими осями. Оси
Y называются механическими и направлены перпендикулярно к каждой площадке призмы через середины противолежащих граней, этих осей в кристалле также три. Оси
X и
Y перпендикулярны. Вырезанные из кварцевого кристалла пластинки, грани которых перпендикулярны осями, обладают пьезоэлектрическими свойствами. При отсутствии деформации все заряды в пластине скомпенсированы, иона является электрически нейтральной.
12 Рисунок 4.13 Ориентация осей в кристалле кварца
Основы автоматизации технологических процессов нефтегазового производства / МЮ. Прахова, СВ. Щербинин, Е.А. Хорошавина, Л.Г. Дадаян, АН. Краснов, ОБ. Трушкин – Уфа УГНТУ, 2019 13 При действии измеряемой силы F
x
вдоль оси Хна гранях пластинки, перпендикулярных к этой оси, возникают разнополярные электрические заряды продольный пьезоэффект. Значения зарядов в этом случае не зависят от геометрических размеров пластины и определяются только измеряемым усилием
П
x
x
Q
К F
, Если пластину подвергнуть сжатию по оси Y, то заряды снова появятся на тех же гранях, но их знак будет противоположным (поперечный пьезоэффект. Кроме того, в этом случае значение заряда будет зависеть от размеров пьезопластины. При приложении силы вдоль оси Z пьезоэффект не возникает, также как и при одновременном сжатии по всем осям. Для съема сигнала на гранях, перпендикулярных коси, устанавливаются специальные обкладки, с которых снимается ЭДС Е, равная где С
П
– собственная емкость датчика, определяемая по формуле П ε
x
s
C
a
, где ε
0
– электрическая постоянная
– диэлектрическая проницаемость материала пластинки
s
x
– площадь грани, перпендикулярной коси а – толщина пластинки. Таким образом, чувствительный элемент эквивалентен конденсатору. Выражение для измеряемого давления имеет вид П эф εs
x
E
P
K S a
, где эф — эффективная площадь мембраны. Обычно для увеличения чувствительности пьезодатчика несколько пластинок соединяются параллельно. Между этими пластинками находятся прокладки из оловянной фольги, которые служат обкладками для снятия зарядов. При этом заряды одноименно заряжающихся плоскостей должны складываться. Данная схема эквивалента параллельному соединению конденсаторов. При измерении давления оно воздействует на мембрану и преобразуется этой мембраной в усилие, вызывающее сжатие кварцевых пластин. С помощью обкладок снимается выходной сигнал в виде ЭДС, который пропорционален приложенному давлению. П
x
вдоль оси Хна гранях пластинки, перпендикулярных к этой оси, возникают разнополярные электрические заряды продольный пьезоэффект. Значения зарядов в этом случае не зависят от геометрических размеров пластины и определяются только измеряемым усилием
П
x
x
Q
К F
, Если пластину подвергнуть сжатию по оси Y, то заряды снова появятся на тех же гранях, но их знак будет противоположным (поперечный пьезоэффект. Кроме того, в этом случае значение заряда будет зависеть от размеров пьезопластины. При приложении силы вдоль оси Z пьезоэффект не возникает, также как и при одновременном сжатии по всем осям. Для съема сигнала на гранях, перпендикулярных коси, устанавливаются специальные обкладки, с которых снимается ЭДС Е, равная где С
П
– собственная емкость датчика, определяемая по формуле П ε
x
s
C
a
, где ε
0
– электрическая постоянная
– диэлектрическая проницаемость материала пластинки
s
x
– площадь грани, перпендикулярной коси а – толщина пластинки. Таким образом, чувствительный элемент эквивалентен конденсатору. Выражение для измеряемого давления имеет вид П эф εs
x
E
P
K S a
, где эф — эффективная площадь мембраны. Обычно для увеличения чувствительности пьезодатчика несколько пластинок соединяются параллельно. Между этими пластинками находятся прокладки из оловянной фольги, которые служат обкладками для снятия зарядов. При этом заряды одноименно заряжающихся плоскостей должны складываться. Данная схема эквивалента параллельному соединению конденсаторов. При измерении давления оно воздействует на мембрану и преобразуется этой мембраной в усилие, вызывающее сжатие кварцевых пластин. С помощью обкладок снимается выходной сигнал в виде ЭДС, который пропорционален приложенному давлению. П
Основы автоматизации технологических процессов нефтегазового производства / МЮ. Прахова, СВ. Щербинин, Е.А. Хорошавина, Л.Г. Дадаян, АН. Краснов, ОБ. Трушкин – Уфа УГНТУ, 2019 14 Достоинства пьезоэлектрических преобразователей давления – возможность измерения быстропеременных величин (с частотой изменения до 7…100 кГц, малые габариты, простота устройства недостатки – невысокая чувствительность, невысокая мощность выходного сигнала, непригодность к измерению статических величин, т.к. после снятия нагрузки заряды через некоторое время исчезают. а) б)
1 – пьезопластины; 2 – гайка из диэлектрика 3 – электрический вывод 4 – корпус
5 – изолятор 6 – металлический электрод 7 – мембрана Рисунок 4.14 – Пьезоэлектрический измерительный преобразователь давления а – схема, б – внешний вид
Из-за утечки заряда с кварцевых пластин пьезодатчики давления не используются для измерения статических давлений. Одна из сфер их применения – преобразование быстропеременного и импульсного давления в электрический сигнал в вихревых расходомерах.
4.5 Емкостные преобразователи давления В емкостном измерительном преобразователе давления чувствительный элемент представляет собой плоскопараллельный конденсатора измеряемое давление воспринимается металлической мембраной или керамической мембраной с проводящим внутренним покрытием, являющейся подвижным электродом конденсатора. Неподвижный электрод размещается на подложке из диэлектрика, например из керамики. Такой преобразователь измеряет абсолютное давление. В преобразователе избыточного давления отверстие в подложке компенсирует
1 – пьезопластины; 2 – гайка из диэлектрика 3 – электрический вывод 4 – корпус
5 – изолятор 6 – металлический электрод 7 – мембрана Рисунок 4.14 – Пьезоэлектрический измерительный преобразователь давления а – схема, б – внешний вид
Из-за утечки заряда с кварцевых пластин пьезодатчики давления не используются для измерения статических давлений. Одна из сфер их применения – преобразование быстропеременного и импульсного давления в электрический сигнал в вихревых расходомерах.
4.5 Емкостные преобразователи давления В емкостном измерительном преобразователе давления чувствительный элемент представляет собой плоскопараллельный конденсатора измеряемое давление воспринимается металлической мембраной или керамической мембраной с проводящим внутренним покрытием, являющейся подвижным электродом конденсатора. Неподвижный электрод размещается на подложке из диэлектрика, например из керамики. Такой преобразователь измеряет абсолютное давление. В преобразователе избыточного давления отверстие в подложке компенсирует
Основы автоматизации технологических процессов нефтегазового производства / МЮ. Прахова, СВ. Щербинин, Е.А. Хорошавина, Л.Г. Дадаян, АН. Краснов, ОБ. Трушкин – Уфа УГНТУ, 2019 15 атмосферное давление на внутреннюю поверхность конденсатора. Таким образом измеряется давление относительно атмосферного, те. избыточное давление. Зависимость емкости С конденсатора от перемещения мембраны, которое, в свою очередь, зависит от давления, имеет вид
0
δ
δ
ε
S
C
, где
ε
— диэлектрическая проницаемость среды, заполняющей межэлектродный зазор
S
— площадь электродов
δ
0
— расстояние между электродами при давлении, равном нулю. Таким образом, измеряемое давление является функцией расстояния между обкладками конденсатора и, как следствие, функцией электрической емкости конденсатора. С помощью емкостных преобразователей можно также измерить разность давлений. В емкостных дифференциальных измерительных преобразователях давления чувствительный элемент состоит из двух соединенных конденсаторов. Воздействие давления вызывает изменение положения измерительной (сенсорной) мембраны центральной обкладки конденсатора, которое приводит к изменению обеих емкостей конденсаторов. а) б) Рисунок 4.15 – Емкостные дифференциальные преобразователи давления а – схема, б – внешний вид Емкостные датчики давления очень подвержены температурному влиянию, поэтому для устранения этого влияния их чаще всего включают в дифференциальные схемы. Кроме того, к недостаткам емкостных датчиков давления можно отнести нелинейный выходной сигнал, значительный гистерезис из-за неидеальных упругих свойств мембраны, чувствительность к вибрации. К их достоинствам относят простоту конструкции, высокую чувствительность (∆C/C = 15...20%), высокое быстродействие.
0
δ
δ
ε
S
C
, где
ε
— диэлектрическая проницаемость среды, заполняющей межэлектродный зазор
S
— площадь электродов
δ
0
— расстояние между электродами при давлении, равном нулю. Таким образом, измеряемое давление является функцией расстояния между обкладками конденсатора и, как следствие, функцией электрической емкости конденсатора. С помощью емкостных преобразователей можно также измерить разность давлений. В емкостных дифференциальных измерительных преобразователях давления чувствительный элемент состоит из двух соединенных конденсаторов. Воздействие давления вызывает изменение положения измерительной (сенсорной) мембраны центральной обкладки конденсатора, которое приводит к изменению обеих емкостей конденсаторов. а) б) Рисунок 4.15 – Емкостные дифференциальные преобразователи давления а – схема, б – внешний вид Емкостные датчики давления очень подвержены температурному влиянию, поэтому для устранения этого влияния их чаще всего включают в дифференциальные схемы. Кроме того, к недостаткам емкостных датчиков давления можно отнести нелинейный выходной сигнал, значительный гистерезис из-за неидеальных упругих свойств мембраны, чувствительность к вибрации. К их достоинствам относят простоту конструкции, высокую чувствительность (∆C/C = 15...20%), высокое быстродействие.
Основы автоматизации технологических процессов нефтегазового производства / МЮ. Прахова, СВ. Щербинин, Е.А. Хорошавина, Л.Г. Дадаян, АН. Краснов, ОБ. Трушкин – Уфа УГНТУ, 2019 16
4.6 Резонансные преобразователи давления Резонансный принцип измерения давления основан на зависимости частоты колебаний резонатора от степени его деформации и, следовательно, измеряемого давления. Кремниевый резонатор представляет собой параллелепипед плоской формы, защищенный герметичной капсулой и интегрированный в плоскость кремниевой мембраны. Благодаря современным технологиям роста кристаллов резонатор, мембрана и капсула выращиваются как единая кристаллическая структура. Мембрана закрепляется на стеклянной подложке. Современные резонансные преобразователи давления содержат два резонатора Н- образной формы. Резонаторы возбуждаются сигналом переменного тока и окружающего магнитного поля. В зависимости от знака приложенного давления резонаторы растягиваются или сжимаются, в результате чего частота их собственных механических колебаний соответственно растет или уменьшается. Колебания механических резонаторов в постоянном магнитном поле преобразуются в колебания электрического контура, ив итоге, на выходе чувствительного элемента образуется цифровой (частотный) сигнал, пропорциональный величине измеряемого давления. Рисунок 4.16 – Резонансный преобразователь давления Сенсор спроектирован таким образом, что один резонатор при увеличении давления растягивается, а другой сжимается. Соответственно частота одного резонатора уменьшается,
4.6 Резонансные преобразователи давления Резонансный принцип измерения давления основан на зависимости частоты колебаний резонатора от степени его деформации и, следовательно, измеряемого давления. Кремниевый резонатор представляет собой параллелепипед плоской формы, защищенный герметичной капсулой и интегрированный в плоскость кремниевой мембраны. Благодаря современным технологиям роста кристаллов резонатор, мембрана и капсула выращиваются как единая кристаллическая структура. Мембрана закрепляется на стеклянной подложке. Современные резонансные преобразователи давления содержат два резонатора Н- образной формы. Резонаторы возбуждаются сигналом переменного тока и окружающего магнитного поля. В зависимости от знака приложенного давления резонаторы растягиваются или сжимаются, в результате чего частота их собственных механических колебаний соответственно растет или уменьшается. Колебания механических резонаторов в постоянном магнитном поле преобразуются в колебания электрического контура, ив итоге, на выходе чувствительного элемента образуется цифровой (частотный) сигнал, пропорциональный величине измеряемого давления. Рисунок 4.16 – Резонансный преобразователь давления Сенсор спроектирован таким образом, что один резонатор при увеличении давления растягивается, а другой сжимается. Соответственно частота одного резонатора уменьшается,
Основы автоматизации технологических процессов нефтегазового производства / МЮ. Прахова, СВ. Щербинин, Е.А. Хорошавина, Л.Г. Дадаян, АН. Краснов, ОБ. Трушкин – Уфа УГНТУ, 2019 17 а другого увеличивается. Разность этих частот, прямо пропорциональная измеряемому давлению, измеряется электронным модулем датчика и по ней вычисляется давление. Рисунок 4.17 – Зависимости частот колебания резонаторов от давления Поскольку кремниевая мембрана может перемещаться в любом направлении, одно и тоже устройство используется для измерения абсолютного и дифференциального давления. Частотный выходной сигнал с сенсора не требует аналого-цифрового преобразования. Резонансные частоты измеряются непосредственно цифровыми счетчиками сочень высокой точностью. Это позволяет сделать датчик в полном смысле слова цифровым, устранить такие традиционные проблемы, как временную и температурную нестабильность аналоговых цепей измерительного усилителя и АЦП. При передаче результатов измерений по цифровым протоколам перенастройка шкалы такому датчику вообще не требуется. а) б) Рисунок 4.18 – Резонансный преобразователь дифференциального давления а – конструкция, б – структурная схема датчика на его основе
Основы автоматизации технологических процессов нефтегазового производства / МЮ. Прахова, СВ. Щербинин, Е.А. Хорошавина, Л.Г. Дадаян, АН. Краснов, ОБ. Трушкин – Уфа УГНТУ, 2019 18 Разработка резонансного принципа измерения позволила улучшить технические и метрологические характеристик датчиков давления. Данный принцип измерения имеет ряд преимуществ
1) отсутствие гистерезиса (< 0,001% измеряемой величины, в пределах погрешности эталонных средств измерения) и нелинейности (< 0,003% измеряемой величины
2) отсутствие влияния температуры (< 0,001%/°C) и вибрации благодаря высокой собственной частоте резонатора (примерно 90 кГц
3) возможность одновременно измерять сразу три величины разность давлений, статическое давление и температуру
4) практически абсолютная стабильность за счет отсутствия факторов дрейфа
5) очень высокая точность измерений (< 0,004% ) из-за отсутствия аналого-цифрового преобразования выходного сигнала сенсора. Однако данному датчику также присущи недостатки, такие как
1) индивидуальная градуировочная характеристика
2) значительное время отклика
3) невозможность проведения измерений в агрессивных средах без потери точности.
1) отсутствие гистерезиса (< 0,001% измеряемой величины, в пределах погрешности эталонных средств измерения) и нелинейности (< 0,003% измеряемой величины
2) отсутствие влияния температуры (< 0,001%/°C) и вибрации благодаря высокой собственной частоте резонатора (примерно 90 кГц
3) возможность одновременно измерять сразу три величины разность давлений, статическое давление и температуру
4) практически абсолютная стабильность за счет отсутствия факторов дрейфа
5) очень высокая точность измерений (< 0,004% ) из-за отсутствия аналого-цифрового преобразования выходного сигнала сенсора. Однако данному датчику также присущи недостатки, такие как
1) индивидуальная градуировочная характеристика
2) значительное время отклика
3) невозможность проведения измерений в агрессивных средах без потери точности.
