лабораторна работа - Sapphire-22d
Целта на работата: изучаване на принципите на измерване на налягането и потока, изследване на конструкцията и характеристиките на преобразувателя за разлика в налягането "Sapphire-22DD".
Измерването на налягането е необходимо в почти всяка област на науката и технологиите, както при изучаването на физическите процеси, протичащи в природата, така и за нормалното функциониране на технически устройства и технологични процеси, създадени от човека. Налягането определя състоянието на веществата в природата (твърдо, течно, газообразно). Налягането контролира състоянието на работните среди в различни технологични процеси на нефтохимическата промишленост.
Съвременните уреди за измерване на налягането са измервателни системи, чиито връзки имат различно функционално предназначение. Най-важният елемент на всеки уред за измерване на налягането е неговият чувствителен елемент (SE), който възприема измереното налягане и го преобразува в първичен сигнал, влизащ в измервателната верига на уреда. С помощта на междинни преобразуватели сигналът от SE се преобразува в показания на манометъра, а в измервателните преобразуватели (IPD) - в единен изходен сигнал, влизащ в системите за измерване, управление, регулиране и управление. В същото време междинните преобразуватели и вторичните устройства в много случаи са унифицирани и могат да се използват в комбинация с различни видове SE.
Принципът на действие на резистивните манометри се основава на промяна на активното съпротивление на проводника по време на неговата механична деформация. За първи път този ефект (тензорен ефект) е разгледан от английския физик У. Томпсън през 1856 г. Основната характеристика на ефекта на деформация е коефициентът на относителна чувствителност към деформация, определен като отношението на промяната в съпротивлението на проводника към промяната в неговата дължина:
където
За твърди тела относителната промяна в съпротивлението зависи както от промяната в геометричните размери, така и от промяната в съпротивлението:
(2)
където
- промяна в съпротивлението на материала,
свързано с промяна на неговите физични свойства.
Основната разлика между тензометричния метод за измерване на налягането е, че мярката за налягане не е движението на дадена точка на CEA в аксиална посока, а деформацията на повърхността на CEC
или повърхността на свързано тяло. Съществуват следните основни видове тензодатчици: жични, фолийни, тънкослойни и полупроводникови. В този случай се използват два основни вида преобразуване на налягането:
- налягането, възприемано от CCE, причинява неговата деформация отгоре
(опън или натиск), който се превръща в
промяна в електрическото съпротивление на тензодатчика;
- налягането, възприемано от UHE, се преобразува в концентрирано
сила, която деформира еластично твърдо тяло с твърдо свързан
с него тензодатчик.
За разлика от металните тензодатчици, чието съпротивление се променя поради деформация на напречното сечение, в полупроводниковите тензодатчици специфичното съпротивление е чувствително към напрежение, което заема много широк диапазон от стойности. Ако съпротивлението на проводниците е в диапазона от 10 "5 до 10" 8 Ohm * m, а диелектриците от 10' ° до 1016 Ohm * m, тогава обхватът на съпротивлението на полупроводниците се простира от 10
5 до 104, т.е. обхваща почти 10 поръчки. В допълнение към това съпротиваполупроводници значително зависи от съдържанието на примеси в тях, изборът на които може да промени съпротивлението в правилната посока. Броят на свободните носители на заряд (електрони и дупки) определя проводимостта и, следователно, съпротивлението на полупроводника. В същото време чувствителността на такъв тензодатчик към неговата деформация е значително по-висока от промяната в съпротивлението под влияние на промяна в напречното сечение. Следователно коефициентът на тензодатчик на полупроводников тензометричен датчик е практически равен на k = m. Ако за метални тензодатчици коефициентът на тензочувствителност k = 2, тогава за силиций k = 125-135 с p-проводимост и k: = - (100-130) с n-проводимост. Това дава възможност за значително опростяване на оборудването за усилване на изходния сигнал.
Конструкцията на полупроводниковите тензодатчици е подобна на тънкослойните и при производството се използват два основни метода:
- на изото се прилага полупроводников силициев тензодатчик
светещ сапфирен субстрат (SOS-структура);
-полупроводников силициев тензодатчик с p-проводимост се отлага върху силициева подложка с p-проводимост (CNC структура).
В зависимост от конструкцията полупроводниковите тензодатчици се използват за измерване на абсолютно, манометрично и диференциално налягане. Техните предимства са: висок коефициент на тензочувствителност, възможност за миниатюризация на чувствителния елемент, директно приложение на предимствата на микроелектрониката. Недостатъците включват: сложността на технологията на производство на SE, крехкостта на SE (което ограничава използването им в условия на разклащане и скокове на налягане), ефектът на температурата върху коефициента на чувствителност към деформация. Последното обстоятелство ограничава температуратаработа на тензодатчици върху CNC структура 120 °C. В нашата страна масово се произвеждат полупроводникови преобразуватели от типа "Сапфир-22ДД", базирани на структурата SOS.
Консумацията на вещество се характеризира с количеството вещество (маса или обем), преминаващо през определен участък от канала за единица време. Обемните единици на потока C)U могат да бъдат m3/s, m3/min, m3/h, а масата Ohm - kg/h, t/h. В този случай се измерва моментният дебит - стойността на дебита в даден момент от времето; средно потребление - осреднената стойност на потреблението за определен период от време; "пиков" дебит - максималният дебит, наблюдаван за даден период от време.
Моментните разходи се измерват, като правило, при управление на технологични процеси, осигуряване на оптимални режими на работа на електроцентрали и топлинни двигатели; средни разходи - при тестване, определяне на "разходните характеристики" на обекти и процеси (например при оценка на специфичния разход на гориво на различни двигатели, дебит на нефтени и газови кладенци и др.), По време на счетоводни операции; „пиковите“ разходи са типични за изследователски дейности, свързани например с дългосрочни прогнози за поведението на подпочвените и отпадъчните води, наводнения в канали и канали.
Един от най-старите и най-добре проучени методи за измерване на потока е методът на променлив спад на налягането, базиран на измерване на спада на налягането в резултат на локална промяна в скоростта на потока на флуида с помощта на ограничител. Уравнението на потока е:
(3)
където p1, - налягане към стесняващото устройство; p2 - налягане след стеснителното устройство F0 - площ на отвора на стеснителното устройство; a - коефициент на потока на стесняващото устройство; e - коригиращкоефициент (за несвиваема среда e=1). Формула (3) може да бъде представена като:
(4)
, където k0=
Ако стойността на k0 се счита за постоянна и независима от p, тогава ще има квадратична зависимост между дебита и спада. Следствието от тази зависимост е: малък диапазон на измерване на всеки даден разходомер и рязка неравномерност на скалата. Обикновено точността на разходомерния манометър за диференциално налягане е гарантирана само в диапазона от 30 до 100%.
Универсален трансдюсер "Sapphire 22DD".
Преобразувателите "Sapphire-22DD" са предназначени за работа в ACS и ACS чрез технологични процеси и осигуряват непрекъснато преобразуване на стойността на измервания параметър - манометрично налягане, абсолютно налягане, разреждане, разлика в налягането на неутрални и агресивни среди в единен токов изходен сигнал за дистанционно предаване. Датчиците за разлика в налягането могат да се използват за преобразуване на стойности на нивото на течността, дебит на течност или газ и във връзка с модула за извличане на корен BIK-1 те могат да се използват за получаване на линейна връзка между изходния сигнал и измерения дебит.
Преобразувателят се състои от измервателен блок и електронно устройство. Деформацията на чувствителния елемент от стойността на измервания параметър предизвиква промяна в електрическото съпротивление на тензодатчиците на тензодатчика, разположен в измервателния блок. Електрониката на преобразувателя преобразува промяната в съпротивлението в токов изходен сигнал. Чувствителният елемент на тензодатчика е монокристална сапфирена плоча с тензодатчици от силициев филм, здраво свързани към метална мембрана.
Фигура 1 показва дизайна на преобразувателя за разлика в налягането Sapphire-22-DC.Модел 2420.
Тензодатчикът 4 от типа на мембранния лост е поставен вътре в основата 9 в затворена кухина 11, пълна с органосиликонова течност и е отделен от измерваната среда чрез метални гофрирани мембрани 8. Мембраните 8 са заварени по външния контур към основата 9 и са свързани помежду си с централен прът 6, който е свързан към края на лоста на тензодатчика 4 с помощта на прът 5. Флагът nges 10 са запечатани с уплътнение mi 3. Влиянието на измерената разлика в налягането (по-високо налягане се подава към "плюсовата" камера 7, по-малко - към "минусовата" камера 12) води до отклонение на мембраната на тензометричния датчик 4 и промяна на съпротивлението на тензометричните датчици. Електрическият сигнал от тензодатчика се предава от измервателния блок към електронното устройство 1 по проводници през изход 2.
Измервателният блок издържа без разрушаване въздействието на едностранно претоварване с работно свръхналягане. Това се осигурява от факта, че при такова претоварване една от мембраните 8 лежи върху профилираната повърхност на основата 9.
Изчислената стойност на изходния сигнал във всеки диапазон на измерване за преобразуватели на диференциално налягане се определя по формулата:
(5)
където
Фиг. 1. Схема на преобразувателя Sapphire-22DD модел 2420
Коренов екстрактор тип BIK-1
Тези блокове са предназначени за линеаризиране на статичните характеристики на диференциални манометри от типа "Sapphire-22DD". Конструктивно блокът се състои от шаси, корпус и функционални възли. Съответните функционални възли са обединени в отделни модули. Всеки модуле платка, завършена с печатни панели, предназначени да бъдат вмъкнати в конектори, разположени на обща платка за свързване. На шасито са монтирани обща комутационна платка, щанга със силов трансформатор и водачи, предназначени за монтаж на табла.
модули. Шасито може да бъде извадено от тялото, без да се прекъсват електрическите вериги, което се осигурява от наличието на плосък гъвкав кабел, свързващ шасито с блок с тринадесет скоби, разположен върху тялото на блока; снопът и шасито са свързани чрез конектор. BIK-1 осигурява формирането на унифициран изходен сигнал, свързан с входа по следната зависимост:
(6)
където
