Датчики давления с открытой жесткой мембраной

Для измерений давления в пищевой промышленности, при производстве пластмассовых изделий, строительных компонентов, для измерения давления и уровня жидких сред часто требуются датчики с открытой мембраной, в том числе высокотемпературные датчики.

Датчики, построенные на основе структур КНК («кремний на кремнии»), обычно имеют (рис.1а) тензопреобразователь с корпусом 1, полупроводниковым чувствительным элементом (ПЧЭ) 3, отделяемым от рабочей среды при помощи мембранно-жидкостного разделителя (поз.2 и А). В этом случае разделительная мембрана 2 может быть тонкостенной, гофрированной, либо выполнена из эластичного (резиноподобного) материала.

Наличие мембраны 2 с разделительной жидкостью А в подмембранной полости порождает ряд технических проблем, т.к. температурные коэффициенты расширения мембран, корпуса (поз. 1 и 6) и жидкости существенно отличаются.

Стремление к уменьшению габаритных размеров приводит к возрастанию жесткости мембраны и, соответственно, к увеличению основной и температурной погрешности в связи с изменением параметров самой мембраны, подмембранной полости и жидкости.

Повышение чувствительности и точности датчика за счет уменьшения толщины мембраны требует решения технологических проблем, связанных с изготовлением и приваркой (к корпусу) тонкостенных мембран. Кроме того, чем тоньше мембрана, тем больше она подвержена механическим и химическим разрушающим воздействиям.

Например, в мембранно-жидкостных разделителях, выполненных в штуцере с резьбой М20x1,5, может использоваться только очень тонкая мембрана (0,025-0.1мм), что снижает стойкость датчика к внешним воздействиям и для сложных условий эксплуатации может быть неприемлемо.

Увеличение диаметра мембраны позволяет поднять чувствительность датчика при приемлемой толщине металла (например, 0,1 мм). Однако при этом возрастает объем подмембранной жидкости и соответствующая температурная погрешность. Растет также фронтальная нагрузка на датчик (в квадратичной зависимости по отношению к диаметру).

Малейшая негерметичность разделительной полости между мембраной и ПЧЭ приводит к утечке жидкости и, в конечном счете, к отказу датчика. Например, в тензопреобразователе (подобном выпускаемым фирмами ВИКА, Кистлер, Келлер и др.), показанном на рис. 1б, имеются гермовыводы 8 с изоляторами 9 и трубкой 10 и припоем для герметичного заполнения подмембранной полости кремнеорганической жидкостью. Через все эти элементы возможны утечки, что снижает надежность тензопреобразователя. Следует также учитывать, что мембрана не абсолютно герметична, через нее, например, через микротрещины происходят микроутечки - чем тоньше мембрана, тем больше утечки, что в итоге может приводить к ползучести и отказу датчика.

Применение датчиков с мембранно-жидкостным разделителем в датчиках для высокотемпературных сред ограничивается температурой кипения разделительной жидкости.

Перечислим основные требования к конструкции таких датчиков:

Многие из проблем, характерных для датчиков со структурой КНК, разрешаются в датчиках давления со структурой КНС («кремний на сапфире»). Последние также могут быть выполнены с мембранно-жидкостным разделителем (см. рис.1), но в этом случае они несущественно отличаются от датчиков на базе структуры КНК.

В данной статье мы уделим основное внимание датчикам давления, выполненным на базе структур КНС с открытой жесткой мембраной, т.е. без «мембранно-жидкостного разделителя» (рис.2).

Они имеют тензопреобразователь с корпусом 1, полупроводниковым чувствительным элементом (ПЧЭ) 4, напаянным на мембрану 3 из титанового сплава, которая связана с входной (первой, разделительной, воспринимающей) мембраной 2 при помощи штока А. Входная (раз­де­ли­тель­ная) мембрана 2 также выполнена из титанового сплава и соединена со штоком А при помощи сварки. Она может быть достаточно жесткой и воспринимать основную часть нагрузки от измеряемого давления.

Таким образом, принципиальное отличие датчиков на базе структур КНК и КНС обусловлено тем, что у первых (с КНК, см. рис.1) воздействие измеряемого давления на ПЧЭ передается при помощи жидкости, а у вторых (с КНС, см. рис.2) - при помощи штока.

Построение входа датчика с двухмембранным тензопреобразователем без разделительной жидкости позволяет решить ряд перечисленных выше и других проблем, не решаемых при помощи конструкций со структурами КНК.

Например, меняя отношение диаметров и толщин первой (входной, воспринимающей давление) и второй мембран, можно менять чувствительность датчика без изменения его габаритных размеров. Одни и тех же пределы измерений можно получить при разных толщинах входной мембраны, что позволяет при, необходимости, лучше защитить датчик от агрессивной рабочей среды, динамики, ударных нагрузок с ее стороны.

Обычно толщина входной мембраны для измерения давлений в пределах 0,25-100 МПа составляет 0,2-1,6 мм при наружном диаметре 8-24 мм. Эти параметры выбирают в сочетании с другими размерами первой (входной) и второй мембран.

Конструкция входной (присоединительной) части датчика зависит от места (объекта) и условий измерений. Это может быть штуцер, гнездо с резьбой или фланец (рис. 3-8).

На базе структур КНС фирмой «Метроник» разработаны и выпускаются специализированные датчики:

Датчики такой конструкции, применяемые для указанных задач в тяжелых условиях, при диапазонах давления 0,6 МПа и выше, как правило, выгодно отличаются от датчиков других конструкций компактностью, повышенными метрологическими характеристиками, надежностью и стойкостью.

Датчик, представленный на рис.3…6, имеет штуцер с гладким воспринимающим элементом (мембраной) без полостей. Такой вход практически может работать без застойных эффектов (осадков и т.п.) и при необходимости легко очищается. Уплотнение входа датчика может выполняться по конусной части штуцера (рис.4). Этим достигается наиболее плотное и гигиеничное соединение датчика с объектом.

Датчики такой конструкции поставлялись фирмам, работающим в пищевой промышленности и других отраслях. В этих датчиках воспринимающая мембрана и штуцер выполнены из титанового сплава, который является одним из самых механически и химически стойких материалов. Причем, диаметр входной мембраны меньше, а толщина намного (в зависимости от давления) больше, чем в жидкостных разделителях таких фирм как Вика, Дрюк, Келлер и др.

Датчики, предназначенные для измерения давления на гомогенизаторах до 25 МПа при температуре среды до 120°С, имели основную погрешность не более 0,25%.

Другие датчики (см. рис.6) со штуцером М20х1,5, выполненные на предел 2,5 МПа, также показали хорошие результаты (погрешность менее 0,25). В таких датчиках штуцер 2 уплотняется кольцом 5, которое удалено от входной мембраны 1 на длину штуцера.

Для уточнения требований к монтажу таких датчиков необходима проверка опытных партий датчиков с разными вариантами крепления.

Данная конструкция может быть выполнена удлиненной, - для повышенных температур (вплоть до 250-350°С) и для некоторых других задач. Внешний вид датчика со штуцером М14х1,5 для высокотемпературных сред представлен на рис. 5.

Для эффективного применения датчиков с открытой жесткой мембраной необходимо при их креплении минимизировать механические воздействия на мембрану. Ведь жесткая мембрана более чувствительна к усилиям крепления (затяжки), чем эластичная. Поэтому при соединении датчиков со структурой КНС с рабочей средой необходимо соблюдать ряд особых требований к месту соединения, уплотнениям, усилиям крепления (затяжки) и конструкции монтажных составных частей. Влияние крепления проявляется как правило, в смещении начального сигнала и последующем дрейфе «нуля». Такой эффект имеет место прежде всего при креплении штуцера, реже - при креплении фланца и гнезда. Поэтому, приходится нормировать усилие затяжки резьбы при соединении датчика с объектом.

Еще один пример - погружной датчик гидростатического давления (уровня), общий вид которого представлен на Рис.8. Датчик имеет тензопреобразователь с открытой мембраной 1, установленный в гнезде 2, корпус 3 и кабельную муфту 4 с несъемным кабелем 5, устанавливаемым при поставке датчика. Датчик предназначен для измерений гидростатического давления в скважинах на глубине до 250 м.

Очевидно, что датчики с открытой (фронтальной) жесткой мембраной имеют свою нишу, свои особенности, области и условия применения. Для более подробного их описания требуется специальное, более детальное внимание.