Курсовая работа: Інформаційно-вимірювальна система тиску газу в газопроводі

Останнім часом з’явився напрямок в напівпровідниковій тензометрії, пов'язаний із застосуванням мостових тензорезистивних структур, які є з’єднаними монолітно в схему одинарного моста напівпровідниковими тензорезисторами.

Габаритні розміри таких перетворювачів становлять 2…6 мм при товщині самого тензорезистора 20…25 мкм. Датчики, виконані на основі мостових тензоструктур, є точнішими від датчиків з одиничними напівпровідниковими тензорезисторами (їх похибка 0,1…0,2 %). Тут тензорезистор є єдиною ланкою пружного елемента. Отже, на відміну від наклеюваних тензорезисторів, тут відсутня проміжна ланка між пружним елементом і тензорезистором – клей, який є причиною додаткових похибок у наклеюваних тензорезисторів через його пружну недосконалість. Саме тому, при розробці ІВС тиску газу в газопроводі, використаємо як первинний вимірювальний перетворювач тиску один із датчиків на основі мостових тензорезистивних структур, які є з’єднаними монолітно в схему одинарного моста напівпровідниковими тензорезисторами[3].

Для вимірювання температури використовуються температурні сенсори різноманітних типів, найпоширенішими серед яких є резистивні датчики температури, термістори, напівпровідникові датчики температури, термопари, датчики з цифровим виходом.

Термопара являє собою два різнорідних металевих провідника (термоелектроди), що призначені для вимірювання температури. Кінець термопари, що поміщається в об’єкт вимірювання температури, називається робочим або «гарячим» спаєм; вільні або «холодні» кінці термопари сполучені з вимірювальним перетворювачем. Принцип роботи термопари полягає в тому, що при зміні температури «гарячого» спаю на вільних кінцях термопари змінюється термоелектрорушійна сила постійного струму. Утворення термоелектрорушійної сили пояснюється тим, що при нагріванні електрони на «гарячому» спаї одержують більш високу швидкість, ніж на «холодному», в результаті чого виникає потік електронів від «гарячого» до «холодного» спаю. На «холодному» кінці накопичується негативний заряд, на «гарячому» - позитивний. Різниця цих потенціалів і визначає термоелектрорушійну силу термопари. Термопари перекривають діапазони вимірювань температур від до , однак їх досить важко реалізувати технологічно [4].

В терморезисторах під впливом температури змінюється опір. Їх використовують як сенсори температури дуже часто через відносно малу вартість. Існує три види терморезисторів: з негативною характеристикою (опір з підвищенням температури зменшується), позитивною характеристикою (опір з підвищенням температури збільшується) та з критичною характеристикою (опір збільшується при пороговому значенні температури). Зазвичай опір під впливом температури змінюється дуже швидко, тому для розширення лінійної ділянки температура-опір паралельно і послідовно до терморезистора під’єднують додаткові резистори, що є не дуже зручним. По матеріалу чутливого елемента їх підрозділяють на платинові і мідні. Мідні терморезистри використовують при вимірюванні значень температури від до ,платинові – від до .

Термістори мають функції схожі з функціями терморезисторами і є температурно-чутливими резисторами невеликої вартості. Вони виготовляються із напівпровідникових матеріалів, які мають як позитивний, так і негативний температурний коефіцієнт. Найбільш часто використовуються термістори з негативними температурними коефіцієнтами. Термістор є найбільш нелінійним пристроєм із розглянутих раніше, але в той же час він найбільш чутливий. Висока чутливість термістора, дозволяє визначати з його допомогою миттєві зміни температури, які неможливо було б спостерігати за допомогою резистивних датчиків температури або термопар. Проте нелінійність термісторів є не тільки самим більшим джерелом помилок при вимірюваннях температури, вона обмежує область можливих застосувань малим температурним діапазоном, якщо не використовуються спеціальні методи лінеаризації[3].

Сучасні напівпровідникові датчики температури дають високу точність і високу лінійність в робочому діапазоні від -55°С до +150°С [2].

Датчики температури з цифровим виходом мають ряд переваг над датчиками з аналоговим виходом, особливо у випадку передачі даних на велику відстань. Для того ж, для забезпечення гальванічної розв’язки (ізоляції) між дистанційним датчиком та інформаційно-вимірювальною системою можна використати елементи опторозв’язки. Наприклад, функцію пристрою з цифровим виходом виконує датчик температури з напругою на виході, за яким слідує конвертор напруга-частота, вихідним параметром якого є шпаруватість імпульсів. Вихідний сигнал датчика мало чутливий до завад, тому використаємо для вимірювання температури в ІВС саме такий датчик.

Отже, структурна схема ІВС тиску газу в газопроводі матиме вигляд зображений на рисунку 2.1.

Рисунок 2.1 – Структурна схема ІВС тиску газу в газопроводі

Принцип роботи системи наступний. Тиск, різниця тисків та розрідження, що вимірюються в перших трьох каналах відповідно, поступають на вхід датчиків, що складаються з пружного елемента (мембрани), який перетворює прикладений до нього тиск у деформацію мембрани , передаючи таким чином навантаження на тензорезистори, включені в мостове коло. Відносна зміна опорів тензорезисторів викликає розбалансування моста, і на виході датчика ми отримаємо напругу, що залежить від прикладеного тиску. Значення цієї напруги підсилюється підсилювачем і поступає на вхід АЦП, що працює і режимі безперервного перетворення. Мікропроцесор виставляє на шину обміну даними адресу відповідного каналу, в залежності від того, яке значення тиску необхідно виміряти в даний момент часу. За сигналом від мікропроцесора АЦП виставляє на шину код, відповідний значенню тиску, який зчитується мікропроцесором. Для вимірювання температури використовується датчик температури, вихідним інформативним параметром якого є шпаруватість імпульсів. Вихідний сигнал цього датчика поступає на вхід аналогового компаратора, вбудованого в мікропроцесор. Для зв’язку ІВС з ПЕОМ передбачено використання інтерфейсу.

3. Розробка електричної принципової схеми інформаційно-вимірювальної системи тиску газу в газопроводі

При розробці принципової схеми спочатку виберемо первинний вимірювальний перетворювач тиску, який безпосередньо перетворюватиме значення тиску, різниці тисків та розрідження, що вимірюються, у вихідні електричні величині зручні для подальшої її передачі по вимірювальному каналі та обробки мікропроцесором.

Розвиток інтегральної технології дозволив створити промислові тензористивні датчики для вимірювання тиску, розрідження та перепаду тиску. Одним із провідних виробників датчиків тиску є компанія Honeywell.

Основою датчика тиску Honeywell є тензочутливий елемент (сенсор). Він складається з чотирьох ідентичних тензорезисторів, імплантованих на поверхню круглої тонкої кремнієвої діафрагми і включених за схемою моста Уїнстона. Діафрагма сформована шляхом витравлювання ділянки однорідної кремнієвої пластини з протилежного тензорезисторам боку. Невитравлена ділянка кристала слугує жорстким несучим елементом і, одночасно, - поверхнею для реалізації інших схемотехнічних компонентів давача.

В порівнянні з сенсорами на основі металевих мембран, кремнієві мають декілька переваг. Найважливішою є довготривала стабільність параметрів. Однорідний кремнієвий кристал є ідеальним матеріалом для сприйняття зусиль завдяки своїй еластичності, не змінній навіть при екстремальних навантаженнях. Йому невластива, в порівнянні зі стальними діафрагмами, залишкова деформація після зняття навантаження. Він або зберігає свою точну початкову форму, не залежно від прикладеного зусилля, або руйнується при виникненні максимально допустимої деформації. Другою перевагою кремнієвих сенсорів є більш висока тензочутливість – майже в 100 раз більше, ніж у класичних тензодавачів зі сталевою мембраною (діафрагмою), на яку напилений тензочутливий шар. Третя перевага – вища точність та лінійність характеристики перетворення. Вирішальними перевагами напівпровідникових давачів є дуже малі габарити, дешевизна (при серійному виробництві), висока надійність та простота експлуатації.

Рисунок 3.1 – Схема базового чутливого елемента компанії Honeywell

На рисунку 13 наведена схема базового чутливого елемента. Величини та є фактичними значеннями опорів резисторів моста при діючому тиску; - величина їх опору при нульовому тиску (нульовій деформації пластини); - зміна опору в результаті прикладеного тиску. Особлива геометрія і розміщення тензорезисторів на поверхні мембрани забезпечують суворо однокову зміну їх опорів під впливом зовнішнього тиску, при цьому два опору отримують негативний приріст, а два – позитивний. Це сприяє підвищенню чутливості сенсора в декілька разів.

Тиск чи зусилля викликає деформацію тонкої кремнієвої діафрагми, що призводить до зміни геометрії тензорезисторів, що перебувають із нею в тісному механічному зв’язку. В результаті опір тензорезисторів змінюється в залежності від величини деформації діафрагми. Відбувається перетворення прикладеного тиску (механічний вхід) в зміну опору (електричний вихід). Вихідна напруга на виході вимірювального моста прямо пропорційна напрузі живлення і величині прикладеного тиску[5].

Для вимірювання надлишкового тиску виберемо датчик FP2000 компанії Honeywell, який має наступні характеристики:

а) діапазон тисків – 0…6,98 МПа;

б) вихідний сигнал – напруга у діапазоні 0…10 В;

в) вихідний струм – 4…20 мА;

г) сумарна похибка - 0,10%;

д) діапазон робочих температур – від – 40 до +115⁰ С.

Для вимірювання різниці тисків використаємо датчик 26 PC SMT компанії Honeywell, характеристики якого наступні:

а) діапазон тисків – 0…104,7 кПа;