Давление -  физическая величина, характеризующая интенсивность нормальных (перпендикулярных к поверхности) сил, с которыми одно тело действует на поверхность другого. Давление характеризует напряженное состояние жидкостей и газов в условиях всестороннего сжатия и определяется частным от деления нормальной к поверхности силы на площадь этой поверхности. 

     При этом принимается, что нормальная сила равномерно распределена по поверхности, а в жидкости или газе отсутствуют касательные напряжения. Т.к. действующая сила всегда перпендикулярна к поверхности вне зависимости от ее расположения, то давления является скалярной величиной.

     В общем случае при неравномерном  распределении действующих на жидкость или газ внешних сил вводится понятие давление в точке: 

где – нормальная сила действующая на сколь угодно малую площадь .

     Понятие давление как физической величины во всех его проявлениях едино. Вместе с тем, во многих естественных природных  явлениях и в различных технических устройствах и процессах определяющим является не само давление, а его значение относительно другого.

     При сравнении значений двух давлений одно из них принимается за начало отсчета  их разности. По этому признаку различают  следующие виды давлений.

     Абсолютное  давление – давление, значение которого при измерении отсчитывается  от давления, равного нулю. Давление, равное нулю, характеризуется состояние жидкости или газа, обусловленное различными физическими причинами, при котором в них отсутствуют напряжения сжатия.

     Давление  газа равно нулю, если его концентрация настолько мала, что молекулы газа практически не взаимодействуют  друг с другом, или если равна  нулюабсолютная температура газа.

     Равенство нулю давления жидкости имеет мест, если отсутствуют действующие на нее внешние силы.

     Во  всех других случаях измеряемое давление сравнивается с давлением, знаение которого не равно нулю. Данные виды давления, в отличии от абсолютного давления, являются относительными. Здесь следует выделить разность давлений и избыточное давление.

     Разность  давлений

     ,

где p₁ и p₂ – сравниваемые между собой абсолютные давления, причем p₂ принято за начало отсчета. При p₁>p₂ разность давлений положительная, при p₁<p₂ – отрицательная.

     Следует подчеркнуть, что понятие «разность давлений равна нулю» по определению не адекватно равенству нулю давлений p₁ и p₂.

     Избыточное  давление – разность давлений, одно и которых, принятое за начало отсчета, является абсолютным давлением окружающей среды – это атмосферное давление в месте измерений.

      ,

где p_абс – абсолютное давление; p_атм – атмосферное давление.

     Так же как и ранее при p_абс>p_атм избыточное давление положительно, при p_абс<p_атм – отрицательно, а равенство нулю p_и не адекватно равенству p_абс и p_атм. В этом заключается принципиальное различие между понятиями разность давлений, избыточное и давление. Последнее по определению не может быть отрицательно.

     Когерентной единицей Международной системы  единиц (СИ) является паскаль (Па). Единица  давления Па представляет собой отношение  единицы силы Ньютона к единице  площади квадратному метру: 1 Па = 1 Н/м² = 1 кг/(м*с²).

Размер  единицы давления Па очень мал, его  значение соответствует давлению столба воды высотой 0.1 мм. Поэтому на практике применяются единицы давления, кратные 1 Па, которые образуются добавлением к наименованию паскаль

     Рис. 1. Адаптирование простого преобразователя давления для измерения абсолютного давления (а), разностного давления (б) и избыточного давления (в)

     приставок, узаконенных СИ: килопаскаль (кПа), мегапаскаль (МПа) и гигапаскаль (ГПа). Численное указание единицы давления 1 кПа = 1*10³ Па: 1МПа = 1*10⁶ Па; 1ГПа = 1*10⁹ Па.

     Методы  и средства измерения давления

     Методы  измерения давления во многом предопределяют как принципы действия, так и конструктивные особенности средств измерений. В этой связи в первую очередь следует остановится на наиболее общих методологических вопросах техники измерения давления.

     Давления, исходя из самых общих позиций, может  быть определенно как путем его  непосредственного измерения, так  и посредством измерения другой физической величины, функционально  связанной с измеряемым давлением.

     В первом случае измеряемое давление воздействует непосредственно на чувствительный элемент прибора, который передает информацию о значении давления последующим  звеньям измерительной цепи, преобразующим  ее в требуемую форму. Этот метод  определения давления является методом прямых измерений и получил наибольшее распространение в технике измерения давления. На нем основаны принципы действия большинства манометров и измерительных преобразователей.

     Во  втором случае непосредственно измеряются другие физические величины или параметры, характеризующие физические свойства измеряемой среды, значения которых закономерно связаны с давлением (температура кипения жидкости, скорость распространения ультразвука и т.д.). Этот метод является методом косвенных измерений давления и применяется, как правило, в тех случаях, когда прямой метод по тем или иным причинам неприменим, например, при измерении сверхнизкого давления (вакуумная техника) или при измерении высоких и сверхвысоких давлений.

     Методологически не менее важен и вопрос о способе, которым средство измерений воспроизводит  единицу давления, что непосредственно  сказывается на его функциональных возможностях.

     Давление  является производной физической величиной, определяемой тремя основными физическими  величинами – массой, длиной и временем. Конкретная реализация значения давления зависит от способа воспроизведения  единицы давления. При измерении по формуле (1.1) давление определяется силой и площадью, а по формуле: 

длинной, плотностью и ускорением. Методы определения давления, основанные на измерении указанных величин, являются абсолютными (фундаментальными) методами и применяются при воспроизведении единицы давления эталонами грузопоршневого и жидкостного типа, а также позволяют, при необходимости производить аттестацию образцовых средств измерений.

     Относительный метод измерений, в отличие от абсолютного, основан на предварительном исследовании зависимости от давления физических свойств и параметров чувствительных элементов, средств измерения давления, при методах прямых измерений. Или других физических величин и свойств измеряемой среды – при методах косвенных измерений.

     Современные средства измерений давления представляют собой измерительные системы, звенья которых имеют различное функциональное назначение. Важнейшим звеном любого средства измерения давления является его чувствительный элемент, который  воспринимает измеряемое давление и  преобразует его в первичный  сигнал, поступающий в измерительную  цепь прибора. С помощью промежуточных  преобразователей сигнал от ЧЭ преобразуется  в измерительных преобразователях в унифицированный выходной сигнал, поступающий в системы измерения, контроля, регулирования и управления. При этом промежуточные преобразователи  и вторичные приборы во многих случаях унифицированы и могут  приниматься в сочетании с  ЧЭ различных типов.

Рис. 3. Структурная  блок схема ИПД:

p – измеряемое давление; ЧЭ – чувствительный элемент; 1 – n – промежуточные преобразователи; В.С. – выходной сигнал; к системам: I – измерения и контроль; II – регистрации; III – регулирования; IV - управления

2. Методы преобразования  давления

     Датчик  давления состоит из первичного преобразователя  давления, в составе которого чувствительный элемент и приемник давления, схемы  вторичной обработки сигнала, различных  по конструкции корпусных деталей  и устройства вывода (рис. 1). Основным отличием одних приборов от других является точность регистрации давления, которая зависит от принципа преобразования давления в электрический сигнал: тензометрический, пьезорезистивный, емкостной, индуктивный, резонансный. 

     Рисунок 1 – Блок-схема преобразователя  давления в электрический сигнал

     2.1 Тензометрический  метод

     В настоящее время основная масса  датчиков давления в нашей стране выпускаются на основе чувствительных элементов (рис. 2), принципом которых  является измерение деформации тензорезисторов, сформированных в эпитаксиальной пленке кремния на подложке из сапфира (КНС), припаянной твердым припоем к титановой мембране.

     Принцип действия тензопреобразователей основан на явлении тензоэффекта в материалах. Чувствительным элементом служит мембрана с тензорезисторами, соединенными в мостовую схему. Под действием давления измеряемой среды мембрана прогибается, тензорезисторы меняют свое сопротивление, что приводит к разбалансу моста Уитстона. Разбаланс линейно зависит от степени деформации резисторов и, следовательно, от приложенного давления. 

     Рисунок 2 – Упрощенный вид тензорезистивного  чувствительного элемента

     Следует отметить принципиальное ограничение  КНС преобразователя – неустранимую временную нестабильность градуировочной характеристики и существенные гистерезисные  эффекты от давления и температуры. Это обусловлено неоднородностью  конструкции и жесткой связью мембраны с конструктивными элементами датчика. Поэтому, выбирая преобразователь  на основе КНС, необходимо обратить внимание на величину основной погрешности с  учетом гистерезиса и величину дополнительной погрешности.

     К преимуществам можно отнести  хорошую защищенность чувствительного  элемента от воздействия любой агрессивной  среды, налаженное серийное производство, низкую стоимость.

     2.2 Пьезорезистивный метод

     Практически все производители датчиков проявляют  живой интерес к использованию  интегральных чувствительных элементов  на основе монокристаллического кремния. Это обусловлено тем, что кремниевые преобразователи имеют на порядок  большую временную и температурную  стабильности по сравнению с приборами  на основе КНС структур.

     Кремниевый  интегральный преобразователь давления (ИПД) представляет собой мембрану из монокристаллического кремния с  диффузионными пьезорезисторами, подключенными в мост Уинстона (рис. 3). Чувствительным элементом служит кристалл ИПД, установленный на диэлектрическое основание с использованием легкоплавкого стекла или методом анодного сращивания.

     Рис. 3. Кремниевый интегральный преобразователь давления

     Для измерения давления чистых неагрессивных  сред применяются, решения, основанные на использовании чувствительных элементов  либо без защиты, либо с защитой  силиконовым гелем (рис. 4).

     Рис. 4. Решение для пьезорезистивных чувствительных элементов с использованием защитного покрытия

     Для измерения агрессивных сред и  большинства промышленных применений применяется преобразователь давления в герметичном металло-стеклянном корпусе, с разделительной диафрагмой из нержавеющей стали, передающей давление измеряемой среды на ИПД посредством кремнийорганической жидкости (рис. 5).

     Рис. 5.  Преобразователь давления защищенный от измеряемой среды посредством коррозионно-стойкой мембраны

     Основным  преимуществом пьезорезистивных дачткиков является более высокая стабильность характеристик, по сравнению с КНС преобразователями. ИПД на основе монокристаллического кремния устойчивы к воздействию ударных и знакопеременных нагрузок. Если не происходит механического разрушения чувствительного элемента, то после снятия нагрузки он возвращается к первоначальному состоянию, что объясняется использованием идеально-упругого материала.

     2.3 Емкостной метод

     Емкостные преобразователи используют метод  изменения емкости конденсатора при изменении расстояния между  обкладками. Известны керамические или  кремниевые емкостные первичные  преобразователи давления и преобразователи, выполненные с использованием упругой  металлической мембраны. При изменении  давления мембрана с электродом деформируется  и происходит изменение емкости.

     В элементе из керамики или кремния, пространство между обкладками обычно заполнено  маслом или другой органической жидкостью (рис. 6).

     Рис. 6. Емкостной преобразователь давления

     В данном варианте роль подвижной обкладки конденсатора выполняет металлическая  диафрагма.

     Достоинством  чувствительного емкостного элемента является простота конструкции, высокая  точность и временная стабильность, возможность измерять низкие давления и слабый вакуум.

     К недостатку можно отнести нелинейную зависимость емкости от приложенного давления.

     2.4 Резонансный метод

     Резонансный принцип используется в датчиках давления на основе вибрирующего цилиндра, струнных датчиках, кварцевых датчиках, резонансных датчиках на кремнии. В  основе метода лежат волновые процессы: акустические или электромагнитные. Это и объясняет высокую стабильность датчиков и высокие выходные характеристики прибора.

     Частным примером может служить кварцевый  резонатор (рис. 7). При прогибе мембраны, происходит деформация кристалла кварца, подключенного в электрическую  схему и его поляризация. В  результате изменения давления частота  колебаний кристалла меняется. Подобрав параметры резонансного контура, изменяя  емкость конденсатора или индуктивность  катушки, можно добиться того, что  сопротивление кварца падает до нуля – частоты колебаний электрического сигнала и кристалла совпадают  – наступает резонанс.

Рис. 7. Упрощенный вид резонансного чувствительного элемента, 
выполненного на кварце

     Преимуществом резонансных датчиков является высокая  точность и стабильность характеристик, которая зависит от качества используемого  материала.

     К недостаткам можно отнести индивидуальную характеристику преобразования давления, значительное время отклика, не возможность  проводить измерения в агрессивных  средах без потери точности показаний  прибора.

     2.5 Индуктивный метод

     Индукционный  способ основан на регистрации вихревых токов (токов Фуко). Чувствительный элемент состоит из двух катушек, изолированных между собой металлическим  экраном (рис. 8). Преобразователь измеряет смещение мембраны при отсутствии механического  контакта. В катушках генерируется электрический сигнал переменного  тока таким образом, что заряд  и разряд катушек происходит через  одинаковые промежутки времени. При  отклонении мембраны создается ток  в фиксированной основной катушке, что приводит к изменению индуктивности  системы. Смещение характеристик основной катушки дает возможность преобразовать  давление в стандартизованный сигнал, по своим параметрам прямо пропорциональный приложенному давлению.

     Рис. 8. Принципиальная схема индукционного преобразователя давления

     Преимуществом такой системы, является возможность  измерения низких избыточных и дифференциальных давлений, достаточно высокая точность и незначительная температурная  зависимость.

     Однако  датчик чувствителен к магнитным  воздействиям, что объясняется наличием катушек, которые при прохождении переменного сигнала создают магнитное поле.

     Подводя итог, приведем основные достоинства  и недостатки различных методов  преобразования давления в электрический  сигнал, результаты сведены в таблице 2.

     Таблица 2 – Достоинства и недостатки измерителей давления

     Различные сферы применений определяют свои требования к датчикам: для промышленности –  надежность и стабильность характеристик, для лабораторных измерений и  расходометрии – точность измерения давления и т.д. Еще одним важным параметром является цена датчиков, которые используют тот или иной принцип преобразования давления. Поэтому при выборе преобразователя необходимо определить наиболее выгодный вариант – соотношение цены к возможностям прибора. Очевидно там, где требуется только какой-либо определенный параметр датчика (например, точность или возможность измерять вакуум) соотношение цены к предъявляемым требованиям высокое. В основном это касается резонансных, индукционных, емкостных и ионизационных датчиков.

     В большинстве случаев требуется  несколько параметров преобразователей: точность, стабильность выходных характеристик, надежность, долговечность, низкая цена. Таким требованиям, как видно  из вышеприведенной таблицы, удовлетворяют  пьезорезистивные датчики давления и КНС-преобразователи. Выбрав КНС-преобразователи, вы получите надежные датчики работающие при высоких температурах (более 1500ºС), однако теряете в точности и стабильности выходных характеристик, по сравнению с преобразователями на монокристалличеком кремнии. Поскольку в основном требуется высокая стабильность выходных характеристик при невысоких температурах, то интегральные преобразователи давления являются в этом случае оптимальным решением, при невысокой цене.

     Датчики давления с нормализованным выходным сигналом

     Сегодняшний день невозможно представить без  микропроцессоров и микроконтроллеров (в дальнейшем МП). Они используются в устройствах проводной и  беспроводной связи, в промышленной и автомобильной электронике, в  аппаратуре вычислительной техники  и в бытовой аппаратуре и для  реализации предписанных программой функций  каждый МП должен получать информацию из внешнего мира - "увидеть" его, "услышать", "ощутить". Такими "органами чувств" для МП являются датчики - датчики давления, температуры, уровня, расхода, химического состава и т.п. 
         В общем ряду датчиков важное место, особенно в автомобильной и промышленной электронике, занимают датчики давления и в данной статье будет представлена серия MPX5000 фирмы Motorola - серия датчиков давления с нормализованным выходным сигналом.

                                       а)                                                                      б)

     Условные  обозначения:

     а - Носитель базового кристалла (корпус 867-04);     
б - Датчик дифференциального давления с входными портами (корпус 86703).

     Рисунок 1- Общий вид датчиков давления серии MPX5000

     1.1.2 Принцип работы тензодатчика

     Рисунок 2 - Базовый элемент некомпенсированного  датчика (вид сверху) 

     Датчик  работает таким образом: ток возбуждения  протекает по резистору (отводы 1(земля) и 3(напряжение)) а подаваемое к диафрагме  давление, воздействуя на диафрагму, изгибает резистор. Изгиб приводит к возникновению в резисторе  поперечного электрического поля , которое проявляется как напряжение на отводах 2(выходное напряжение с « + ») и 4(выходное напряжение с « - »), соединенных со средней точкой резистора. Выходной сигнал изменяется пропорционально прилагаемому давлению. Одноэлементный тензодатчик, с поперечным съемом напряжения, можно рассматривать как механический аналог прибора на эффекте Холла. 
        Тензодатчик является интегральной частью диафрагмы и, следовательно, его температурный коэффициент не отличается от температурного коэффициента диафрагмы. Выходные параметры самого тензодатчика все же зависят от температуры и для обеспечения расширенного диапазона температур необходима температурная компенсация. Для диапазона температур от 0 до 85°C достаточно простой резистивной цепочки, реализованной на том же кристалле, но для более широкого диапазона температур, например от -40 до 125°C, потребуется и более сложная схема компенсации. Такая дополнительная компенсация реализуется внешними схемами. 
        Использование одного чувствительного элемента исключает необходимость точного согласования четырех , чувствительных и к давлению и к температуре, резисторов, составляющих мост Уитстоуна. Кроме того, существенно упрощаются дополнительные схемы, необходимые для калибровки и температурной компенсации. Начальное смещение зависит, в основном, от степени выравнивания отводящих проводников, снимающих напряжение. Это выравнивание выполняется в одном литографическом процессе, обеспечивающем простое их согласование а использование только положительного напряжения, упрощают схему сведения смещения к нулю.

Упругие элементы

     Упругие элементы предназначаются для виброизоляции  и гашения энергии удара, для  выполнения функций двигателя (например, часовые пружины), для создания зазоров  и натяга в механизмах. Упругая характеристика, жесткость и чувствительность.

     Упругая характеристика - это зависимость между перемещением X определённой точки упругого элемента и величиной нагрузки р. Упругая характеристика является основным показателем свойств упругих элементов.

     1.4.1 Плоские пружины

     В приборостроении широко применяются  прямые, кривые, спиральные пружины  различных форм и размеров. Они  называются плоскими, если оси этих пружин представляют собой плоские кривые. Плоские пружины успешно используются в качестве измерительных, направляющих, упругих подвесов, подвижных частей прибора и др. Плоские пружины изготовляются из круглой проволоки, но чаще они штампуются из пружинной ленты.

     Плоские пружины применяются в различных  устройствах, в роли кинематических элементов приборов: упругих опор и направляющих, гибких связей и деталей передаточно-множительных механизмов. Плоские пружины выполняют функции измерения в вибрографах, акселографах, тахометрах, манометрах, тягомерах и так далее.

     1.4.2 Винтовые пружины

     Винтовые  пружины обычно навиваются из проволоки  в виде пространственной спирали. Винтовые пружины бывают: Цилиндрические, спиральные, конические, параболоидные.

     Винтовые  пружины используются особенно часто  в качестве натяжных, обеспечивая необходимую силу натяга между деталями прибора. Иногда они применяются как пружинные двигатели.

     1.4.3  Мембраны

     Во  многих манометрических приборах в  качестве упругого элемента применяются  мембраны - гибкая круглая пластинка, получающая значительные упругие прогибы го₀ под действием давления.

     Существуют  плоские, гофрированные, выпуклые (сферические или конические) мембраны. Неметаллические мембраны имеют весьма малую жесткость и поэтому, как правило, работают совместно о измерительной винтовой пружиной, выполняя преобразой;ание давления в усилие, воспринимаемое упругим элементом - пружиной.

     1.4.4 Манометрические трубчатые пружины

     В манометрических приборах широко используется свойство полой трубки деформироваться  под действием давления. Обычно манометрическая  трубчатая пружина представляет собой тонкостенную кривую трубку вытянутого поперечного сечения. Манометрические  трубчатые пружины бывают одновитковые (пружины бурдюка), многовитковые - винтовые или спиральные (пружины Бойса). В последнее время в манометрических приборах высокого давления (порядка сотен кгс/см²) нашли применение так называемые «витые» трубчатые пружины, представляющие собой естественную закругленную трубку.