Таблица перевода единиц измерения давления
| Единицы | бар | мм рт.ст. | мм вод.ст. | атм (физич.) | кгс/м2 | кгс/см2 (технич. атм.) | Па | кПа | Мпа |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 бар | 1 | 750.064 | 10197,16 | 0.986923 | 10.1972 ∙ 103 | 1,01972 | 105 | 100 | 0.1 |
| 1 мм рт.ст. | 1.33322 ∙10-3 | 1 | 13,5951 | 1.31579 ∙10-3 | 13,5951 | 13.5951 ∙10-3 | 133.322 | 133.322 ∙10-3 | 133.322 ∙10-6 |
| 1 мм вод.ст. | 98.0665 ∙10-6 | 73.5561 ∙ 10 -3 | 1 | 96.7841 ∙10-6 | 1 | 0.1∙10-3 | 9.80665 | 9.80665 ∙10-3 | 9.80665 ∙10-6 |
| 1 атм | 1.01325 | 760 | 10.3323 ∙103 | 1 | 10.3323∙ 103 | 1.03323 | 101.325 ∙ 103 | 101.325 | 101.325 ∙10-3 |
| 1 кгс/м2 | 98,0665 ∙10-6 | 73.5561 ∙ 10 -3 | 1 | 96.7841 ∙10-6 | 1 | 0.1∙10-3 | 9.80665 | 9.80665 ∙10 -3 | 9.80665 ∙10-6 |
| 1 кгс/см2 | 0,980665 | 735.561 | 10000 | 0.967841 | 10000 | 1 | 98.0665 ∙ 103 | 98.0665 | 98.0665 ∙10-3 |
| 1 Па | 10 -5 | 7.50064 ∙10-3 | 0,1019716 | 9.86923 ∙10-6 | 101.972 ∙ 10-3 | 10.1972 ∙10-6 | 1 | 10 -3 | 10 -6 |
| 1 кПа | 0.01 | 7.50064 | 101,9716 | 9.86923 ∙10-3 | 101.972 | 10.1972 ∙10-3 | 103 | 1 | 10 -3 |
| 1 МПа | 10 | 7.50064 ∙103 | 101971,6 | 9.86923 | 101.972 ∙103 | 10.1972 | 106 | 103 | 1 |
К системе СИ относятся: Инженерные единицы:
Бар
1 бар = 0,1 Мпа 1 мм рт.ст. = 13.6 мм вод.ст.
1 бар = 10197.16 кгс/м2 1 мм вод.ст. = 0.0001кгс/см2
1 бар = 10 Н/см2 1 мм вод.ст. = 1 кгс/м2
1 атм = 101.325 ∙ 103 Па
Па
1 Па = 1000МПа
1 МПа = 7500 мм. рт. ст.
1 МПа = 106 Н/м2
Перспективные кварцевые пьезорезонансные чувствительные элементы и датчики давления на их основе
Анализируя сегодняшнюю ситуацию на рынке чувствительных элементов (ЧЭ) датчиков давления, можно выделить следующие основные принципы их действия: пьезорезистивные, емкостные, пьезоэлектрические и пьезорезонансные.
Датчики давления с пьезорезистивными и емкостными ЧЭ используются достаточно широко, описание принципа работы и технических характеристик этих датчиков можно найти у многих производителей, на сайтах и в журналах.
Описание датчиков давления с пьезорезонансными чувствительными элементами (ПЧЭ) пока встречается реже, хотя это направление в России и за рубежом интенсивно развивается.
В качестве ПЧЭ таких датчиков используется пьезоэлектрический резонатор из монокристаллического кварца, который представляет собой электромеханическую систему с использованием явления прямого и обратного пьезоэффекта,
объединяющую системы электрического возбуждения механических колебаний и съема электрического сигнала, пропорционально их амплитуде [1, 2]. Кварцевый пьезоэлемент обычно закрепляется в двух точках или по периметру силопередающей мембраны или балки. Под воздействием давления мембрана или балка деформируется, соответственно частота колебаний пьезоэлемента изменяется пропорционально деформации. На рисунке 1 представлены модели конструкций кварцевых ПЧЭ.
 |
  |
| а) | б |
| Рис. 1 Модели конструкций кварцевых ПЧЭ: а) высокочастотный (ВЧ) объемного сжатия фирмы Quartzdyne (США); б) низкочастотный камертонный мембранного типа фирмы СКТБ ЭлПА (Россия) |
|
Используя кварцевые ПЧЭ, частота которых изменяется под воздействием на них давления, зарубежные фирмы (такие, как: Quartzdyne, Spartek Systems, EpsonToyocom и др.) разрабатывают и производят ряд прецизионных датчиков давления. Кварцевые датчики давления имеют ряд преимуществ перед датчиками с емкостными и пьезорезистивными ЧЭ. Эти преимущества обусловлены, долговременной стабильностью монокристаллического кварца, из которого изготовлен ПЧЭ датчиков, малым изменением частоты колебаний ПЧЭ при воздействии температуры в широком диапазоне от -60 0С до +150 0С и наличием частотного выходного сигнала.
Все это позволяет получить:
- высокую разрешающую способность (порядка 0,001 % ВПИ);
- высокую точность измерения давления (порядка 0,01 % ВПИ) в широком диапазоне температур, которая обусловлена высокой добротностью, выбором угла среза монокристаллического кварца с низкой температурной зависимостью, подбором соединительных материалов, конструкцией закрепления ПЧЭ в корпусе датчика, алгоритмом компенсации влияния температуры;
- долговременную стабильность (порядка 0,01% ВПИ за год);
- возможность работы в широком диапазоне температур от криогенных до 250 °С;
- возможность исключить из измерительного канала АЦП, который является источником дополнительной погрешности;
- возможность оперировать сигналом с помощью микропроцессора.
Кроме того кварцевые ПЧЭ являются стойкими к радиации, что расширяет область их применения.
Датчики с кварцевыми ПЧЭ применяются в качестве эталонов в калибраторах таких фирм как: Druc GE (Великобритания); Ruska (США); Artvik (США); Fluke (США), используются в прецизионных барометрах, также применяются для измерения гидростатических давлений и давлений в нефтяных и газовых скважинах фирмами: Epson Toyocom (Япония); Aanderaa (Норвегия); Quartzdyne (США); Schlumberger (Франция) и др.,
Отдельно надо отметить ЧЭ с кремниевыми резонаторами и датчики давления на их основе фирмы Yokogawa (Япония), которые тоже являются частотными и по своим характеристикам приближены к кварцу, но имеют ограничения по радиационной стойкости без специальной подготовки.
Российские предприятия также разрабатывают и производят кварцевые манометрические и термочувствительные ПЧЭ на основе которых изготавливаются датчики давления и температуры, обладающие техническими характеристиками, близкими к зарубежным аналогам.
Основным разработчиком и производителем кварцевых ПЧЭ в России является ООО «СКТБ ЭлПА», оно выпускает два типа кварцевых манометрических ПЧЭ абсолютного давления:
- мембранного типа на ряд давлений от 0,0007 до 25 МПа см. Рис.1 (б) и Рис. 2;
- объемного сжатия на ряд давлений от 0,02 до 150 МПа.
 |
 |
| а) | б) |
| Рис. 2 Кварцевый ПЧЭ мембранного типа с тензочувствительным ВЧ пьезоэлементом | |
В них качестве тензочувствительного элемента применяется сдвоенный камертонный низкочастотный пьезоэлемент на частоты от 40 до 50 кГц или полосковый ВЧ пьезоэлемент на частоту 10 МГц.
Для получения воспроизводимых упругих свойств и минимальной воспроизводимой температурной зависимости тензочувтвительные элементы соединенные с силопередающей мембраной или балкой находятся в вакуумированном корпусе ПЧЭ выполненном также из монокристаллического кварца. Все соединения элементов ПЧЭ производятся легкоплавким стеклом с подобранным ТКЛР. Температура плавления стекла около 500 ºС. На рисунке 2 а) показаны соединенные между собой мембрана, прокладка и крышка ПЧЭ. Толщина соединительного стекла не более 30 мкм.
Дополнительная температурная погрешность у манометрических ПЧЭ в рабочем диапазоне температур в зависимости от конструкции может варьироваться от 220 ррm до 1330 ppm, что составляет 0,5 % и 3% соответственно относительно максимального изменения частоты в рабочем диапазоне давлений.
В кварцевых датчиках давления для компенсации дополнительной температурной погрешности манометрических ПЧЭ используются резонаторы кварцевые термочувствительные (РКТ) частота которых изменяется в зависимости от температуры. На риунке 3 представлен термочувствительный пьезоэлемент с электродной системой а) и типовая температурночастотная характеристика (ТЧХ) РКТ б). ТЧХ описывается параболической функцией с теоретической точкой экстремума около – 290 ºС.
| а) | б) |
| Рис. 3 Термочувствительный пьезоэлемент | |
На рисунке 4 представлены графики наглядно иллюстрирующие характеристики отечественных кварцевых датчиков с частотным и цифровым выходами.
а) б)
| в) |
| Рис.2 Характеристики отечественных кварцевых датчиков с частотным и цифровым выходами: а) разрешающая способность + 0,002% при прямом и обратном перемещении датчика на 60 см. от уровня пола; б) устойчивость к смене температур при помещении скважинного датчика, с ВПИ равным 80 МПа, из камеры 0 ºС в жидкостной термостат с установившейся в нем температурой 70 ºС; в) долговременная стабильность (суммарная погрешность барометрических датчиков установленных на уличном полигоне в течение года не более + 0,03 % ВПИ) . |
Но широкое применение отечественных кварцевых ПЧЭ в промышленности ограничено их габаритными размерами, отсутствием (на данный момент) качественного разделительного маслозаполненного мембранного блока, позволяющего применять их в датчиках для агрессивных сред и сложностью реализации на их основе датчиков дифференциального и избыточного давления.
Сейчас ведутся работы над созданием дифференциального кварцевого ПЧЭ, но для широкого использования, его также необходимо встроить в маслозаполненный мембранный блок.
Кроме этого, поставлена задача миниатюризации кварцевых ПЧЭ и датчиков. Для примера можно привести создание нового кварцевого ПЧЭ объемного сжатия на давления от 0 до 60 МПа, размеры которого 4х10х2 мм. и скважинного датчика давления на его основе с габаритными размерами Ø18 х 160 мм , который на данный момент проходит испытания.
Ведутся проектные разработки ПЧЭ из других пьезоэлектрических материалов – лангасита и лангатата, способных работать при более высоких температурах чем кварц – до 400 .. 500 ºС.
Сейчас идет смена старой аналоговой измерительной аппаратуры на современные микропроцессорные приборы, и кварцевые датчики с частотным и цифровым выходами должны получить более широкое применение.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Малов В.В. Пьезорезонансные датчики. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Энергоатомиздат, 1989.
2. Смагин А.Г., Ярославский М.И. Пьезоэлектричество кварца и кварцевые резонаторы. – М, Энергия, 1970.