Тема: Физические эффекты и явления при измерении давления

На данном этапе развития промышленности все более высокие требования предъявляются к информационно-измерительным системам, важнейшей частью которых являются датчики. Датчик - конструктивно обособленный первичный преобразователь, от которого поступают измерительные сигналы [1, с.11].
Особое распространение в сферах человеческой деятельности имеют датчики давления. Наряду с температурой и расходом давление является одной из важнейших физических величин, измеряемой в различных областях человеческой деятельности.
Широкий спектр потребностей как производителей, так и потребителей привел к большому разнообразию применяемых датчиков. Это разнообразие связано также и с тем, что понятие «давление» охватывает очень протяженную область значений - от глубокого вакуума до сверхвысоких давлений. Давление можно выражать в абсолютных (по отношению к вакууму) или в относительных (по отношению к атмосферному давлению) величинах.
Методы средства измерения давления основаны на использовании различных принципов измерения.
Принцип измерения - явление материального мира, положенное в основу измерения [1, с. 6].
В первую очередь эти явления используются в сенсорах (датчиках), являющихся источником информации о текущем состоянии технической системы.
Знание физических законов, явлений и эффектов помогает лучше понять принципы работы технических систем, их фундаментальные физические возможности и ограничения.
В современном мире, для измерения давления, используются датчики, работающие на основе давно открытых и старых физических эффектах и явлениях, которые давно исчерпали свои ресурсы. И если необходима по- настоящему эффективная работа, или, когда речь идет об экстремальных условиях эксплуатации, не все датчики хорошо справятся с поставленной задачей. В связи с этим актуальной проблемой приборостроительной отрасли, является проблема поиска новых принципов и технологий измерения давления. Поэтому для решения данной проблемы, первым делом, необходимо провести обзор физических эффектов и явлений, которые, в дальнейшем, могут применяться в разработках новых датчиков давления.
Актуальность работы заключается в необходимости расширения знаний о физических эффектах и явлениях, применяемых при измерении давления, которые могут быть положены в основу разработок новых датчиков давления.
Цель данной выпускной квалификационной работы заключается в анализе, сравнении и нахождении физических эффектов и явлений, которые могли бы применяться при измерении давления.
Задачи выпускной квалификационной работы носят в себе аналитический характер, и разделены на следующие этапы:
1) аналитический обзор физических явлений и эффектов, применяемых при измерении давления;
2) анализ физических эффектов и явлений, которые применяются или могли бы применяться в датчиках давления;
3) поиск и анализ новейших разработок, направленных на улучшение физических эффектов и явлений, применяемых в измерении давления;
4) разработка классификации физических эффектов и явлений, применяемых при измерении давления.


Купить

Учеными П.Д. Головиным и А.В. Блиновым в 2003 году в статье «Физические явления (эффекты) используемые для построения первичных преобразователей (датчиков)» была предложена классификация по принципу действия физических эффектов и явлений, также в данной классификации указывалось частота применения физических эффектов. Опираясь на данную классификацию, мы рассмотрели представленные в ней физические эффекты и явления, применяемые при измерении давления.
Однако, пришли к выводу, что данная классификация не является исчерпывающей, поскольку не учитывает большое количество известных физических эффектов и явлений. А также малоинформативна и неудобна для практического применения.
Опираясь на результаты аналитического обзора была разработана новая классификация, учитывающая большее число известных в настоящее время физических эффектов и явлений, применяемых при измерении давления.
Для реализации поставленной задачи, был проведен анализ физических эффектов и явлений, которые применяются или могли бы применяться при измерении давления.
По результатам проведенного анализа можно сказать следующее:
1. Самые используемые физические эффекты и явления это: тензорезистивный, пьезорезистивный, емкостной, прямой и обратный пьезоэлектрические эффекты. Данные эффекты охватывают широкий диапазон измеряемых давлений и имеют возможность работать при высоких температурах (до 500 оС), что расширяет область их применения.
2. При измерении давления, которое ниже атмосферного (вакуум) оптимальным будет использовать: явление тлеющего разряда, явление коронного разряда, явление теплопроводности газа и радиометрический эффект.
3. Также перспективным направлением являются: туннельный эффект, фотоупругий эффект, механолюминисцентный эффект. Данные эффекты имеют несомненные преимущества перед такими эффектами как: пьезоэлектрические, тензорезистивные, емкостные, и т.д., они абсолютно искро-взрыво-пожаро-безопасные, радиационно-стойкие, не предъявляют требований к электромагнитной совместимости, просты в конструктивном исполнении и малогабаритные, химически инертные, энергосберегающие, потенциально могут работать при воздействии повышенных (до 500 оС) температурах и электрофизических факторов космического пространства и статического электричества. Что позволяет им работать в особо жестких условиях эксплуатации (в ракетно-космической, авиационной технике, атомном реакторе и т.д.). Несмотря на все преимущества данные эффекты не нашли широкого применения в России.
Для выявления современного состояния рассматриваемых эффектов, в третьей главе был проведен поиск и анализ патентных и научно-технических статей, которые позволили улучшить эксплуатационные характеристики и расширить область применения датчиков давления, основанных на рассматриваемых физических эффектах и явлениях.
По результатам третьей главы можно сказать, что:
4. Современной тенденцией в микроэлектронике и микросистемотехнике является применение в изделиях приборостроения новых элементов, материалов, структур, имеющих уникальные технические показатели, для их использования при разработке и построении компонентов информационно-измерительных систем (датчиков).
5. Помимо улучшения конструкций и использовании новых уникальных материалов, современной тенденцией также является поиск физических эффектов и явлений, которые реализуют функцию метрологического самоконтроля.
6. Тенденцией развития физических эффектов и датчиков на их основе, является увеличение области их применения в сторону особо жестких условий (ракетно-космической, авиационной техники, атомной энергетики и т.д.).
На основе проделанной работы, в четвертой главе была разработана классификация известных физических эффектов и явлений, применяемых при
измерении давления.
Разработанная классификация учитывает большее число известных на сегодняшний день физических эффектов и явлений, применяемых при измерении давления, но не является полной и нуждается в последующем дополнении новыми физическими эффектами и явлениями, а также, при необходимости, новыми классификационными признаками.
Данная классификация позволяет:
• выявить физические эффекты и явления, которые могут быть положены в основу разработок новых датчиков давления;
• найти более оптимальный эффект для разрабатываемого датчика давления, который будет применяться в особых условиях эксплуатации;
• определить направление для дальнейшего развития технических и эксплуатационных характеристик датчиков давления, на основе рассматриваемых эффектов.
Данное представление классификации может быть использовано, например, при разработке новых датчиков давления.


Купить