Датчик давления принцип действия. Датчики давления: принцип действия, типы, применение и выбор

Как работают датчики давления. Какие бывают виды датчиков давления. Где применяются датчики давления в промышленности. На что обратить внимание при выборе датчика давления.

Принцип действия датчиков давления

Датчик давления — это устройство, которое преобразует давление в электрический сигнал. Основной принцип работы датчика давления заключается в следующем:

1. Давление воздействует на чувствительный элемент (мембрану, диафрагму).
2. Под действием давления чувствительный элемент деформируется.
3. Деформация преобразуется в электрический сигнал с помощью различных эффектов (пьезоэлектрического, тензорезистивного и др.).
4. Полученный электрический сигнал усиливается и обрабатывается.
5. На выходе формируется стандартизированный сигнал (например, 4-20 мА), пропорциональный измеряемому давлению.

Таким образом, датчик давления позволяет преобразовать механическую величину (давление) в электрический сигнал, удобный для дальнейшей обработки и передачи.

Основные типы датчиков давления

Существует несколько основных типов датчиков давления, различающихся по принципу действия:

• Пьезоэлектрические датчики — используют пьезоэлектрический эффект в кристаллах
• Тензометрические датчики — основаны на изменении сопротивления проводника при деформации
• Емкостные датчики — измеряют изменение емкости при деформации мембраны
• Индуктивные датчики — регистрируют изменение индуктивности катушки
• Пьезорезистивные датчики — используют пьезорезистивный эффект в полупроводниках
• Оптические датчики — основаны на изменении оптических свойств под давлением

Выбор типа датчика зависит от конкретной задачи, требуемой точности, диапазона измерений и условий эксплуатации.

Виды датчиков по измеряемому давлению

По виду измеряемого давления датчики подразделяются на следующие основные типы:

• Датчики абсолютного давления — измеряют давление относительно абсолютного вакуума
• Датчики избыточного давления — измеряют давление относительно атмосферного
• Датчики дифференциального давления — измеряют разность двух давлений
• Датчики вакуума — для измерения давлений ниже атмосферного
• Датчики барометрического давления — для измерения атмосферного давления

Важно правильно выбрать тип датчика в зависимости от того, какое именно давление требуется измерять в конкретной задаче.

Применение датчиков давления в промышленности

Датчики давления широко применяются в различных отраслях промышленности:

• Нефтегазовая отрасль — контроль давления в трубопроводах, резервуарах, скважинах
• Химическая промышленность — измерение давления в реакторах и технологических процессах
• Энергетика — мониторинг давления пара, воды, газа в энергетических установках
• Машиностроение — контроль давления в гидравлических и пневматических системах
• Авиация и космонавтика — измерение давления в топливных системах, в кабинах
• Пищевая промышленность — контроль давления в процессах производства продуктов
• Фармацевтика — измерение давления в стерильных процессах
• ЖКХ — контроль давления воды и газа в трубопроводах

Датчики давления являются важнейшим элементом систем автоматизации и контроля в промышленности.

Ключевые характеристики датчиков давления

При выборе датчика давления необходимо учитывать следующие основные характеристики:

• Диапазон измерения — минимальное и максимальное измеряемое давление
• Точность — максимальная погрешность измерения
• Температурный диапазон — допустимые температуры эксплуатации
• Выходной сигнал — тип и диапазон выходного сигнала (например, 4-20 мА)
• Быстродействие — скорость реакции на изменение давления
• Стабильность — сохранение метрологических характеристик во времени
• Перегрузочная способность — устойчивость к кратковременным перегрузкам
• Взрывозащита — наличие взрывозащищенного исполнения

Правильный учет этих характеристик позволяет подобрать оптимальный датчик для конкретной задачи.

Особенности выбора датчика давления

При выборе датчика давления следует обратить внимание на следующие аспекты:

• Совместимость с измеряемой средой — стойкость материалов к агрессивным средам
• Требования по точности — необходимая погрешность измерений
• Условия эксплуатации — температура, вибрации, влажность
• Диапазон измерений — соответствие рабочему диапазону давлений
• Тип выходного сигнала — совместимость с системой сбора данных
• Наличие дополнительных функций — индикация, самодиагностика и др.
• Требования по взрывозащите — необходимость взрывобезопасного исполнения
• Стоимость и доступность — соотношение цена/качество

Тщательный анализ этих факторов позволит выбрать оптимальный датчик давления для решения конкретной измерительной задачи.

Перспективные направления развития датчиков давления

В области разработки и производства датчиков давления наблюдаются следующие тенденции:

• Миниатюризация — создание микро- и наноразмерных датчиков
• Повышение точности — снижение погрешности до сотых долей процента
• Расширение диапазона измерений — создание датчиков для экстремальных давлений
• Интеллектуализация — встраивание функций самодиагностики и калибровки
• Беспроводные технологии — разработка датчиков с беспроводной передачей данных
• Новые материалы — применение композитов, керамики, наноматериалов
• Интеграция — объединение датчиков давления с другими типами сенсоров

Эти направления способствуют созданию более совершенных и универсальных датчиков давления для различных применений.

Как работает датчик давления

Датчики давления обеспечивают вычисление и представление полученных показаний в жидких, парообразных и газовых рабочих средах.

Датчики давления устанавливаются:

• в инженерных системах;
• на производственных линиях различного назначения;
• в водных и шинных насосах;
• в автоматических системах пожаротушения.

Приборы отличаются между собой назначением, интервалами измерений, рабочих диапазонов, точностью фиксирования показаний, весом и габаритами, а также видом представления вычислений в считываемый сигнал.

Как работает преобразователь давления

Принцип работы прибора заключается в выявлении уровня давления на мембрану (перегородку, сенсор) потоком рабочей среды (газовой, жидкой или паровой). При исполнении заданного уровня, происходит переподключение перекидного однополюсного контакта. Когда уровень снижается на величину настраиваемого дифференциала (P), механизм автоматически возвращается в изначальное положение.

После изменения состояния рабочей среды, меняется выходной сигнал (цифровой, аналоговый или электрический), который позволяет наглядно оценивать состояние системы.

Каждый вид приборов имеет особенности функционирования и определенное назначение:

• Датчики относительного (вакуумметрического) давления вычисляют соотношение давления окружающей и рабочей среды. Такие приборы чаще всего применяются для общепромышленных целей и на автостанциях для вычисления давления в автомобильных шинах.
• Датчик абсолютного давления (ДАД, MAP), такой как универсальный датчик BD Sensors Rus DMP 331, вычисляет разницу давления вакуума (абсолютного нуля) и рабочей среды. Внутри устройства размещена специальная мембрана. С одной стороны чувствительного элемента — вакуумная камера с нулевым давлением, с обратной – на измеритель действует давление потока газа или жидкости. ДАД могут быть аналоговыми или цифровыми. Устройства широко применяются в газовых и жидких взрывоопасных средах, на химических, нефтеперерабатывающих, пищевых, фармацевтических производствах.
• Сенсор дифференциального датчика (например, такого как DMD 831 BD Sensors Rus) оснащен двумя входами: один вход предназначен для отрицательного давления, второй – для положительного, выходной показатель вычисляется в зависимости от разности двух измерений. Преобразователи такого типа устанавливаются на промышленных объектах для автоматизированных систем управления технологическими процессами.

Исходя из способа преобразования показаний давления в считываемый сигнал, устройства могут быть:

1. Тензометрическими — имеют титановой сенсор с припаянными тензорезисторами, измеряющими колебания сенсора при оказываемом давлении.
2. Ёмкостными — прибор параметрического типа, в котором значения давления напрямую зависят от ёмкости конденсатора.
3. Пьезорезистивными — устройства проводят измерения в соответствии с различными точками нуля (относительное к атмосферному давлению, абсолютное относительно вакуума и дифференциальное относительно другого показателя), исходя из конструктивных особенностей датчика. Оснащены кремниевыми сенсорами без защиты или с силиконовым покрытием. Если предполагается установка прибора в агрессивных рабочих средах, подбирается специальный датчик в прочном корпусе из металла и стекла с разделяющим сенсором из нержавеющей стали.
4. Резонансными — производят электромагнитные или акустические волны, что обеспечивает стабильные и точные выходные показания прибора при установке в неагрессивных рабочих средах.
5. Ионизационными — регистрируют поток ионизированных частиц. Приборы оснащаются 2-мя электродами и дополнительно нагревающим элементом. В некоторых более совершенных устройствах анод отсутствует. Преимущество ионизационных датчиков – функциональная возможность фиксировать низкое давление с максимальной точностью (даже приближенные к глубокому нулю). Однако такие датчики нельзя использовать, если показания давления приближаются к атмосферному. Для работы в таких условиях потребуется дополнительное использование датчиков другого типа (например, емкостных). Ионизационные приборы наиболее часто применяются в системах горения.
6. Индуктивными — регистрируют вихревые потоки тока и широко применяются для автоматизированных систем управления. Датчики такого типа чувствительны только к элементам из металла, работают с нормально разомкнутым/замкнутым контактом. Принцип работы основан на колебании магнитного поля, создаваемого катушкой индуктивности. Сенсор устройства состоит из 2-х катушек, изолированных друг от друга металлической перегородкой. Датчик измеряет сдвиг мембраны, если контакт отсутствует. В катушках формируется электрический сигнал переменного тока, раздряд и заряд при этом появляется через определенные равные временные промежутки. При изменении положения чувствительного элемента появляется ток в стабильной основной катушке и изменяется индуктивность всей системы. Изменение значений основной катушки предоставляет возможность передать показания давления в унифицированный сигнал.

Как выбрать датчик давления

В первую очередь, необходимо определить, какой тип давления требуется измерять (вакуумное, относительное, абсолютное,  избыточное). Далее следует выбрать диапазон измерения давления, учесть условия использования (тип и агрессивность рабочей среды), материал корпуса прибора, класс защиты, определить необходимость наличия аналогового или цифрового выходного сигнала и термокомпенсации (термометра).

Для удобства выбора в каталоге нашего интернет-магазина представлены общепромышленные и высокоточные датчики во взрывозащитной оболочке с коммуникационным стандартом HART. У нас вы можете приобрести датчики относительного, абсолютного и дифференциального давления проверенного российского производителя BD Sensors Rus по доступным ценам.

Вернуться

Поделиться

Как правильно выбрать преобразователь давления

Давление, эта важнейшая после температуры физическая величина, является определяющей во многих технологических процессах.

Преобразователи давления предназначены для измерений и непрерывного преобразования давления в унифицированный выходной сигнал постоянного тока, напряжения или в цифровой сигнал.

Используются датчики в регуляторах и других устройствах автоматики в системах автоматического контроля, регулирования и управления технологическими процессами в системах водообработки, отопления, вентиляции и кондиционирования; гидравлических системах, холодильной технике, расходомерах и счетчиках; дизельных двигателях; тормозных системах; уровнемерах, в испытательных стендах и т.д.

Индустриальные измерения и контрольно-измерительная аппаратура применяются во всех областях промышленности — от атомной до пищевой и фармакологической; соответственно, везде нужны и преобразователи давления и преобразователи уровня.

Принцип действия датчиков основан на упругой деформации чувствительного элемента (сенсора), на который нанесены полупроводниковые тензорезисторы, включенные по схеме моста Уинстона. Измеряемое давление подводится через штуцер в рабочую полость датчика и вызывает деформацию диафрагмы. Это приводит к изменению геометрии резисторов, находящихся с ней в тесной механической связи и изменению их сопротивления. Происходит преобразование приложенного давления (механический вход) в изменение сопротивления (электрический выход).

Мы предлагаем следующий алгоритм, чтобы правильно подобрать датчик для Вашего применения:

1. Тип измеряемого давления

Преобразователи давления измеряют разность двух давлений, воздействующих на измерительную мембрану (чувствительный элемент) датчика. Одно из этих давлений — измеряемое, второе — опорное, то есть то давление, относительно которого происходит отсчет измеряемого. В зависимости от вида опорного давления все датчики разделяются на следующие виды:

Практически все наши преобразователи давления имеют модификации для измерения как абсолютного так и избыточного (в том числе разряжения) давлений. Подробнее Вы можете ознакомиться в разделе продукция/преобразователи давления.

Преобразователи абсолютного давления
Предназначены для измерения величины абсолютного давления жидких и газообразных сред. Опорное давление — вакуум. Воздух из внутренней полости чувствительного элемента датчика откачан. Например, барометр –частный случай датчика абсолютного давления.

Минимальный доступный у нас для заказа диапазон абсолютного давления с погрешностью 0,1%ВПИ — это 0…50мбар (0…5кПа). Описание на датчик 41X Вы можете увидеть здесь.

Преобразователи избыточного (относительного) давления
Предназначены для измерения величины избыточного давления жидких и газообразных сред. Опорное давление — атмосферное; таким образом, одна сторона мембраны соединена с атмосферой.

Преобразователи дифференциального (разности, перепада) давления
Предназначены для измерения разности давления среды и используются для измерения расхода жидкостей, газа, пара, уровня жидкости. Давление подается на обе стороны мембраны, а выходной сигнал зависит от разности давлений.

В нашей линейке предствалены датчики

• PD-33X — отличительной особенностью является высокая точность измерения перепада давления, а также возможность исполнения для значений опорного давления до 600бар. При этом измеряемый перепад может составлять всего 0…0,2 бар
• PRD-33X — эти датчики уникальны способностью выдерживать перегрузки по давления и с положительной и с отрицательной стороны. При диапазоне измерений 0…0,350мбар перегрузка может составлять 35 бар!
• PD-39X — эти датчики давления имеют особенную конструкцию с двумя сенсорами абсолютного давления. Это обеспечивает повышенную надежность и стойкость к перегрузкам, однако применимы данные датчики только в условиях, когда перепад давления одного порядка с опорным давлением в линии.
• PD-41X — это сверхчувствительные датчики для измерения перепада давления. минимальный диапазон — это 0…0,5кПа. Это идеальное решения для измерения малых скоростей потока. Дифференциальный преобразователь PD-41X подходит только для неагрессивных газов.

Преобразователи гидростатического давления (преобразователи уровня)
Предназначены для преобразования гидростатического давления контролируемой среды в сигнал постоянного тока. Измеряют давление столба жидкости, зависящее только от его высоты и от плотности самой жидкости. Изменение атмосферного давления компенсируется при помощи капиллярной (дыхательной трубки)

Преобразователи вакууметрического давления (разряжения)
Предназначены для измерения величины вакуумметрического давления жидких и газообразных сред. Опорное давление в этих датчиках также атмосферное. Однако, в отличие от датчиков избыточного давления, измеряемое давление меньше атмосферного, т.е. существует разрежение относительно атмосферы.

Преобразователи избыточного давления-разряжения
Представляют собой сочетание датчиков избыточного и вакуумметрического давлений, т. е. измеряют как давление, так и разрежение, например -1…6 бар. У нас Вы можете заказать абсолютно любой такой диапазон в пределах максимального диапазона измерений конкретного датчика.

2. Среда использования датчика

Для надежной работы датчиков необходимо выбирать материалы элементов, контактирующих с измеряемой средой (мембран, фланцев, кабеля и уплотнительных колец) химически стойкими к этим средам. Например, для различных сред эксплуатации материалом мембран сенсоров может быть нержавеющая сталь, титан, титановый сплав, хастеллой, керамика, Kynar и др. Материал кабеля особенно актуален для погружных гидростатических датчиков давления. Для питьевой воды идеально подойдет полиэтиленовый PE кабель, для не агрессивных промышленных сред полиуретановый PUR. Если же Вы собираетесь использовать датчик в топливе или агрессивной жидкости, то оптимальным решением будет термопластичный эластомер (Hytrel) или тефлон (PTFE). Все эти материалы мы используем и предлагаем в своих модификациях датчиков Келлер.

3. Климатическое исполнение

Преобразователи давления также отличаются по климатическому исполнению. Следует обращать внимание на климатические условия (температура окружающей среды, влажность, прямое попадание воды и солнечных лучей) в месте установки датчика. Они должны соответствовать тем, на которые он рассчитан. Причем очень важно различать две температуры, которые могут оказывать влияние на наш датчик: температура окружающей среды и температура измеряемой среды. Наши преобразователи давления могут работать в условиях окружающей и измеряемой среды от -55 до 150С. Специальные исполнения преобразователей давления способны работать при температурах среды до +300С.

4. Выходной сигнал

Рассмотрим основные типы:

• Аналоговый выходной сигнал. На выходе из датчика мы имеем непрерывный линейный сигнал по току или по напряжению, который мы можем регистрировать самыми простыми приборами, даже обычным бытовым тестером. 4…20 mA — это самый распространенный выходной сигнал для датчиков во всем мире, также популярными аналоговыми сигналами являются 0…10В, 0,5…4,5В и другие.
• Цифровой выходной сигнал. На сегодняшний день существует огромное множество различных цифровых сигналов и отдельно останавливаться на них мы не будем. Пожалуй, самым широко используемым является интерфейс RS485 протокол MODBUS. Это открытый протокол, который позволяет объединить в систему до 128 устройств с максимальным расстоянием между ними 1300м.
• Ратиометрический выходной сигнал. Этот сигнал используется пока достаточно редко, особенно в нашей стране, но с каждым днем он набирает все большую популярность. Особенностью ратиометрического выходного сигнала является зависимость значения сигнала от напряжения питания. Т.е. мы можем говорить, что этот сигнал является безразмерным и представляет собой ничто иное как процентное отношение сигнала питания. Обычно, про датчик с ратиометрическим выходным сигналом говорят 0,5…4,5В ратиометрический (ratiometric), на самом же деле 0,5…4,5В мы имеем только при условии стабильного напряжения питания 5В, поэтому правильно с физической точки зрения говорить: 0,5В/5В…4,5В/5В. Если же напряжение питания изменится, то пропорционально ему изменится и выходной сигнал.

Тип выходного сигнала прежде всего зависит от уже имеющегося оборудования и стоящей перед Вами задачи. Для этого необходимо изучить входы, которые имеют используемые контроллеры, приборы, машины или регуляторы. Все перечисленные сигналы мы используем в наших датчиках давления, а также и многие другие.

Для автономных приборов мы бы посоветовали использовать датчики с цифровым интерфейсом I2C с данными датчиками Вы можете ознакомиться здесь. Если же Вам не удобно работать с цифровым выходом, то лучше использовать датчики с минимальным напряжением питания например 3,5V — это датчики 33X или 5V — это датчики 21Y.

5. Точность измерений

Преобразователи давления имеют различные метрологические характеристики (классы точности) – обычно от 0,05% до 0,5%. Особо точные датчики используются на важных объектах в различных отраслях промышленности. Опционально датчики серии 33x могут иметь основную погрешность до 0,01% ВПИ (доступно только для диапазонов >10 бар).

На рисунке представлен датчик без температурной компенсации и с температурной компенсацией осуществляемой по специальным алгоритмам микропроцессором в преобразователях давления Келлер.

Особое внимание следует уделять стабильности датчиков давления. Ведь даже очень точный датчик спустя нескольких часов работы при температурных циклах в широком диапазоне начинает давать дополнительную погрешность более 0,5%ВПИ. Что говорить, если эти циклы будут продолжаться месяцами и даже годами!

Некоторые виды датчиков давления имеют взрывозащищенное исполнение. Эти модели могут успешно использоваться для определения давления на взрывоопасных объектах с присутствием взрывчатых и легко воспламеняющихся газов и жидкостей. В линейке Келлер представлены как преобразователи с искробезопасной цепью, так и преобразователи со взрывонепроницаемой оболочкой.

Преобразователи давления относятся к измерительной технике и должны проходить обязательные сертификационные испытания. После этого они утверждаются и вносятся в Госреестр средств измерений.

Надеемся, что данный материал поможет Вам лучше ориентироваться при выборе преобразователей давления.

Вы также можете подобрать решение, которое будет актуально именно для Вашей задачи с помощью наших специалистов. Заявку на подбор можно отправить любым удобным Вам способом: через форму обратной связи, по электронной почте [email protected] или же по телефону 8 (800) 777 18 50. 

Принципы работы и применение датчиков давления

Датчик давления — это устройство, которое может воспринимать сигнал давления и преобразовывать сигнал давления в полезный выходной электрический сигнал в соответствии с определенными правилами. Датчик давления обычно состоит из чувствительного к давлению элемента и блока обработки сигналов. В соответствии с различными типами испытательного давления датчики давления можно разделить на датчики избыточного давления, датчики дифференциального давления и датчики абсолютного давления.

Датчик давления является наиболее часто используемым датчиком в промышленном строительстве. Он используется в различных промышленных средах автоматического управления, включая водное хозяйство и гидроэнергетику, железнодорожный транспорт, интеллектуальные здания, автоматическое управление производством, аэрокосмическую, военную промышленность, нефтехимическую промышленность, нефтяные скважины, энергетику, корабли, станки, трубопровод и многие другие отрасли.

Каталог

 

I Принцип работы различных датчиков давления

1. Пьезоэлектрические датчики давления

Основным принципом работы пьезоэлектрического датчика давления является пьезоэлектрический эффект . Пьезоэлектрические материалы, в основном используемые в пьезоэлектрических датчиках, включают кварц, тартрат калия-натрия и дигидрофосфат. Среди них кварц/кремнезем является природным кристаллом. В этом кристалле обнаружен пьезоэлектрический эффект. В определенном диапазоне температур всегда существует пьезоэлектрическое свойство. После того, как температура превысит этот диапазон, пьезоэлектрическое свойство полностью исчезнет. Высокая температура – ​​это так называемая точка Кюри. Поскольку изменение электрического поля не является очевидным при изменении напряжения, кварц постепенно заменяется другими пьезоэлектрическими кристаллами. Пьезоэлектрический эффект применяется к поликристаллам, таким как пьезоэлектрическая керамика. Они включают пьезоэлектрическую керамику из титаната бария, PZT, пьезоэлектрическую керамику из ниобата, пьезоэлектрическую керамику из ниобата свинца и т. д. Пьезоэлектрические датчики в основном используются для измерения ускорения, давления и силы. Пьезоэлектрический датчик ускорения является широко используемым акселерометром. Он имеет характеристики простой конструкции, небольшого размера, легкого веса и длительного срока службы. Пьезоэлектрические датчики ускорения широко используются для измерения вибрации и ударов в самолетах, автомобилях, кораблях, мостах и ​​зданиях, особенно в авиации и космонавтике.

пьезоэлектрический эффект

пьезоэлектрический эффект : Когда определенные диэлектрики деформируются внешними силами в определенном направлении, внутри них возникает поляризация. Положительные и отрицательные заряды появятся на их двух противоположных поверхностях. Когда внешняя сила устранена, он вернется в незаряженное состояние. Это явление называется положительным пьезоэлектрическим эффектом. При изменении направления приложенной силы соответственно меняется и полярность заряда. И наоборот, когда электрическое поле приложено в направлении поляризации диэлектрика, эти диэлектрики также будут деформироваться. После снятия электрического поля деформация диэлектрика исчезнет. Это явление называется обратным пьезоэлектрическим эффектом. Тип датчика, разработанный на основе диэлектрического пьезоэлектрического эффекта, называется пьезоэлектрическим датчиком.

2. Тензометрические датчики давления

Принцип работы металлического тензорезистора заключается в том, что сопротивление тензорезистора, адсорбированного на основном материале, изменяется при механической деформации. Этот эффект широко известен как эффект деформации сопротивления. Тензорезистор представляет собой чувствительное устройство, которое преобразует изменение деформации испытуемого образца в электрический сигнал. Это один из основных компонентов пьезорезистивного датчика деформации.

Металлический тензорезистор

Наиболее часто используемыми тензорезисторами являются металлические тензорезисторы и полупроводниковые тензорезисторы . Существует два вида металлических тензорезисторов: тензодатчики накаливания и тензорезисторы с металлической фольгой. Обычно тензометрические датчики плотно приклеиваются к подложке, создающей механические напряжения, с помощью специального клея. При изменении напряжения подложки тензорезисторы также деформируются вместе. Затем сопротивление тензорезисторов изменяется так, что меняется напряжение, подаваемое на резистор. Изменение сопротивления таких тензорезисторов при нагрузке обычно невелико. Как правило, эти тензорезисторы образуют тензометрический мост. И они усиливаются последующими инструментальными усилителями, а затем передаются на схему обработки (обычно аналого-цифровое преобразование и ЦП), дисплей или исполнительный механизм.

Внутренняя структура металлического тензорезистора: тензорезистор состоит из основного материала, металлической тензометрической проволоки или тензометрической фольги, изолирующего защитного листа и подводящего провода. В соответствии с различными вариантами использования значение сопротивления тензорезистора может быть рассчитано разработчиком. Однако следует учитывать диапазон значений сопротивления: значение сопротивления слишком мало, требуемый управляющий ток слишком велик. В этом случае сопротивление тензорезистора слишком сильно меняется в разных средах; происходит дрейф нуля на выходе, а схема регулировки нуля слишком сложна. Если сопротивление слишком велико, импеданс слишком высок и способность противостоять внешним электромагнитным помехам плохая. Как правило, это от десятков Ом до десятков тысяч Ом.

3. Керамические датчики давления

Давление воздействует на переднюю поверхность керамической диафрагмы, вызывая небольшую деформацию диафрагмы. Толстопленочный резистор напечатан на обратной стороне керамической диафрагмы и подключен к мосту Уитстона. Благодаря пьезорезистивному эффекту варистора мост генерирует линейный сигнал напряжения, пропорциональный давлению и напряжению возбуждения. Стандартный сигнал откалиброван на 2,0/3,0/3,3 мВ/В в соответствии с совместимостью диапазона давления. Благодаря лазерной калибровке датчик имеет высокотемпературную и временную стабильность. Датчик поставляется с температурной компенсацией 0 ~ 70 ℃ и может напрямую контактировать с большинством сред.

Керамический датчик давления

Керамика — признанный материал с высокой эластичностью, коррозионной стойкостью, износостойкостью, ударопрочностью и вибростойкостью. Термическая стабильность керамики и ее толстопленочного резистора обеспечивают диапазон рабочих температур до -40 ~ 135 ℃ с высокой точностью и стабильностью измерений. Степень электрической изоляции составляет 2 кВ, выходной сигнал сильный, долговременная стабильность хорошая. Керамические датчики с высокими характеристиками и низкой ценой станут направлением развития датчиков давления. В Европе и США наблюдается тенденция к замене других типов датчиков. В Китае все больше и больше пользователей используют керамические датчики вместо диффузионных кремниевых датчиков давления.

4. Сапфировые датчики давления

Первоначально работая с сопротивлением деформации , используя кремний-сапфир в качестве полупроводникового чувствительного элемента, сапфировый датчик давления имеет непревзойденные характеристики измерения. Цепь датчика может обеспечить питание цепи тензометрического моста. Он также может преобразовывать несбалансированный сигнал деформационного моста в унифицированный выходной электрический сигнал. В датчике абсолютного давления и преобразователе сапфировый лист соединен с припоем из керамического базового стекла, который действует как упругий элемент. Он преобразует измеренное давление в деформацию тензодатчика, чтобы достичь цели измерения давления. Поэтому полупроводниковые компоненты из кремний-сапфира не чувствительны к изменениям температуры. Они обладают очень хорошей работоспособностью даже в условиях высоких температур; сапфир обладает сильной радиационной стойкостью. Кроме того, кремний-сапфировые полупроводниковые чувствительные компоненты не имеют дрейфа PN.

конструкция сапфирового датчика давления

5. Датчики давления из диффузного кремния

Принцип работы датчика давления из диффузного кремния также основан на пьезорезистивном эффекте. Используя принцип пьезорезистивного эффекта, давление измеряемой среды непосредственно воздействует на диафрагму датчика (из нержавеющей стали или керамики). Таким образом, диафрагма производит микроперемещение, пропорциональное давлению среды. И значение сопротивления датчика тоже меняется. Датчики давления из диффузного кремния используют электронную схему для обнаружения этого изменения. Они преобразуют и выводят стандартный измерительный сигнал, соответствующий этому давлению.

II Применение датчиков давления

1. Датчики давления в системе взвешивания

В коммерческих системах взвешивания промышленных технологий контроля все чаще используется технология измерения давления. Во многих процессах управления давлением часто необходимо собирать сигналы давления и преобразовывать их в электрические сигналы, которыми можно управлять автоматически.

Устройства контроля давления с датчиками давления обычно называют электронными системами взвешивания. Электронные системы взвешивания становятся все более и более важными инструментами онлайн-управления потоком материалов в различных промышленных процессах. Электронная система взвешивания может не только оптимизировать производство в процессе производства продукта и улучшить качество продукции, но также собирать и передавать данные о движении материалов в процессе производства в центр обработки данных для онлайн-управления запасами и финансовых расчетов.

При автоматическом управлении процессом взвешивания датчик давления необходим для правильного восприятия сигнала гравитации . Кроме того, его динамический отклик должен быть хорошим, а защита от помех должна быть лучше. Сигнал, обеспечиваемый датчиком давления, может быть непосредственно отображен, записан, распечатан и сохранен системой обнаружения или использован для управления регулировкой с обратной связью.

Интеграция датчика давления и схемы измерения значительно уменьшает объем всего устройства. Кроме того, разработка технологии экранирования также улучшит противопомеховую способность датчика давления взвешивания и степень автоматического управления.

2. Датчики давления в нефтехимической промышленности

Датчик давления является одним из наиболее часто используемых измерительных устройств в автоматическом контроле в нефтехимической промышленности. В крупномасштабных химических проектах включены почти все области применения датчиков давления: дифференциальное давление, абсолютное давление, манометрическое давление, высокое давление, микроперепад давления, высокая температура, низкая температура и фланцевые датчики давления с удаленной передачей из различных материалов и специальной обработки. .

Спрос на датчики давления в нефтехимической промышленности в основном сконцентрирован в трех аспектах: надежность, стабильность и высокая точность. Среди них надежность и множество дополнительных требований, таких как коэффициент дальности, тип шины и т. д., в зависимости от конструктивного исполнения передатчика, уровня технологии механической обработки, конструкционных материалов. Стабильность и высокая точность преобразователя давления в основном гарантируются стабильностью и точностью измерения датчика давления.

Точность измерения и скорость отклика датчика давления соответствуют точности измерения преобразователя давления. Характеристики температуры и статического давления, а также долговременная стабильность датчика давления соответствуют стабильности преобразователя давления. Спрос на датчики давления в нефтехимической промышленности отражается в четырех аспектах: точность измерения, быстрый отклик, температурные характеристики и характеристики статического давления, а также долговременная стабильность.

Микродатчик давления представляет собой датчик давления нового типа, изготовленный с использованием полупроводниковых материалов и технологии МЭМС. Он имеет преимущества высокой точности, высокой чувствительности, хороших динамических характеристик, небольшого размера, коррозионной стойкости и низкой стоимости. Материал чистого монокристаллического кремния имеет небольшую усталость. Датчик микродавления, изготовленный из этого материала, обладает хорошей долговременной стабильностью. В то же время датчик микродавления легко интегрируется с датчиком микротемпературы. Таким образом, это может улучшить точность температурной компенсации, температурные характеристики и точность измерения датчика.

Если два микродатчика давления интегрированы, можно реализовать компенсацию статического давления, тем самым улучшая характеристики статического давления датчика давления. Сегодня микродатчики давления имеют много преимуществ, которых нет у традиционных датчиков давления. Микродатчики давления вполне могут удовлетворить потребности в датчиках давления в нефтехимической промышленности.

3. Датчики давления в водоподготовке

В последние годы отрасль водоочистки для защиты окружающей среды быстро развивалась и имеет большое будущее. В водоснабжении и очистке сточных вод датчики давления обеспечивают важный контроль и мониторинг для защиты системы и обеспечения качества.

Датчик давления преобразует давление (обычно относится к давлению жидкости или газа) в выходной электрический сигнал. Электрический сигнал давления также можно использовать для измерения уровня статической жидкости, поэтому его можно использовать для измерения уровня жидкости. Чувствительные компоненты датчика давления в основном состоят из чувствительного элемента из силиконовой чашки, силиконового масла, изолирующей диафрагмы и воздуховода. Давление измеряемой среды передается на сторону силиконового чашечного элемента через изолирующую диафрагму и силиконовое масло. Эталонное атмосферное давление действует на другую сторону силиконового чашечного элемента через воздуховод. Силиконовая чашка представляет собой монокристаллическую кремниевую пластину чашеобразной формы с тонким дном. Под давлением нижняя диафрагма чашки производит упругую деформацию с минимальным смещением. Монокристаллический кремний является идеальным эластомером. Его деформация строго пропорциональна давлению, а его характеристики восстановления превосходны.

4. Датчики давления в смартфоне

Датчики давления используются для измерения атмосферного давления на смартфонах, но какую роль играет измерение атмосферного давления для обычных пользователей мобильных телефонов?

(1)  Измерение высоты

Те, кто любит альпинизм, очень беспокоятся о своем росте. Существует два широко используемых метода измерения высоты: один — это глобальная система позиционирования GPS, а другой — измерение атмосферного давления с последующим вычислением высоты на основе значения давления. Из-за технических и других ограничений общая погрешность GPS-вычисления высоты составляет около десяти метров, а если он находится в лесу или под обрывом, иногда сигналы спутников GPS не принимаются. Метод давления воздуха можно выбирать в более широком диапазоне, а стоимость можно контролировать на относительно низком уровне. Кроме того, датчик давления мобильного телефона, такого как Galaxy Nexus, также включает в себя датчик температуры, который может регистрировать температуру для корректировки результата и повышения точности результата измерения. Поэтому добавление функции датчика давления на основе оригинального GPS смартфона может сделать трехмерное позиционирование более точным.

(2)  Вспомогательная навигация

Сейчас многие автомобилисты используют мобильные телефоны для навигации, но навигация по виадукам часто дает ошибки. Например, на виадуке GPS не может определить, находитесь ли вы на мосту или под мостом из-за неправильной навигации. Однако, если к мобильному телефону добавить датчик давления, его точность может составлять 1 метр, чтобы он мог помочь GPS в измерении высоты.

(3)  Позиционирование в помещении

Сигналы GPS плохо принимаются в помещении. Когда пользователь входит в очень толстое здание, встроенный датчик может потерять спутниковый сигнал, поэтому географическое положение пользователя не может быть распознано, а высота по вертикали не может быть определена. Если мобильный телефон оснащен датчиком давления, а затем объединен с акселерометром, гироскопом и другими технологиями, можно добиться точного позиционирования в помещении.

5. Датчики давления в медицинской промышленности

С развитием рынка медицинского оборудования к использованию датчиков давления в медицинской промышленности предъявляются более высокие требования, такие как точность, надежность, стабильность, объем и т. д., которые необходимо улучшать. Датчики давления находят хорошее применение при минимально инвазивной катетерной абляции и измерении с помощью датчиков температуры.

Минимально инвазивная хирургия может не только уменьшить травматичность операционного поля, но и значительно уменьшить боль пациента. Чтобы удовлетворить такие требования, в дополнение к хирургическому опыту врача, но и с различным медицинским оборудованием для мониторинга. Многие медицинские устройства, используемые для этой операции, теперь крошечные, например, различные катетеры и устройства для абляции. Катетеры включают термодилюционные катетеры, уретральные катетеры, пищеводные катетеры, центральные венозные катетеры, сосуды внутричерепного давления и т. д.

Возможность разместить датчик близко к пациенту имеет решающее значение для многих приложений, например, для диализа. важно точно измерить диализат и венозное давление. Датчик давления должен точно контролировать давление диализата и крови, чтобы поддерживать его в заданном диапазоне. Этот тип применения требует, чтобы датчик был компактным и мог выдерживать жидкие среды. Во многих случаях датчики, несовместимые с жидкими средами, требуют дополнительных установочных компонентов для их защиты. Толерантность к жидкой среде особенно важна при контроле дыхания пациента, поскольку здесь датчик должен выдерживать кашель пациента и выдыхаемый им влажный воздух.

6. Датчики давления MEMS

Датчик давления MEMS представляет собой тонкопленочный элемент , который деформируется под действием давления. Для измерения этой деформации можно использовать тензорезистор (пьезорезистивное измерение) или ее можно измерить по изменению расстояния между двумя поверхностями с помощью емкостного измерения.

МЭМС-датчик давления

Автомобильная промышленность остается крупнейшей областью применения МЭМС-датчиков давления, на долю которых приходится 72 % ее продаж, за ней следует медицинская электроника с 12 % и промышленные отрасли с 10 %. Бытовая электроника и военная авиация на оставшиеся 6% рынка.

В автомобильной сфере управление двигателем является его основным применением, включая датчики давления воздуха в коллекторе в бензиновых двигателях и датчики давления в общей топливной рампе в дизельных автомобилях. Чтобы улучшить ситуацию со сгоранием, некоторые организации также изучают датчики давления. Они могут работать в цилиндре, чтобы лучше измерять точное соотношение различных веществ, участвующих в химической реакции, и передавать данные обратно в систему управления двигателем.

Из-за суровых условий эксплуатации цена на автомобильные датчики намного выше, чем на бытовые датчики. Кроме того, автомобильным датчикам требуется длительное время для идентификации. Эти датчики должны надежно работать до 15 лет. Некоторые датчики, такие как тормоза или датчики давления в шинах, имеют решающее значение для безопасности автомобиля.

Новым применением датчиков давления MEMS в автомобилях является измерение давления в системе трансмиссии, которое обычно используется в автоматических устройствах, но также используется в новых системах трансмиссии с двойным сцеплением. Немецкий производитель Bosch недавно вышел на рынок и представил решение MEMS, в котором используется масло для защиты силиконовой пленки. Поэтому он может выдерживать давление до 70 бар. Устройства MEMS на основе пористого кремния также используются в современных боковых подушках безопасности.

Основные области применения МЭМС-датчиков давления в промышленности включают отопление, вентиляцию и кондиционирование воздуха (HVAC), измерение уровня воды, а также различные промышленные процессы и приложения управления. Например, в дополнение к точным измерениям высоты и барометрического давления в самолетах используются датчики для контроля двигателей, закрылков и других компонентов.

За последние несколько лет датчик давления добился быстрого прогресса, что положительно сказалось на конкурентной среде. Он вывел на рынок новых игроков и расширил круг существующих игроков на рынке.

Как работает датчик давления?

Техническое обучение

Посмотреть все

Omega — надежный источник датчиков давления и тензодатчиков, которые обеспечивают высококачественные данные для множества процессов. Чтобы датчики давления и тензодатчики предоставляли информацию, которую ищут наши клиенты, давление или сила этого процесса должны достигать чувствительного элемента. Чувствительный элемент реагирует на силу или давление процесса, создавая выходной сигнал, который может быть интерпретирован считывающим устройством или устройством сбора данных. Таким образом, чувствительный элемент является сердцем преобразователя или тензодатчика.

Теория системы измерения давления

Система измерения давления состоит из чувствительного элемента с прикрепленными к нему четырьмя тензодатчиками. Тензорезисторы сконфигурированы в виде моста Уитстона, где все 4 резистора (обозначенные R1-R4 на рис. 2) одинаковы и пропорционально изменяются на одинаковую величину при приложении деформации. Чем больше сила или деформация (вход), тем больше результат. Устройство моста Уитстона требует 4 провода для подключения, положительного и отрицательного возбуждения, а также положительного и отрицательного выхода датчика.

Типичный датчик давления работает, создавая выходной сигнал тензометрического датчика, когда вызывается отклонение диафрагмы. В зависимости от технологии тензодатчика выходное напряжение может варьироваться от 1–3 милливольт на вольт (мВ/В) до 10–30 мВ/В. Чтобы рассчитать выходной сигнал полной шкалы, вы должны умножить выходной сигнал датчика на напряжение, используемое для питания устройства. Например, для датчика 3 мВ/В, если бы мы использовали 10 вольт постоянного тока в качестве напряжения возбуждения, мы ожидали бы получить 3 мВ/В x 10 В=30 мВ при полной шкале.

Рис. 1.
  Рис. 2.
  Рис. 3.
Типичная реакция диафрагмы при приложении давления.

Примеры

Одним из хороших примеров работы датчика давления является преобразователь давления PX4600. Давление процесса, которое пытается измерить клиент, будет подаваться на мембранный элемент через порт доступа. Давление вызовет отклонение диафрагмы, создавая нагрузку на мост Уитстона с другой стороны диафрагмы и создавая выходной сигнал мВ/В. Затем этот милливольтовый сигнал считывается устройством, способным принимать милливольтовый сигнал, или подается на усилитель или формирователь сигналов для дальнейшей обработки сигнала.

PX409-USBH имеет разъем USB на конце кабеля для прямого подключения к портативному компьютеру. Бортовая электроника преобразует сигнал в удобный и простой в использовании протокол связи. Для работы по принципу «подключи и работай» используйте наше бесплатное программное обеспечение, доступное на нашем веб-сайте. Устройство можно подключить к ноутбуку, который будет отображать и собирать данные, обеспечивая при этом питание самого датчика.

Рис. 4. Пример чувствительного элемента моста Уитстона
на преобразователе, монтируемом на плате. Рисунок 5.
 
Рис. 6.
DPG409

Цифровой манометр DPGM409 использует цифровой выход в своих версиях беспроводного преобразователя. Это позволяет получать показания из удаленного места на линии прямой видимости без необходимости прокладывать сигнальный провод. Беспроводной приемник примет этот сигнал и отобразит или зарегистрирует данные.

Категории датчиков

Рис. 7.

Без усиления
Большинство тензодатчиков имеют неусиленный выходной сигнал. Неусиленные выходы характерны для устройств, которые слишком малы для оснащения электроникой преобразования сигнала или в тех случаях, когда окружающая среда слишком экстремальна для выживания электроники.

Это относится к продуктам PX1004, PX1005 и PX1009, которые не имеют усиления из-за очень высоких и очень низких рабочих температур, при которых они предназначены для работы. Датчики без усиления имеют довольно короткое расстояние передачи, обычно не более 6,1–9,1 м (от 20 до 30 футов). Это потому, что мощность сигнала очень мала. Это также делает их восприимчивыми к электромагнитным помехам из окружающей среды.

Если вы хотите узнать больше об измерении давления высокотемпературных сред, прочтите эту статью.

Рис. 8.

Усилитель
Датчики с усилителем используют внутреннюю электронику формирования сигнала для создания более сильного сигнала. Это делает их менее восприимчивыми к шуму окружающей среды и способными преодолевать большие расстояния до своих приемных устройств. Датчики с внутренними усилителями имеют меньший диапазон рабочих температур из-за температурных ограничений электроники формирования сигнала внутри датчика.

Датчики с выходным током могут посылать усиленный сигнал на расстояние до 304,8 м (1000 футов) и при этом обеспечивать высокую точность. Как правило, датчики с выходным напряжением могут сохранять точность до 30,5 м (100 футов).

Цифровой
Третий тип датчика, который классифицируется по выходу, представляет собой датчик с цифровым выходом. Этот тип вывода потенциально может обеспечить самый низкий уровень шума и самые большие расстояния передачи. Существует несколько доступных стилей связи, таких как устройства DPGM409 и PX409-USBH или RS485.

Вопросы точности

Рис. 9. Типичная 5-точечная калибровка
.

Полная полоса ошибок
Это максимальное отклонение полосы для любого выхода с учетом всех определенных источников ошибок, таких как вибрация, температура или влажность. Выражается в процентах от номинальной мощности.

Рис. 10.

Статическая погрешность
Статическая погрешность, сочетающая линейность, гистерезис и повторяемость, выражается в ±% от диапазона и относится к BSL. Полоса статической погрешности является хорошей мерой точности, которую можно ожидать от датчика давления или тензодатчика при постоянной температуре.

BSL (лучшая прямая линия)
BSL — это максимальное отклонение ошибки от конечной базовой линии, деленное пополам. Для определения этой линии используются выходы из нулевой и полной шкалы для создания линии. Другие точки данных измеряются на основе расстояния от этой линии. Наилучшая прямая линия — это линия, которая имеет тот же наклон, что и базовая линия терминала, но смещена таким образом, что ошибки равномерно распределяются по обе стороны от BSL. Лучшая прямая линия используется для описания характеристик линейности.

Нелинейность
Это максимальное отклонение калибровочной кривой от прямой линии, проведенной между холостым ходом и номинальной выходной мощностью. Он выражается в процентах от номинальной мощности и измеряется только при увеличении нагрузки давлением.