Что такое датчики давления. Как работают различные типы датчиков давления. Где применяются датчики давления в промышленности. Какие бывают виды датчиков давления. Как выбрать подходящий датчик давления.
Что такое датчик давления и как он работает
Датчик давления — это устройство, которое измеряет давление жидкости или газа и преобразует его в электрический сигнал. Принцип работы датчика давления основан на преобразовании деформации чувствительного элемента под действием давления в электрический сигнал.
Основные компоненты типичного датчика давления:
- Чувствительный элемент (мембрана, пьезоэлемент и др.), который деформируется под действием давления
- Преобразователь, который трансформирует механическую деформацию в электрический сигнал
- Электронный блок для обработки и усиления сигнала
- Корпус для защиты компонентов
При воздействии давления на чувствительный элемент происходит его деформация, которая преобразуется в изменение электрического сопротивления, емкости или другого параметра. Далее этот сигнал усиливается и преобразуется в стандартный выходной сигнал (например, 4-20 мА).
Основные типы датчиков давления
Существует несколько основных типов датчиков давления, различающихся по принципу работы:
Тензорезистивные датчики
Принцип работы основан на изменении электрического сопротивления тензорезисторов при их деформации под действием давления. Тензорезисторы наклеиваются на упругий элемент (мембрану) и соединяются в мостовую схему. При деформации мембраны изменяется сопротивление тензорезисторов, что приводит к разбалансу моста и появлению выходного сигнала.
Пьезорезистивные датчики
Используют пьезорезистивный эффект в полупроводниках — изменение удельного сопротивления при механических деформациях. Чувствительным элементом является кремниевая мембрана с диффузионными резисторами. При деформации мембраны изменяется сопротивление резисторов.
Емкостные датчики
Основаны на изменении емкости конденсатора при изменении расстояния между его обкладками под действием давления. Одна обкладка неподвижна, вторая представляет собой гибкую мембрану. При деформации мембраны изменяется емкость конденсатора.
Виды измеряемого давления
Датчики давления различаются по виду измеряемого давления:
- Абсолютное давление — измеряется относительно абсолютного вакуума
- Избыточное давление — измеряется относительно атмосферного давления
- Дифференциальное давление — разность давлений в двух точках
- Вакуумметрическое давление — степень разрежения относительно атмосферного давления
Применение датчиков давления в промышленности
Датчики давления широко применяются в различных отраслях промышленности:
Нефтегазовая отрасль
В нефтегазовой промышленности датчики давления используются для:
- Контроля давления в трубопроводах и резервуарах
- Измерения уровня нефтепродуктов в емкостях
- Мониторинга давления при бурении скважин
- Учета расхода нефти и газа
Энергетика
В энергетике датчики давления применяются для:
- Контроля давления пара в котлах и турбинах
- Измерения расхода теплоносителя
- Регулирования давления в системах отопления
- Мониторинга давления в гидроэлектростанциях
Химическая промышленность
В химической отрасли датчики давления необходимы для:
- Контроля давления в реакторах и автоклавах
- Измерения уровня агрессивных жидкостей
- Регулирования давления в системах дозирования
- Мониторинга вакуума в установках дистилляции
Как выбрать датчик давления
При выборе датчика давления необходимо учитывать следующие факторы:
- Диапазон измерения давления
- Тип измеряемого давления (абсолютное, избыточное и т.д.)
- Требуемую точность измерений
- Условия эксплуатации (температура, вибрации, агрессивные среды)
- Тип выходного сигнала
- Взрывозащищенное исполнение (при необходимости)
- Стоимость датчика
Правильный выбор датчика давления позволяет обеспечить надежные измерения и эффективную работу технологического оборудования.
Преимущества современных датчиков давления
Современные датчики давления обладают рядом преимуществ по сравнению с механическими манометрами:
- Высокая точность измерений
- Широкий диапазон измерений
- Возможность удаленного контроля и передачи данных
- Компактные размеры
- Устойчивость к вибрациям и перегрузкам
- Длительный срок службы
- Возможность работы в агрессивных средах
Перспективы развития датчиков давления
Основные направления совершенствования датчиков давления:
- Повышение точности и стабильности измерений
- Уменьшение размеров и энергопотребления
- Расширение функциональных возможностей (самодиагностика, беспроводная передача данных)
- Применение новых материалов для работы в экстремальных условиях
- Интеграция в системы промышленного интернета вещей
Развитие технологий позволяет создавать все более совершенные датчики давления, расширяя сферы их применения в промышленности.
Датчики давления: устройство и принцип работы
Иногда многим людям может потребоваться измерить давление. Для этого необходимо использовать датчики давления. Их принцип работы основан на преобразовании давления в механическое перемещение.
Кроме, механических систем, для измерения давления также могут использоваться механические и тепловые системы.
Датчики давления
Механические датчики давления состоят из:- Жидкостных датчиков давления.
- Поршневых систем.
- Пружинных систем.
Теперь пришло время рассмотреть датчики движения, которые встречаются наиболее часто. Наиболее часто на сегодняшний день используют пружинные датчики давления. Их действие будет основано на том, что возникновении упругой деформации пружины, которая считается пружинным элементом прибора. При изменении давления будет возникать деформация внутри и снаружи. Изменение формы определенного элемента будет передаваться на подвижную часть прибора со стрелкой.
При снятии давления элемент примет прежнюю форму.
В технических манометрах чаще всего применяются упругие пружины:
- Одновитковые.
- Многовитковые.
- Плоские мембраны.
Раскручивание пружины будет происходить из-за того, что при увеличении внутреннего давления эллиптическое сечение будет стремиться принять круглую форму. В результате этого могут возникать напряжения, которые будут раскручивать пружину. Свободный конец будет перемещаться прямопропорционально давлению внутри ее. Таким образом, можно сказать о том, что измеряемое давление будет преобразовываться в механическое перемещение свободного конца пружины. Величина такого перемещения чаще всего будет составлять 5-7 мм.
Многовитковая трубчатая пружина будет иметь 6-9 витков. Перемещение свободного конца пружины значительно больше, чем у одновитковой пружины. Обычно датчики в виде одновитковой пружины могут применяться в показывающих приборах. В большинстве случаев это будет связано с тем, что в самопишущих приборах датчик должен иметь большое усилие, которого хватит для преодоления трения. В нашем разделе также есть статья о том, как работает тензодатчик.
Плоская гофрированная мембрана будет использоваться отдельно. При необходимости также можно применять плоскую прорезиненную ткань, которая будет плотно соединена с плоской калиброванной пружиной. Гармоникообразная мембрана отличается от других, так как имеет наибольшую чувствительность.
Сильфонные приборы предназначаются для измерения и записи избыточного давления в схемах автоматизации. Кроме этого, подобные устройства также можно использовать в качестве вторичных приборов к устройствам, которые имеют приспособление для пневматической передачи показаний на расстояние. Пружинные датчики давления в схемах позволяют преобразовывать механическое перемещение в электрический сигнал с помощью индуктивного или контактного датчика.
На рисунке выше представлена схема датчика давления типа МЭД. Здесь сначала давление будет восприниматься трубчатой манометрической пружиной. В дальнейшем оно будет преобразовываться в перемещение конца манометрической трубки. Это перемещение также может передаваться плунжеру трансформаторного датчика. Вторичным приборов в этой конструкции считается устройство типа ЭПИД.
Специалисты сообщают, что датчики расхода на сегодняшний день могут быть:
- Механические.
- Термические.
- Ионизационные.
- Индукционные.
- Акустические.
Важно знать! Механические датчики расхода разделяются на датчики переменного и постоянного перепада. Также могут быть датчики со сливным отверстием.
Датчики расхода будут действовать по принципу возникновения перепада давления в сужающем устройстве. Перепад давления в этом случае является функцией расхода. Сужающее устройство считается воспринимающим органом датчика расхода. Датчики расхода постоянного перепада (ротаметры) используются для регулирования сечения с целью поддерживания постоянным перепада давления. Если будет интересно, тогда можете прочесть про принцип работы термопары.
На рисунке, который расположен выше вам предоставлена схема ротаметра с индуктивным датчиком. Ротаметр состоит из:
- Конической трубки.
- Поплавка.
Во время движения жидкости или газа в кольцевом зазоре между поплавком и трубками будет создаваться перепад давления, который в дальнейшем будет создавать силу, действующую навстречу силе веса поплавка, который здесь расположен. Ротаметры на сегодняшний день могут выполняться, как показывающие приборы и как датчики. Обмотка индуктивного датчика располагается на трубке сопла. Железный поплавок в свою очередь будет являться сердечником катушки индуктивного датчика. При изменении расхода поплавок может перемещаться и соответственно изменять индуктивность катушки.
Датчики уровня
В последнее время наиболее распространенными устройствами считаются поплавковые датчики. Поплавковый датчик будет состоять из: поплавка, промежуточного и выходного органа. Поплавок – это орган, который позволяет воспринимать уровень жидкости. Преобразующий орган позволяет механическое воздействие выходному органу.
Датчики уровня могут быть основаны на измерении веса и гидростатического давления, а также на использовании электрических свойств жидкости.
Отечественная промышленность старается выпускать датчики давления разнообразного типа. Теперь вы точно знаете, принцип работы датчиков давления, расхода и уровня. Надеемся, что эта информация была полезной и интересной.
Читайте также: электромагнитное реле.
Промышленные датчики давления: принцип работы, устройство
В современной промышленности не обойтись без точных приборов измерения, которые служат для учета расхода различных жидкостей, а также газа, газовых смесей и пара. Помимо расходомеров с разными принципами действия, широко применяются электронные датчики давления. Они являются неотъемлемой частью измерительных комплексов, а также входят в состав теплосчетчиков, используются в системах автоматизированного контроля технологических процессов. Данные приборы востребованы в энергетике, пищевой промышленности, нефтяной и газовых отраслях и других сферах производства.
Это устройство для измерения и преобразования давления среды — жидкости, газа или пара. Полученное значение выводится на дисплей или передается в виде аналогового или цифрового выходного сигнала.
Принцип работы зависит от типа измеряемого давления, которое может быть абсолютным, избыточным и дифференциальным.
Типы датчиков давления
Так, в пищевом и химическом производстве широкое применение получил интеллектуальный датчик абсолютного давления, осуществляющий измерение относительно абсолютного вакуума. Отметим, что именно такое измерение применяется в узлах учета газа, пара и тепловой энергии для приведения расхода к стандартным условиям.
Решать задачи учета расхода измеряемой среды позволяет датчик дифференциального давления. Принцип его работы заключается в измерении разности давлений между двумя полостями – плюсовой и минусовой. Могут применяться для учета расхода, при помощи сужающих устройств. Сужающее устройство в трубопроводе представляет собой местное сопротивление, при прохождении через которое изменяется характер течения потока. Непосредственно перед сужающим устройством давление среды возрастает, а после него – снижается. Чем больше разница на входе и выходе сужающего устройства, тем больше расход среды, протекающей по трубе.
Кроме того, такой датчик позволяет производить учет объема жидкости не только в трубе, но и в емкости при помощи измерения давления столба жидкости на плюсовую мембрану и, при необходимости, измерения минусовой полостью давления под куполом емкости, для исключения влияния насыщенных паров. Такой метод называют гидростатическим.
В системах автоматического контроля, регулирования и управления технологическими процессами не обойтись без такого прибора, как датчик избыточного давления. Он может использоваться в составе водяных систем теплоснабжения, а также входить в комплектацию узлов коммерческого и технологического учета жидкостей, газа и пара.
Продуктовая линейка «ЭМИС-БАР»
В конце 2018 года в продуктовой линейке компании «ЭМИС» появились интеллектуальные «ЭМИС» — БАР». Они способны осуществлять непрерывное измерение абсолютного, избыточного, дифференциального и гидростатического давления, определять разрежение жидких и газообразных сред, насыщенного и перегретого пара.
Несколько вариантов исполнения позволяет сделать оптимальный выбор, в зависимости от поставленных задач и условий эксплуатации, в том числе при работе на низкотемпературных, высокотемпературных и агрессивных средах.
Стоит отметить, что у заказчика имеется возможность выбора материалов изготовления разделительной мембраны и корпуса электронного блока, типа, материала и размера фланца, типа и материала кронштейна. Также на выбор представлены несколько вариантов длины погружной части разделительной мембраны плюсовой полости.
Остановимся более подробно на технических характеристиках и модификациях.
Устройство прибора
- 1. Корпус;
- 2. Крышки корпуса, передняя крышка чаще всего служит экраном дисплея;
- 3. RFI- и EMI-фильтры– служат для гашения электромагнитных и радиопомех;
- 4. Электронный блок – модуль процессора;
- 5. Модуль дисплея – может отсутствовать;
- 6. Приемник давления – имеет различный внешний вид, в зависимости от типа;
- 7. Фланцы и метизы – для фланцевого исполнения;
- 8. Клеммная колодка;
- 9. Кнопки настройки.
В качестве сенсора используется монокристаллическая кремниевая мембрана с расположенными на ней пьезорезисторами. При этом мембрана, подложка и резистор выполнены из одного материала – кремния. Для защиты сенсора возможно исполнение с разделительной мембраной и заполняющей жидкостью.
Устройство сенсорного модуля
Сенсорный модуль состоит из:
- штуцера;
- разделительной мембраны;
- сенсора;
- камеры;
Имеется внутреннее программное обеспечение с возможностью самодиагностики. Настройка основных параметров может осуществляться с помощью кнопок ввода, расположенных на устройстве. Также настройка всех параметров возможна через протокол HART. При этом цифровой HART-сигнал накладывается на аналоговый, не оказывая влияния на его постоянную составляющую.
Функции меню:
- настройка шкалы измерения с подачей опорного давления;
- настройка времени демпфирования;
- настройка шкалы измерения без подачи опорного давления;
- установка нуля;
- установка фиксированного значения тока выходного сигнала;
- установка аварийных значений тока;
- блокировка управления с кнопок;
- функция корнеизвлечения для преобразователей дифференциального давления;
- выбор единиц измерения.
Приборы «ЭМИС» — БАР» внесены в Госреестр средств измерения (№2219), имеют сертификат соответствия ТР ТС 012/2011 «О безопасности оборудования для работы во взрывоопасных средах», всю необходимую разрешительную документацию, а также дополнительные сертификаты:
- Сертификат соответствия ТР ТС 032/2013 «О безопасности оборудования, работающего под избыточным давлением».
- Декларация о соответствии ТР ТС 032/2013 «О безопасности машин и оборудования».
- Декларация о соответствии ТР ТС 020/2011 «Электромагнитная совместимость технических средств».
- Сертификат соответствия «Применение в средах, содержащих сероводород».
- Экспертное заключение по результатам санитарно-эпидемиологической экспертизы.
- Право интеллектуальной собственности разработчика защищено патентом РФ № 186107.
Выпускаются с возможностью фланцевого и штуцерного соединения. На выбор заказчика есть несколько материалов мембраны, полости камеры и корпуса электронного блока, а также типа заполняющей жидкости.
- Имеют несколько вариантов исполнения:
- с фланцевым присоединением
- со штуцерным присоединением
- с открытой мембраной
- с выносной разделительной мембраной
Данные спецификации представлены с фланцевым креплением и с выносными разделительными мембранами. Модели 186,187, 188 являются преобразователями разрежения.
Спецификация 163 – с плоской мембраной, 164 – с погружной мембраной. Они применяются для точного определения уровня жидкости в различных емкостях и резервуарах.
Преимущества
Каждый из представленных приборов обладает высокой точностью измерений на уровне лучших мировых образцов. При специальном заказе основная приведенная погрешность составляет 0,04%. Также они отличаются долговременной стабильностью — не более 0,1% в течение 5 лет (или 0,02% в течение года).
Их ключевыми особенностями являются широкий диапазон измерения (от -0,5 до 69 МПа), способность работать в условиях перегрузки до 105 МПа и расширенная самодиагностика.
Имеется возможность настройки (в том числе калибровки нуля) с кнопок непосредственно во взрывоопасной зоне, без нарушения взрывозащиты корпуса, а также обеспечена работа с фирменным программным обеспечением «ЭМИС» — Интегратор». Межповерочный интервал составляет 5 лет.
В 2018 году, в целях проведения ОПИ, «ЭМИС-БАР» были поставлены на объект УРМЦ «Газпром – Трансгаз – Екатеринбург». В своем отзыве заказчик отмечает, что за время опытно-промышленных испытаний они показали себя надёжным средством измерения, отвечающим всем техническим требованиям и в полной мере обеспечивающим заявленные метрологические и технико-эксплуатационные параметры. Приборы показали высокую стабильность при различных температурных режимах и в разных погодных условиях, высокую визуализацию, интуитивность и практическое удобство дисплея.
Также положительные характеристики ИД «ЭМИС-БАР» получили по результатам работы на «Березниковском содовом заводе», где измеряемой средой стала фильтровая жидкость карбоколонны. «Интерфейс настройки прибора интуитивный и понятный. Материал корпуса соответствует заявленному в паспорте. Несмотря на наличие в фильтровой жидкости агрессивных примесей, отложений и коррозии на сенсоре не было. Метрологические характеристики после 6 месяцев работы соответствуют заявленным. Диапазон напряжения питания может быть от 12 до 36 вольт, при этом влияния на работу прибора данный разбег по питанию не оказывает», — отмечает в отзыве заказчик.
Стоит отметить, что измерители «ЭМИС» — БАР» являются частью комплексов учета энергоносителей и теплосчетчиков. Сейчас комплексы можно приобрести с расширенной гарантией до 3 лет, по Вашему запросу.
На рисунке комплекс учета «ЭМИС»-Эско 2210»
Необходимо добавить, что с появлением в продуктовой линейке «ЭМИС» датчиков давления, для заказчиков открылись возможности унификации применяемого оборудования и получения дополнительных выгод при комплексной покупке средств измерения нашей торговой марки!
Если у Вас существует потребность в приобретении продукции, на нашем сайте Вы можете оставить заявку или заполнить опросный лист и отправить его на адрес [email protected].
Задать вопрос инженерам по работе производимых приборов
Приборы для измерения давления в промышленности
Преобразователь давления — это измерительный прибор, который предназначается для непрерывного измерения давления различных жидких и газообразных сред, а также последующего преобразования полученных значений измерения в унифицированный выходной сигнал по току или напряжению. Полученный в результате измерения сигнал используется в качестве входного сигнала для аппаратуры систем автоматического регулирования, управления и контроля технологических процессов.
Тензорезисторные преобразователи силы и давления получили широкое распространение как миниатюрные компактные устройства, которые способны измерять силу и давление в диапазоне от нескольких Па до нескольких МПа. Невозможно автоматизировать производство, на котором используются жидкости, пастообразные смеси, газы под давлением без использования приборов измерения и преобразования давления и силы.
Приборы для измерения давления в промышленности, также известные как датчики давления, применяются на участках диспетчеризации, энергосбережения, учета и контроля распределения газа, тепла и нефтепродуктов. Преобразователи давления установлены на предприятиях энергетики, газо- нефтепереработки, легкой и тяжелой промышленности, на объектах коммунальных служб и т.д.
Давление можно определить как единицу силы создаваемую на единицу площади поверхности. В системе СИ в качестве единицы измерения давления используется Паскаль (Па). Один Па равняется силе в один Ньютон (Н), приложенной на площадь в один метр квадратный (Па = Н / м2).
На практике широко распространены и другие единицы измерения. Помимо «Па» наиболее известны: «bar» (бар), «кгс/см2» (килограмм-сила на квадратный сантиметр) и «м.в.с.» (метры водяного столба), а также производные от них: «мбар» (миллибар), «кПа» (килопаскаль), «МПа» (мегапаскаль).
Приборы для измерения давления в промышленности, в зависимости от вида измеряемого давления, подразделяют на следующие группы:
- Избыточное давление – МИДА-ДИ-13П, AC-1, МИДА-ДИ-13П-В, РТМ-М, ТЖИУ-406. Применяются для измерения давления, создаваемого какой-либо средой, относительно атмосферного давления. Это самый распространенный тип приборов для измерения давления, который применяется практически повсеместно, во всех отраслях промышленности. Особо распространены в таких сферах, как энергетика, ЖКХ, водоочистка, водоподготовка, системы отопления, вентиляции и кондиционирования, химическая и пищевая промышленность и т.д.
- Абсолютное давление – МИДА-ДА-13П, МИДА-ПА-81, МИДА-ПА-88-4, ТЖИУ406А. Применяют для измерения давления, создаваемого какой-либо средой относительно вакуума (абсолютного разряжения). Данный тип датчиков давления не так широко распространен и используется в основном в химической отрасли.
- Вакууметрическое давление (разряжение) — МИДА-МВ-76, ДТ-2,5 и ДТ-40, ДЕ-57-2,5Т; ДЕ-57-6Т; ДЕ-57-40Т, МИДА-ДВ-13П. Эти датчики, напротив, измеряют уровень разряжения (вакуума) относительно уровня атмосферного давления. Вакуумные процессы, на сегодняшний день, нашли широкое применение во многих отраслях производства. Например, в пищевой промышленности при производстве продукции в вакуумной упаковке, в металлургии при производстве РТИ и литья в вакууме, в автомобилестроении и др.
- Гидростатическое давление – ТРИД-Г, КОРУНД-ДИГ-001М, ПД100-ДГ-137. Также называют гидростатическими уровнемерами и, по сути, являются разновидностью датчиков избыточного давления, но применяются в тех случаях, когда они необходимо измерение гидростатического уровня жидкостей и измеряют давление столба жидкости над ними.
Конструктивные особенности
На рисунке ниже изображена общая схема конструктивного строения прибора для измерения давления. Конструкция может изменяться в зависимости от производителя прибора, типа использованного датчика, а также особенностей применения.
Конструктивное строение прибора для измерения давления
Рассмотрим основные элементы более подробно:
1. Кабельный ввод – служит для герметичного ввода электрического кабеля в датчик. Обычно, используется ссальниковый ввод типа PG9, однако бывают и другие варианты присоединения — PG16, M20x1,5 и т.д.
2. Клеммы – используются для подключения электрических проводов непосредственно к датчику. Большинство приборов для измерения давления имеют для подключения 2-х проводную схему с выходным сигналом от 4 до 20 мА.
3. Плата питания / искрозащиты – данная плата распределяет электрическую энергию между всеми электронными компонентами датчика. Устройства во взрывобезопасном исполнении при помощи данной платы реализуют функцию искрозащиты. В недорогих датчиках давления преобразовательная плата и плата питания, как правило, совмещены.
4. Корпус электроники – элемент датчика давления, в которой располагаются плата питания и преобразовательная плата.
5. Преобразовательная плата — одна из важнейших составляющих прибора измерения давления. Она преобразует сигнал непосредственно от первичного сенсора в унифицированный электрический сигнал по току или напряжению.
6. Корпус датчика – это основная механическая часть, которая представляет собой «тело» прибора.
7. Провода и атмосферная трубка – провода — это кабельный шлейф, который соединяет преобразовательную плату и выводы сенсора. Атмосферная трубка используется в датчиках вакууметрического и избыточного давления для привязки чувствительного элемента к атмосферному давлению.
8. Технологическое соединение — применяется для физического подключения датчика к процессу, трубопроводу, аппарату или емкости. Наиболее распространено резьбовое манометрическое подсоединение G1/2″ по стандарту DIN 16288 и резьба М20х1,5. Также, часто можно встретить соединения G1/4″и G1″, а также фланцевые соединения. Существуют специальные санитарные присоединения, например, в пищевой промышленности распространены: молочная гайка DIN 11851,DRD-фланец и хомуты Tri-clamp.
9. Сенсор давления, также называемый первичным преобразователем — это один из основных элементов любого устройства измерения давления. Сенсор давления осуществляет преобразование действующего на него давления в электрический сигнал, чтобы затем унифицировать его на преобразовательной плате. Существует несколько способов преобразования давления в электрический сигнал. В промышленности используются емкостный, индуктивный и тензорезистивный методы преобразования. Однако, самым распространенным, на сегодняшний день, является тензорезистивный метод преобразования давления.
Тензорезистивный метод основан на таком явлении, как тензоэффект в металлах и полупроводниках. Тензорезисторы соединенные в мостовую схему Уитстона изменяют свое сопротивление под действием давления, что приводит к разбалансированию моста. Разбаланс прямо пропорционально зависит от степени деформации резисторов и, соответственно, от приложенного давления.
Мост Уитстона
На рынке существует 4 основных типа сенсоров, принцип действия которых основан на тензорезистивном методе преобразования:
1. Толстопленочные сенсоры на металической/керамической мембране — один из самых дешевых типов сенсоров, применяется для производства недорогих моделей для неагрессивных сред, таких, как воздух, вода или пар.
2. Тонкопленочные сенсоры на стальной мембране — разработанные специально для применения в преобразователях высокого давления, работают со средой более 100 бар. Они обладают хорошей линейностью и повторяемостью при работе с высоким давлением.
3. Керамические тензорезистивные сенсоры – данный вид сенсоров применяется для высокоточного измерения давления сред, не агрессивных по отношению к материалу керамики, исключая пищевые продукты и вязкие среды. Самый распространенный тип датчиков давления.
4. Кремниевые тензорезистивные сенсоры – обычно применяются совместно с защитной разделительной мембраной из нержавеющей стали. Обладают высокой точностью измерения давления различных сред. Использование в данном типе сенсоров сварной разделительной мембраны из нержавеющей стали позволяет применять их в пищевой промышленности и для вязких сред.
Датчик давления | iot.ru Новости Интернета вещей
1. ОпределениеДатчик давления – сенсор, преобразующий измеренную величину давления (например, давление в жидкости, газе) в электрический сигнал, удобный для дальнейшего использования.
2. История создания и развитияИдея измерения давления возникла еще в 16 веке у Галилео Галилея, затем она была поддержана видными учеными того времени Торричелли и Паскалем. Изобретения этих ученых основывались на принципе сообщающихся сосудов. Математическое обоснование было дано во второй половине 17 века, а первый механический измеритель давления был придуман в 1843 году Люсьеном Види (использование пружины для измерения атмосферного давления). Первые электрические приборы появились в 20 веке, а первый датчик, в том виде, каким мы воспринимаем его сейчас – в 1967 году в научно-исследовательском центре Honeywell, США. С 2000 годов и по настоящее время датчики давления активно используются по всему миру в различных приложениях и устройствах.
Основными компаниями-производителями датчиков давления являются: Continental, Delphi Automotive, Avago, Hitachi Automotive Systems, Denso Corporation, Sensata Technologies, Analog Devices, ABB, Emerson Process Management и др.
3. Технические характеристикиВ общем случае датчик давления состоит из двух элементов: один из них контактирует со средой с меняющимся давлением и регистрирует это изменение, другой преобразовывает полученные измерения в вид, удобный для дальнейшего использования.
Датчики давления различают по типу измерений:
-
Измерение абсолютного давления – давление относительно вакуума
-
Измерение дифференциального давления – измерение разности давлений в контрольных точках
-
Измерение избыточного давления – разновидность измерения дифференциального давления, при котором измеренное давление сравнивается с текущим атмосферным давлением.
По принципу реализации преобразования измеренного давления в электрический сигнал различают пьезоэлектрические, ёмкостные, индуктивные, оптические, тензометрические датчики давления.
В зависимости от назначения датчики давления обладают следующими различными характеристиками: диапазон измерения давления, рабочая температура, точность. Немаловажную роль играют вид выходного электрического сигнала, размеры датчика и цена.
4. Кейсы примененияДатчики давления широко используются в таких областях, как автомобилестроение, промышленность, авиация, биомедицинские измерения, кондиционирование воздуха, гидравлические измерения и т.д.
В любых устройствах с сенсорным экраном присутствуют датчики давления, регистрирующие момент нажатия на экран и передающий данную информацию в цифровом виде процессору. В автомобилях датчик давления используется в антиблокировочной тормозной системе ABS, в подушках безопасности и др.
5. Полезные ссылкиИсточники:
- http://what-is-a-sensor.com/history-of-sensors/
- http://www.sensorland.com
- http://www.smar.com/en/technical-article/pressure-measurement-characteristics-technologies-and-trend…
- http://www.sensorsmag.com/components/fundamentals-pressure-sensor-technology
Электрический датчик — давление — Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 1
Электрический датчик — давление
Cтраница 1
Электрические датчики давления широко используют при измерении давлений, переменных во времени. Погрешности обусловлены гистерезисом деформируемых элементов, температурными влияниями и погрешностями электрических схем. [2]
Электрический датчик давления масла установлен на блоке цилиндров. По электрической схеме датчик соединен с сигнальной лампой, помещенной на щитке приборов. [3]
Электрический датчик давления Минитран имеет взрывозащищен-ное исполнение и поэтому, так же как датчик ДДП-1, может устанавливаться непосредственно у места отбора давления газа. Он имеет унифицированный токовый сигнал, питается от общего для двух датчиков блока. [4]
Электрические датчики давления ГСП имеют такие же измерительные блоки, как и пневматические. Они снабжаются электросиловыми линейными преобразователями. [5]
В унифицированных электрических датчиках давления широко применяются электроизмерительные преобразователи, принцип действия которых основан на электросиловой компенсации с использованием обратных электромеханических преобразователей — измерительных механизмов. [7]
Обратная связь осуществляется с помощью электрических датчиков давления, включенных в мостовую схему, и дополнительных сопротивлений, учитывающих потери на трение в поршнях. [9]
Заметим, что при использовании электрических датчиков давления погрешность, обусловленная центробежными силами, не возникает. [11]
Эти трубы были соединены с электрическими датчиками давления ( 0 — 1 или 0 — 2 гс / см2), позволяющими непрерывно регистрировать давление; показания датчиков передавались на самопишущее устройство. [12]
Масло по отдельному каналу подается к электрическому датчику давления масла. Распределительный вал, расположенный на головке блока цилиндров, его опоры, кулачки, рычаги и стержни клапанов смазываются через каналы в блоке, головке и через центральный канал в распределительном валу. Цепь механизма распределения смазывается маслом, которое выходит из передней опоры распределительного вала и передней втулки вала привода масляного насоса; масло разбрызгивается центробежной силой звездочек указанных валов через радиальные отверстия на звездочках. [13]
В настоящее время в соответствии с ГСП выпускаются электрические датчики давления с унифицированным электропреобразователем постоянного тока. [15]
Страницы: 1 2 3
Конструкция, принцип работы и местонахождение датчика давления масла
Содержание статьи
Благодаря контрольно-измерительным приборам водитель может постоянно получать информацию о работе систем силовой установки. Установленные в салоне на приборной доске информационные датчики и сигнальные лампы позволяют принять меры в случае возникновения проблем в работе авто.
Для получения требуемой информации на составных частях силовой установки находятся измерительные датчики. Один из важнейших среди них — датчик давления масла.
В задачу системы смазки входит снижение трения между трущимися поверхностями узлов и механизмов, установленных в разных частях силовой установки. Одни смазываются разбрызгиванием, другие – под давлением.
Для нормального функционирования двигателя давление смазки должно быть в определенном диапазоне. Если его будет недостаточно, то смазка не попадёт к некоторых узлам (например, к распредвалу, установленному в ГБЦ). Превышение же давления выше нормы приведет к продавливанию резинотехнических элементов.
Типы датчиков давления масла
Для контроля давления в системе смазки используются два типа датчиков:
- аварийный;
- измерительный.
Аварийный предназначен для уведомления водителя о том, что давление снизилось ниже критического значения. Он соединяется с контрольной лампой на приборной панели. Примечательно, что двигатели некоторых авто комплектуются двумя аварийными датчиками – низкого и высокого давления, которые сигнализируют водителю о падении или превышении давления в системе.
Измерительные элементы используются не на всех автомобилях. В задачу этих датчиков входит постоянное информирование о функционировании системы смазки. С его помощью водитель может узнать текущее давление.
Датчики для определения давления использовались с момента появления двигателей внутреннего сгорания. Первые из них представляли собой трубку со стеклянным окошком, подсоединенным к системе смазки и установленную в салоне. По пульсации масла по трубке водитель и определял о функционировании системы.
Видео: Установка датчика давления масла!
Особенности работы
Затем на машинах начали применяться мембранные датчики, позволяющие определить параметры работы смазочной системы. Они бывают двух типов:
- Механические.
- Электрические.
Механические устарели и не используются. Измерительный прибор состоял из двух датчиков – мембранного и измерительного. Они соединялись трубкой, заполненной маслом. Суть работы очень проста – возрастающее давление в системе приводит к прогибанию мембраны, установленной внутри датчика. Мембрана смещается, толкает шток, который выдавливает масло в трубке. Возникающее давление приводило к перемещению стрелки на измерительном датчике, а по установленной шкале водитель определял давление в системе. Так сейчас работают диагностические аналоговые манометры.
Конструкция и принцип работы
Электрические сейчас являются самыми распространенными. При этом конструкция элемента зависит от назначения.
Так, датчик аварийной сигнализации включает в себя мембрану с подсоединенным к ней штоком. Внутри детали два контакта, которые замыкают цепь сигнальной лампы. Один неподвижен, второй крепится к штоку.
Принцип работы прост: пока давления в системе нет, цепь питания сигнальной лампы на приборной доске замкнута. После запуска мотора, давление повышается, что приводит к выгибанию мембраны, которая толкает шток с контактом и цепь размывается – лампа гаснет, сигнализирует о том, что система нормально функционирует. Если давление падает ниже определенной отметки, цепь снова замыкается.
Измерительный датчик конструктивно более сложен. Для обеспечения функционирования информационного элемента (со шкалой), установленного на приборной доске, требуется изменение сопротивления электрической цепи.
Такой датчик представляет собой реостат с механическим управлением. Внутри находится нихромовая обмотка сопротивления (или беговая дорожка), бегунок и приводной механизм.
Работает этот элемент так: при изменении давления мембрана прогибается, толкает шток, связанный с приводным механизмом. Тот перемещает бегунок по поверхности обмотки или дорожки, изменяя сопротивление в цепи, обеспечивающей питание информационного датчика.
Выше описана только один из видов конструкций измерительного датчика. Но есть и другие – полупроводниковый (на основе пъезокристалла) и с биметаллическим преобразователем. Но и эти элементы тоже используют движение мембраны.
Где находится, проверка, замена датчиков давления
Расположение датчиков давления на двигателе может быть самым разным, но он врезается в масляные каналы системы смазки. Некоторые производители устанавливают их на головке блока, другие в место установки на блоке цилиндров, возле масляного фильтра. Первый вариант используется для аварийных элементов, второй – для измерительных.
Обнаружить датчики несложно, поскольку они вкручиваются в тело ГБЦ или блока и к нему подходит один провод.
Несмотря на простоту конструкции, датчики выходят из строя. Кстати, при обнаружении проблем в работе системы смазки при помощи сигнальной лампы чаще неисправность связана с датчиком, а не деталями самой системы.
Видео: Ремонт датчика давления ВАЗ 2107
Проверить аварийный элемент несложно, и для этого потребуется только мультиметр, установленный в режим омметра и насос. Проверка делается просто – подсоединяем штуцер датчика к насосу, «плюсовой» щуп мультиметра к выводу на датчике, а «минусовой» бросаем на корпус. При этом измерительный прибор показывает определенное значение сопротивления. Далее делаем один интенсивный качок насосом и следим за показанием омметра. При качке создается давление, которое приводит к разрыву цепи и сопротивление в этом случае – бесконечное.
Проверка измерительного элемента сложнее, поскольку нужно знать, каков диапазон измерений и какое сопротивление создаёт датчик при том или ином давлении. Если эта информация имеется, то в дальнейшем технология проверки схожа с предыдущей.
То есть, насосом создаем требуемые значения давлений и замеряем сопротивления. При обнаружении сильных отклонений элемент считается неисправным.
Оба вида датчиков неразборные, поэтому не ремонтируются. Если они неисправны, то делается замена.
Выполнить замену несложно. Подбираем соответствующий по размеру ключ, снимаем клемму с аккумулятора, чтобы обесточить сеть, отсоединяем провод и выкручиваем деталь. На его место вкручиваем новый (аналогичный или с идентичными параметрами) и подсоединяем к нему проводку.
Рекомендации потребителю
.
1.1 Климатические условия.
Климатические условия (температура окружающей среды, влажность, конденсация влаги, прямое попадание воды и солнечных лучей), при которых будет работать датчик, должны соответствовать тем, на которые он рассчитан. Датчик давления исполнения У**2 (ГОСТ 15150-69) рассчитан для работы в умеренном климате при температуре окружающей среды от минус 40°С до плюс 80°С. Место установки — открытый воздух, под навесом. Исключается прямое попадание солнечных лучей и воды (во время дождя). Кратковременно датчики могут быть влажными в результате конденсации, вызванной резкими изменениями температуры или в результате воздействия заносимых ветром осадков. Датчик по этому параметру испытывается в течение 10 суток. (максимальная влажность воздуха – 95-100% при температуре 40°С и ниже с конденсацией влаги). Не допускается длительная конденсация влаги на датчике, вызванная эксплуатацией датчика во влажном помещении при низкой температуре измеряемой среды.
Датчик исполнения УХЛ**3.1 рассчитан для работы в умеренно-холодном климате при температуре окружающей среды от минус 40°С до плюс 80°С. Место установки – сухие, нерегулярно отапливаемые помещения. Попадание воды на датчик и конденсация влаги исключены. Максимальная влажность воздуха — 80% при температуре 35°С без конденсации влаги (группа В4 по ГОСТ 12997-84).
1.2. Температура измеряемой среды.
Температура измеряемой среды не должна выходить за пределы, указанные для интервалов температур окружающей среды, если иное не оговорено в технической документации на датчик. Если температура измеряемой среды выше или ниже допустимой, должен устанавливаться отвод или предприняты другие меры для выполнения условий правильной эксплуатации.
При низкой температуре измеряемой среды необходимо принять меры (специальный отвод и т.п.), чтобы исключить появление конденсата на корпусе датчика.
1.3. Состояние и свойства измеряемой среды
Измеряемая среда должна обладать следующими свойствами:
При эксплуатации датчика давления состояние измеряемой среды должно оставаться таким, чтобы исключить:
В обоих случаях возможен выход датчика из строя из-за повреждения или разрыва его мембраны.
Отборные устройства рекомендуется размещать в местах, где скорость движения среды наименьшая, поток без завихрений, т.е. на прямолинейных участках трубопроводов, при максимальном расстоянии от запорных устройств, колен, компенсаторов и других гидравлических соединений.
При пульсирующем давлении среды, гидроударах необходимо применять демпфирующую вставку нашего производства ТНКИ.716512.001 или другие меры (петлеобразные успокоители, и т.п.), чтобы не допустить повреждения или разрыва мембраны датчика.
1.4. Механические воздействия
Механические воздействия (вибрации, одиночные удары) на датчик не должны превышать следующих значений.
Для группы V3 (исполнение УХЛ**3.1) вибрации с частотой 10-150 Гц, амплитуда – 0,35 мм, ускорение 49 м/сек2, удары не допускаются.
Для группы G2 (исполнение У**2) вибрации с частотой 10-2000 Гц, амплитуда – 0,75 мм, ускорение 98 м/сек2, до 1000 ударов с ускорением до 100 м/ сек2 с длительностью ударного импульса 2-50 мс.
Содержание
2. Подключение датчика к магистрали с измеряемой средой
2.1. Подготовка посадочного места
Посадочное место, куда устанавливается датчик, изготавливается в соответствии с чертежом, приведённом в техническом описании. Для наиболее часто используемых датчиков со штуцером М20х1,5 , М12х1,5 посадочное место должно иметь вид, представленный на рис.2.1-1.
Рис.2.1-1
2.2. Монтаж датчика
Монтаж датчика на рабочее место осуществляется гаечным ключом за шестигранник штуцера. Применение трубного ключа с использованием корпуса датчика в качестве силового элемента категорически запрещено. Герметичность соединения с магистралью достигается применением прокладки, как показано на рисунке 2.2-1.
Рис.2.2-1
Использовать уплотнение по резьбе (пакля, лента ФУМ) для обеспечения герметичности соединения запрещено, так как может произойти повреждение мембраны большим избыточным давлением (при закручивании датчика в замкнутый объём жидкости).
В случае установки датчиков непосредственно на технологическом оборудовании и трубопроводах должны применяться отборные устройства с вентилями для обеспечения возможности отключения и проверки датчиков.
Содержание
3. Электрическое подключение датчика давления
3.1.Электрические схемы подключения датчика.3.1.1. Двухпроводная схема включения.
Двухпроводная схема включения реализуется только на датчиках, имеющих выходной сигнал постоянного тока 4‑20 мА (рис.3.1-1).
Рис.3.1-1
На схеме использованы следующие обозначения: «Д»- датчик, «+Un» – 1-й контакт датчика, «-Un» – 2-й контакт датчика, которые являются одновременно цепями питания и сигнала, «Rн»- сопротивление нагрузки, «ИП»- источник питания.
В качестве сопротивления нагрузки (Rн) в данной схеме может выступать прецизионный измерительный резистор, сопротивление стрелочного, цифрового измерителя тока или входное сопротивление контроллера. Сопротивление нагрузки может ставиться как в плюсовую, так и в минусовую цепь датчика. При работе с системой сбора данных чаще схемотехнически оправдано включать нагрузку в минусовую цепь питания датчика. Величина Rн выбирается а пределах от 0 до 1 кОм. При этом напряжение питания должно иметь следующую величину:
Up ³ 0,02 ·(Rн + Rл) + 12, (1)где Rн- сопротивление нагрузки (Ом), Rл – сопротивление проводов соединительной линии (Ом), Up- напряжение питания датчика (В).
Для предотвращения поражения током обслуживающего персонала рекомендуется заземлять корпус датчика и источника питания (если он имеет металлические части, которые могут оказаться под напряжением).
Двухпроводная схема является самой простой и надёжной для работы датчика. Датчик не выходит из строя при неправильном включении, если перепутана полярность питания, при коротких замыканиях, менее чувствителен к помехам (особенно при малых сопротивлении нагрузки). При двухпроводном включении проще реализовать меры по снижению влияния электромагнитных помех (индустриальные помехи, радиопомехи).
Снизить влияние электромагнитных помех на линию связи можно, прокладывая ее витой парой, экранированным кабелем, экранированной витой парой (рис 3.1-2).
Рис.3.1-2
(Схема подключения двухпроводного датчика с выходным сигналом 4‑20 мА с элементами защиты)
Соединение экрана с общим проводом системы, либо с шиной заземления должно выполнятся только с одного конца. Экран кабеля линии связи должен быть надежно изолирован на всем его протяжении. Недопустимо использовать в качестве точки заземления экрана корпус электротехнического устройства (шкафа). Заземление должно выполнятся только на шину заземления, кратчайшим путем соединенную с заземляющим устройством.
На рис. 3.1-2 в цепь питания датчика дополнительно включен резистор Rогр, который защищает сопротивление нагрузки (вход измерительного или регистрирующего прибора) от возможных перегрузок при случайных замыканиях линии связи, если источник питания не имеет защиты от перегрузки, либо ток срабатывания защиты чрезмерно велик. Резистор Rогр не должен быть точным, но при этом его максимально возможное значение должно быть учтено при расчете по формуле (1).
На рис. 3.1-3 показана схема подключения группы двухпроводных датчиков с выходным сигналом 4‑20 мА. Как и в предыдущих схемах, Rн – это либо измерительные резисторы, либо эквиваленты входного сопротивления приборов контроля и регулирования.
Рис.3.1-3.
(Схема подключения группы двухпроводных датчиков)
Чтобы исключить появление дополнительной погрешности от протекания суммы выходных токов датчиков, объединение нагрузок должно быть выполнено в одной точке. Для минимизации обратной связи по проводам питания объединение проводов питания датчиков должно быть выполнено непосредственно на положительном зажиме источника питания, либо на колодке, расположенной в непосредственной близости от источника питания, а провод, соединяющий отрицательный зажим источника питания с общей точкой системы, должен быть минимальной длины.
3.1.2. Четырёхпроводная схема включения
На рис. 3.1-4 показана схема подключения четырехпроводных датчиков с унифицированным сигналами постоянного тока с токовым (0-5мА) или потенциальным выходом (0-5В).
Рис.3.1-4.
(Схема подключения четырехпроводного датчика)
На схеме обозначены: «Д»- датчик, «+» – 1-й контакт датчика, «» – 2-й контакт датчика, которые являются цепями питания, «Rн+», «Rн-«- контакты 3, 4, которые являются сигнальными цепями, «Rн»- сопротивление нагрузки, «ИП»- источник питания.
Для датчиков с токовым выходом сопротивлением нагрузки (Rн) может быть прецизионный измерительный резистор, сопротивление стрелочного, цифрового измерителя тока или входное сопротивление контроллера.
Питание датчиков осуществляется от источника питания с напряжением 20÷36В. Сопротивление нагрузки берётся в пределах от 0 до 2,5 кОм для датчиков с выходом 0-5 мА, 10 кОм и выше для датчиков с выходом 0-5 В. Датчики давления с потенциальным выходом в большей степени подвержены воздействию помех на линию связи, чем датчики с токовым выходом.
Для предотвращения поражения током обслуживающего персонала рекомендуется заземлять корпус датчика и источника питания (если он имеет металлические части, которые могут оказаться под напряжением).
Датчики давления с четырёхпроводной схемой не допускают неправильного включения; в этом случае они выходят из строя. Кроме того, заземление приборов (датчика, источника питания, системы сбора) в этом случае должно выполняться с особой осторожностью, чтобы не допускать появления напряжений и токов, которые могут вывести из строя подключенные приборы.
Рис.3.1-5.
(Схема подключения группы четырехпроводных датчиков)
На рис. 3.1-5 показана схема подключения группы четырехпроводных датчиков с объединением одного из полюсов нагрузок. В данном включении каждый датчик должен питаться от отдельного источника питания, либо от многоканального блока питания с гальваническим разделением каналов.
Возможно включение группы четырехпроводных датчиков с одним источником питания, как показано на рис.3.1-6.
Рис.3.1-6.
(Схема подключения группы четырехпроводных датчиков с одним источником питания)
Включение датчиков по этой схеме оправдано, если в качестве нагрузок используются гальванически развязанные измерительные или регистрирующие приборы. В схеме подключения с коммутацией сигналов с нагрузочных резисторов на общий вход системы сбора данных необходимо выполнить следующие условия: коммутация должна выполнятся электромеханическими переключателями, и переключение с одного резистора нагрузки на другой должно выполнятся с паузой. Применение электронных коммутаторов затруднено, поскольку выводы нагрузочных резисторов находятся под значительным потенциалом относительно полюсов источника питания, величина которого, кроме того, зависит от построения схемы конкретного типа датчика. Одновременное замыкание ключей хотя бы в двух каналах неминуемо приведет к отказу датчиков.
3.2. Место прокладки линии связи
Провода, соединяющие датчик с остальными приборами, составляют линию связи, которая не должна прокладываться вблизи сильноточных электрических цепей. Сильноточные электрические цепи являются не только источником помехи, но и источником эдс, напряжение которой, складываясь с напряжением источника питания, приводит к появлению высокого напряжения и пробою датчиков. Источником высоковольтных импульсов напряжения (из-за наводок в линии связи) могут стать грозовые разряды. Поэтому в местах, где возможно воздействие грозовых разрядов, необходимо применять специальные меры защиты (например, использовать блоки грозозащиты или датчики со встроенными блоками грозозащиты, которые выпускаются нашим предприятием).
3.3. Подключение датчика к линии связи
Правильное подключение датчика к линии связи особенно важно в случаях, когда датчик необходимо защитить от попадания воды и влаги. В этом случае датчик должен быть выбран с сальниковым вводом (прямой, угловой), а линия связи в месте ввода в датчик должна быть выполнена кабелем круглого сечения с требуемым количеством жил. Подключение кабеля к контактной колодке производится в соответствии с рисунком 3.3-1 в следующей последовательности.
Рис.3.3-1
Разделывается кабель 6, снимается крышка 1, закрепленная двумя невыпадающими винтами, выворачивается гайка 5 сальника и извлекается металлическая шайба 4 и резиновая прокладка 3. В прокладке 3 строго посередине пробивается отверстие по внешнему диаметру кабеля или на 0,5 мм больше. На разделанный кабель одеваются гайка 5, шайба 4 и прокладка 3. Кабель с элементами уплотнения вставляется в отверстие сальника в соответствии с рис. 3.3-1. Ослабляются винты 7 контактной колодки 2. Оголенный проводник жилы вставляется между пластинкой 8 и контактом, заворачивается винт 7. Крышка 1 устанавливается на место и закрепляется винтами. Герметизация кабельного ввода производится закручиванием гайки 5 таким образом, чтобы прокладка туго обжимала кабель.
Необходимо помнить, что крышка имеет три места, через которые может проникнуть вода и влага:
Ввод кабеля герметизируется сальниковым уплотнением, винты — резиновыми кольцами, которые на них одеты, сама крышка – резиновым кольцом в основании крышки. Нарушение герметичности в любом из указанных мест может привести к отказу датчика из-за попадания в него воды. Поэтому необходимо следить, чтобы резиновые уплотнители были в наличии, а оба винта крышки и гайка сальника достаточно хорошо затянуты.
Очень часто в местах прохождения кабеля имеются зоны, где образуется конденсат (например, трубы с холодной водой). Капли конденсата, попадая на кабель, стекают по нему на крышку датчика и при недостаточно хорошем уплотнении попадают под крышку и далее в датчик. В таких случаях желательно, чтобы до ввода в датчик кабель имел ниспадающую петлю, которая предотвратит стекание воды в датчик по кабелю.
ВНИМАНИЕ: Если при монтаже датчика по какой-либо причине допущено нарушение в уплотнении сальника, необходимо принять дополнительные меры по защите кабельного ввода от попадания воды и влаги. Однако, в этом случае предприятие не несёт ответственности за отказ датчика, вызванный попаданием в него воды.
3.4. Включение датчика и проверка его работоспособности.
Перед включением датчика необходимо проверить:
Невыполнение любого из указанных условий может привести к отказу датчика.
Напряжение между корпусом и питающими, сигнальными шинами может явиться источником помех, а при большой величине, если оно превышает напряжение пробоя изоляции датчика, приводит к его отказу.
Если все указанные требования выполнены, то производится включение датчика, т.е. подача питающего напряжения на него. О работоспособности датчика можно судить по его выходному сигналу при нулевом избыточном давлении (штуцер датчика соединён с атмосферой). Выходной сигнал зависит от типа применяемого датчика (ДИ, ДА, ДВ, ДИВ), от вида унифицированного сигнала датчика (4-20 мА, 0-5 мА, 0-5 В), от диапазонов измеряемых давлений.
Датчики избыточного давления (ДИ), имеющие нижний предел измеряемого избыточного давления равный нулю, так же как и датчики разрежения (ДВ), должны иметь выходной сигнал, соответствующий нижней границе его выходного сигнала (4 мА, 0 мА, 0 В). Если нижний предел измеряемого избыточного давления датчиков ДИ не равен нулю, то выходной сигнал будет всегда иметь меньшую величину. Отсутствие выходного сигнала у датчиков с выходом 4-20 мА, как правило, свидетельствует об обрыве в соединительных цепях, плохом контакте в местах соединений, в том числе и в контактной колодке датчика (не зажат провод, окисная плёнки на контактах из-за долгого хранения) и т.п.
Датчики абсолютного давления (ДА), так же как и датчики избыточного давления- разрежения (ДИВ), всегда имеют выходной сигнал больше, чем нижняя граница выходного сигнала.. «Добавку» (Д) к выходному сигналу датчика ДА можно ориентировочно рассчитать, зная верхний предел измеряемого давления датчика (Рн) в МПа и диапазон (В) выходного сигнала (16 мА для датчика с выходом 4-20 мА, 5 мА для датчика с выходом 0-5 мА, 5 В для датчика с выходом 0-5 В).
Д= В*0,1/Рн
Особый класс составляют высокотемпературные датчики давления, нижний предел выходного сигнала которых устанавливается только при достижении рабочей температуры измеряемой среды (равной середине диапазона температурной компенсации). Проконтролировать работоспособность датчика в этом случае можно по данным из паспорта, в котором указывается значение начального выходного сигнала при комнатной температуре.
Если выходной сигнал не соответствует паспортным данным, необходимо дополнительно проверить напряжение питания непосредственно на клеммах датчика. Для датчика с выходом 4-20 мА оно должно лежать в пределах 12В…36В, для остальных датчиков 24В…36В.
Если выходной сигнал датчика нестабилен, то, как правило, это связано с наличием сильных электромагнитных помех или помех между корпусом и питающими, сигнальными шинами. Во многих случаях избавиться от этого можно с помощью установки конденсатора между корпусом датчика и контактом питания на контактной колодке датчика. Соединение должно иметь минимальную длину, индуктивность и выполнено с учётом требований, предъявляемым к высокочастотному монтажу. Для подавления высокочастотных помех достаточно высокочастотного конденсатора емкостью 300-500 пф., дли подавления низкочастотной помехи — конденсатора типа К73-17 емкостью 1,0-2,0 мкф. Существуют другие более эффективные, но более трудоёмкие способы защиты от помех, которые описаны в технической литературе.
Из сказанного следует, что перед установкой датчика на рабочее место желательно проверить его работоспособность в лабораторных условиях. В этом случае неработоспособность датчика, выявленная после установки его на рабочее место, укажет на то, что отказ произошёл во время установки из-за нарушений правил эксплуатации обслуживающим персоналом.
Если после установки или во время эксплуатации датчик оказался неработоспособным, его необходимо снять, автономно проверить в лабораторных условиях, составить акт об отказе датчика, оформить рекламацию (4.2), выслать датчик вместе с рекламацией изготовителю.
Если выходной сигнал находится в допуске, то датчик готов к работе. При правильной установке датчика и его эксплуатации датчик работает надёжно и не требует регулировок. Необходимо помнить, что датчик является высокоточным прибором и требует соответствующего обращения. Обслуживающий персонал должен быть обучен для работы с ним.
Содержание
4. Отказы датчиков
4.1.Отказы датчиков по вине потребителя.
4.1.1. Перегрузка давлением.
Отказы датчиков по этой причине происходят при подаче на датчик давления, значительно превышающего предельно допустимое.
Данное нарушение наблюдаются, как правило, у потребителей, использующих датчики для измерения давления в системах горячего, холодного водоснабжения и теплосетях. В большинстве случаев потребитель не догадывается о допущенном нарушении, так как оно, как правило, не фиксируется приборами учёта, установленными в системах.
Речь идёт о локальном изменении давления в месте установки датчика. Причины, по которым может возникнуть высокое локальное статическое или динамическое давление, приведены ниже.
Кроме того, большие статические давления могут возникнуть:
Высокое динамическое давление может возникать при наличии динамических, кратковременных процессов (резонансные гидравлические явления, гидроудары), возникающих при изменении потока протекающей жидкости (заполнение системы, отключение воды и т.п.) и определяется состоянием и свойствами измеряемой среды (1.3). В этом случае многое зависит от места установки датчика. Мембрана датчика малоинерционна и поэтому «отрабатывает» самые кратковременные броски давления. При этом усреднённое значение давления может сильно не изменяться. Поэтому не происходит разрушение трубопроводов и не фиксируется значительное повышение давления приборами учёта, установленными для обслуживания системы.
Данное нарушение выявляется при анализе отказа датчика на предприятии-изготовителе. Проведённые на предприятии специальные испытания на разрушение показали, что необратимые изменения в датчике начинают происходить при перегрузках, превышающих номинальное давление в 3…10 раз.
В зависимости от величины допущенной перегрузки в датчике могут произойти следующие необратимые изменения:
Указанные изменения могут происходить только по вине потребителя, так как КАЖДЫЙ датчик в процессе изготовлении и при проведении приёмо-сдаточных испытаний проверяется на влияние перегрузки. Датчики давления выдерживают 1,5 кратные перегрузки без изменения метрологических характеристик.
4.1.2. Высокое напряжение.
Это вид отказов связан с нарушениями по электрическому подключению датчика (3) и происходит при подаче на датчик напряжения, значительно превышающего предельно допустимое.
Существуют два вида данного нарушения правил эксплуатации:
Даже при применении стабилизированного источника питания высокое напряжение может возникнуть из-за наводок в соединительном кабеле, которые возникают при грозовых разрядах, а также при изменении тока в сильноточных силовых цепях, расположенных в непосредственной близости от кабеля.
Изготовитель гарантирует работу датчика при напряжении питания до 36В включительно. Дополнительные исследования показали, что датчик выдерживает кратковременное увеличение напряжения питания до 65В.
Допустимое напряжение между корпусом и питающими или сигнальными шинами, определяется электрической прочностью изоляции, которая проверяется при напряжении 500В (50 Гц) с выдержкой в течение 1 минуты.
При наличии высокого напряжения между корпусом и питающими или сигнальными шинами происходит электрический пробой тензопреобразователя, который приводит к выходу из строя электрорадиоэлементов (ЭРЭ) электронного блока.
При высоком напряжении в цепях питания отказывает электронный блок из-за электрического пробоя ЭРЭ.
4.1.3. Неправильное электрическое подключение
Отказ датчика по этой причине происходит, когда потребитель ошибается при электрическом подключении датчика (3.1).
В случае, когда используется двухпроводная схемы включения, отказа датчика не происходит, так как в нем предусмотрена защита от изменения полярности питания.
Для 3- и 4-проводных схем включения также предусмотрены эта и другие виды защит, однако они не исчерпывают всех вариантов неправильного подключения датчика. В связи с этим может произойти отказ датчика из-за электрического или теплового пробоя ЭРЭ.
4.1.4. Попадание жидкости
Отказы датчиков по этой причине связаны с тем, что проводящая жидкость попадает внутрь датчика, выводя из строя электронный блок и тензопреобразователь.
Проникновение жидкости в датчик обусловлено следующими причинами:
В большинстве случаев потребители неправильно выполняют заделку кабеля:
В первых двух случаях герметизация кабельного соединения принципиально невозможна. Кабель и отверстие в резиновой прокладке должны быть круглого сечения определённых размеров.
В третьем случае кабельный ввод сознательно не герметизируется.
В результате указанных нарушений электропроводящая жидкость попадает на контактную колодку и искажает показания датчика, так как появляется электрическая цепь, параллельная электрическим цепям датчика. При долгом нахождении жидкости на контактной колодке происходит коррозия металлических частей, несмотря на имеющееся покрытие. Кроме того, постоянное присутствие жидкости на контактной колодке проводит к проникновению её внутрь датчика. Наличие жидкости в полости датчика вызывает электролитическое разрушение алюминиевых проводников, разваренных на кристалл тензопреобразователя. При достаточном количестве жидкости проводники при включенном питании разрушаются за 10 минут и датчик приходит в полную негодность. Даже небольшое количество жидкости, попавшее в датчик, долго не высыхает, так как находится в достаточно герметичном объёме. В результате происходит сильная коррозия металлических частей и электролитическое разрушение металлических деталей, стойких к коррозии. Проводящая жидкость, продукты электролиза и коррозии выводят электронный блок из строя и резко снижают сопротивление изоляции.
Эксплуатация датчика в условиях, не отвечающих требованиям категории размещения, также приводит к проникновению жидкости внутрь датчика с аналогичными последствиями.
4.1.5. Загрязнение
Этот вид отказов происходит при:
В первом случае грязь, попадая на контактную колодку датчика, образует проводящую электрическая цепь, параллельную электрическим цепям датчика и таким образом искажает его показания.
Во втором случае твёрдые частицы загрязнённой измеряемой среды, попадая в штуцер, скапливаются в полости, которая расширяется по конусу к мембране (в датчиках на малые пределы измерений). По мере накопления эти частицы уплотняются и начинают давить на мембрану, внося искажения в показания датчика.
4.1.5. Ошибочная браковка
В некоторых случаях потребители ошибочно бракуют и возвращают датчики, которые при проверке у изготовителя не подтверждают свой брак. Причины, по которым потребитель ошибочно бракует работоспособные датчики, могут самые разные.
Самая распространённая причина, когда потребитель, зафиксировав отказ датчика в измерительной системе, не производит автономной проверки датчика в лабораторных условиях. В этом случае любые нарушения в работе измерительной системы, неисправности в линии связи и т.п. могут быть зафиксированы как отказ датчика.
В ряде случаев, когда потребитель эксплуатирует датчик не в тех условиях (давление, температура), он естественно получает не те результаты, на которые рассчитывает.
Например, высокотемпературный датчик при комнатной температуре будет иметь выходной сигнал, значительно отличающийся от того, который он имеет в рабочем диапазоне температур.
4.2. Рекламации, ремонт
Рекламации на отказавшие датчики давления составляется в период их гарантийного обслуживания в соответствии с требованием паспорта на датчик. В акте, который составляется потребителем, должна быть обязательно указана причина, по которой он забраковал датчик, и условия его эксплуатации. Это позволит у изготовителя воспроизвести отказ датчика и установить причину отказа, а также избежать ненужных исследований, если датчик забракован ошибочно (4.1.5).
Рекламационная документация вместе с датчиком высылается изготовителю, который анализирует причины отказа датчика. В случае отказа по вине изготовителя производится гарантийный ремонт или замена датчика за счёт изготовителя. Если датчик отказал по вине потребителя (4.1), то потребитель уведомляется об этом. Датчик по желаю потребителя может возвращён потребителю или обменен на новый по льготной цене (80%). Датчики давления, отказавшие по вине потребителя, или у которых истёк срок гарантии, считаются не гарантийными.
Предприятие не производит ремонт не гарантийных датчиков, возможна только их замена по льготной цене. При этом заполнения рекламационной документации не требуется. В сопроводительном письме нужно указать, что датчики присланы на обмен по льготной цене. Желательно указать условия эксплуатации, чтобы на предприятии можно было проанализировать причины выхода датчика из строя.
Содержание
| Что такое датчик давления?
Чтобы понять, как работает промышленный датчик давления FUTEK, во-первых, необходимо понять физику и материаловедение, лежащие в основе принципа работы датчика давления и пьезорезистивного эффекта , который измеряется тензодатчиком (иногда называемым тензодатчиком ). тензодатчик ). Тензодатчик из металлической фольги — это датчик, электрическое сопротивление которого зависит от приложенной силы. Другими словами, он преобразует силу, давление, растяжение, сжатие, крутящий момент и вес (также известные как датчики веса) в изменение электрического сопротивления, которое затем можно измерить.
Тензодатчики — это электрические проводники, плотно прикрепленные к пленке зигзагообразно. Когда эту пленку натягивают, она вместе с проводниками растягивается и удлиняется. Когда его толкают, он сокращается и становится короче. Это изменение формы вызывает изменение сопротивления в электрических проводниках. На основании этого принципа можно определить прилагаемую к весоизмерительной ячейке деформацию, поскольку сопротивление тензодатчика увеличивается с приложенной деформацией и уменьшается с уменьшением.
Рис. 1. Тензорезистор из металлической фольги.Источник: ScienceDirectКонструктивно датчик давления состоит из металлического корпуса (также называемого изгибом), к которому прикреплены тензодатчики из металлической фольги . Корпус этих датчиков для измерения силы обычно изготавливается из алюминия или нержавеющей стали, что придает датчику две важные характеристики: (1) обеспечивает прочность, чтобы выдерживать высокие нагрузки, и (2) обладает эластичностью, позволяющей минимально деформироваться и возвращаться к своей первоначальной форме, когда сила снимается.
Датчик давления преобразует давление в электрический сигнал.В промышленных датчиках давления FUTEK используется пьезорезистивный эффект, который заключается в тензодатчиках из металлической фольги, установленных на диафрагме. При изменении давления диафрагма меняет форму, вызывая изменение сопротивления в тензодатчиках, что позволяет измерять изменения давления электрически. Наши датчики давления, естественно, вырабатывают электрический сигнал в милливольтах, который изменяется пропорционально нагрузке и напряжению возбуждения датчика (мВ / В — милливольт на вольт). Однако мы предлагаем датчики давления с внутренними аналоговыми усилителями.Датчики давления со встроенными усилителями генерируют сигналы либо с переменным напряжением, то есть ± 10 В, либо с переменным током, то есть 4-20 мА. Однако, если для вашего приложения требуется усилитель с цифровым датчиком давления или USB-датчиком давления, обратитесь к нашим приборам датчиков силы и странице магазина усилителей.
Тензодатчики расположены в так называемой схеме усилителя на мосту Уитстона (см. Анимированную схему ниже). Это означает, что четыре тензодатчика соединены между собой в виде замкнутой цепи, и измерительная сетка измеряемой силы выравнивается соответствующим образом.
Тензометрические мостовые усилители обеспечивают регулируемое напряжение возбуждения и преобразуют выходной сигнал мВ / В в другую форму сигнала, более полезную для пользователя. Сигнал, генерируемый тензометрическим мостом, является сигналом низкой мощности и может не работать с другими компонентами системы, такими как ПЛК, модули сбора данных (DAQ) или компьютеры. Таким образом, функции формирователя сигнала датчика давления включают в себя напряжение возбуждения, фильтрацию или ослабление шума, усиление сигнала и преобразование выходного сигнала.
Кроме того, изменение выходного сигнала усилителя откалибровано так, чтобы быть пропорциональным силе, приложенной к изгибу, которая может быть рассчитана с помощью уравнения цепи датчика давления.
Рис. 2. Цепь датчика измерения давления. Какие типы датчиков давления и методы измерения? Датчики давленияможно классифицировать по типу измеряемого ими давления, а также по технологии измерения давления, с которой работает датчик.
Датчик перепада давления : Дифференциальное давление — это измерение разницы давлений между двумя значениями давления или двумя точками давления в системе , таким образом, измеряется то, насколько эти две точки отличаются друг от друга, а не их величина относительно атмосферного давления. или к другому эталонному давлению, например абсолютному вакууму.Это отличается от датчика статического или абсолютного давления, который будет измерять давление, используя только один порт, и обычно датчики дифференциального давления комплектуются двумя портами, к которым могут быть присоединены трубы и подключены к системе в двух разных точках давления, откуда может возникнуть перепад давления. быть измеренным и рассчитанным.
Этот подход к измерению давления обычно используется для измерения расхода жидкости или газа в трубах или каналах.
Рис. 3: Измерение уровня в резервуаре с помощью датчика измерения перепада давления.Датчик абсолютного или вакуумного давления : Этот датчик измеряет абсолютное давление, , которое определяется как давление, измеренное относительно абсолютного герметичного вакуума . Датчики абсолютного давления используются в приложениях, где требуется постоянное задание . Эти приложения требуют привязки к фиксированному давлению, поскольку их нельзя просто привязать к окружающему давлению окружающей среды. Например, этот метод используется в высокопроизводительных промышленных приложениях, таких как мониторинг вакуумных насосов, измерение давления жидкости, промышленная упаковка, управление производственными процессами, а также аэрокосмический и авиационный контроль.Когда дело доходит до измерения давления воздуха, особенно для таких приложений, как барометрические измерения погоды или высотомеры, предпочтительным устройством является датчик абсолютного давления.
Манометрический или относительный датчик давления: Манометрическое давление — это просто особый случай перепада давления с давлениями, измеряемыми дифференциально, но всегда относительно местного давления окружающей среды . В этом же отношении абсолютное давление также можно рассматривать как дифференциальное давление, когда измеренное давление сравнивается с абсолютным вакуумом.Изменения атмосферного давления из-за погодных условий или высоты непосредственно влияют на выходной сигнал датчика избыточного давления. Манометрическое давление выше, чем давление окружающей среды, называется положительным давлением. Если измеренное давление ниже атмосферного, оно называется отрицательным или вакуумметрическим давлением.
Рис.4: Измерение давления с помощью датчика давления в водяной насосной системе. Типы технологий измерения давления или принципы работыСуществует множество технологий измерения давления или принципов измерения, способных преобразовывать давление в измеримый и стандартизованный электрический сигнал.В этой статье основное внимание будет уделено типам коллекторов силы, которые используют датчик силы (то есть диафрагму) для измерения деформации (или отклонения) из-за приложенной силы по площади (давления).
Резистивный или пьезорезистивный эффект: Резистивные датчики давления используют изменение электрического сопротивления тензодатчика, прикрепленного к диафрагме (также известной как элемент изгиба), который подвергается воздействию среды под давлением.
Тензодатчики часто состоят из металлического резистивного элемента на гибкой основе, прикрепленной к диафрагме (т.е.е. тензорезистор из металлической фольги) или нанесенный непосредственно с использованием тонкопленочных технологий.
Обычно тензодатчики подключаются по схеме моста Уитстона, чтобы максимизировать выходной сигнал датчика и снизить чувствительность к ошибкам. Это наиболее часто используемая сенсорная технология для измерения давления общего назначения, в которой используется тот же принцип, что и у весоизмерительного датчика.
Емкостный: Емкостные датчики давления используют диафрагму, которая отклоняется под действием приложенного давления, чтобы создать переменный конденсатор для определения деформации из-за приложенного давления.При приложении давления внешняя сила сжимает диафрагму, и значение емкости уменьшается. Когда давление сбрасывается, диафрагма возвращается к своей первоначальной форме, и за ней следует емкость. В обычных технологиях используются металлические, керамические и кремниевые диафрагмы. Емкость можно откалибровать для получения точных показаний давления.
Емкостные датчики, которые показывают изменение емкости при отклонении одной пластины под действием приложенного давления, могут быть высокочувствительными и выдерживать большие перегрузки.Однако ограничения на материалы, а также требования к соединению и герметизации могут ограничивать области применения.
Пьезоэлектрический эффект: Пьезоэлектрические датчики давления используют свойство пьезоэлектрических материалов, таких как керамика или металлизированный кварц, генерировать электрический потенциал на поверхности, когда материал подвергается механическому напряжению и создается деформация. Величина заряда пропорциональна приложенной нагрузке, а полярность определяется направлением силы.Электрический потенциал накапливается и быстро рассеивается при изменении давления, что позволяет измерять быстро изменяющиеся динамические давления.
Обратите внимание, что пьезоэлектрический эффект отличается от пьезорезистивного эффекта. Хотя обе терминологии связаны с воздействием давления, прикладываемого к материалам (пьезоэффект происходит от греческого слова, обозначающего физическое давление), пьезорезистивный эффект связан с изменением электрического сопротивления, а пьезоэлектрический эффект связан с производством электрический потенциал (заряд напряжения) в материале.
Датчики давления, какие бывают типы?
Существует огромное количество конструкций датчиков давления, доступных для использования в любом количестве промышленных или лабораторных приложений. К ним, среди прочего, относятся промышленный датчик давления, датчик давления жидкости и датчик микродавления.
Преобразователи давления могут быть разных форм и размеров, но большинство преобразователей имеют центр цилиндрической формы, в котором находится диафрагма и измерительная камера давления, а также порт давления на одном конце, который обычно представляет собой резьбу, болты, зазубрины. установленный или открытый, а на другом конце место для передачи сигнала.
Механические методы измерения давления известны веками. U-образные манометры были одними из первых индикаторов давления. Изначально эти трубки были стеклянными, и при необходимости к ним добавляли весы. Но манометры большие, громоздкие и плохо подходят для интеграции в автоматические контуры управления. Поэтому манометры обычно находятся в лаборатории или используются в качестве местных индикаторов. В зависимости от используемого эталонного давления они могут указывать абсолютное, манометрическое и дифференциальное давление.
Датчики перепада давления часто используются при измерении расхода, когда они предназначены для измерения перепада давления через трубку Вентури, диафрагму или другой тип первичного элемента. Обнаруженный перепад давления связан со скоростью потока и, следовательно, с объемным расходом. Многие особенности современных преобразователей давления заимствованы из преобразователя дифференциального давления. Фактически, можно считать датчик дифференциального давления моделью для всех датчиков давления.
«Манометрическое» давление определяется относительно атмосферных условий. В тех частях мира, где по-прежнему используются английские единицы измерения, манометрическое давление указывается добавлением буквы «g» в дескриптор единиц. Поэтому единица давления «фунты на квадратный дюйм манометра» сокращенно обозначается фунтами на квадратный дюйм. При использовании единиц СИ к используемым единицам уместно добавлять «манометр», например «Па». Когда давление измеряется в абсолютных единицах, эталоном является полный вакуум, а аббревиатура «фунты на квадратный дюйм абсолютных» — фунты на квадратный дюйм.
Часто термины «манометр», «датчик», «преобразователь» и «преобразователь» используются как синонимы. Термин «манометр» обычно относится к автономному индикатору, который преобразует измеренное рабочее давление в механическое движение стрелки. Датчик давления может сочетать в себе чувствительный элемент датчика с механически-электрическим или механико-пневматическим преобразователем и источником питания. Преобразователь давления — это стандартизированный пакет для измерения давления, состоящий из трех основных компонентов: преобразователя давления, его источника питания и формирователя / ретранслятора сигнала, который преобразует сигнал преобразователя в стандартизованный выходной сигнал.Датчики давления
могут передавать интересующие значения давления с помощью аналогового пневматического (3-15 фунтов на кв. Дюйм), аналогового электронного (4-20 мА постоянного тока) или цифрового электронного сигнала. Когда преобразователи напрямую связаны с системами сбора цифровых данных и расположены на некотором расстоянии от оборудования сбора данных, предпочтительны сигналы высокого выходного напряжения. Эти сигналы должны быть защищены как от электромагнитных, так и от радиочастотных помех (EMI / RFI) при перемещении на большие расстояния.
Термины, связанные с характеристиками датчика давления, также требуют определения. Точность преобразователя — это степень соответствия измеренного значения давления принятому стандарту. Обычно он выражается в процентах либо от полной шкалы, либо от фактических показаний прибора. В случае устройств с процентом полной шкалы погрешность увеличивается по мере уменьшения абсолютного значения измерения. Повторяемость означает близкое соответствие между рядом последовательных измерений давления одной и той же переменной.Линейность — это мера того, насколько хорошо выходной сигнал преобразователя линейно увеличивается с увеличением давления. Ошибка гистерезиса описывает явление, при котором одно и то же технологическое давление приводит к различным выходным сигналам в зависимости от того, приближается ли давление к более низкому или более высокому давлению.
От механического к электронному
В первых манометрах в качестве датчиков использовались гибкие элементы. При изменении давления гибкий элемент перемещался, и это движение использовалось для вращения указателя перед циферблатом.В этих механических датчиках давления трубка Бурдона, диафрагма или сильфон измеряли рабочее давление и вызывали соответствующее движение.
Трубка Бурдона имеет С-образную форму и овальное поперечное сечение, причем один конец трубки подсоединен к рабочему давлению (рис. 3-1A). Другой конец опломбирован и подключен к механизму указателя или передатчика. Для увеличения чувствительности элементы трубки Бурдона можно удлинить в виде спиралей или спиральных катушек (рисунки 3-1B и 3-1C). Это увеличивает их эффективную угловую длину и, следовательно, увеличивает перемещение на их конце, что, в свою очередь, увеличивает разрешение преобразователя.
Семейство гибких сенсорных элементов давления также включает сильфон и диафрагмы (Рисунок 3-2). Мембраны популярны, потому что они требуют меньше места и потому, что движения (или силы), которые они создают, достаточно для работы электронных преобразователей. Они также доступны в широком диапазоне материалов для измерения давления в агрессивных средах.
После 1920-х годов были разработаны системы автоматического управления, и к 1950-м годам датчики давления и централизованные диспетчерские стали обычным явлением.Следовательно, свободный конец трубки Бурдона (сильфон или диафрагма) больше не нужно было подключать к местному указателю, а служил для преобразования технологического давления в передаваемый (электрический или пневматический) сигнал. Сначала механическая связь была подключена к пневматическому датчику давления, который обычно генерировал выходной сигнал 3–15 фунтов на кв. Дюйм для передачи на расстояния в несколько сотен футов или даже дальше с помощью ретрансляторов усилителя. Позже, по мере развития твердотельной электроники и увеличения расстояний передачи, датчики давления стали электронными.Ранние разработки генерировали выходы постоянного напряжения (10-50 мВ; 1-5 В; 0-100 мВ), но позже были стандартизированы как выходные сигналы постоянного тока 4-20 мА.
Из-за присущих устройствам механического уравновешивания движения ограничений, сначала были введены уравновешивающие силы, а затем и твердотельные датчики давления. Первые тензометрические датчики на несвязанной проволоке были представлены в конце 1930-х годов. В этом устройстве нить накала прикрепляется к конструкции, находящейся под напряжением, и измеряется сопротивление растянутой проволоки.Эта конструкция изначально была нестабильной и не могла поддерживать калибровку. Также были проблемы с ухудшением связи между проволочной нитью и диафрагмой и с гистерезисом, вызванным термоупругой деформацией в проволоке.
Поиск улучшенного датчика для измерения деформации и давления сначала привел к появлению клееных тонкопленочных и, наконец, диффузионных полупроводниковых тензодатчиков. Впервые они были разработаны для автомобильной промышленности, но вскоре после этого перешли в общую область измерения и передачи давления во всех промышленных и научных приложениях.Полупроводниковые датчики давления чувствительны, недороги, точны и воспроизводимы. (Подробнее о работе тензодатчиков см. В главе 2.)
Многие пневматические датчики давления все еще работают, особенно в нефтехимической промышленности. Но по мере того, как системы управления продолжают становиться все более централизованными и компьютеризированными, эти устройства были заменены аналоговыми электронными, а в последнее время и цифровыми электронными передатчиками.
Типы преобразователей
На рис. 3 представлена общая ориентация для ученого или инженера, который может столкнуться с задачей выбора датчика давления из множества доступных конструкций.В этой таблице показаны диапазоны вакуума и измерения давления, которые могут определять различные типы датчиков, а также используемые типы внутренних эталонов (вакуум или атмосферное давление), если таковые имеются.
Поскольку электронные датчики давления этого типа являются наиболее полезными для промышленных и лабораторных приложений сбора и контроля данных, принципы работы, а также плюсы и минусы каждого из них более подробно рассматриваются в этом разделе.
Технологии в датчиках давления
Вот краткое описание различных типов доступных датчиков давления, включая принципы работы, а также плюсы и минусы каждого из них.Тензодатчик
Датчики давления тензометрического типа широко используются, особенно для измерения давления в узком диапазоне и для измерения дифференциального давления. Эти устройства могут определять манометрическое давление, если порт низкого давления остается открытым для атмосферы, или перепад давления, если он подключен к двум рабочим давлениям. Если сторона низкого давления представляет собой герметичный опорный вакуум, датчик будет действовать как датчик абсолютного давления.
Тензометрические преобразователи доступны для диапазонов давления от 3 дюймов водяного столба до 200 000 фунтов на кв. Дюйм (1400 МПа).Погрешность составляет от 0,1% до 0,25% от полной шкалы. Дополнительными источниками ошибок могут быть дрейф 0,25% полной шкалы за шесть месяцев и влияние температуры 0,25% полной шкалы на 1000 ° F.
Емкостные преобразователи давления
Изначально емкостные преобразователи давления были разработаны для использования в исследованиях низкого вакуума. Изменение емкости происходит из-за движения диафрагменного элемента. В зависимости от типа давления емкостный датчик может быть датчиком абсолютного, манометрического или дифференциального давления.
Емкостные преобразователи давления широко распространены отчасти из-за их широкого диапазона значений — от высокого вакуума в микронном диапазоне до 10 000 фунтов на кв. Дюйм (70 МПа). Можно легко измерить разность давлений до 0,01 дюйма водяного столба. И, по сравнению с тензодатчиками, они не сильно дрейфуют. Доступны более качественные конструкции с точностью до 0,1% от показания или 0,01% от полной шкалы. Типичный температурный эффект составляет 0,25% от полной шкалы на 1000 ° F.
Датчики емкостного типа часто используются в качестве вторичных эталонов, особенно в приложениях с низким дифференциальным и низким абсолютным давлением.Они также довольно чувствительны, потому что расстояние, которое должна физически пройти диафрагма, составляет всего несколько микрон. Новые емкостные преобразователи давления более устойчивы к коррозии и менее чувствительны к паразитной емкости и эффектам вибрации, которые раньше вызывали «дрожание при считывании» в старых конструкциях.
Нержавеющая сталь является наиболее распространенным материалом для диафрагмы, но для работы в коррозионных средах сплавы стали с высоким содержанием никеля, такие как инконель или хастеллой, дают лучшие характеристики. Тантал также используется для высококоррозионных и высокотемпературных применений.В качестве особого случая серебряные диафрагмы могут использоваться для измерения давления хлора, фтора и других галогенов в их элементарном состоянии.
Потенциометрические преобразователи давления
Потенциометрический датчик давления обеспечивает простой способ получения электронного выходного сигнала механического манометра. Устройство состоит из прецизионного потенциометра, рычаг стеклоочистителя которого механически связан с элементом Бурдона или сильфона. Перемещение рычага стеклоочистителя через потенциометр преобразует обнаруженное механически отклонение датчика в измерение сопротивления с использованием схемы моста Уитстона.
Механическая природа рычагов, соединяющих рычаг стеклоочистителя с трубкой Бурдона, сильфоном или диафрагменным элементом, вносит неизбежные ошибки в этот тип измерения. Температурные эффекты вызывают дополнительные ошибки из-за различий в коэффициентах теплового расширения металлических компонентов системы. Ошибки также будут возникать из-за механического износа компонентов и контактов.
Потенциометрические преобразователи можно сделать очень маленькими и устанавливать в очень тесных помещениях, например, внутри корпуса 4.5-дюйм. манометр с круговой шкалой. Они также обеспечивают мощный выходной сигнал, который можно прочитать без дополнительного усиления. Это позволяет использовать их в приложениях с низким энергопотреблением. Также они недорогие. Потенциометрические преобразователи могут определять давление от 5 до 10 000 фунтов на кв. Дюйм (от 35 кПа до 70 МПа). Их точность составляет от 0,5% до 1% от полной шкалы, не включая дрейф и влияние температуры.
Резонансные проволочные преобразователи давления
Датчик давления с резонансной проволокой был представлен в конце 1970-х годов.В этой конструкции провод захватывается статическим элементом на одном конце и чувствительной диафрагмой на другом. Схема генератора заставляет провод колебаться на его резонансной частоте. Изменение технологического давления изменяет натяжение проволоки, что, в свою очередь, изменяет резонансную частоту проволоки. Схема цифрового счетчика обнаруживает сдвиг. Поскольку это изменение частоты может быть обнаружено довольно точно, этот тип преобразователя может использоваться для приложений с низким перепадом давления, а также для определения абсолютного и манометрического давления.
Наиболее значительным преимуществом резонансного проволочного преобразователя давления является то, что он генерирует цифровой сигнал и, следовательно, может быть отправлен непосредственно на стабильные кварцевые часы в микропроцессоре. Ограничения включают чувствительность к изменению температуры, нелинейный выходной сигнал и некоторую чувствительность к ударам и вибрации. Эти ограничения обычно сводятся к минимуму за счет использования микропроцессора для компенсации нелинейностей, а также колебаний температуры окружающей среды и технологического процесса.
Резонансные проволочные преобразователи могут определять абсолютное давление от 10 мм рт. Ст., Перепад давления до 750 дюймов водяного столба и манометрическое давление до 6000 фунтов на кв. Дюйм (42 МПа). Типичная точность составляет 0,1% от калиброванного диапазона, с шестимесячным отклонением 0,1% и температурным эффектом 0,2% на 1000 ° F.
Техническое обучение Техническое обучениеКак работают преобразователи низкого давления
Датчик давления — это измерительное устройство, которое преобразует приложенное давление в электрический сигнал.Обычно датчик давления состоит из двух частей: эластичного материала, который деформируется под действием давления, и электрической части, которая определяет эту деформацию.
Как работают преобразователи низкого давления
В зависимости от диапазона измеряемых давлений эластичный материал может иметь разные формы и размеры, например, трубка Бурдона, поршень, диафрагма и сильфон. Самый распространенный среди них — диафрагма.
К этому эластичному материалу можно прикрепить три различных типа электрических устройств для изготовления датчиков давления.К ним относятся резистивные, емкостные и индуктивные типы.
- В резистивных датчиках давления используются тензодатчики, прикрепленные к деформируемому материалу. Любое изменение деформации вызывает изменение электрического сопротивления каждого тензодатчика, которое может быть измерено мостом Уитстона.
- В датчиках давления емкостного типа изменение давления измеряется изменением емкости между двумя емкостными пластинами. Одна пластина прикреплена к деформируемой стороне эластичного материала, а другая — к негерметичной поверхности.
- В индуктивном датчике давления деформация эластичного материала используется для обеспечения линейного перемещения ферромагнитного сердечника. Это линейное движение будет изменять наведенный переменный ток.
Датчик низкого давления
Среди различных датчиков давления обсуждаемые датчики — манометр Бурдона, пьезорезистивный мембранный датчик и емкостный мембранный датчик — подходят для измерения низкого давления в вакууме. Манометр Бурдона может измерять примерно в диапазоне 0–1000 мбар, в то время как диафрагменные манометры могут измерять в диапазоне 0.1–1000 мбар.
Для очень низкого давления доступны другие типы датчиков, основанные на других принципах. К ним относятся датчик Пирани, термопара и ионизационный датчик.
Первые два метода основаны на скорости потери тепла нагретой нитью накала, помещенной в среду с низким давлением. Эта потеря тепла зависит от количества молекул газа в единице объема.
- Датчик Пирани — Этот датчик рассчитывает температуру нити накала путем измерения сопротивления нити.Измерение сопротивления производится с помощью схемы моста Уитстона. Связь между сопротивлением и приложенным давлением очень нелинейна.
- Термопара — В датчиках давления этого типа к нагретой нити накала прикрепляется термопара для измерения ее температуры. В качестве эталонной температуры в термопаре используется комнатная температура. Выходное напряжение термопары нелинейно зависит от давления газа.
- Ионизационный манометр — очень полезен для измерения очень малых давлений в диапазоне от 10–3 атм до 10–13 атм.Здесь газ, давление которого необходимо измерить, ионизируется с помощью нагретой нити накала. Ток измеряется между двумя электродами в ионизированной области, которая зависит от давления газа, поскольку количество ионов в единице объема зависит от давления газа.
Зависимость тока от давления линейная
Измерение низкого давления используется в таких приложениях, как:
- В области медицины — небулайзеры, спирометры и т. Д.
- В промышленности — управление HVAC, статическое давление в воздуховоде и т. Д.
Растущий интерес к рынку касается материалов внутри датчиков давления:
- Ртуть содержится в некоторых для измерения давления на электрическом выходе. Во многих штатах ртуть является запрещенным веществом, хотя это и не соблюдается, а в некоторых случаях она унаследована от существующего оборудования, которое может использовать ртуть, но запрещает ее использование в новых продуктах.
- Второе вещество — это NaK (натрий-калий), который используется в преобразователе вместо ртути.NaK испускает искру при контакте с воздухом (кислородом). В средах с высокой воспламеняемостью это опасно.
- На рынке появился новый продукт с гораздо более толстой диафрагмой (продлевающий срок службы) и с более длительной гарантией, чем на другие продукты. Он не заполнен и выполняет свою работу за счет электроники.
Мы полагаем, что давление рынка в конечном итоге сделает как ртуть, так и NaK неприемлемыми для клиентов тех, кто производит продукцию с оборудованием, использующим эти датчики.
Позвоните нам по телефону 800-844-8405 для получения дополнительной информации о датчиках давления.
Электрические элементы давления | Введение в непрерывное измерение давления
Существует несколько различных технологий преобразования давления жидкости в электрический сигнал. Эти технологии составляют основу электронных преобразователей давления : устройств, предназначенных для измерения давления жидкости и передачи этой информации посредством электрических сигналов, таких как аналоговый стандарт 4–20 мА, или в цифровой форме, например HART или FOUNDATION Fieldbus.
Краткий обзор электронных датчиков давления, используемых в настоящее время, показывает разнообразное представление электрических датчиков давления:
| Производитель | Модель | Датчик давления | |||
|---|---|---|---|---|---|
| % ABB / Bailey | 2600 т | Дифференциальное сопротивление (?) | ABB / Bailey | PTSD | Дифференциальное сопротивление |
| ABB / Bailey | ПЦП | Пьезорезистивный (тензодатчик) | |||
| Foxboro | IDP10 | Пьезорезистивный (тензодатчик) | |||
| Honeywell | ST3000 | Пьезорезистивный (тензодатчик) | |||
| Rosemount | 1151 | Дифференциальная емкость | |||
| Rosemount | 3051 | Дифференциальная емкость | |||
| Rosemount | 3095 | Дифференциальная емкость | |||
| Иокогава | Серия EJX | Механический резонанс |
Пьезорезистивные датчики (тензодатчики)
Пьезорезистивный означает «чувствительное к давлению сопротивление» или сопротивление, значение которого изменяется в зависимости от приложенного давления.Тензодатчик — классический пример пьезорезистивного элемента, типичный тензодатчик, показанный здесь на кончике моего пальца:
Для практического применения тензодатчик должен быть приклеен (, ) к большему образцу, способному выдерживать приложенную силу (напряжение):
По мере того как образец для испытаний растягивается или сжимается под действием силы, проводники тензодатчика деформируются аналогичным образом. Электрическое сопротивление любого проводника пропорционально отношению длины к площади поперечного сечения (\ (R \ propto {l \ over A} \)), что означает, что деформация при растяжении (растяжение) увеличивает электрическое сопротивление за счет одновременного увеличения длины и уменьшение площади поперечного сечения при деформации сжатия (сплющивание) приведет к уменьшению электрического сопротивления за счет одновременного уменьшения длины и увеличения площади поперечного сечения.
При прикреплении тензодатчика к диафрагме получается устройство, которое изменяет сопротивление в зависимости от приложенного давления. Давление заставляет диафрагму деформироваться, что, в свою очередь, вызывает изменение сопротивления тензодатчика. Измеряя это изменение сопротивления, мы можем сделать вывод о величине давления, приложенного к диафрагме.
Классическая система тензодатчиков, представленная на предыдущем рисунке, изготовлена из металла (как образец для испытаний, так и сам тензодатчик). В пределах своей упругости многие металлы обладают хорошими пружинными характеристиками.Металлы, однако, подвержены усталости при повторяющихся циклах деформации (растяжения и сжатия), и они начнут «течь», если будут деформированы за пределами их предела упругости. Это частый источник ошибок в металлических пьезорезистивных приборах для измерения давления: при избыточном давлении они имеют тенденцию терять точность из-за повреждения пружины и элементов тензодатчика.
Современные технологии производства сделали возможным создание тензодатчиков из кремния вместо металла. Кремний демонстрирует очень линейные пружинные характеристики в узком диапазоне движения и высокую устойчивость к усталости.Когда кремниевый тензодатчик перенапрягается, он полностью выходит из строя, а не «течет», как в случае с металлическими тензодатчиками. Обычно это считается лучшим результатом, поскольку он четко указывает на необходимость замены датчика (тогда как металлический датчик деформации может создавать ложное впечатление о продолжении работы после события перенапряжения).
Таким образом, большинство современных пьезорезистивных приборов для измерения давления используют кремниевые тензометрические элементы для определения деформации диафрагмы из-за приложенного давления жидкости.Здесь показано упрощенное изображение датчика давления с диафрагмой / тензометрическим датчиком:
По мере того как диафрагма изгибается наружу под действием приложенного давления жидкости, тензодатчик растягивается на большую длину, вызывая увеличение его сопротивления. Это изменение сопротивления приводит к дисбалансу мостовой схемы, вызывая напряжение (\ (V_ {out} \)), пропорциональное величине приложенного давления. Таким образом, тензодатчик работает для преобразования приложенного давления в измеряемый сигнал напряжения, который может быть усилен и преобразован в токовый сигнал контура 4-20 мА (или в цифровой сигнал «полевой шины»).
В некоторых конструкциях одиночная силиконовая пластина служит и диафрагмой, и тензодатчиком, чтобы в полной мере использовать превосходные механические свойства кремния (высокая линейность и низкая усталость). Однако кремний химически несовместим со многими технологическими жидкостями, поэтому давление должно передаваться на кремниевую диафрагму / датчик через нереактивную заполняющую жидкость (обычно жидкость на основе силикона или фторуглерода). Металлическая изолирующая диафрагма передает давление технологической жидкости заполняющей жидкости, которая, в свою очередь, передает давление на кремниевую пластину.На другой упрощенной иллюстрации показано, как это работает:
Изолирующая диафрагма спроектирована так, чтобы быть более гибкой (менее жесткой), чем силиконовая диафрагма, потому что ее цель — беспрепятственно передавать давление жидкости от технологической жидкости к заполняющей жидкости, а не действовать как пружинный элемент. Таким образом, кремниевый датчик испытывает такое же давление, как если бы он находился в непосредственном контакте с технологической текучей средой, без необходимости контакта с технологической текучей средой. Гибкость металлической изолирующей диафрагмы также означает, что она испытывает гораздо меньшие нагрузки, чем силиконовая чувствительная диафрагма, что позволяет избежать проблем, связанных с усталостью металла, которые возникают в конструкциях передатчиков, использующих металл в качестве чувствительного (пружинного) элемента.
Это использование заполняющей жидкости для передачи давления от изолирующей диафрагмы к чувствительной диафрагме внутри преобразователя используется в большинстве, если не во всех современных конструкциях преобразователей давления, даже в тех, которые не являются пьезорезистивными.
Примером прибора для измерения давления, использующего кремниевый тензометрический элемент, является датчик перепада давления IDP10 Foxboro модели, показанный на следующей фотографии:
Датчики дифференциальной емкости
Другой распространенный электрический датчик давления работает по принципу дифференциальной емкости .В этой конструкции чувствительный элемент представляет собой тугую металлическую диафрагму, расположенную на равном расстоянии между двумя неподвижными металлическими поверхностями, состоящую из трех пластин для дополнительной пары конденсаторов. Электроизолирующая заполняющая жидкость (обычно жидкий силиконовый компаунд) передает движение от изолирующей диафрагмы к чувствительной диафрагме, а также служит эффективным диэлектриком для двух конденсаторов:
Любая разница давлений в ячейке заставляет диафрагму изгибаться в направлении наименьшего давления.Чувствительная диафрагма представляет собой пружинный элемент прецизионного изготовления, а это означает, что ее перемещение является предсказуемой функцией приложенной силы. Приложенная сила в этом случае может быть только функцией перепада давления, действующего на площадь поверхности диафрагмы в соответствии со стандартным уравнением сила-давление-площадь \ (F = PA \). В этом случае у нас есть две силы, вызванные двумя давлениями жидкости, работающими друг против друга, поэтому наше уравнение сила-давление-площадь можно переписать, чтобы описать результирующую силу как функцию перепада давления (\ (P_1 — P_2 \ )) и площадь диафрагмы: \ (F = (P_1 — P_2) A \).Поскольку площадь диафрагмы постоянна, а сила предсказуемо связана со смещением диафрагмы, все, что нам сейчас нужно, чтобы вывести дифференциальное давление, — это точно измерить смещение диафрагмы.
Вторичная функция диафрагмы как одной пластины из двух конденсаторов обеспечивает удобный метод измерения смещения. Поскольку емкость между проводниками обратно пропорциональна расстоянию, разделяющему их, емкость на стороне низкого давления увеличится, а емкость на стороне высокого давления уменьшится:
Схема емкостного детектора, подключенная к этой ячейке, использует высокочастотный сигнал возбуждения переменного тока для измерения разницы в емкости между двумя половинами, преобразуя это в сигнал постоянного тока, который в конечном итоге становится сигналом, выводимым прибором, представляющим давление.
Эти датчики давления отличаются высокой точностью, стабильностью и прочностью. Интересная особенность этой конструкции — использование двух изолирующих диафрагм для передачи давления технологической жидкости на одну чувствительную диафрагму через внутреннюю «заполняющую жидкость» — это то, что твердая рама ограничивает движение двух изолирующих диафрагм так, что ни одна из них не может заставить чувствительная диафрагма превышает предел упругости. Как показано на рисунке, изолирующая диафрагма с более высоким давлением подталкивается к металлической раме, передавая свое движение чувствительной диафрагме через заполняющую жидкость.Если к этой стороне приложить слишком большое давление, изолирующая диафрагма просто «сплющится» о твердый каркас капсулы и перестанет двигаться. Это положительно ограничивает движение изолирующей диафрагмы, так что она не может больше воздействовать на чувствительную диафрагму, даже если приложено дополнительное давление технологической жидкости. Такое использование изолирующих диафрагм и заполняющей жидкости для передачи движения чувствительной диафрагме, применяемой также в других типах датчиков перепада давления, дает современным приборам дифференциального давления превосходную устойчивость к повреждениям из-за избыточного давления.
Следует отметить, что использование жидкой заполняющей жидкости является ключом к этой конструкции, устойчивой к избыточному давлению. Чтобы чувствительная диафрагма точно преобразовывала приложенное давление в пропорциональную емкость, она не должна контактировать с окружающим ее проводящим металлическим каркасом. Однако для того, чтобы какая-либо мембрана была защищена от избыточного давления, она должна контактировать с твердым упором обратного хода, чтобы ограничить дальнейший ход. Таким образом, необходимость в бесконтактном (емкостном) и контакте (защита от избыточного давления) исключают друг друга, что делает практически невозможным выполнение обеих функций с помощью одной чувствительной диафрагмы.Использование заполняющей жидкости для передачи давления от изолирующей диафрагмы к чувствительной диафрагме позволяет нам отделить функцию емкостного измерения (чувствительная диафрагма) от функции защиты от избыточного давления (изолирующие диафрагмы), так что каждая диафрагма может быть оптимизирована для отдельной цели.
Классическим примером прибора для измерения давления, основанного на датчике дифференциальной емкости, является датчик дифференциального давления Rosemount модели 1151, показанный в собранном виде на следующей фотографии:
Открутив четыре болта из преобразователя, мы можем снять два фланца с капсулы давления, открывая изолирующие диафрагмы для общего обзора:
На фотографии крупным планом показана конструкция одной из изолирующих диафрагм, которая, в отличие от чувствительной диафрагмы, спроектирована как очень гибкая.Концентрические гофры в металле диафрагмы позволяют ей легко изгибаться под действием приложенного давления, передавая давление технологической жидкости через силиконовую заполняющую жидкость на тугую чувствительную диафрагму внутри ячейки дифференциальной емкости:
Внутри того же дифференциального емкостного датчика (обнаруженного путем разрезания датчика Rosemount модели 1151 пополам с помощью отрезной пилы) показаны изолирующие диафрагмы, чувствительная диафрагма и порты, соединяющие их вместе:
Здесь левая изолирующая диафрагма лучше видна, чем правая изолирующая диафрагма.На этой фотографии отчетливо виден небольшой зазор между левой изолирующей диафрагмой и внутренней металлической рамой по сравнению с просторной камерой, в которой находится чувствительная диафрагма. Напомним, что эти внутренние пространства обычно заняты заполняющей жидкостью , предназначенной для передачи давления от изолирующей диафрагмы на чувствительную диафрагму. Как упоминалось ранее, твердая металлическая рама ограничивает ход каждой изолирующей диафрагмы таким образом, что изолирующая диафрагма с более высоким давлением «опускается» на металлический каркас до того, как чувствительная диафрагма сможет выйти за пределы своего предела упругости.Таким образом, чувствительная диафрагма защищена от повреждения из-за избыточного давления, поскольку изолирующие диафрагмы просто не могут двигаться дальше.
Датчик дифференциальной емкости измеряет разностей давления, приложенного между двумя его сторонами. В соответствии с этой функциональностью, этот прибор для измерения давления имеет два порта с резьбой, в которые может подаваться давление жидкости. В следующем разделе этой главы будет подробно рассказано об использовании датчиков дифференциального давления (раздел 19.5 начало на странице). Вся электронная схема, необходимая для преобразования дифференциальной емкости датчика в электронный сигнал, представляющий давление, размещена в синей структуре над капсулой и фланцами.
Более современной реализацией принципа измерения дифференциального емкостного давления является датчик перепада давления Rosemount модели 3051:
Как и все устройства дифференциального давления, этот прибор имеет два порта , через которые давление жидкости может подаваться на датчик.Датчик, в свою очередь, реагирует только на разницу давления между портами.
Конструкция дифференциального емкостного датчика в этом конкретном приборе давления более сложна, поскольку плоскость чувствительной диафрагмы перпендикулярна плоскости двух изолирующих диафрагм. Эта «компланарная» конструкция более компактна, чем датчик старого типа, и, что более важно, она изолирует чувствительную диафрагму от напряжения болта фланца — одного из основных источников ошибок в предыдущей конструкции.
Обратите особое внимание на то, что узел датчика не встроен в прочный металлический каркас, как это было в случае с оригинальной конструкцией Rosemount. Вместо этого датчик в сборе относительно изолирован от корпуса и соединен только двумя капиллярными трубками, соединяющими его с изолирующими диафрагмами. Таким образом, напряжения внутри металлического каркаса, создаваемые фланцевыми болтами, практически не влияют на датчик.
Вырезанная модель преобразователя DP Rosemount модели 3051S («супермодуль») показывает, как все это выглядит в реальной жизни:
Давление технологической жидкости, приложенное к изолирующей диафрагме (ам), передается для заполнения жидкостью внутри капиллярных трубок, передавая давление на туго натянутую диафрагму внутри дифференциального емкостного датчика.Как и в классической конструкции Rosemount модели 1151, мы видим, что заполняющая жидкость выполняет несколько функций:
- Наполняющая жидкость защищает чувствительную чувствительную мембрану от контакта с нечистыми или агрессивными технологическими жидкостями
- Наполняющая жидкость позволяет изолирующим мембранам обеспечивать защиту чувствительной мембраны от избыточного давления.
- Наполняющая жидкость обеспечивает среду с постоянной диэлектрической проницаемостью для функционирования цепи дифференциальной емкости
Преобразователи давления Rosemount серии «супермодуль» имеют ту же компланарную конструкцию, что и более ранние модели 3051, но добавляют новую конструктивную особенность: электронику в модуле из нержавеющей стали, а не в окрашенном в синий цвет верхнем корпусе.Эта функция позволяет значительно уменьшить размер передатчика, если это необходимо для приложений с ограниченным пространством.
Датчики с резонансным элементом
Как вам скажет любой гитарист, скрипач или другой музыкант, играющий на струнных инструментах, собственная частота натянутой струны увеличивается с натяжением. Фактически, именно так настраиваются струнные инструменты: натяжение каждой струны точно регулируется для достижения желаемой резонансной частоты.
Математически резонансная частота струны может быть описана следующей формулой:
\ [f = {1 \ over 2L} \ sqrt {F_T \ over \ mu} \]
Где,
\ (f \) = Основная резонансная частота струны (Герцы)
\ (L \) = Длина струны (метры)
\ (F_T \) = Натяжение струны (ньютоны)
\ (\ mu \) = Удельная масса струны (килограммы на метр)
Таким образом, очевидно, что струна может служить датчиком силы.Все, что необходимо для завершения работы датчика, — это схема генератора, чтобы поддерживать колебание струны на ее резонансной частоте, и эта частота становится индикатором натяжения (силы). Если сила возникает из-за давления, приложенного к какому-либо чувствительному элементу, например, сильфону или диафрагме, резонансная частота колонны будет указывать на давление жидкости. Пробное устройство, основанное на этом принципе, может выглядеть так:
Следует отметить, что этот принцип измерения силы является нелинейным, на что указывает уравнение для резонансной частоты (сила натяжения \ (F \) находится внутри подкоренного выражения).Это означает, что датчик давления должен быть спроектирован с функцией электронной характеристики, чтобы «линеаризовать» измерение частоты в измерение давления.
Компания Foxboro впервые применила эту концепцию в конструкции датчика давления с резонансным проводом . Позже японская корпорация Yokogawa применила эту концепцию, используя пару структур кремниевого резонатора, подвергнутых микротехнической обработке, связанных с одной чувствительной диафрагмой, что стало основой для их успешной линейки датчиков давления DPharp.
Фотография датчика давления Yokogawa модели EJA110 с этой технологией представлена здесь:
Технологическое давление поступает через порты на двух фланцах, прижимается к паре изолирующих диафрагм, передавая движение одной чувствительной диафрагме через заполняющую жидкость, где резонансные элементы изменяют частоту в зависимости от деформации диафрагмы. Движение чувствительной диафрагмы в любом направлении напрягает один резонансный элемент и сжимает другой, заставляя их частоты отклоняться друг от друга.Электронные схемы в верхнем корпусе измеряют частоты двух резонансных элементов и генерируют выходной сигнал, пропорциональный их разности частот. Это, конечно, представление приложенного перепада давления.
Даже в разобранном виде преобразователь не сильно отличается от более распространенной конструкции датчика дифференциальной емкости.
Важные конструктивные отличия скрыты от глаз внутри чувствительной капсулы. Однако функционально этот передатчик почти такой же, как и его собратья по дифференциальной емкости и пьезорезистивности.В этой конструкции даже используется заполняющая жидкость для защиты тонких кремниевых резонаторов от потенциально разрушительных технологических жидкостей, как и в датчиках дифференциальной емкости и в большинстве конструкций пьезорезистивных датчиков.
Интересным преимуществом датчика давления с резонансным элементом является то, что сигнал датчика легко оцифровывается. Вибрация каждого резонансного элемента воспринимается электронным блоком как частота переменного тока. Этот частотный сигнал «подсчитывается» схемой цифрового счетчика в течение заданного промежутка времени и преобразуется в двоичное цифровое представление без необходимости использования схемы аналого-цифрового преобразователя (АЦП).Электронные генераторы на кварцевом кристалле чрезвычайно точны, обеспечивая стабильную опорную частоту, необходимую для сравнения в любом частотном приборе.
В конструкции Yokogawa «DPharp» два резонансных элемента колеблются с номинальной частотой примерно 90 кГц. Поскольку чувствительная диафрагма деформируется под действием приложенного перепада давления, один резонатор испытывает растяжение, а другой — сжатие, в результате чего частота первого смещается вверх, а второго — вниз (до \ (\ pm \) 20 кГц).Электроника формирования сигнала внутри преобразователя измеряет эту разницу в частоте резонатора для определения приложенного давления.
Механические приспособления
Большинство современных электронных датчиков давления преобразуют очень небольшие движения диафрагмы в электрические сигналы за счет использования чувствительных методов определения движения (тензометрические датчики, ячейки дифференциальной емкости и т. Д.). Мембраны, изготовленные из эластичных материалов, ведут себя как пружины, но круглые диафрагмы демонстрируют очень нелинейное поведение при значительном растяжении, в отличие от классических конструкций пружин, таких как винтовые и пластинчатые пружины, которые демонстрируют линейное поведение в широком диапазоне движения.Следовательно, чтобы обеспечить линейный отклик на давление, датчик давления на основе диафрагмы должен быть сконструирован таким образом, чтобы диафрагма очень мало растягивалась в нормальном рабочем диапазоне. Ограничение смещения диафрагмы требует высокочувствительных методов обнаружения движения, таких как тензометрические датчики, ячейки дифференциальной емкости и датчики механического резонанса, чтобы преобразовать очень незначительное движение этой диафрагмы в электронный сигнал.
Альтернативный подход к электронному измерению давления заключается в использовании механических чувствительных к давлению элементов с более линейными характеристиками смещения давления, таких как трубки Бурдона и подпружиненный сильфон, а затем обнаружение крупномасштабного движения элемента давления с использованием менее сложное электрическое устройство обнаружения движения, такое как потенциометр, LVDT или датчик Холла.Другими словами, мы берем механизм, обычно встречающийся в манометрах с прямым считыванием показаний, и присоединяем его к потенциометру (или подобному устройству), чтобы получить электрический сигнал от измерения давления.
На следующих фотографиях показаны виды спереди и сзади электронного преобразователя давления, использующего большую С-образную трубку Бурдона в качестве чувствительного элемента (на левой фотографии):
Этот альтернативный подход, несомненно, проще и дешевле в производстве, чем более сложные подходы, используемые с диафрагменными приборами для измерения давления, но он склонен к большим неточностям.Даже трубки Бурдона и сильфон не являются идеально линейными пружинными элементами, и существенные движения, связанные с использованием таких нажимных элементов, создают возможность ошибок гистерезиса (когда инструмент не реагирует точно во время реверсирования давления, когда механизм меняет направление движения) из-за к трению в механизме и ошибкам зоны нечувствительности из-за люфта (люфта) в механических соединениях.
Вы, вероятно, столкнетесь с подобной конструкцией прибора давления в манометрах с прямым считыванием показаний, оборудованных возможностью передачи электронных сигналов.Производитель приборов возьмет проверенную линейку манометров и добавит к ней устройство измерения движения, которое генерирует электрический сигнал, пропорциональный механическому движению внутри манометра, в результате чего получится недорогой датчик давления, который может использоваться как датчик давления прямого считывания. измерять.
Принцип действия электронных датчиков давления| Контрольно-измерительные инструменты
Электронные датчики / датчики давления ПринципБольшинство электронных датчиков давления включают в себя различные элементы, такие как первичный датчик давления, и он используется для изменения измеряемой электрической величины для создания пропорционально изменяемого электронного сигнала.
Поскольку форма энергии передается от механической к электрической природе, эти устройства часто классифицируются как преобразователи.
Как правило, электрические датчики давления более точны и имеют гораздо меньшее время отклика. Отчасти это связано с точностью их электронной схемы, а отчасти с чрезвычайно малым перемещением, которое требуется упругим элементам для получения необходимого электрического изменения.
Уменьшенный ход почти исключает дрейф, трение и гистерезис, характерные для сильфонов, диафрагм и элементов Бурдона, которые требуют относительно больших перемещений..
Емкостной датчик давления
Емкостной датчик давления работает по принципу, согласно которому, если чувствительная диафрагма между двумя пластинами конденсатора деформируется из-за перепада давления, между ним и двумя пластинами возникает дисбаланс емкости.
Этот дисбаланс обнаруживается в цепи емкостного моста и преобразуется в выходной ток постоянного тока от 4 до 20 мА.
Это показано на рисунке, где движение гибкой диафрагмы относительно неподвижной пластины определяется изменением емкости.Вторичная изолирующая диафрагма используется для защиты чувствительной диафрагмы.
В конденсаторах другого типа используются полые концентрические металлические цилиндры. Емкость этого типа, как и у плоской пластины, пропорциональна площади.
Этот принцип можно применить к измерению перепада давления, как показано на рисунке. Давление, действующее на изолирующие диафрагмы, создает аналогичные давления в силиконовом масле, заполняющем пространство между ними.
Чистая сила, пропорциональная разнице между двумя давлениями, действует на металлическую чувствительную диафрагму и отклоняет ее в одну или другую сторону, в зависимости от того, какое входное давление больше.
Каждая пластина образует конденсатор с чувствительной диафрагмой, которая электрически соединена с преобразователем в металлическом корпусе.
Чувствительная диафрагма и конденсатор, таким образом, образуют дифференциальный разделительный конденсатор переменной емкости. Когда два входных давления равны, диафрагма расположена по центру и емкости равны.
Разница в двух входных давлениях вызывает смещение чувствительной диафрагмы и воспринимается как разница между двумя емкостями.
Тензометрический датчик давления
Деформация определяется как деформация или изменение формы материала в результате приложенных сил.
Тензодатчик — это устройство, которое использует изменение электрического сопротивления провода при деформации для измерения давления.
Тензодатчик преобразует механическое движение в электрический сигнал, когда длина провода изменяется за счет растяжения или сжатия, изменяя диаметр провода и, следовательно, изменяя электрическое сопротивление.
Изменение сопротивления — это мера давления, вызывающего механическую деформацию. Это измеряется мостовой схемой Уитстона, предпочтительно с нулевым балансом, так что тензодатчик не пропускает ток.
Измерительное устройство в сборе включает в себя чувствительный элемент (трубку Бурдона, сильфон или диафрагму), тензодатчик, прикрепленный к элементу, стабильный источник питания и считывающее устройство.
Элемент тензодатчика и типовой преобразователь показаны на рисунке ниже
Пьезоэлектрический датчик давления
Пьезоэлектричество определяется как создание электрического потенциала из-за давления на определенные кристаллические вещества, такие как кварц, соль Рошеля, турмалин, титанат бария, дегидрофосфат аммония и другие керамические кристаллы.
Этот пьезоэлектрический эффект используется для измерения давления, силы или ускорения. Основной интерес здесь заключается в его использовании в качестве датчика давления.
Кварц — наиболее часто используемый кристалл, создающий пьезоэлектрический эффект. Были разработаны синтетические кристаллы, которые производят такой же эффект и обычно имеют более высокую чувствительность, чем природные кристаллы.
Природа пьезоэлектрического устройства заключается в создании электрического потенциала при его деформации или напряжении.В статическом состоянии его потенциал падает, что приводит к ошибке.
Эта характеристика несколько ограничивает его использование. В качестве устройства давления он наиболее полезен там, где часто происходят колебания давления.
Он особенно подходит для измерения переходных процессов давления в баллистике, в двигателях внутреннего сгорания или в реакционных процессах, где давление изменяется быстро.
Основными преимуществами пьезоэлектрических устройств являются линейная зависимость между изменением давления и выходным напряжением и их высокочастотная характеристика (до 106 Гц для кварца).
Неоспоримым преимуществом пьезоэлектрического устройства является его чувствительность к колебаниям температуры. Воспроизводимые результаты не достигаются, если температуры не поддерживаются в жестких пределах.
Кредиты: N Asyiddin
3.3: Датчики давления — Engineering LibreTexts
Существует множество различных датчиков давления, из которых можно выбрать, чтобы выбрать наиболее подходящий для данного процесса, но обычно их можно разделить на несколько категорий, а именно датчики упругости, электрические преобразователи, дифференциальное давление. ячейки и датчики вакуумного давления.Под каждой общей категорией перечислены конкретные внутренние компоненты, каждый из которых лучше всего работает в определенной ситуации.
Датчики эластичности
Большинство датчиков давления жидкости относятся к эластичному типу, когда жидкость заключена в небольшой отсек, по крайней мере, с одной упругой стенкой. Таким образом, показание давления определяется путем измерения прогиба этой упругой стенки, что приводит либо к прямому считыванию через подходящие связи, либо к преобразованному электрическому сигналу. Датчики упругого давления чувствительны; Однако они обычно хрупкие и подвержены вибрации.Кроме того, они, как правило, намного дороже манометров и поэтому предпочтительно используются для передачи измеренных данных и измерения перепадов давления. Предположительно, для датчиков упругого давления можно использовать самые разные гибкие элементы; в большинстве устройств используются трубки Бурдона, сильфоны или диафрагмы в той или иной форме.
Манометры с трубкой Бурдона
Принцип, лежащий в основе всех трубок Бурдона, заключается в том, что увеличение давления внутри трубки по сравнению с внешним давлением заставляет овальное или плоское поперечное сечение трубки стремиться к достижению круглой формы.Это явление приводит к тому, что трубка либо выпрямляется в случае c-образного или спирального корпусов, либо разматывается для витых и спиральных вариантов. Затем это изменение можно измерить с помощью аналогового или цифрового измерителя, подключенного к трубке. Материал труб может быть изменен в соответствии с необходимыми условиями процесса. Трубки Бурдона могут работать в диапазоне давлений от 0,1 до 700 МПа. Они также портативны и не требуют особого обслуживания; однако они могут использоваться только для статических измерений и имеют низкую точность.
Типы трубок Бурдона включают C-образные, спиральные (более спиральные трубки C-типа), спиральные и прямые трубки Бурдона. Манометры C-типа могут использоваться при давлениях, приближающихся к 700 МПа; у них есть минимальный рекомендуемый диапазон давления — 30 кПа (т.е. он недостаточно чувствителен для перепада давления менее 30 кПа).
Сильфон
Сильфонные элементы имеют цилиндрическую форму и содержат множество складок. Они деформируются в осевом направлении (сжатие или расширение) при изменении давления.Давление, которое необходимо измерить, прикладывается к одной стороне сильфона (внутри или снаружи), в то время как атмосферное давление находится на противоположной стороне. Абсолютное давление можно измерить, откачав воздух из внешнего или внутреннего пространства сильфона, а затем измерив давление на противоположной стороне. Сильфоны могут быть подключены только к двухпозиционному переключателю или потенциометру и используются при низких давлениях, <0,2 МПа, с чувствительностью 0,0012 МПа.
Мембраны
Элементы диафрагмы изготовлены из круглых металлических дисков или гибких элементов, таких как резина, пластик или кожа.Материал, из которого изготовлена диафрагма, зависит от того, использует ли он эластичность материала или ему противостоит другой элемент (например, пружина). Мембраны, изготовленные из металлических дисков, обладают упругими характеристиками, в то время как диафрагмы из гибких элементов противопоставляются другому упругому элементу. Эти мембранные датчики очень чувствительны к быстрым изменениям давления. Металлический тип может измерять максимальное давление примерно 7 МПа, в то время как эластичный тип используется для измерения чрезвычайно низкого давления (.1 кПа — 2,2 МПа) при подключении к емкостным преобразователям или датчикам дифференциального давления. Примеры диафрагм включают плоские, гофрированные и капсульные диафрагмы. Как отмечалось ранее, диафрагмы очень чувствительны (0,01 МПа). Они могут измерять дробные перепады давления в очень незначительном диапазоне (скажем, в дюймах водяного столба) (эластичный тип) или больших перепадах давления (приближаясь к максимальному диапазону 207 кПа) (металлический тип).
Мембранные элементы очень универсальны — они обычно используются в очень агрессивных средах или в условиях экстремального избыточного давления.
Здесь показаны примеры этих датчиков давления с упругим элементом.
Электрические датчики
Сегодня датчикине обязательно подключаются только к стрелке стрелочного указателя манометра для индикации давления, но могут также служить для преобразования технологического давления в электрический или пневматический сигнал, который может передаваться в диспетчерскую, из которой определяется показание давления. Электрические датчики берут заданную механику упругого датчика и включают в себя электрический компонент, тем самым повышая чувствительность и увеличивая количество случаев, в которых вы могли бы использовать датчик.Типы датчиков давления: емкостные, индуктивные, реактивные, пьезоэлектрические, тензометрические, вибрационные и потенциометрические.
емкостный
Емкостной датчик состоит из конденсаторов с параллельными обкладками, соединенных с диафрагмой, которая обычно металлическая и подвергается действию технологического давления с одной стороны и эталонного давления с другой. Электроды прикреплены к диафрагме и заряжаются высокочастотным генератором. Электроды воспринимают любое движение диафрагмы, и это изменяет емкость.Изменение емкости обнаруживается подключенной схемой, которая затем выводит напряжение в соответствии с изменением давления. Датчик этого типа может работать в диапазоне 2,5–70 МПа с чувствительностью 0,07 МПа.
Пример емкостного датчика давления показан справа.
Индуктивный
Индуктивные датчики давления соединяются с диафрагмой или трубкой Бурдона. К упругому элементу прикреплен ферромагнитный сердечник, имеющий первичную и 2 вторичные обмотки.В первичную обмотку подается ток. Когда сердечник отцентрирован, на две вторичные обмотки будет наведено одинаковое напряжение. Когда сердечник движется с изменением давления, соотношение напряжений между двумя вторичными обмотками изменяется. Разница между напряжениями пропорциональна изменению давления.
Пример индуктивного датчика давления с диафрагмой показан ниже. Для этого типа датчика давления камера 1 используется в качестве эталонной камеры с эталонным давлением P 1 , поступающим в камеру, и катушкой, заряжаемой эталонным током.Когда давление в другой камере изменяется, диагфрагма перемещается и индуцирует ток в другой катушке, который измеряется и дает меру изменения давления.
Их можно использовать с любым эластичным элементом (хотя обычно он соединяется с диафрагмой или трубкой Бурдона). Полученное значение давления будет определяться калибровкой напряжения. Таким образом, диапазон давления, в котором может использоваться этот датчик, определяется соответствующим упругим элементом, но находится в диапазоне от 250 Па до 70 МПа.
Относительный
Датчики относительного давления также заряжают ферромагнитный сердечник. При изменении давления гибкий элемент перемещает ферромагнитную пластину, что приводит к изменению магнитного потока контура, который можно измерить. Ситуация, в которой можно было бы использовать отражающий электрический элемент, — это ситуация, в которой индуктивный датчик не производит достаточно точных измерений. Диапазон давления 250 Па — 70 МПа с чувствительностью 0,35 МПа.
Пример реактивного датчика давления можно увидеть справа.
Пьезоэлектрический
В пьезоэлектрических датчиках используется кварцевый датчик. Когда к кристаллу прикладывают давление, он деформируется и создается небольшой электрический заряд. Измерение электрического заряда соответствует изменению давления. Этот тип датчика имеет очень быстрое время отклика на постоянные изменения давления. Подобно реактивному электрическому элементу, пьезоэлектрический элемент очень чувствителен, но реагирует намного быстрее. Таким образом, если время имеет существенное значение, был бы желателен пьезоэлектрический датчик.Диапазон давления 0,021 — 100 МПа с чувствительностью 0,1 МПа.
Справа — пример пьезоэлектрического датчика давления.
Потенциометрический
Потенциометрические датчики имеют рычаг, механически прикрепленный к упругому элементу измерения давления. При изменении давления упругий элемент деформируется, в результате чего рычаг перемещается назад или вперед через потенциометр, и выполняется измерение сопротивления. Эти чувствительные элементы действительно обладают оптимальным рабочим диапазоном, но, по-видимому, их разрешение ограничено многими факторами.Таким образом, это датчики низкого уровня, которые мало используются. Обладая низкой чувствительностью и рабочим диапазоном, они могут лучше всего подходить в качестве дешевого детектора для оценки грубого процесса. Диапазон давления составляет 0,035–70 МПа с чувствительностью 0,07–0,35 МПа.
Пример потенциометрического датчика давления показан справа.
Тензодатчик
Тензодатчик обнаруживает изменения давления, измеряя изменение сопротивления цепи моста Уитстона.Как правило, эта схема используется для определения неизвестного электрического сопротивления путем уравновешивания двух секций мостовой схемы таким образом, чтобы соотношение сопротивлений в одной секции () было таким же, как и в другой секции (), что приводило к нулевому показанию в гальванометр в центральной ветви. Одна из секций содержит неизвестный компонент, сопротивление которого необходимо определить, а другая секция содержит резистор с известным сопротивлением, которое можно изменять. Схема моста Уитстона показана ниже:
Тензодатчик размещает датчики на каждом из резисторов и измеряет изменение сопротивления каждого отдельного резистора из-за изменения давления.Сопротивление определяется уравнением, где ρ = удельное сопротивление провода, L = длина провода и A = площадь поперечного сечения провода. Изменение давления приведет либо к удлинению, либо к сжатию провода, поэтому на одном резисторе требуется датчик сжатия, а на другом — датчик удлинения. Чтобы контролировать влияние температуры (провод также может удлиняться или сжиматься при изменении температуры), на оставшиеся два резистора помещают пустой датчик. Эти датчики часто являются полупроводниками (N-типа или P-типа).Таким образом, их чувствительность намного выше, чем у их металлических аналогов; однако с большей чувствительностью приходит более узкий функциональный диапазон: температура должна оставаться постоянной, чтобы получить достоверные показания. На эти датчики сильно влияют колебания температуры (в отличие от других типов электрических компонентов). Диапазон давления 0 — 1400 МПа при чувствительности 1,4 — 3,5 МПа.
Пример тензодатчика без скрепления показан ниже. При этом используются тросы, чувствительные к деформации, один конец прикреплен к неподвижной раме, а другой конец прикреплен к подвижному элементу, который перемещается при изменении давления.
Пример приклеенного тензодатчика можно увидеть ниже. Он помещается поверх диафрагмы, которая деформируется при изменении давления, натягивая провода, прикрепленные к диафрагме.
Вибрационный элемент
Датчики давления вибрирующего элемента работают путем измерения изменения резонансной частоты вибрирующего элемента. По проводу пропускается ток, который вызывает электродвижущую силу внутри провода. Затем сила усиливается и вызывает колебания проволоки.Давление влияет на этот механизм, воздействуя на саму проволоку: увеличение давления снижает натяжение внутри проволоки и, таким образом, снижает угловую частоту колебаний проволоки. При измерении абсолютного давления датчик помещается в цилиндр под вакуумом. Эти датчики измерения абсолютного давления очень эффективны: они дают воспроизводимые результаты и не сильно зависят от температуры. Однако им не хватает чувствительности при измерениях, поэтому они не были бы идеальными для процесса, в котором требуется мониторинг мельчайших давлений.Диапазон давлений 0,0035 — 0,3 МПа с чувствительностью 1Е-5 МПа.
Датчик давления с вибрирующей проволокой показан ниже.
Вибрирующий датчик давления в цилиндре (для абсолютного давления) показан ниже.
Датчики вакуума
Такие датчики могут измерять чрезвычайно низкое давление или вакуум, относящиеся к давлению ниже атмосферного. Помимо диафрагменных и электрических датчиков, предназначенных для измерения низкого давления, существуют также датчики теплопроводности и датчики ионизации.
Приборы для измерения теплопроводности
Принцип заключается в изменении теплопроводности газа при изменении давления. Однако из-за отклонения от поведения идеального газа, при котором взаимосвязь между этими двумя свойствами является линейной, такие датчики, также называемые датчиками Пирани, могут использоваться только при низких давлениях в диапазоне от (0,4E-3 до 1.3E-3) МПа. Они также являются удивительно чувствительными элементами (могут обнаруживать изменения на 6E-13 МПа).
В этих датчиках через спиральную нить накала проходит ток, который нагревает катушку.Изменение давления изменяет скорость теплопроводности от нити накала, что приводит к изменению ее температуры. Эти изменения температуры могут быть обнаружены термопарами в датчике, которые также подключены к эталонным нитям нити в датчике как часть цепи моста Уитстона.
Пример датчика Пирани можно найти здесь: www.bama.ua.edu/~surfspec/vacbasics_files/image046.jpg
Ионизационные манометры
Эти типы датчиков делятся на две категории: термокатодные и холоднокатодные.Для датчиков с горячим катодом электроны испускаются нагретыми нитями, в то время как для датчиков с холодным катодом электроны высвобождаются из катода из-за столкновения ионов. Электроны ударяются о молекулы газа, попадая в датчик, образуя положительные ионы, которые собираются и вызывают протекание ионного тока. Количество образующихся катионов связано с плотностью газа и, следовательно, с измеряемым давлением, а также с используемым постоянным электронным током, следовательно, поток ионного тока является прямой мерой давления газа.Оба они являются высокочувствительными инструментами и поэтому лучше всего подходят для измерения фракционного давления. Манометры с горячим катодом даже более чувствительны, чем датчики с холодным катодом, и могут измерять давления около 10 -8 Па. Их чувствительность находится в диапазоне от (1E-16 до 1E-13) МПа
Пример ионизационного датчика можно найти здесь: www.bama.ua.edu/~surfspec/vacbasics_files/image049.jpg
Датчики давления
Датчик давления — это устройство, которое преобразует приложенное давление в измеряемый электрический сигнал.
Датчик давления состоит из двух основных частей: эластичного материала, который деформируется при воздействии среды под давлением, и электрического устройства, обнаруживающего деформацию.
Эластичный материал может иметь множество различных форм и размеров в зависимости от принципа измерения и диапазона измеряемых давлений. Наиболее распространенный метод использования эластичного материала — это формирование из него тонкой гибкой мембраны, называемой диафрагмой. Электрическое устройство, которое объединено с диафрагмой для создания датчика давления, может работать по резистивному, емкостному или индуктивному принципу действия.
Рекомендуемые товары
Токовый выход
Датчики давления с выходным сигналом токового преобразователя, например 2-проводный 4-20 мА или 3-проводный 0-20 мА:
Выход напряжения
Датчики давления с усиленным выходным сигналом вольт, например 0-10 В постоянного тока, 0-5 В постоянного тока, 1-5 В постоянного тока или от 0,5 до 4,5 В постоянного тока:
Цифровой интерфейс
Преобразователи давления с цифровым интерфейсом связи, например RS485, USB, RS232, I²C, IO-Link, Modbus RTU или SDI-12:
Выход в милливольтах
Преобразователи давления с выходным сигналом милливольт ратиометрического тензометрического датчика, e.грамм. мВ / В, 2 мВ / В, 3 мВ / В или 10 мВ / В
Руководства по выбору продукции
Выберите датчик давления для своей области применения с помощью одного из этих руководств по выбору продукции:
- Милливольтный выход — мВ / В, сигнал 4-проводного тензодатчика
- Выход напряжения — 0-10, 0-5, 1-5, 0,5-4,5 В постоянного тока, 3-проводный усиленный сигнал напряжения
- Токовый выход — 4-20 мА, сигнал 2-проводной токовой петли
- Цифровой выход — RS485, USB, RS232, I²C, IO-Link, Modbus RTU, SDI-12
Если вы хотите, чтобы мы подобрали для вас датчик давления, используйте эту форму, чтобы указать ваши требования.
Типы преобразователей
Тензодатчик
Резистивный датчик давления имеет тензодатчики, прикрепленные или встроенные в поверхность диафрагмы, так что любое изменение давления вызовет изменение электрического сопротивления каждого тензодатчика.
Переменная емкость
Преобразователь давления с переменной емкостью имеет емкостную пластину, прикрепленную к одной стороне диафрагмы, и другую емкостную пластину, прикрепленную к негерметичной поверхности в непосредственной близости от диафрагмы.Изменение давления приведет к увеличению или уменьшению зазора между двумя пластинами, который изменяет емкость.
Переменная индуктивность
Индуктивный датчик давления использует принцип индуктивности для преобразования изгиба диафрагмы в линейное движение ферромагнитного сердечника. Движение сердечника используется для изменения индуцированного тока, генерируемого первичной катушкой, питаемой переменным током, на другой вторичной катушке.
Частота резонанса
В датчиках давления других типов используется принцип пьезоэлектрического эффекта или структура материалов, резонансная частота которых изменяется в зависимости от деформации.
Модуль чувствительного элемента OEM
Чувствительные элементы преобразователя давления в основном используются производителями оригинального оборудования (OEM), которые включают их в свои собственные продукты (например, газоанализаторы, оборудование для контроля утечек), или производителями датчиков давления, которые встраивают их в более сложные датчики давления с компенсированным милливольтом, усиленным напряжением. , Токовая петля 4-20 мА или выходы цифрового интерфейса, которые затем продаются конечным пользователям и интеграторам оборудования.
Условный сигнал
Более сложные преобразователи давления включают в себя электронную схему для рационализации выходного сигнала преобразователя, так что разница между одним преобразователем и другим такого же типа очень незначительна. Также добавлена схема температурной компенсации, чтобы уменьшить ошибки, связанные с изменениями температуры среды. Часто рационализированный и скомпенсированный выходной сигнал затем преобразуется в стандартизованный выходной сигнал, чтобы сделать его универсально совместимым с приборами конечных пользователей, такими как считывающие устройства, карты аналого-цифрового преобразователя, программируемые логические контроллеры и карты сбора данных.
Соединения и фитинги
Преобразователи давленияоснащены механическим технологическим соединителем (например, с наружной резьбой 1/4 BSP, с наружной резьбой 1/2 NPT) на передней части мембраны и соединением электрического интерфейса (например, с разъемом DIN, M12) на задней стороне корпуса электроники. чтобы пользователь мог легко установить датчик давления. В случае чувствительных элементов датчиков давления, используемых производителями оборудования для измерения давления и производителями оригинального оборудования, датчики давления могут иметь только подготовленную поверхность для зажима, склеивания или сварки и печатную плату с контактными площадками или штыревыми отверстиями, подходящими для пайки.
Основные соображения по выбору
Если вам нужен датчик для измерения давления газа или жидкости на заводе или в лаборатории, следует учитывать несколько параметров, чтобы определить, какой датчик давления подойдет.
Установка и расположение
Давление жидкости или газа передается во всех направлениях одинаково и на большие расстояния, можно установить датчик давления на некотором расстоянии от измеряемого процесса с помощью подходящей системы трубопроводов.
Датчик давления, установленный на удалении от технологического процесса, значительно упрощает процесс выбора. К сожалению, удаленная установка не всегда удобна, например, может потребоваться быстрая реакция или технологическая среда опасна и должна находиться в безопасной зоне.
Охрана окружающей среды
Если датчик давления установлен внутри помещения или внутри корпуса прибора на открытом воздухе, температура вряд ли превысит условия окружающей среды из-за удаленности от основного технологического процесса и необходимости размещать шкафы для приборов вдали от экстремальных температур для защиты внутренней электроники.
При установке на открытом воздухе кожух защитит преобразователь от воздействия влажных погодных условий, которые в противном случае потребовали бы высокого уровня защиты от атмосферных воздействий. При установке в помещении датчик будет естественным образом защищен до тех пор, пока окружающая среда относительно сухая и чистая, особенно если в здании установлен кондиционер. Электрическая заделка в этих условиях не требует высокого уровня защиты от попадания грязи или влаги. Уровень защиты окружающей среды классифицируется по классу IP. Для этого типа установки более чем подходит DIN-штекер, который имеет рейтинг IP65 и очень прост в установке с помощью винтовых клемм без какой-либо пайки.
Присоединение к процессу
Для фиксации датчика на конце длинного отрезка трубы напрямую или через коллекторный блок требуется очень простое механическое соединение, такое как наружная / внутренняя резьба G1 / 4 (1/4 BSP) или 1/4 NPT, которые являются обеими очень популярная фурнитура, используемая в большинстве стран.
Совместимость носителей
Среда под давлением может сильно различаться, и невозможно указать материал, совместимый со всеми известными веществами. Нержавеющая сталь обеспечивает наиболее распространенную защиту, а также обеспечивает необходимую эластичность для использования при производстве чувствительных диафрагм.
Некоторые преобразователи включают керамическую диафрагму, герметизированную на корпусе высокого давления через уплотнение из витона или FKM. Он также совместим со многими типами сред, включая едкие химические вещества, которые могут вызывать сильную коррозию тонких мембран из нержавеющей стали.
Вибрация и удары
Вибрация и удары могут отрицательно сказаться на сроке службы датчика давления, если его механическая конструкция не соответствует достаточно прочным стандартам. Большинство стандартных датчиков давления серийного типа не предназначены для экстремальных или особых условий, таких как те, которые указаны в аэрокосмических и военных требованиях, но должны быть более чем подходящими для большинства промышленных сред, где датчик устанавливается изолированно от чрезмерных ударов. и вибрация из-за ударных опор или длины трубопроводов.
Электроснабжение и выход
В качестве измерительного сигнала большинство интерфейсов по-прежнему используют аналоговый для тестирования и управления. В основном существует два типа аналоговых выходов, которые совместимы с большинством устройств формирования сигнала: токовая петля серии от 4 до 20 мА и от 0 до 5 или 10 вольт. Требуемый источник питания для обоих этих типов выходов незначительно варьируется от преобразователя к преобразователю, но обычно находится в диапазоне от 15 до 30 В постоянного тока. Обычное напряжение питания, доступное от большинства панельных дисплеев, ПЛК или отдельных источников питания, составляет 24 В постоянного тока, и это подходит для питания большинства датчиков давления.
Диапазон давления
Указываемый диапазон давления будет зависеть от процесса, но он должен как минимум отражать максимально возможное давление измеряемого процесса. Другой параметр, который следует учитывать, — это эталонное давление, которое может быть одного из трех типов: «манометр» — это давление выше или ниже атмосферного давления, «абсолютное» — это давление от 0 до вакуума, а «дифференциал» — это разница давлений, измеренная между двумя точками.
Точность
Точность преобразователя является основным фактором неопределенности измерения в системе.Если преобразователь вместе с устройством формирования сигнала не находится в тщательно контролируемой и контролируемой среде, трудно достичь высокого уровня точности измерения в большинстве приложений с датчиком давления общего назначения. Хотя линейность и тепловые ошибки улучшились в последние годы с появлением цифровой электроники, такие факторы, как гистерезис, повторяемость и стабильность, по-прежнему ограничиваются технологией преобразователя. Точность 0,5% полной шкалы достижима для большинства преобразователей при комнатной температуре.Температурные погрешности могут варьироваться до нескольких процентов в широком диапазоне температур, но для температуры окружающей среды, особенно в помещении, точность комнатной температуры является разумным приближением к точности.
Контрольный список требований к датчикам давления
Определите требования к требуемому давлению, используя этот контрольный список:
- Диапазон давления?
- Точность?
- Электропитание и выход?
- Совместимость с носителями?
- Присоединение к процессу?
- Установка и расположение?
- Охрана окружающей среды?
- Вибрация и удары?
Справка датчика давления
Диапазон соединения -0.5… 2 бар с точностью до 1 миллибар
Мне нужны датчики давления со следующими характеристиками; диапазон давления от -0,5 до 2 бар, точность 1 мбар, выход от 4 до 20 мА или от 0 до 10 В постоянного тока?
Мы рекомендуем DMP 331i для вашего приложения, чтобы удовлетворить ваши технические требования. Преобразователь давления DMP331i с высокой точностью имеет необходимый вам уровень точности 0,05%, отличается высокой стабильностью и воспроизводимостью.
Истинные аналоговые преобразователи давления
Почему так сложно найти настоящий аналоговый датчик давления, не имеющий внутреннего аналого-цифрового и аналогово-цифрового преобразования?
В большинстве преобразователей давления используются микросхемы ASIC для преобразования выходного низкого напряжения устройства измерения давления в усиленный аналоговый выходной сигнал с согласованным сигналом.Например, кремниевый чувствительный элемент тензодатчика, установленный внутри преобразователя, обеспечивает выходной сигнал в милливольтах около 5 мВ / В, который затем отправляется в ASIC ZMDi, которая выполняет согласование сигнала, калибровку, компенсацию и обеспечивает выходное напряжение от 0,5 до 4,5 В. Затем этот выход подается на дополнительную ASIC, которая преобразует выходное напряжение 0,5–4,5 В в 4–20 мА или 0–10 В в зависимости от требований заказчика. Таким образом, это не просто аналоговое устройство, и, если вы не выберете прямой выход милливольтного моста, это будет иметь место для большинства продуктов.
Основная причина отказа
Какая наиболее вероятная причина отказа датчика давления?
Случайное превышение избыточного давления, вероятно, является наиболее частой причиной отказа датчика давления. Для получения дополнительной информации см. Симптомы и причины повреждения диафрагмы датчика давления.
Измерение низкого давления с помощью миниатюрных преобразователей
Нам нужен небольшой датчик давления размером несколько миллиметров, который будет способен измерять небольшие движения воды в несколько Па. Возможно ли это?
Миниатюрные преобразователи давления на основе диафрагмы очень плохо обнаруживают очень низкие давления из-за недостаточной площади поверхности для создания достаточного движения в чувствительной диафрагме для создания сильного выходного сигнала.Любой полученный сигнал будет иметь низкое отношение сигнал / шум и будет в значительной степени подвержен ошибкам, вызванным изменениями температуры.
Выход 2 мВ / В для измерения гидравлического давления до 700 бар
Меня интересует датчик давления с выходным сигналом 2 мВ / В, который может измерять гидравлическое давление до 700 бар. На него будет подаваться напряжение возбуждения 5В постоянного тока?
IMP с выходным сигналом 2 мВ / В, он недорогой, но имеет низкое номинальное избыточное давление и давление разрыва 880 бар.
TPS имеет выходную мощность 3 мВ / В, он более прочен и лучше подходит для гидравлики, с гораздо более высоким номинальным избыточным давлением 2000 бар.
Переменная емкость и тензодатчик
В чем разница между переменной емкостью и тензометрическим датчиком?
Датчики переменной емкости обеспечивают лучшую производительность, чем тензодатчики, при очень низких диапазонах давления, хотя они имеют больший диаметр и более дороги в производстве.
