Электрические датчики давления. Датчики давления: типы, принцип работы и применение в промышленности

можно 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.

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.

Существует 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.

, 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.

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

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.

Как 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:

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.