Что такое датчик давления, типы и характеристики - услуги электромонтажа, строительства и ремонта

Принцип работы этого устройства напрямую связан с типом измеряемого давления:

Содержание

Все о датчиках давления

Прецизионные измерительные приборы являются важной частью всех современных промышленных отраслей. Они служат для своевременного дозирования различных жидкостей и незаменимы для газообразных смесей и паров.

В дополнение к классическим расходомерам с различными принципами действия часто используются электронные манометры. Эти устройства являются незаменимой частью большинства измерительных систем и теплосчетчиков. Они часто являются частью автоматических систем управления.

Так называемые преобразователи давления востребованы в энергетике, пищевой промышленности, нефтепереработке и других отраслях, где требуется цифровое значение давления для обеспечения бесперебойной и безопасной работы оборудования.

Это устройство, используемое для измерения и преобразования давления жидкости, газа или пара. Полученное значение отображается или передается в виде аналогового или цифрового выходного сигнала.
Принцип работы зависит от типа измеряемого давления, которое может быть абсолютным, манометрическим или дифференциальным.

Типы датчиков давления

Например, в пищевой и химической промышленности интеллектуальный датчик абсолютного давления широко используется для измерения абсолютного вакуума. Обратите внимание, что именно это измерение используется в устройствах для измерения газа, пара и тепла для приведения расхода к стандартным условиям.

Преобразователь дифференциального давления может использоваться для измерения расхода. Принцип работы заключается в измерении разницы давления между плюсовой и минусовой камерами. Его можно использовать для измерения расхода с помощью ограничивающего устройства. Исчезающее устройство в трубопроводе – это местное сопротивление, через которое изменяется характер потока. Давление среды увеличивается непосредственно перед ограничением и уменьшается после него. Чем больше разница на входе и выходе ограничительного устройства, тем больше скорость потока среды, протекающей по трубе.

Кроме того, такой датчик позволяет измерять объем жидкости не только в трубе, но и в резервуаре путем измерения давления столба жидкости на плюсовую мембрану и, при необходимости, путем измерения давления в минусовой полости под куполом резервуара для исключения влияния насыщенных паров. Этот метод называется гидростатическим методом.

В системах автоматического контроля, регулирования и управления технологическими процессами использование датчика давления является незаменимым. Он может использоваться как часть системы водяного отопления, а также в коммерческих и технологических узлах учета жидкости, газа и пара.

Для дозирования могут использоваться механические, тепловые и электронные регуляторы. Последние дают более точные показания и все чаще используются в современной практике.

Приложения

Одно из применений датчиков – измерение изменений атмосферного давления. Эти данные необходимы для метеорологических служб, в медицинских целях и для мониторинга метеорологических больных. Измерения атмосферного давления, проводимые метеорологами, позволяют определить направление ветров и движение циклонических областей. Атмосферные датчики различаются по типу рабочего элемента – ртутные и электронные.

Они также широко используются для измерения давления воздуха и других газов в автомобильной, строительной, химической и легкой промышленности. Датчики давления являются неотъемлемой частью любого автоматизированного промышленного процесса.

Здесь мы подробнее рассмотрим пьезорезонансные датчики давления. Пьезорезонансные датчики давления работают за счет обратного пьезоэлектрического эффекта, при котором пьезоэлектрик деформируется под действием приложенного напряжения, и чем выше напряжение, тем сильнее деформация. В основе датчика лежит резонатор в виде пьезоэлектрической пластины с электродами с обеих сторон.

Электрические датчики давления

В настоящее время для измерения давления в различных отраслях промышленности используются не только ртутные барометры и анероиды, но и различные датчики, отличающиеся принципом действия, а также преимуществами и недостатками, характерными для каждого типа датчика. Современная электроника позволяет реализовать датчики давления непосредственно на электрической, электронной основе.

Итак, что мы понимаем под термином “электрический датчик давления”? Каковы типы электрических датчиков давления? Как они построены и какими характеристиками обладают? И, наконец, какой датчик давления выбрать, чтобы он наилучшим образом соответствовал вашим конкретным целям? Именно это мы и рассмотрим в данной статье.

Прежде всего, давайте определимся с самим термином. Датчик давления – это устройство, выходные параметры которого зависят от измеряемого давления. Измеряемая среда может быть паровой, жидкой или газовой, в зависимости от применения датчика.

Современные системы требуют прецизионных приборов такого типа как важных частей систем автоматизации для энергетической, нефтяной, газовой, пищевой и многих других отраслей промышленности. Миниатюрные датчики давления необходимы в медицинской сфере.

Каждый электрический датчик давления состоит из чувствительного элемента для передачи давления на первичный преобразователь, схемы обработки сигнала и корпуса. В основном, электрические датчики давления делятся на:

Резистивный или тензометрический датчик давления – это устройство, чувствительный элемент которого изменяет свое электрическое сопротивление под воздействием деформирующей нагрузки. Тензодатчики устанавливаются на чувствительную мембрану, которая прогибается под давлением и изгибает прикрепленные к ней тензодатчики. Сопротивление тензорезисторов изменяется, и соответственно изменяется величина первичного тока в цепи преобразователя.

Растяжение проводящих элементов каждого тензодатчика приводит к увеличению длины и уменьшению поперечного сечения, что приводит к увеличению сопротивления. Компрессия – это противоположность. Относительные изменения сопротивления измеряются в тысячных долях, поэтому в системах обработки сигналов используются прецизионные усилители с АЦП. Таким образом, деформация преобразуется в изменение электрического сопротивления полупроводника или проводника, а затем в сигнал напряжения.

Тензометрические датчики обычно представляют собой зигзагообразные проводящие или полупроводящие элементы, нанесенные на гибкую подложку, которая соединена с мембраной. Подложка обычно представляет собой слюду, бумагу или пластиковую пленку, а проводящий элемент – пленку, тонкую проволоку или полупроводник, напыленный на металл в вакууме. Соединение между чувствительным элементом тензометра и измерительной цепью осуществляется с помощью контактных площадок или проволочных клемм. Сами датчики деформации обычно имеют площадь поверхности от 2 до 10 мм кв.

Тензометрические датчики отлично подходят для оценки уровня давления, измерения силы прикосновения и веса.

Другим типом электрического датчика давления является пьезоэлектрический датчик. Чувствительным элементом здесь является пьезоэлектрический элемент. Пьезоэлектрический элемент генерирует электрический сигнал, когда он деформируется, это известно как прямой пьезоэлектрический эффект. Пьезоэлектрический элемент помещается в измеряемую среду, и ток в цепи преобразователя будет пропорционален изменению давления в этой среде.

Поскольку для возникновения пьезоэлектрического эффекта требуется изменение давления, а не постоянное давление, этот тип преобразователя давления подходит только для измерения динамического давления. Однако если давление постоянно, то деформации пьезоэлектрика не происходит и ток в нем не генерируется.

Пьезоэлектрические преобразователи давления используются, например, в первичных преобразователях расхода в вихревых расходомерах для воды, пара, газа и других однородных сред. Эти датчики устанавливаются попарно в трубопроводе с номинальным отверстием от десятков до сотен миллиметров ниже по течению от обтекаемого тела и таким образом регистрируют вихри, частота и количество которых пропорциональны объемному расходу и скорости потока.

Далее рассмотрим пьезорезонансные датчики давления. В пьезорезонансных датчиках давления работает обратный пьезоэлектрический эффект, при котором пьезоэлектрик деформируется под действием приложенного напряжения, и чем выше напряжение, тем сильнее деформация. В основе датчика лежит резонатор в виде пьезоэлектрической пластины с электродами с обеих сторон.

При подаче переменного напряжения на электроды материал пластины вибрирует, изгибаясь в ту или иную сторону, причем частота вибрации равна частоте приложенного напряжения. Однако если пластина деформируется под действием внешней силы, например, чувствительной к давлению мембраны, собственная частота резонатора изменится.

Таким образом, собственная частота резонатора будет отражать величину давления, оказываемого на мембрану, которая оказывает давление на резонатор, вызывая изменение частоты. В качестве примера рассмотрим датчик абсолютного давления на основе пьезорезонанса.

Измеренное давление передается в камеру 1 через соединение 12. Камера 1 отделена мембраной от чувствительной измерительной части устройства. Корпус 2, основание 6 и мембрана 10 герметично соединены, образуя вторую герметичную камеру. Во второй герметичной камере к основанию 6 прикреплены держатели 9 и 4, второй из которых прикреплен к основанию 6 с помощью перемычки 3. Держатель 4 используется для фиксации чувствительного резонатора 5. Несущий резонатор 8 фиксируется с помощью держателя 9.

Под воздействием измеряемого давления мембрана 10 давит через втулку 13 на шарик 14, который также закреплен в держателе 4. Шарик 14 в свою очередь давит на чувствительный резонатор 5. Провода 7, закрепленные в основании 6, соединяют резонаторы 8 и 5 с генераторами 16 и 17 соответственно. Для формирования сигнала, пропорционального величине абсолютного давления, используется схема 15, которая создает выходной сигнал из разности частот резонаторов. Сам преобразователь помещен в активный термостат 18, в котором поддерживается постоянная температура 40 °C.

Одним из самых простых датчиков давления являются емкостные датчики давления. Два плоских электрода и зазор между ними образуют конденсатор. Один из электродов представляет собой мембрану, на которую воздействует измеряемое давление, вызывая изменение толщины зазора между, по сути, обкладками конденсатора. Известно, что емкость планарного конденсатора изменяется с изменением величины зазора при постоянной площади площадки, поэтому емкостные датчики очень эффективны для обнаружения даже очень малых изменений давления.

Небольшие емкостные датчики давления позволяют измерять избыточное давление в жидкостях, газах и паре. В различных технологических процессах с использованием гидравлических и пневматических систем, в компрессорах, насосах, станках – емкостные датчики давления полезны во многих промышленных приложениях. Конструкция устойчива к колебаниям температуры и вибрациям, устойчива к электромагнитным помехам и агрессивным условиям окружающей среды.

Другим типом электрического датчика давления, отдаленно похожим на емкостной датчик, является индуктивный или магнитный датчик. Проводящая мембрана, чувствительная к давлению, расположена на определенном расстоянии от тонкого W-образного магнитопровода, на центральный сердечник которого намотана катушка. Между мембраной и катушкой устанавливается определенный воздушный зазор.

Когда на катушку подается напряжение, ток в катушке создает магнитный поток, который проходит как через сам магнитопровод, так и через воздушный зазор, через мембрану и замыкается. Поскольку магнитная проницаемость в воздушном зазоре примерно в 1000 раз меньше, чем у магнитной цепи и мембраны, даже небольшое изменение толщины воздушного зазора вызовет ощутимое изменение индуктивности цепи.

Под воздействием измеряемого давления чувствительная мембрана прогибается, и комплексное сопротивление катушки изменяется. Преобразователь преобразует это изменение в электрический сигнал. Измерительная часть преобразователя основана на мостовой системе, в которой обмотка датчика соединена с одним из плеч преобразователя. Сигнал от измерительной секции преобразуется в электрический сигнал, пропорциональный измеренному давлению, с помощью АЦП.

Последний тип датчиков давления, который мы рассмотрим, – это оптоэлектронные датчики. Они определяют давление простым способом, имеют высокое разрешение, высокую чувствительность и термически стабильны. Основанные на интерференции света, использующие интерферометр Фабри-Перо для измерения малых перемещений, эти датчики особенно перспективны. Основными частями этого датчика являются кристалл оптического преобразователя с апертурой, светодиод и детектор, состоящий из трех фотодиодов.

К обоим фотодиодам прикреплены оптические фильтры Фаби-Перо, которые имеют небольшую разницу в толщине. Фильтры представляют собой кремниевые зеркала с передней отражающей поверхностью, покрытой слоем оксида кремния, с тонким слоем алюминия на поверхности.

Оптический преобразователь похож на емкостной датчик давления, апертура формируется путем травления в монокристаллической кремниевой подложке и покрывается тонким слоем металла. На нижнюю сторону стеклянной пластины также нанесено металлическое покрытие. Между стеклянной пластиной и кремниевой подложкой имеется зазор шириной w, полученный с помощью двух распорок.

Два металлических слоя образуют интерферометр Фабиуса-Перо с переменным воздушным зазором w, состоящий из: подвижного зеркала, расположенного на мембране, которое меняет свое положение при изменении давления, и неподвижного полупрозрачного зеркала на стеклянной пластине, расположенной параллельно ему.

Более или менее на этой основе компания FISO Technologies производит микроскопически чувствительные датчики давления диаметром всего 0,55 мм, легко проходящие через игольное ушко. С помощью катетера мини-сенсор вводится в тестовый объем, где измеряется давление.

Оптическое волокно соединено с интеллектуальным датчиком, где под управлением микропроцессора включается источник монохроматического света, который вводится в оптическое волокно, измеряется интенсивность отраженного светового потока, рассчитывается внешнее давление на датчик и отображается на дисплее на основе данных калибровки. В медицине, например, такие датчики используются для контроля внутричерепного давления, для измерения давления крови в легочных артериях, которые невозможно достичь другим способом.

Если вам понравилась эта статья, пожалуйста, поделитесь ею в социальных сетях. Это очень поможет в развитии нашего сайта!

На одном конце корпуса имеется резьбовое гнездо с отдельным 27-миллиметровым гаечным ключом – для установки на трубопроводе, в котором измеряется давление. На другом конце находится гнездовой разъем в соответствии с DIN43650C – для подключения к внешним электрическим цепям. Системы соединений обеспечивают высокую степень герметичности. Система имеет степень влагозащиты IP65, что означает, что она защищена от брызг и струй воды.

Дизайн и функция

Преобразователи давления имеют компактную и простую конструкцию. Они изготовлены в цилиндрическом корпусе из высокопрочной латуни L59. На поверхности находится таблица с параметрами:

обозначение подразделения;
выходной сигнал;
верхний уровень измерения давления;
максимально допустимая погрешность;
Обозначение ТУ.

Конструктивно преобразователь давления представляет собой тандем из двух блоков – измерительного и электронного. Электронный блок имеет плату коррекции нуля (‘0’) и диапазона (‘1’). Первый корректирует выходной сигнал при отсутствии давления в измеряемой среде. Второй используется для настройки параметра выходного тока при верхнем значении давления. Эта регулировка выполняется только на заводе или в рамках процедуры калибровки.

Измерительный блок имеет сенсорный элемент с четырьмя кремниевыми тензометрическими датчиками на поверхности. Рабочая среда подается к чувствительному элементу через отверстие, расположенное в центре соединения. Чтобы свести к минимуму риск повреждения элемента гидроударом, в отверстие устанавливается гидродинамический клапан.

Рабочая среда воздействует на чувствительный элемент, что вызывает его деформацию и, соответственно, изменение сопротивления тензодатчика. Изменение сопротивления преобразуется в электрический сигнал напряжения, который пропорционален величине давления. Электронный блок считывает сигнал напряжения и преобразует его в аналоговый выходной сигнал, который передается на блок управления.

Преобразователи EMIS-BAR также получили положительные отзывы от Березниковского содового завода, где измеряемой средой была фильтрующая жидкость из колонны карбонизации. “Интерфейс настройки устройства интуитивно понятен и прост. Материал корпуса соответствует данным, указанным в техническом паспорте. Несмотря на наличие агрессивных загрязняющих веществ в фильтрующей жидкости, на датчике не образуются отложения или коррозия. Метрологические параметры после 6 месяцев эксплуатации соответствуют заявленным данным. Диапазон напряжения питания составляет от 12 до 36 В, и эта разница в напряжении питания не влияет на работу устройства”. – пишет клиент в своем заключении.

На какие параметры следует обратить внимание при покупке датчиков давления

Тип давления. Очень важно понять, какой тип давления вы хотите измерить. Существует 5 типов: абсолютный, дифференциальный (относительный), вакуумный, манометрический, барометрический. Чтобы понять разницу между ними, рекомендуем прочитать статью “Виды давления”.
Диапазон измеряемого давления.
Степень защиты устройства. В различных сферах использования существуют разные условия работы и требуются разные степени защиты от проникновения воды и пыли. Определите, какая степень защиты вам необходима.
Наличие тепловой компенсации. Температурные эффекты, такие как расширение материала, могут вызвать довольно большие помехи на выходе датчика. Если температура среды постоянно меняется, необходима термокомпенсация. Следует также обратить внимание на температурные ограничения. Например, ST250PG2BPCF имеет температурную компенсацию от -40 до 100 градусов Цельсия.
Материал. Материал может быть важен при использовании датчика в агрессивных средах, в этом случае требуется выбор материала с высокой коррозионной стойкостью.
Тип выходного сигнала. Важно решить, какой тип вам нужен. Аналоговый или цифровой? Если аналоговый, то каков диапазон выходных сигналов и сколько проводов? Например, диапазоны могут быть 4. 20 мА.

Читайте далее:

<\/div>window.yaContextCb.push(()=>{ Ya.Context.AdvManager.render({ renderTo: 'yandex_rtb_R-A-1603327-19', blockId: 'R-A-1603327-19' })})<\/scr"+"ipt>"; cachedBlocksArray[302744] = "

<\/div>window.yaContextCb.push(()=>{ Ya.Context.AdvManager.render({ renderTo: 'yandex_rtb_R-A-1603327-18', blockId: 'R-A-1603327-18' })})<\/scr"+"ipt>"; cachedBlocksArray[292878] = "

<\/div>window.yaContextCb.push(()=>{ Ya.Context.AdvManager.render({ renderTo: 'yandex_rtb_R-A-1603327-6', blockId: 'R-A-1603327-6' })})<\/scr"+"ipt>"; cachedBlocksArray[292877] = "

<\/div>window.yaContextCb.push(()=>{ Ya.Context.AdvManager.render({ renderTo: 'yandex_rtb_R-A-1603327-5', blockId: 'R-A-1603327-5' })})<\/scr"+"ipt>"; cachedBlocksArray[287074] = "

<\/div>window.yaContextCb.push(()=>{ Ya.Context.AdvManager.render({ renderTo: 'yandex_rtb_R-A-1603327-4', blockId: 'R-A-1603327-4' })})<\/scr"+"ipt>"; cachedBlocksArray[287073] = "

<\/div>window.yaContextCb.push(()=>{ Ya.Context.AdvManager.render({ renderTo: 'yandex_rtb_R-A-1603327-3', blockId: 'R-A-1603327-3' })})<\/scr"+"ipt>"; cachedBlocksArray[287072] = "

<\/div>window.yaContextCb.push(()=>{ Ya.Context.AdvManager.render({ renderTo: 'yandex_rtb_R-A-1603327-2', blockId: 'R-A-1603327-2' })})<\/scr"+"ipt>"; cachedBlocksArray[287071] = "

<\/div>window.yaContextCb.push(()=>{ Ya.Context.AdvManager.render({ renderTo: 'yandex_rtb_R-A-1603327-1', blockId: 'R-A-1603327-1' })})<\/scr"+"ipt>"; -->