Ювелирное обозрение

Принцип работы датчиков давления

Единицы измерения давления

• Паскаль
  1 Па = 1 Н/м 2
• Бар
  1 бар = 10 5 Па
• Физическая Атмосфера – атмосферное давление на уровне моря 1 атм = 101325 Па = 1,01325 бар = 10,33 м вод. ст.
• Метр водяного столба – гидростатическое давление столба воды высотой в 1 метр 1 м вод. ст. = 9806,65 Па = 9,80665×10 -2 бар = 0,096784 атм (напор в водопроводе удобно измерять в метрах водяного столба).

Классификация датчиков по типу измеряемого давления

• Датчики абсолютного давления
  (Absolute Pressure Sensor)
  Эти датчики измеряют давление относительно абсолютного вакуума.
  Применение: пищевые и химические производства.
• Датчики избыточного (относительного) давления, манометры
  (Gauge Pressure Sensor)
  Эти датчики измеряют давление относительно атмосферного давления в этом месте.
  Барометры измеряют атмосферное давление.
  Применение: водоснабжение и водоотведение.
• Датчики дифференциального (перепада) давления
  (Differential Pressure Sensor)
  Эти датчики измеряют перепад (разность) давления в двух точках.
  Применение: контроль загрязнения фильтров, измерение расхода и уровня жидкости (гидростатический метод).
• Вакуумные датчики, датчики разряжения
  (Vacuum Pressure Sensor)
  Измеряют давление, которое ниже атмосферного (вакуум).

Классификация датчиков давления по принципу действия

• Пьезорезистивные (Piezoresistive Strain Gage)
  Используется эффект изменения электрического сопротивления полупроводников под действием механической нагрузки.
• Пьезоэлектрические (Piezoelectric)
  Используется пьезоэлектрический эффект – способность некоторых кристаллов (кварца) и керамики генерировать электрическое поле или разность потенциалов пропорционально силе давления (сжатия).
• Тензометрические (Strain Gauge)
  Используется тензоэффект – изменение электрического сопротивления тензорезисторов при их деформации под воздействием нагрузки.
• Емкостные (Capacitive)
  Используется эффект зависимости ёмкости конденсатора от расстояния между обкладками.
• Резонансные (Resonant)
  Используется эффект зависимости частоты собственных колебаний (кварцевого резонатора) от давления.
• Индуктивные (Electromagnetic)
  Принцип действия основан на регистрации токов Фуко, возникающих в металлическом экране, расположенном между двумя катушками, одна из которых связана с измерительной мембраной – при её приближении или удалении от экрана изменяется индуктивность системы.
• Ионизационные (Ionization)
  Используется эффект зависимости плотности потока ионов от разряжения в катодно-анодной лампе.

Вентильные блоки

Позволяют отключать датчик от процесса, проводить профилактические работы, промывку и калибровку.

Разделители давления

Разделители давления служат для разнесения в пространстве преобразователя и среды измерения. Измеряемое давление передается с разделительной мембраны на наполнительную жидкость и дальше по капиллярной трубке или напрямую в измерительную камеру преобразователя.

• При использовании в пищевой и фармацевтической промышленности быстросъёмные мембранные разделители можно легко промывать
• Измеряемое вещество может закупорить или разъесть импульсные трубки
• Нестандартный температурный диапазон.

Как выбрать датчик давления

Измеряемое давление

• Абсолютное
• Избыточное (относительное)
• Дифференциальное (перепад)
• Вакуум (разрежение)
• Гидростатическое давление (уровень).

Измеряемая среда

• Измеряемая среда
• Диапазон рабочих температур измеряемой среды
• Максимальное статическое давление измеряемой среды.

Окружающая среда

• Температура окружающей среды
• Влажность
• Наличие агрессивных сред
• Взрывоопасная зона.

Метрологические характеристики

• Единицы измерения (градуировка)
• Погрешность измерений
• Перестраиваемый интервал измерений
• Влияние температуры окружающей среды
• Влияние статического давления
• Влияние питания
• Влияние вибрации
• Долговременный дрейф
• Межповерочный период
• Электромагнитная совместимость.

Подключение к процессу

• Штуцерное
• Фланцевое
• Ниппель
• Гигиеническая конструкция
• Разделитель давления

• наполнитель.

Вентильный блок

• 2-х ходовой
• 3-х ходовой
• 5-ти ходовой.

Преобразователь

• Индикатор
• Диагностические функции
• Степень защиты корпуса
• Материал корпуса
• Питание
• Кабельный ввод
• Выходной сигнал:

• токовый 4..20мА
• HART
• PROFIBUS PA
• Foundation Fieldbus.

Датчики давления являются устройством, выдающим сигналы на выходе, зависящие от давления измеряемой среды. Сегодня не обходятся без точных датчиков определения давления. Они применяются в автоматизированных системах всех отраслей промышленности.

Многие датчики давления функционируют на преобразовании давления в движение механической части. Кроме механических элементов (трубчатые пружины, мембраны) для замеров используются тепловые и электрические системы. Электронные элементы дают возможность осуществить производство датчиков давления на электронных элементах.

Датчик давления состоит из:

• Первоначальный преобразователь вместе с чувствительным элементом.
• Корпус датчика, имеющий разные конструкции.
• Электрическая схема.

Классификация и принцип работы

Волоконно-оптические

Этот тип датчиков считается самым точным в работе, которая не имеет большой зависимости от изменений температуры. Элементом точной чувствительности действует оптический волновод. Давление в волоконно-оптических приборах определяется путем поляризации света, прошедшего по элементу чувствительности, и колебаниям амплитуды.

Оптоэлектронные датчики давления

Датчики давления состоит из нескольких слоев, через которые проходит свет. Один слой меняет свойства от величины давления среды. Меняются 2 параметра: величина преломления и размер слоя. Методы изображены на рисунках.

При изменении свойств будет изменяться характеристика света, проходящего через слои. Фотоэлемент производит регистрацию изменений. Преимуществом оптоэлектронных приборов стала высокая точность.

Датчики легко определяют давление, имеют повышенное разрешение, чувствительность, стабильны к действию температуры. Перспективность оптоэлектронных приборов обуславливается работой на интерференции света, использованием интерферометра для замера малых перемещений. Основные составляющие элементы датчика – кристалл оптического анализатора с диафрагмой, фотодиод и детектор. Детектор составляют три светодиода.

К 2-м фотодиодам прикреплены оптические фильтры, которые имеют отличия по толщине. Фильтры состоят из кремниевых зеркал, имеющих отражение от лицевой части поверхности, которые имеют слой оксида кремния. Поверхность напылена слоем алюминия малой толщины.

Световой преобразователь подобен емкостному датчику. Его диафрагма смоделирована способом травления, которая покрыта металлическим тонким слоем. Стеклянная пластина снизу покрыта металлическим слоем. Между подложкой и стеклом есть промежуток, образованный двумя прокладками.

Два металлических слоя образуют интерферометр с изменяемым воздушным промежутком. В его состав вошли: зеркало на стекле стационарного вида и меняющее положение зеркало на мембране.

На подобной основе изготавливают чувствительные датчики размером 0,55 мм. Они легко проходят через ушко иглы.

Оптическое волокно взаимосвязано с сенсором. В нем с помощью управления микропроцессора подключается монохроматический свет, который вводится в волокно. Делается замер интенсивности обратного света, по калибровке рассчитывается наружное давление и результат показывается на экране. Сенсоры используют в медицине для проверки давления внутри черепа, измерения кровяного давления в артериях легких. Другими методами в легкие добраться невозможно.

Магнитные

Магнитные датчики давления еще называют индуктивными. Элементом чувствительности служит Е-пластина, в центре расположена катушка, и проводящая мембрана. Она расположена на малом расстоянии от конца пластины. При подсоединении обмотки образуется магнитный поток, он идет через пластину, промежуток воздуха и мембрану.

Магнитная проницаемость воздуха в зазоре в 1000 раз слабее мембраны и пластины. Малое изменение параметра зазора приводит к значительному изменению индуктивности.

При воздействии давления мембрана изгибается, сопротивление катушки меняется. Преобразователь переводит изменение в сигнал тока. Измерительный рабочий элемент преобразователя сделан по схеме моста, обмотка включена в плечо. АЦП подает сигнал от элемента измерения в виде сигнала от давления.

Емкостные

Датчики давления самой простой конструкции, состоящий из плоских электродов (2 шт.) с зазором. Электрод сделан мембраной, на нее давит измеряемое давление. Меняется размер зазора. Такой вид датчика образует конденсатор с меняющимся зазором. Величина емкости конденсатора меняется при изменении промежутка от пластин или от электродов в данном случае.

Для определения очень небольших изменений давления приборы наиболее применимы и эффективны. Они дают возможность произвести замеры избыточного давления в различной среде. На предприятиях при выполнении технологических процессов, в которых задействованы системы воздушного и гидравлического оборудования, в насосах, компрессорах, на станках емкостные датчики нашли широкое применение. Датчик емкостного вида имеет конструкцию, которая имеет стойкость к вибрациям, скачкам температуры, защищена от химической и электромагнитной среды.

Ртутные

Также простая конструкция прибора. Действует по закону о сообщающихся сосудах. На одну емкость давит давление, которое нужно измерить. По величине другого сосуда – определяется давление.

Пьезоэлектрические

Элементом чувствительности в этом датчике служит пьезоэлемент. Это вещество, создающее электрический сигнал во время деформации. Такое свойство называется прямым пьезоэффектом. В измеряемой области находится пьезоэлемент, который образует ток, прямо зависящий от значения давления. Сигнал в датчике из пьезоматериала образуется только при деформации. При неизменном давлении нет деформации, поэтому датчик годен только для проведения замеров среды с быстро изменяемым давлением.

Если давление не будет изменяться, то не будет деформации, пьезоэлектрик не сгенерирует сигнал.

Пьезоэлектрики нашли использование в первичных преобразователях потока водяных вихревых счетчиков, и других сред. Их устанавливают парами в трубу с проходом в несколько сотен мм за предметом обтекания. Фиксируют вихри. Количество и частота вихрей прямо зависят от скорости потока и расхода по объему.

Пьезорезонансные датчики давления

В отличие от вышеописанного вида датчика здесь применяется обратный пьезоэффект, то есть, форма материала пьезоэлемента изменяется от тока подачи. Применяется резонатор в виде пластины из пьезоматериала. На пластину с двух сторон нанесены электроды. На них подключается по очереди напряжение питания с разным знаком, пластина производит изгиб в обе стороны в зависимости от полярности поданного напряжения и частоты.

Если воздействовать на пластину силой, чувствительной мембраной к давлению, то резонатор изменит частоту колебаний. Частота резонатора укажет значение давления на мембрану, которая оказывает давление на резонатор.

На рисунке изображен пьезорезонансный датчик с абсолютным давлением, который сделан герметичной камерой 1. Она достигается корпусом 2, основанием 6, мембраной 10. Мембрана крепится на электронную сварку к корпусу. Держатели закреплены на основании перемычками. Силочувствительный резонатор удерживает держатель.

Мембрана 10 давит на втулку 13 и шарик 6, который закреплен в держателе. Шарик давит на чувствительный резонатор 5. Проводка закреплена на основании 6, необходима для слияния резонаторов с генераторами. Сигнал на выходе абсолютного давления образуется по схеме путем разности генераторных частот. Датчик находится в активном термостате 18 с неизменной температурой 40 градусов. Давления для измерения поступает через штуцер 12.

Резистивные датчики давления

Другим названием этот датчик называется тензорезистор. Это элемент, который меняет собственное сопротивление при деформации. Такие тензорезисторы монтируют на мембрану, которая чувствительна к изменяющемуся давлению. В результате при приложении силы на мембрану происходит ее изгиб, из-за этого изгибаются тензорезисторы, которые на ней закреплены. На тензорезисторах меняется сопротивление и значение тока цепи.

Растяжение элементов из проводников на каждом тензорезисторе ведет к увеличению длины и снижению сечения. В итоге сопротивление повышается. При сжатии процесс происходит наоборот. Изменения сопротивления незначительные, поэтому для обработки сигнала применяются усилители. Деформация переделывается в изменение сопротивления проводника или полупроводника, а затем в сигнал тока.

Тензорезисторы выполнены в виде проводящего зигзагообразного элемента, или из полупроводника, который расположен на гибкой подложке, приклеенной к мембране. Подложка сделана из слюды, полимерной пленки или бумаги. Элемент проводника – из полупроводника, тонкой проволоки или фольги, напыленных на металл в вакуумном состоянии. Чувствительный элемент соединяют с цепью измерения выводами из проволоки или площадками контактов. Тензорезисторы чаще имеют размер площади до 10 мм 2 . Они более подходят для замера давления, веса, силы нажатия.

Датчик давления — устройство, физические параметры которого изменяются в зависимости от давления измеряемой среды (жидкости, газа, пара). В датчиках давление измеряемой среды преобразуется в унифицированный пневматический, электрический сигналы или цифровой код.

Содержание

Принципы реализации [ править | править код ]

Датчик давления состоит из первичного преобразователя давления, в составе которого чувствительный элемент — приемник давления, схемы вторичной обработки сигнала, различных по конструкции корпусных деталей, в том числе для герметичного соединения датчика с объектом и защиты от внешних воздействий и устройства вывода информационного сигнала. Основными отличиями одних приборов от других являются пределы измерений, динамические и частотные диапазоны, точность регистрации давления, допустимые условия эксплуатации, массогабаритные характеристики, которые зависят от принципа преобразования давления в электрический сигнал: тензометрический, пьезорезистивный, ёмкостный, индуктивный, резонансный, ионизационный, пьезоэлектрический и другие.

Тензометрический метод [ править | править код ]

Чувствительные элементы датчиков базируются на принципе изменения сопротивления при деформации тензорезисторов, приклеенных к упругому элементу, который деформируется под действием давления.

Пьезорезистивный метод [ править | править код ]

Основан на интегральных чувствительных элементах из монокристаллического кремния. Кремниевые преобразователи имеют высокую чувствительность благодаря изменению удельного объемного сопротивления полупроводника при деформировании давлением.

Для измерения давления чистых неагрессивных сред применяются так называемые Low cost — решения, основанные на использовании чувствительных элементов либо без защиты, либо с защитой силиконовым гелем.

Для измерения агрессивных сред и большинства промышленных применений используется преобразователь давления в герметичном металло-стеклянном корпусе, с разделительной диафрагмой из нержавеющей стали, передающей давление измеряемой среды посредством кремнийорганической жидкости.

Ёмкостный метод [ править | править код ]

"Сердцем" датчика давления является ёмкостная ячейка. Ёмкостный метод основан на зависимости изменения электрической ёмкости между обкладками конденсатора и измерительной мембраны от подаваемого давления. Основным преимуществом ёмкостного метода является защита от перегрузок (изм. мембрана при перегрузке ложится на стенки «обкладки» конденсатора, длительное время не подвергаясь деформации, при снятии перегрузки мембрана восстанавливает исходную форму, при этом дополнительная калибровка сенсора не требуется), также обеспечивается высокая стабильность метрологических характеристик, уменьшение влияния температурной погрешности за счет малого объема заполняющей жидкости непосредственно в ячейке.

Резонансный метод [ править | править код ]

В основе метода лежит изменение резонансной частоты колеблющегося упругого элемента при деформировании его силой или давлением. Это и объясняет высокую стабильность датчиков и высокие выходные характеристики прибора.

К недостаткам можно отнести индивидуальную характеристику преобразования давления, значительное время отклика, невозможность проводить измерения в агрессивных средах без потери точности показаний прибора.

Индуктивный метод [ править | править код ]

Основан на регистрации вихревых токов (токов Фуко). Чувствительный элемент состоит из двух катушек, изолированных между собой металлическим экраном. Преобразователь измеряет смещение мембраны при отсутствии механического контакта. В катушках генерируется электрический сигнал переменного тока таким образом, что заряд и разряд катушек происходит через одинаковые промежутки времени. При отклонении мембраны создается ток в фиксированной основной катушке, что приводит к изменению индуктивности системы. Смещение характеристик основной катушки дает возможность преобразовать давление в стандартизованный сигнал, по своим параметрам прямо пропорциональный приложенному давлению.

Ионизационный метод [ править | править код ]

В основе лежит принцип регистрации потока ионизированных частиц. Аналогом являются ламповые диоды.

Лампа оснащена двумя электродами: катодом и анодом, — а также нагревателем. В некоторых лампах последний отсутствует, что связано с использованием более совершенных материалов для электродов.

Преимуществом таких ламп является возможность регистрировать низкое давление — вплоть до глубокого вакуума с высокой точностью. Однако следует строго учитывать, что подобные приборы нельзя эксплуатировать, если давление в камере близко к атмосферному. Поэтому подобные преобразователи необходимо сочетать с другими датчиками давления, например, емкостными. Зависимость сигнала от давления является логарифмической.

Пьезоэлектрический метод [ править | править код ]

В основе лежит прямой пьезоэлектрический эффект, при котором пьезоэлемент генерирует электрический сигнал, пропорциональный действующей на него силе или давлению. Пьезоэлектрические датчики используются для измерения быстроменяющихся акустических и импульсных давлений, обладают широкими динамическими и частотными диапазонами, имеют малую массу и габариты, высокую надежность и могут использоваться в жестких условиях эксплуатации.

Регистрация сигналов датчиков давления [ править | править код ]

Сигналы с датчиков давления могут быть как медленноменяющимися, так и быстропеременными. В первом случае их спектр лежит в области низких частот. Для того, чтобы с высокой точностью оцифровать такой сигнал, необходимо подавить высокочастотную часть спектра, полностью состоящую из помех. Это особенно актуально в промышленных условиях.

Специально для ввода медленноменяющихся сигналов используются интегрирующие АЦП. Они проводят измерение не мгновенного значения сигнала (которое изменяется под действием помех), а интегрируют сигнальную функцию за заданный промежуток времени, который заведомо меньше постоянной времени процессов, происходящих в контролируемой среде, но заведомо больше периода самой низкочастотной помехи. Интегрирующие АЦП выпускают многие зарубежные фирмы (Texas Instruments, Analog Devices и др).

Для измерения переменных давлений применяют датчики с аналоговым выходным сигналом, например, 0—20, 4—20 мА и 0—5, 0,4—2 В.

Пьезоэлектрические датчики применяются для измерения быстропеременных процессов в диапазоне частот от единиц Гц до сотен кГц.

Отличие от манометра [ править | править код ]

В отличие от датчика давления, манометр — прибор, предназначенный для измерения (а не просто преобразования) давления. В манометре от давления зависят показания прибора, которые могут быть считаны с его шкалы, дисплея или аналогичного устройства.