Датчик давления: воздуха, избыточного, электронный, принцип работы

Что такое датчик давления

Датчиком давления называют контрольное оборудование, отвечающее непосредственно за измерение указанного показателя.

Области его применения бывают разнообразными:

• нефтедобывающая, газодобывающая, перерабатывающая отрасль;
• химическая промышленность;
• энергетика;
• пищевое производство;
• множество других направлений.

В быту самый очевидный пример — это сенсоры давления для насосной станции в системе автономного водоснабжения жилого дома (дачи, коттеджа).

Схематическое изображение, где находится датчик давления в водопроводе:

На схеме можно найти два измерителя, управляющие включением основного и дополнительного насосов. Они обеспечивают равномерную подачу воды независимо от ее потребления конечными пользователями.

Иногда такие устройства называют манометрами. Это не совсем верно, поскольку манометр — это готовый прибор, визуально показывающий величину давления в удобном для человеческого восприятия виде. Датчик же лишь элемент системы измерения, непосредственно воспринимающий физическую величину и передающий измерительный сигнал для дальнейшей обработки.

Датчик давления и абсолютные измерения

Абсолютные измерения применяются там, где требуется воспроизводимая эталонная величина. Например, при проведении экспериментов или в условиях барометрических применений. Другие применения включают:

• метеостанции,
• оборудование калибровки высотомеров,
• производство полупроводников,
• многое другое.

Однако если существует необходимость измерить или контролировать величины в зависимости от текущих условий, лучше всего подойдет манометрический датчик.

Этот тип сенсора допускает использование в любом применении, где требуется преодолеть атмосферные условия для выполнения задачи или создать вакуум для выполнения другого типа задачи. Области применения сенсоров избыточного давления обширны. Среди примеров:

• сила нагнетания насоса,
• сила нагнетания пожарного шланга,
• уровень внутри резервуара,
• уровень пара котла и т.д.

Датчики дифференциального давления

Датчики дифференциального давления используются с различными видами датчиков, в которых измерение давления является результатом разности давлений, в частности таких датчиков как диафрагмы, сопла подачи или Вентури-метров. Датчик перепада давления преобразует разность давлений в передаваемый сигнал.

Где размещение датчика перепада давления (DP) зависит от характера потока текучей среды, которая измеряется. Типичный датчик дифференциального давления минимально инвазивный (внешний компонент присоединен через точки измерения); он обычно используется с емкостным элементом в паре с диафрагмой, которая позволяет емкостному телу двигаться вместе или отдельно, генерируя сигнал (через изменение емкости), который может быть интерпретирован к падению давления.

Диапазон измеряемого давления и чувствительность датчика дифференциального давления зависит от электрических и упругих компонентов, используемых в самом датчике. Это отличный датчик, используемый при измерении перепада давления, однако, для всех остальных приложений, он довольно бесполезен.

Диапазон измеряемой величины

Поскольку интервал показателя давления весьма широк, то инженерам требуются сенсоры, способные качественно измерять параметры в интересующем диапазоне. Изготовить прибор, одинаково хорошо и с удовлетворительной чувствительностью применимый как в глубоком вакууме, так и на промышленном компрессоре высокого уровня сжатия, на практике невозможно. Поэтому существуют отдельные датчики: вакуумные, низкого и высокого давления. В числовом выражении:

• вакуумные датчики — для измерения низкого (1 мм. рт. ст.) или высокого (105 мм. рт. ст.) вакуума;
• датчики низкого давления — от атмосферного до величин порядка 10 Па (встречается также другое название: форвакуумные);
• датчики высокого давления — измеряют параметр выше 1 атм., также делятся на диапазоны по возрастанию компрессии.

Датчики низкого давления широко применяют в научном и лабораторном оборудовании, в медицине, в промышленности, производящей электронные компоненты и сверхчистые вещества.

Емкостные

Данный вариант использует эффект изменения электрической емкости элемента, в котором гибкая мембрана является одной из обкладок конденсатора совместно с неподвижным корпусом. Преимущества в прямом измерении электрических характеристик без промежуточных преобразований; защищенности сенсора от перегрузок и импульсного удара; стабильности показаний.

Особый интерес представляет возможность изготовить именно такой датчик давления своими руками. Ведь из всех прочих разновидностей только емкостные сенсоры не требуют для производства точной механики или особого оборудования. Две токопроводящие пластины несложно соединить через прокладку из упругого диэлектрика, а настраивать самодельный датчик давления можно, используя в качестве эталона надежный проверенный манометр.

Ёмкостный и тонкоплёночный тензометрический датчик

Современный рынок датчиков давления часто демонстрирует новые технологии. Наблюдается всё более широкое использование так называемых «тонкоплёночных приборов деформации». Понимание разницы между ёмкостным датчиком давления и тонкоплёночным тензометрическим сенсором обещает пользу для дела оценки.

Для конструкции аналогового датчика изменение ёмкости приводит к относительному изменению силы (ΔP) на основе полного диапазона шкалы устройства. Конструкция цифрового датчика предполагает изменение ёмкости прямо пропорциональное изменению частоты импульсов, пропорциональных изменению ёмкости.

Этот прогресс позволяет улучшить характеристики датчиков, повысить устойчивость к внешним факторам по сравнению с более ранними конструкциями ёмкостного сопротивления.

АВТОМОБИЛЬНЫЙ

Тонкоплёночный тензометрический датчик давления располагается на задней стороне мембраны измерения силы. Устройством используется так называемый процесс «распыления» под организацию связи на атомном уровне на поверхности диафрагмы. Этот подход даёт качественно стабильный результат:

1. Чувствительный элемент формируется путём механической обработки внутренней части кнопки из нержавеющей стали до момента, пока остальной металл не станет очень тонким.
2. Материал тензометрического датчика наносится на стальную диафрагму, образуя сеть резисторов моста Уитстона.
3. Напряжение передаётся на резисторы, когда давление прикладывается к задней части несимметричного моста элемента. Таким образом, вызывается изменение сопротивления, которое умножается для обеспечения высокого уровня выходного сигнала (вольт, милливольт, миллиампер)

Преимущества тонкоплёночных тензометрических датчиков:

• защита от избыточных величин,
• улучшенное эффективное разрешение,
• хорошая устойчивость к ударам,
• противостояние вибрациям,
• стойкость к динамическим изменениям.

Недостатки тонкоплёночных тензометрических датчиков:

• свойства плёнки диктуют стабильность выходного сигнала датчика,
• материалы сенсорных элементов имеют разную степень стабильности температуры / влажности.

Микро-электро-механическая система (МЭМС) поддерживает процесс изготовления, аналогичный тонкой плёнке, но использует кремниевую пластину вместо стальной диафрагмы. Чувствительный элемент изолирован от среды через маслонаполненную камеру. Так делаются высокорентабельные датчики, но заполненная маслом полость не исключает риск протечки, что сопровождается нестабильностью и загрязнением технологического процесса.

Идеальный газовый закон герметичного датчика

Герметизированный объём воздуха расширяется или сжимается при изменении температуры. Это действие оказывает прямое влияние на силу, приложенную к задней стороне диафрагмы. Начальная сила на задней стороне диафрагмы увеличивается или уменьшается в зависимости от направления изменения температуры.

Чем ниже диапазон давления, тем большее влияние на точность измерительного прибора в целом. Чем выше полный диапазон давления, тем меньше влияние на точность, что делает жизнеспособным решением для влажной (полусухой) среды.

ТОПЛИВНЫЙ

Измерения посредством вакуумного манометра по определению являются эталоном для манометров. Термин «вакуум» относится к тому моменту, когда начальная величина для аналогового выхода соответствует текущему атмосферному давлению, а применение создаёт давление ниже атмосферного.

Также существуют датчики смешанного типа. Проще говоря, датчик составного манометра или устройство, способное измерять как положительные, так и отрицательные (вакуум) величины.

Однако эти устройства зависят от эталона атмосферной силы. Если применение предполагает, как положительное, так и отрицательное (вакуум) измерение, потребуется составной датчик манометрический. Многие современные конструкции датчиков допускают всесторонние применения, обеспечивают несколько контрольных точек измерения.

Индуктивный датчик давления

Индуктивные датчики давления в сочетании с диафрагмой или трубкой Бурдона. Ферромагнитный сердечник прикреплен к упругому элементу и имеет первичную и две вторичные обмотки. Ток подается на первичную обмотку. Когда сердечник по центру то то же напряжение будет индуцироваться к двум вторичными обмотками.

Ниже показан пример индуктивного датчика давления с использованием диафрагмы. Для этого вида датчика давления, принимая камеру 1 в качестве эталонной камеры с опорным давлением Р 1   подающегося и катушку заряжаемую эталонным током. Когда давление в других камерах изменяется, диафрагма движется и индуцирует ток в другой катушке, который измеряется и выражает измеренное значение тока в единицах давления.

Такие датчики могут быть использованы с любым упругим элементом (хотя, как правило, используются в сочетании с диафрагмой или трубкой Бурдона). Чтение значения создаваемого давления, будет определяться калибровкой напряжения. Таким образом, диапазон давления, в котором может быть использован этот датчик определяется относительно упругого элемента, но лежит в диапазоне от 250 Па – 70 МПа.

Как измерить абсолютное давление с помощью mpxa6115a?

На рынке электроники есть интересный датчик, объединяющий встроенную схему биполярного операционного усилителя и схемы тонкопленочных резисторов. Этим решением обеспечивается высокий выходной сигнал и температурная компенсация. Речь идёт о сенсорном чипе серии MPXxx6115A и аналогичных.

Налицо кремниевый датчик с поддержкой регулировки сигнала, исполненный в монолитном корпусе. Функционально микросхема датчика представлена как пьезорезистивный преобразователь. Функционал этого электронного датчика сочетает:

• передовые методы микро-обработки,
• тонкопленочную металлизацию,
• обработку биполярных полупроводников,

с целью обеспечения выходного сигнала точного и высокоуровневого. Полученный сигнал пропорционален приложенной силе.

Используя этот тип датчика, относительно просто реализовать систему измерения абсолютного давления, к примеру, взаимодействием с микроконтроллером. Фактически потребуются только три контакта подключения. Источник питания подключается к двум из трёх контактов (2, 3).

ШИННЫЙ

Последний из трёх выводов (4) обеспечивает выход аналогового напряжения. Как правило, эта линия подключается к схеме аналого-цифрового преобразователя. Для реализации функции измерений, к примеру, через микроконтроллер, потребуется использование небольшого программного кода на языке «#C»:

void initADC(void) {

ATDCTL2 = 0x80; // включение ADC ATDCTL2_ADPU=1

ATDCTL3 = 0x08; // 1 преобразование / последовательность

ATDCTL4 = 0x01; // 10-битное преобразование на частоте 2Mhz

ATDCTL5 = 0x80; //

return;

}

Чтобы вычислить абсолютное давление в кПа, основываясь на показаниях АЦП, используется уравнение:

Vвых = Vпит * (0,009 * давление — 0,095)

Следует учитывать Vвых = ATDDR0 * 5 мВ. Объектное преобразование кодом:

void readPressure(float pressure) {

ATDCTL5 = 0x80; // инициализация преобразования

waitms(1); // задержка на время 1 мс

pressure = (ATDDR0 95)/9; // вычисление величины в кПа

}

Для данных, выровненных по правому краю, не требуется инструкция «давление >> 6», как в случае с выравниванием по левому краю.

Мембраны (диафрагмы)

Мембраны изготовлены из круглых металлических дисков или гибких элементов, таких как резина, пластик или кожа. Материал, из которого изготовлена ​​мембрана зависит от того используется ли свойства упругости этого материала или ему должен противостоять другой элемент (например – пружина).

Мембраны изготовленные из металлических дисков используют упругие характеристики, а тем, которым противостоят другие упругие элементы, изготовлены из гибких элементов. Мембраны очень чувствительны к резким изменениям давления. Мембраной изготовленной из металла можно измерить максимальное давление равное примерно 7 МПа, а мембраной использующей упругий тип материала можно измерять чрезвычайно низкие давления (0,1 кПа – 2,2 МПа) при подключении к емкостным преобразователям или к датчикам перепада давления.

Диафрагмы бывают плоские, гофрированные и капсульного типа. Как отмечалось ранее, мембраны очень чувствительны (0,01 МПа). Они могут измерять дробные разности давления на очень маленьком диапазоне (скажем, давления нескольких дюймов воды) (эластичный тип) или большие перепады давления (приближаясь к максимальному диапазону в 207 кПа) (металлический тип).

Мембраны очень универсальны – они обычно используются в очень агрессивных средах или в ситуациях с экстремальными избыточными давлениями.

Примеры упругих элементов датчиков давления показаны ниже: 

Механические

Группа устройств, в которых давление внутри системы приводит к механическому движению частей сенсора относительно неподвижного основания. Это перемещение регистрируется прибором.

Достоинством измерителей данной группы служит их очень высокая чувствительность в некоторых диапазонах, где другие конструкции недостаточно эффективны. Так датчик низкого давления в вакуумной системе должен реагировать на изменения порядка 0.01 Мпа. Этого можно добиться, применяя чувствительную мембрану.

Другой тип механического измерителя — трубка Бурдона. Используется в приборах, в которых нет электроники, непосредственно воздействуя на стрелку. По этому принципу действуют механические манометры, а также глубиномеры (включая наручные для водолазов).

Похожий принцип реализован в знакомых многим автомобильных указателях моторного масла. Упругий элемент реагирует на сжатие, через толкатель перемещая подвижный контакт по обмотке реостата. Электрическое сопротивление изменяется, что и регистрирует прибор.

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.

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.

Приборы ионизации

Существует две категории для этих типов датчиков: С горячим катодом и с холодным катодом. Для датчиков с горячим катодом, электроны испускаются нагретыми нитями, в то время как для датчиков с холодным катодом электроны освобождаются от катода в результате столкновения ионов.

Электроны ударяют молекулы газа, поступающего в датчик, формируя положительные ионы, которые собираются и вызывают течение ионного тока. Количество образований катиона связано с плотностью газа и, следовательно, пропорционально измеряемому давлению, а также, так как используется постоянный ток электронов, следовательно, ионный ток является мерой давления газа.

Оба типа датчиков являются высокочувствительными устройствами и наиболее подходит для измерения дробных долей давления. Датчики с горячим катодом еще более чувствительны, чем датчики с холодным катодом и способны измерять давление около 10 -8 Па. Их диапазон чувствительности колеблется от 1E-16 до 1E-13 МПа

Пример 2

Ваш руководитель сказал вам добавить датчик давления в очень дорогой и важной части оборудования. Вы знаете, что часть оборудования работает на 1 МПа и при очень высокой температуре. Какой датчик вы бы выбрали?

Решение

Поскольку часть оборудования, которое вы имеете дело очень дорогое, вам нужен датчик, который имеет высокую чувствительность. Электрический датчик был бы подходящим, потому что вы могли бы подключить его к компьютеру для быстрого и простого считывания показаний.

Кроме того, вы должны выбрать датчик, который будет работать на 1 МПа и сможет выдерживать высокие температуры. Из информации представленной в этой статье вы знаете, что есть много датчиков, которые будут работать при давлении 1 МПа, так что вы должны решить, относительно других влияющих факторов.

Одним из наиболее чувствительных электрических датчиков является датчик емкостного типа. Он имеет чувствительность 0.07 МПа. Емкостный датчик обычно имеет диафрагму в качестве упругого элемента. Мембраны имеют быстрое время отклика, очень точны и работают на 1 МПа.

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.

Стандарт по единицам измерения давления

Существуют три основных характеристики давления, о которых следует помнить в случаях конкретного применения:

1. Абсолютное.
2. Дифференциальное.
3. Манометрическое.

На практике используются разные единицы измерения (в зависимости от конкретной страны), включая контрольные величины. Наиболее распространёнными единицами измерения выступают атмосферы (кг/см2) и бары (Бар) для диапазонов высокого уровня. Также применяются единицы измерения — миллиметры водяного столба и Паскаль (Па) на измерениях значений низкого уровня.

Абсолютная величина измеряется относительно идеального вакуума. Единица измерения (абсолютная) по стандарту – килограмм на сантиметр квадратный (кг/см2).

Дифференциальная величина – разница величин двух областей (относительно эталонной величины). Как правило, значения измеряются в кг/см2.

Избыточная величина – результат, полученный относительно значения атмосферного давления. Стандарт по единицам измерения – кг/см2 по шкале манометра.

Представление о разнице манометрической и абсолютной величин видится важным моментом для многих применений. Манометрическое давление мерят относительно атмосферного давления (барометрического). Абсолютное давление мерят относительно абсолютного вакуума.

Кроме того, при измерении манометрической величины учитываются три основные категории давления:

1. Атмосферное.
2. Герметичное.
3. Вакуум.

Манометрическая величина — по определению является эталоном для манометров. Термин «герметичный» определяет атмосферное давление, измеренное на заводе на дату изготовления герметично исполненного корпуса датчика. Эта величина используется в качестве эталона для задней стороны диафрагмы.

Герметичный датчик манометра обеспечивает дополнительную защиту от проникновения воды / влаги, но имеет некоторые недостатки. Главный недостаток – герметизированный в баллоне объём воздуха чувствителен к изменениям температуры, как окружающей среды, так и среды под давлением.

Тензометрический датчик

Тензометрический датчик обнаруживает изменения давления путем измерения изменения сопротивления мостовой схемы Уитстона. В общем, эта схема используется для определения неизвестного электрического сопротивления, уравновешивая две секции мостовой схемы, так что бы отношение сопротивлений в одной секции (

Пример несвязанного тензодатчика показан ниже. Данный тип датчиков использует чувствительные к натяжению провода, один конец которого закреплен на неподвижной раме, а другой конец прикреплен к подвижному элементу, который движется с изменением давления.

Пример связанного тензодатчика можно увидеть ниже. Данный тип размещается в верхней части диафрагмы, которая деформируясь при изменении давления, натягивает провода, прикрепленные к диафрагме.

Тип датчика:

1. Учитывая типы датчиков, которые мы обсуждали, мы можем сразу отбросить вакуумные датчики, так как они работают при очень низких давлениях (почти вакууме, отсюда и название). Мы можем также отбросить дифференциальные датчики давления, поскольку мы не ищем перепада давления на резервуаре.
2. Поскольку мы хотим добиться высокой чувствительности, мы должны использовать электрические компоненты. Учитывая диапазон давлений (3 атм.; макс ~ 0,3 МПа) оптимальным будет емкостной элемент, потому что он прочный и хорошо работает в системе низкого давления.
3. Принимая во внимание коррозионную активность в системе с содержанием HCl , в качестве упругого элемента может быть использована мембрана. Мембраны также довольно прочны и обеспечивают быстрое время отклика.
4. Эта комбинация, вероятно, будет заключена в прочном, заполненном, глицерином / силиконом корпусе, чтобы защитить датчик от деградации.

Так, в итоге, мы выбираем датчик, который будет использовать диафрагму в качестве упругого элемента, емкостной элемент качестве электрического компонента и антикоррозийный корпус.

Трубки бурдона

Принцип, на котором основаны разного вида трубки Бурдона:  Давление, подаваемое внутрь трубки, вызывает упругую деформацию эллиптического или овального сечения трубки в сторону круга, которая вызывает появление напряжений в продольном направлении, заставляющих трубку разгибаться, а свободный конец трубки перемещаться.

Система рычагов и передач превращает это движение и возвращает стрелку, показывающую давление относительно круглой шкалы. Диапазон измерения такого манометра составляет – от 10 Па до 1000 МПа. Трубные материалы могут быть изменены соответствующим образом в соответствии с требуемым условием процесса.

Материалом для трубчатых пружин может служить сталь, бронза, латунь. В зависимости от конструктивного исполнения трубчатые пружины могут быть одно- и многовитковые (винтовые и спиральные), S-образные и т.п. Распространены одновитковые трубчатые пружины, используемые в манометрах, которые предназначены для измерения давления жидкостей и газов, а также в таких типах манометров как глубиномер.

Факторы, которые следует учитывать:

1. Процесс
   1. Соляная кислота очень и очень едкая (особенно с такой высокой молярностью), и, таким образом любой датчик, который бы вы ни выбрали, должен быть в состоянии выдержать коррозионную природу процесса.
2. Диапазон давления
   1. Изначально реактор находится под давлением в 1 атм. Учитывая реакцию 2 HCl (жидк.) Zn (металл.) -> H 2 (газ) ZnCl 2 (жидк), вы производите один моль газообразного водорода в дополнение к существующему давлению воздуха в емкости. По мере протекания реакции, давление внутри сосуда будет существенно увеличиваться. Моделирование давления H 2 (газ) в идеальных условиях равно, Р = НЗТ / V
   2. 
   3. Примерно через 1 час, давление H 2 (газ) увеличится до 4,38 атм, создав общее давление в сосуде на 5,38 атм.
3. Окружающая среда
   1. Здесь нет опасности от высоких температур и сильной вибрации из-за высокого расхода и скорости реакции.
4. Чувствительность
   1. Так как это умеренно опасный процесс, мы должны иметь выход датчика подключаемый к компьютеру. Так, инженер может безопасно наблюдать за процессом. Мы предполагаем, что датчик будет сигнализировать клапан HCl, чтобы закрыть его после того, как рабочее давление станет равным 3 атм., однако устройства иногда дают ошибку. Мы также должны иметь высокую чувствительность, поэтому предпочтительными будут электрические компоненты (т.е. мы не хотим, чтобы процесс отклонялся от нормального режима, хотя это потенциально возможно, если бы датчик был не очень чувствителен к постепенным изменениям).

Электрические датчики давления

Выводы: