Датчики давления. Виды и работа. Как выбрать и применение

Датчики давления. Виды и работа. Как выбрать и применение Анемометр

Как выбрать датчики давления – 7 основных критериев

На самом деле критериев выбор куда больше семи – именно поэтому рынок датчиков давления не ограничивается парой десятков вариантов, а предлагает сотни различных моделей, от экономичных приборов для нужд ЖКХ до интеллектуальных настраиваемых датчиков с взрывозащитной оболочкой для нефте-газовой промышленности.

  1. Тип измеряемого давления.
  2. Тип измеряемой среды.
  3. Диапазон измерений.
  4. Точность измерений (погрешность).
  5. Температура процесса (измеряемой среды).
  6. Выходной сигнал.
  7. Присоединение к процессу.

Температура процесса (измеряемой среды)

Каждый из датчиков давления имеет допустимые пороги рабочего температурного диапазона. И важно, чтобы температура процесса не выходила за пределы этих значений.

Например, в пищевой промышленности имеют место кратковременные процессы, занимающие от 20 до 40 минут (санитарная обработка), во время которых температура измеряемой среды может возрастать до 120-145°C. В этом случае необходимо использовать датчики, устойчивые к временному воздействию высоких температур, например датчики давления МИДА-ДИ-12П-12 и МИДА-ДИ-12П-072-К-150.

Выходной сигнал

По типу выходного сигнала датчики давления подразделяются на:

  • Модели с аналоговым выходным сигналом.
  • Исполнения с цифровым выходным сигналом.
  • Устройства с релейным выходным сигналом.

Унифицированный токовый сигнал 4…20 мА, где 4 мА соответствуют нижнему значению диапазона измерений, а 20 мА – верхнему является универсальным выходным сигналом для большинства датчиков давления. Помимо этого распространены датчики с токовым аналоговым выходным сигналом 0…20 мА, 0…5 мА, 20…0 мА и т.д.

Датчики давления с цифровым выходным сигналом, помимо аналогового 4…20 мА, могут выпускаться с поддержкой протокола HART, RS-485 и RS-232.

Приборы с релейным выходным сигналом предназначены для замыкания-размыкания цепи при достижении определенного значения давления, тем самым посылая сигнал на вторичные приборы контроля и управления.

Грузопоршневой тип манометров

Такие манометры часто используют как эталон при поверке других измерительных приборов. Их диапазон измерений весьма широк. В зависимости от конструкции прибора он может начинаться с серьезных значений разрежений, а заканчиваться избыточностью до 2500 МПа. Класс точности достигает максимальных значений вплоть до 0,0015.

Принцип работы заключается в удержании цилиндра в поршне в конкретном состоянии в то время как с одной стороны воздействуют калибровочные грузы, а с другой измеряемое давление. В зависимости от веса грузов судят о величине созданного давления.

Основной рабочий элемент прибора — это измерительная колонка. В зависимости от качества ее производства, точности и чистоты соединений изменяется и величина погрешности.

Функционально грузопоршневой манометр состоит из приспособления создания давления, измерительной системы и грузов. Устройство оснащается вращательным механизмом для повышения и понижения давления, а также вентилем сброса давления.

Широко используются манометры с неуплотненным поршнем. В них между поршнем и цилиндром есть зазор. Емкость под поршнем заполнена маслом, которое под давлением вливается в зазор и смазывает трущиеся поверхности.

Группа специальных манометров

Такие приборы изготавливаются под конкретный вид газа и создаваемую им среду. Для систем с повышенным давлением изготавливают манометры для газа высокого давления. Некоторые газы агрессивны по отношению к определенным сплавам, поэтому для работы с ними требуется использовать устойчивые материалы.

Специальные манометры окрашивают в краски различных цветов в зависимости от типа газа.

Пропановые манометры окрашиваются в красный цвет, имеют стальной корпус и характеристики общетехнических манометров. Рабочее давление таких приборов от 0 до 0,6 МПа. Это стандартное давление пропана. Возможна эксплуатация в диапазоне температур от – 50 до 60 °С. Температура рабочей среды до 150 °С. Нередко входят в комплектацию с баллонными редукторами.

Измерители давления аммиака в баллонах и прочих резервуарах окрашиваются в желтый цвет. Агрегаты с многоступенчатым сжатием оснащаются температурной шкалой. Компоненты манометра изготавливаются из материалов, устойчивых к воздействию паров аммиака.

Ацетиленовый манометр окрашивается в белый цвет. Изготавливается как манометр систем безопасности из обезжиренных материалов. Используется для измерения избыточного давления в различных распределяющих и генерирующих ацетилен системах. Корпус изготавливается из стали, внутренние компоненты из латунного сплава. Диапазон допустимых температур от – 40 до 70 °С.

Водородный манометр окрашивается в темно-зеленый цвет. Манометр для иных горючих газов красится в красный цвет. Измерительный прибор для негорючих смесей красят в черный цвет. Кислородный манометр окрашивают в голубой цвет.

Жидкостные измерительные приборы

Определение давления этими приборами происходит путем уравновешивания определяемого давления давлением, формируемым столбом жидкости. Таким способом можно измерить небольшое избыточное давление, атмосферное давление, уровень разрежения, разность давлений.

Данную группу представляют U-образные манометры, которые состоят из сообщающихся сосудов, а давление определяется по уровням жидкости; компенсационные микроманометры; чашечные манометры, у которых вместо второй трубки используется резервуар; поплавковые, колокольные и кольцевые дифманометры.

В жидкостных измерительных приборах рабочая жидкость является аналогом чувствительного элемента.

Дифманометры обычно оснащены сигнализаторами, счетчиками расхода, регуляторами и записывающими устройствами. Диапазон измерений от 10 до 105 Па. В зависимости от жидкостей, заполняющих прибор, меняется предел измерений.

Как выбрать

  • Тип давления. Важно определить, что вы будете измерять. Есть несколько типов давления: барометрическое, избыточное, вакуумное, относительное, абсолютное.
  • Интервал разбега давления.
  • Класс защиты датчика. Для разных условий работы определены свои степени защиты от пыли и влаги.
  • Термокомпенсация. Эффекты температуры: например, расширение предметов, создают значительные помехи на результат измерения датчика. Если температура всегда изменяется в среде, то нужна термокомпенсация. Про границы температур тоже нельзя забывать.
  • Вид материала. Свойства материала играют значительную роль для агрессивных условий.
  • Тип сигнала выхода. Бывают цифровой вид и аналоговый. Нужно также учесть интервалы выхода сигнала, количество проводов.

Классификация по типу измеряемого давления

Приборы, служащие для получения данных о параметрах давления газа в газгольдерах, транспортирующих магистралях, в газовых баллонах и прочих резервуарах, классифицируются по нескольким признакам. Они различаются по своему устройству и принципу действия.

Устройства, с помощью которых измеряют давление, подразделяются на классы по:

  • виду измеряемого давления;
  • назначению;
  • принципу действия;
  • классу точности.

По виду измеряемого давления приборы, предназначенные для определения точных показателей, делят на манометры, вакуумметры, тягомеры, напоромеры, барометры и другие.

В зависимости от степени защищенности от влияния внешней среды производят следующие приборы:

  • стандартные;
  • защищенные от попадания пыли;
  • водонепроницаемые;
  • защищенные от агрессивных сред;
  • взрывоустойчивые.

Одно изделие может сочетать в себе несколько видов защиты.

Манометр представляет собой небольшой по размерам прибор, с использованием которого измеряют давление или разность давлений. Принцип работы этого контрольно-измерительного прибора зависит от его внутреннего устройства. В пределах одного класса они еще подразделяются на группы в зависимости от класса точности.

Чтобы измерить абсолютное давление, показатели которого отсчитывают от абсолютного нуля (вакуума), применяют абсолютные манометры. Избыточное давление определяют манометром избыточного давления. В общем случае все разновидности таких приборов называют одним словом: «манометр».

Большинство разновидностей манометров предназначено для измерения величин избыточного давления. Их особенность в том, что они показывают давление, представляющее разницу между абсолютным и атмосферным.

Вакуумметры — это устройства, показывающие значение давления разреженного газа. Применяя мановакуумметры, измеряют избыточное давление и давление разреженного газа. Информация отображается на единой шкале.

С помощью напоромеров определяют параметры избыточного давления со значениями до 40 кПа. Тягомеры, напротив, позволяют измерить разреженность до – 40 кПа. Тягонапоромерами измеряют разреженность и избыточное давление в интервале от – 20 до 20 кПа.

Дифференциальными манометрами можно определить разность давлений в двух подлежащих исследованию произвольных  точках. Микроманометр — это дифманометр, позволяющий измерить значения разности давлений в пределах 40 кПа.

Критерии выбора

При подборе подходящего устройства обязательно учитывают:

Компания «Измеркон» предлагает наиболее востребованные датчики, задатчики, регистраторы, сенсоры и преобразователи давления с высокой точностью. Также здесь можно приобрести цифровые манометры.

Все это — продукция швейцарской компании KELLER. Такое оборудование высокой точностью, стабильностью, надежностью электрических разъемов и технологических присоединений. Для подбора подходящего измерительного устройства в соответствии с требованиями технологического процесса и оборудования достаточно оставить онлайн-заявку или заказать обратный звонок.

Про анемометры:  трубкой пито можно измерить

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.

Манометры общетехнического назначения

Этот вид манометров производят с целью измерения значений вакуумметрического и избыточного давления в общетехнических целях. Различные модификации устройств позволяют использовать их в самых разнообразных средах. Применяются для измерения давления на производстве прямо во время технологических процессов.

Такими манометрами можно измерять давление газообразных сред, которые являются неагрессивными по отношению к медным сплавам при рабочей температуре до 150 °C. Обычно корпус изделия изготавливается из стали, а детали механизма из латунного сплава.

Общетехнические манометры для газа низкого или высокого давления производятся устойчивыми к вибрациям с частотой в интервале от 10 до 55 Гц, а также амплитудой смещения максимум 0,15 миллиметра. Имеют несколько классов точности от 1 до 2,5.

Набирают популярность газовые манометры общетехнического назначения с электронной платой, на которой отображаются данные проведенных измерений. Они нередко оснащаются преобразователями, что автоматизирует технологические процессы. Значения давления отображаются на электронном циферблате.

Области применения

Датчики давления как устройства, преобразующие измеряемую величину в унифицированный цифровой сигнал, могут использоваться в сфере ЖКХ, на производстве (химическом, пищевом, нефтехимическом, в машиностроении, металлургии, судостроении, энергетике) и для проведения лабораторных экспериментов.

В жилищно-коммунальных хозяйствах и в быту такие устройства монтируются в системы теплового учета и автоматического контроля инженерных сетей. Большинство моделей универсальны и рассчитаны на использование в жидких, газообразных и химически агрессивных средах.

В системах контроля за технологическими процессами (в фильтрах, насосах, открытых и закрытых емкостях) часто используются датчики дифференциального давления, а приборы, измеряющие разность давления, широко применяются на предприятиях энергетической отрасли.

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.

Преимущества

Каждый из представленных приборов обладает высокой точностью измерений на уровне лучших мировых образцов. При специальном заказе основная приведенная погрешность составляет 0,04%. Также они отличаются долговременной стабильностью – не более 0,1% в течение 5 лет (или 0,02% в течение года).

Их ключевыми особенностями являются широкий диапазон измерения (от -0,5 до 69 МПа), способность работать в условиях перегрузки до 105 МПа и расширенная самодиагностика.

Имеется возможность настройки (в том числе калибровки нуля) с кнопок непосредственно во взрывоопасной зоне, без нарушения взрывозащиты корпуса, а также обеспечена работа с фирменным программным обеспечением «ЭМИС» – Интегратор». Межповерочный интервал составляет 5 лет.

В 2022 году, в целях проведения ОПИ, «ЭМИС-БАР» были поставлены на объект УРМЦ «Газпром – Трансгаз – Екатеринбург». В своем отзыве заказчик отмечает, что за время опытно-промышленных испытаний они показали себя надёжным средством измерения, отвечающим всем техническим требованиям и в полной мере обеспечивающим заявленные метрологические и технико-эксплуатационные параметры.

Также положительные характеристики ИД «ЭМИС-БАР» получили по результатам работы на «Березниковском содовом заводе», где измеряемой средой стала фильтровая жидкость карбоколонны. «Интерфейс настройки прибора интуитивный и понятный. Материал корпуса соответствует заявленному в паспорте.

Несмотря на наличие в фильтровой жидкости агрессивных примесей, отложений и коррозии на сенсоре не было. Метрологические характеристики после 6 месяцев работы соответствуют заявленным. Диапазон напряжения питания может быть от 12 до 36 вольт, при этом влияния на работу прибора данный разбег по питанию не оказывает», – отмечает в отзыве заказчик.

Стоит отметить, что измерители «ЭМИС» – БАР» являются частью комплексов учета энергоносителей и теплосчетчиков. Сейчас комплексы можно приобрести с расширенной гарантией до 3 лет, по Вашему запросу.

На рисунке комплекс учета «ЭМИС»-Эско 2210»

Необходимо добавить, что с появлением в продуктовой линейке «ЭМИС» датчиков давления, для заказчиков открылись возможности унификации применяемого оборудования и получения дополнительных выгод при комплексной покупке средств измерения нашей торговой марки!

Продуктовая линейка “эмис-бар”

В конце 2022 года в продуктовой линейке компании «ЭМИС» появились интеллектуальные датчики давления «ЭМИС» – БАР». Они способны осуществлять непрерывное измерение абсолютного, избыточного, дифференциального и гидростатического давления, определять разрежение жидких и газообразных сред, насыщенного и перегретого пара.

Несколько вариантов исполнения позволяет сделать оптимальный выбор, в зависимости от поставленных задач и условий эксплуатации, в том числе при работе на низкотемпературных, высокотемпературных и агрессивных средах.

Стоит отметить, что у заказчика имеется возможность выбора материалов изготовления разделительной мембраны и корпуса электронного блока, типа, материала и размера фланца, типа и материала кронштейна. Также на выбор представлены несколько вариантов длины погружной части разделительной мембраны плюсовой полости.

Остановимся более подробно на технических характеристиках и модификациях.

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.

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.

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.

Про анемометры:  Поиски утечек газа и их устранение - ГАЗОСНАБЖЕНИЕ: УСТРОЙСТВО И ЭКСПЛУАТАЦИЯ ГАЗОВОГО ХОЗЯЙСТВА

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.

Самопишущие модели манометров

Промышленность выпускает манометры с встроенной системой считывания показателей, которая фиксирует значения на дисковой диаграмме так, чтобы затем можно было проследить динамику показателей. Один оборот может совершаться за 8, 12, 24 часа. Движение происходит за счет электродвигателя или часового механизма.

Работа манометрического самописца основывается на передаче сигнала трубчатой пружиной большого диаметра, которая имеет тяговое усилие. Она передает движение от чувствительного элемента к системе индикации. Устройства с маркировкой МТС фиксируют значения избыточного давления.

Такие устройства предполагают контроль со стороны оператора и имеют классы точности 1; 1,5; 2,5.

Сильфонные чувствительные элементы применяются в самопишущих дифманометрах, которые дополнительно могут оснащаться устройством сигнализации и преобразователем пневматического действия. Такие приборы измеряют давление в диапазоне от 6,3 кПа до 0,16 Мпа и имеют классы точности 1; 1,5.

Устройство прибора

  1. 1. Корпус;
  2. 2. Крышки корпуса, передняя крышка чаще всего служит экраном дисплея;
  3. 3. RFI- и EMI-фильтры– служат для гашения электромагнитных и радиопомех;
  4. 4. Электронный блок – модуль процессора;
  5. 5. Модуль дисплея – может отсутствовать;
  6. 6. Приемник давления – имеет различный внешний вид, в зависимости от типа;
  7. 7. Фланцы и метизы – для фланцевого исполнения;
  8. 8. Клеммная колодка;
  9. 9. Кнопки настройки.

В качестве сенсора используется монокристаллическая кремниевая мембрана с расположенными на ней пьезорезисторами. При этом мембрана, подложка и резистор выполнены из одного материала – кремния. Для защиты сенсора возможно исполнение с разделительной мембраной и заполняющей жидкостью.

Устройство сенсорного модуля

Сенсорный модуль состоит из:

  • штуцера;
  • разделительной мембраны;
  • сенсора;
  • камеры;

Сигнал с сенсора по гермовводам передается в модуль электроники. Имеется внутреннее программное обеспечение с возможностью самодиагностики. Настройка основных параметров может осуществляться с помощью кнопок ввода, расположенных на устройстве. Также настройка всех параметров возможна через протокол HART. При этом цифровой HART-сигнал накладывается на аналоговый, не оказывая влияния на его постоянную составляющую.

Функции меню:

  • настройка шкалы измерения с подачей опорного давления;
  • настройка времени демпфирования;
  • настройка шкалы измерения без подачи опорного давления;
  • установка нуля;
  • установка фиксированного значения тока выходного сигнала;
  • установка аварийных значений тока;
  • блокировка управления с кнопок;
  • функция корнеизвлечения для преобразователей дифференциального давления;
  • выбор единиц измерения.

Приборы «ЭМИС» – БАР» внесены в Госреестр средств измерения (№2219), имеют сертификат соответствия ТР ТС 012/2022 «О безопасности оборудования для работы во взрывоопасных средах», всю необходимую разрешительную документацию, а также дополнительные сертификаты:

  • Сертификат соответствия ТР ТС 032/2022 “О безопасности оборудования, работающего под избыточным давлением”.
  • Декларация о соответствии ТР ТС 032/2022 “О безопасности машин и оборудования”.
  • Декларация о соответствии ТР ТС 020/2022 “Электромагнитная совместимость технических средств”.
  • Сертификат соответствия «Применение в средах, содержащих сероводород».
  • Экспертное заключение по результатам санитарно-эпидемиологической экспертизы.
  • Право интеллектуальной собственности разработчика защищено патентом РФ № 186107.

Выпускаются с возможностью фланцевого и штуцерного соединения. На выбор заказчика есть несколько материалов мембраны, полости камеры и корпуса электронного блока, а также типа заполняющей жидкости.

    Имеют несколько вариантов исполнения:
  • с фланцевым присоединением
  • со штуцерным присоединением
  • с открытой мембраной
  • с выносной разделительной мембраной

Данные спецификации представлены с фланцевым креплением и с выносными разделительными мембранами. Модели 186,187, 188 являются преобразователями разрежения.

Датчики гидростатического давления
Спецификация 163 – с плоской мембраной, 164 – с погружной мембраной. Они применяются для точного определения уровня жидкости в различных емкостях и резервуарах.

Электрические датчики давления

Сегодня для цели измерения давления в разных областях промышленности используют отнюдь не только ртутные барометры и анероиды, но и различные датчики, отличающиеся как принципом действия, так и достоинствами и недостатками, свойственными каждому типу таких датчиков. Современная электроника позволяет реализовывать датчики давления непосредственно на электрической, электронной базе.

Так что же мы понимаем под словосочетанием «электрический датчик давления»? Какие бывают электрические датчики давления? Как они устроены, и какими обладают особенностями? И наконец, какой датчик давления выбрать, чтобы он максимально подошел для той или иной цели? В этом и разберемся по ходу данной статьи.

Прежде всего определимся с самим термином. Датчиком давления называется устройство, выходные параметры которого зависят от измеряемого давления. В качестве исследуемой среды может выступать пар, жидкость или какой-нибудь газ, в зависимости от сферы применения конкретного датчика.

Современным системам необходимы точные приборы данного типа, как важные составные части систем автоматизации энергетической, нефтяной, газовой, пищевой и многих других промышленностей. Жизненно необходимы миниатюрные датчики давления в медицине.

Любой электрический датчик давления включает в себя: чувствительный элемент, служащий для передачи воздействия на первичный преобразователь, схему обработки сигнала и корпус. Принципиально электрические датчики давления подразделяются на:

  • Резистивные (тензорезистивные);

  • Пьезоэлектрические;

  • Пьезорезонансные;

  • Емкостные;

  • Индуктивные (магнитные);

  • Оптоэлектронные.

Резистивный или тензорезистивный датчик давления — это устройство, чувствительный элемент которого изменяет свое электрическое сопротивление под действием деформирующей нагрузки. Тензорезисторы устанавливаются на чувствительную мембрану, которая под давлением изгибается, и изгибает прикрепленные к ней тензорезисторы. Сопротивление тензорезисторов меняется, и соответственно меняется величина тока цепи первичного преобразователя.

Растяжение проводящих элементов каждого тензорезистора приводит к росту длины и уменьшению поперечного сечения, в результате сопротивление растет. При сжатии — наоборот. Относительные изменения сопротивления измеряются тысячными долями, поэтому в схемах обработки сигнала используются прецизионные усилители с АЦП. Так деформация преобразуется в изменение электрического сопротивления полупроводника или проводника, и далее — в сигнал напряжения.

Тензорезисторы обычно представляют собой зигзагообразный проводящий или полупроводящий элемент, нанесенный на гибкую подложку, которая приклеивается к мембране. Подложка как правило — из слюды, бумаги или полимерной пленки, а проводящий элемент — из фольги, тонкой проволоки или полупроводника, напыленного в вакууме на металл. Соединение чувствительного элемента тензорезистора с измерительной цепью осуществляется при помощи контактных площадок или проволочных выводов. Сами тензорезисторы имеют обычно площадь от 2 до 10 кв.мм.

Тензорезистивые датчики отлично подойдут для оценки уровня давления, силы нажатия и измерения веса.

Следующий тип электрического датчика давления — пьезоэлектрический. В качестве чувствительного элемента здесь выступает пьезоэлемент. Пьезоэлемент на основе пьезоэлектрика генерирует электрический сигнал при деформации, это так называемый прямой пьезоэффект. Пьезоэлемент помещается в измеряемую среду, и тогда ток в цепи преобразователя будет по величине пропорционален изменению давления в этой среде.

Поскольку для возникновения пьезоэффекта требуется именно изменение давления, а не постоянное давление, то данный тип датчиков давления годится лишь для измерения давления в динамике. Если же давление будет постоянным, то процесса деформации пьезоэлемента не произойдет, и ток не будет пьезоэлектриком сгенерирован.

Применяются пьезоэлектрические датчики давления, например, в первичных преобразователях скорости потока вихревых счетчиков воды, пара, газа и других однородных сред. Такие датчики монтируют попарно в трубопровод с условным проходом от десятков до сотен миллиметров за телом обтекания и так регистрируют вихри, частота и количество которых оказываются пропорциональны объемному расходу и скорости потока.

Далее рассмотрим пьезорезонансные датчики давления. В пьезорезонансных датчиках давления работает обратный пьезоэффект, при котором пьезоэлектрик деформируется под действием подаваемого напряжения, и чем больше напряжение, тем сильнее деформация. В основе датчика — резонатор в форме пластины из пьезоэлектрика, с двух сторон которой нанесены электроды.

Про анемометры:  Где находится датчик электронной педали газа ваз 2114

При подаче на электроды переменного напряжения, материал пластины вибрирует, изгибаясь то в одну, то в другую сторону, и частота вибрации равна частоте подаваемого напряжения. Однако если теперь пластину деформировать, подействовав на нее внешней силой, например посредством чувствительной к давлению мембраны, то частота свободных колебаний резонатора изменится.

Так, собственная частота резонатора отразит величину давления на мембрану, которая давит на резонатор, приводя к изменению частоты. В качестве примера можно рассмотреть датчик абсолютного давления на базе пьезорезонанса.

В камеру 1 через штуцер 12 передается измеряемое давление. Камера 1 отделена мембраной от чувствительной измерительной части прибора. Корпус 2, основание 6 и мембрана 10 соединены герметично между собой, образуя вторую герметичную камеру. Во второй герметичной камере на основании 6 закреплены держатели 9 и 4, второй из которых прикреплен к основанию 6 при помощи перемычки 3. Держатель 4 служит для фиксации чувствительного резонатора 5. Опорный резонатор 8 зафиксирован держателем 9.

Под действием измеряемого давления, мембрана 10 давит через втулку 13 на шарик 14, который также закреплен в держателе 4. Шарик 14 давит в свою очередь 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 служит схема 15, которая из разности частот резонаторов формирует выходной сигнал. Сам датчик размещен в активном термостате 18, в котором поддерживается постоянная температура 40 °C.

Одними из наиболее простых являются емкостные датчики давления. Два плоских электрода и зазор между ними образуют конденсатор. Один из электродов — мембрана, на которую действует измеряемое давление, что и приводит к изменению толщины зазора между, по сути, обкладками конденсатора. Общеизвестно, что емкость плоского конденсатора изменяется с изменением величины зазора при постоянной площади обкладок, поэтому для фиксации даже очень малых изменений давления емкостные датчики оказываются весьма и весьма эффективными.

Малогабаритные емкостные датчики давления позволяют измерять избыточное давление в жидкостях, газах, в паре. В различных технологических процессах с применением гидравлических и пневматических систем, в компрессорах, в насосах, на станках — во множестве промышленных задач оказываются полезными емкостные датчики давления. Конструкция датчика устойчива к перепадам температур и вибрациям, невосприимчива к электромагнитным помехам и агрессивным условиям среды.

Еще один тип электрических датчиков давления, отдаленно похожих на емкостные — индуктивные или магнитные датчики. Проводящая мембрана, чувствительная к давлению, расположена на некотором расстоянии от тонкого Ш — образного магнитопровода, на среднем керне которого намотана катушка. Между мембраной и магнитопроводом выставлен определенный воздушный зазор.

Когда на катушку подается напряжение, ток в ней создает магнитный поток, который проходит как через сам магнитопровод, так и через воздушный зазор и через мембрану, замыкаясь. Поскольку магнитная проницаемость в зазоре приблизительно в 1000 раз меньше, чем в магнитопроводе и в мембране, то даже небольшое изменение толщины зазора приводит к ощутимому изменению индуктивности цепи.


Под действием измеряемого давления чувствительная мембрана претерпевает изгиб, и комплексное сопротивление обмотки изменяется. Преобразователь конвертирует это изменение в электрический сигнал. Измерительная часть преобразователя выполнена по мостовой схеме, где в одно из плеч включена обмотка датчика. Посредством АЦП сигнал с измерительной части переводится в пропорциональный измеряемому давлению электрический сигнал.

Последний тип датчиков давления, который мы рассмотрим, – оптоэлектронные датчики. Они довольно просто детектируют давление, имеют высокую разрешающую способность, обладают высокой чувствительностью, и термостабильны. Работающие на основе интерференции света, использующие для измерения малых перемещений интерферометр Фабри-Перо, эти датчики особо перспективны. Кристалл оптического преобразователя с диафрагмой, светодиод, и детектор, состоящий из трех фотодиодов — вот основные части такого датчика.

К двум фотодиодам пристроены оптические фильтры Фаби-Перо, имеющие небольшую разницу в толщине. Эти фильтры представляют собой кремниевые зеркала с отражением от передней поверхности, покрытые слоем оксида кремния, на поверхность которой нанесен тонкий слой алюминия.

Оптический преобразователь похож на емкостной датчик давления, диафрагма, сформированная методом травления в подложке из монокристаллического кремния, покрыта тонким слоем металла. На нижнюю сторону стеклянной пластины также нанесено металлическое покрытие. Между стеклянной пластиной и кремниевой подложкой существует зазор шириной w, получаемый при помощи двух прокладок.

Два слоя металла формируют интерферометр Фабии-Перо с переменным воздушным зазором w, в состав которого входят: подвижное зеркало, расположенное на мембране, меняющее свое положение при изменении давления, и параллельное ему стационарное полупрозрачное зеркало на стеклянной пластине.

Примерно на этой основе фирма FISO Technologies производит микроскопические чувствительные датчики давления, диаметром всего 0,55 мм, легко проходящие сквозь игольное ушко. При помощи катетера мини-датчик вводится в исследуемый объем, внутри которого и измеряется давление.

Оптическое волокно связано с интеллектуальным сенсором, в котором под управлением микропроцессора включается источник монохроматического света, вводимого в волокно, измеряется интенсивность обратно отраженного светового потока, по калибровочным данным вычисляется внешнее давление на датчик и выводится на дисплей. В медицине, например, такие сенсоры применяют для контроля внутричерепного давления, для измерений давления крови в легочных артериях, куда иным способом невозможно добраться.

Электрический измеритель газообразной среды

Такие манометры применяются для преобразования прямого или косвенного давления газа в электрический параметр. Наиболее часто встречающимися манометрами такого типа являются: тензорезистивные, емкостные и приборы сопротивления. Давление измеряется в диапазоне от 100 Па до 1000 МПа. Приборы изготавливаются с классами точности от 0,1 до 2,5.

Работа манометров, действующих на основе тензорезистивного эффекта заключается в изменении значения сопротивления проводника по причине деформации. Измеряют давление в диапазоне от 60 до 108 Па с минимальной погрешностью.

Фланцевое крепление датчика и особая конструкция прибора позволяет считывать данные о давлении в особо агрессивных средах с температурой до 300 °С. Применяются для измерения давления в системах с быстротекущими процессами.

Чувствительным элементом в таком приборе выступает манганиновая проволока, сопротивление которой легко измеряется уравновешенным мостом.

Работа емкостных манометров основывается на воздействии давления на мембрану, которая представляет собой подвижный электрод. Когда мембрана перемещается, следует изменение емкости преобразователя. Характеризуются значительными температурными погрешностями.

В емкостных манометрах прогиб мембраны определяется электрической схемой. Такие приборы применяются в системах с быстрыми перепадами давления.

Эталонные устройства для измерения давления

Этот тип манометров предназначен для проверки, калибровки и настройки других приборов в целях обеспечения максимально высокой точности измерений. Такие устройства отличаются более высоким классом точности в сравнении с общетехническими. Рабочие эталоны делятся на три разряда.

Контрольные манометры, используемые в целях контроля достоверности показаний измерительных приборов по месту установки, также называют манометрами повышенной точности. Рабочий диапазон измерения от 0-0,6 до 0-1600 бар для газообразных сред.

Манометры для обычных и композитных газовых баллонов должны проходить процедуру поверки не реже одного раза в год, если иные сроки не указываются в документах к прибору. Поверку осуществляют аккредитованные метрологические организации, обладающие статусом юридических лиц. После поверки выдается свидетельство и ставится клеймо.

Передаточные механизмы в эталонных манометрах обрабатываются с повышенной частотой зубчатого зацепления. Они характеризуются минимальным трением в стрелочном механизме, а также высокой чувствительностью внутренних элементов.

Образцовые манометры, с классом точности 0,4 имеют шкалу из 250 единиц, с классом точности 0,15 или 0,25 имеют шкалу из 400 единиц с ценой деления 1 единица. Эксплуатация устройства возможна при различной температуре в зависимости от наполнителя корпуса. Идеальная рабочая температура составляет 20 °С.

Со спецификой проведения заправки газовых баллонов ознакомит следующая статья. Прочитать ее стоит всем владельцам загородной собственности, не подключенной к централизованному газоснабжению.

Заключение

Помимо 7 главных критериев при выборе датчиков давления необходимо учитывать и другие условия эксплуатации: перепады температуры, вибрации, ударов, помех по цепям питания, наличия взрывоопасных установок и т.д. На нашем сайте вы найдете широкий выбор преобразователей давления, датчиков и реле давления, манометров и метрологического оборудования. Только качественные датчики!

Оцените статью
Анемометры
Добавить комментарий

Adblock
detector