Прибор датчик давления

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

Принципы реализации

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, емкостной, индуктивный, резонансный, ионизационный, пьезоэлектрический и другие.

Тензометрический метод

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

Пьезорезистивный метод

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.

Ёмкостной метод

Ёмкостные преобразователи используют метод изменения ёмкости конденсатора при изменении расстояния между обкладками. Известны керамические или кремниевые ёмкостные первичные преобразователи давления и преобразователи, выполненные с использованием упругой металлической мембраны. При изменении давления мембрана с электродом деформируется и происходит изменение емкости. В элементе из керамики или кремния пространство между обкладками обычно заполнено маслом или другой органической жидкостью. Недостаток — нелинейная зависимость емкости от приложенного давления.

Резонансный метод

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

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

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

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.

Сигналы с датчиков давления могут быть как медленноменяющимися, так и быстропеременные. 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

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

В современной промышленности не обойтись без точных приборов измерения, которые служат для учета расхода различных жидкостей, а также газа, газовых смесей и пара. Помимо расходомеров с разными принципами действия, широко применяются электронные датчики давления. Они являются неотъемлемой частью измерительных комплексов, а также входят в состав теплосчетчиков, используются в системах автоматизированного контроля технологических процессов. Датчики давления востребованы в энергетике, пищевой промышленности, нефтяной и газовых отраслях и других сферах производства.

Это устройство для измерения и преобразования давления среды — жидкости, газа или пара. Полученное значение выводится на дисплей или передается в виде аналогового или цифрового выходного сигнала. Принцип работы зависит от типа измеряемого давления, которое может быть абсолютным, избыточным и дифференциальным.

Типы датчиков давления

Так, в пищевом и химическом производстве широкое применение получил интеллектуальный датчик абсолютного давления, осуществляющий измерение относительно абсолютного вакуума. Отметим, что именно такое измерение применяется в узлах учета газа, пара и тепловой энергии для приведения расхода к стандартным условиям.

Решать задачи учета расхода измеряемой среды позволяет датчик дифференциального давления. Принцип его работы заключается в измерении разности давлений между двумя полостями – плюсовой и минусовой. Могут применяться для учета расхода, при помощи сужающих устройств. Сужающее устройство в трубопроводе представляет собой местное сопротивление, при прохождении через которое изменяется характер течения потока. Непосредственно перед сужающим устройством давление среды возрастает, а после него – снижается. Чем больше разница на входе и выходе сужающего устройства, тем больше расход среды, протекающей по трубе.

Кроме того, такой датчик позволяет производить учет объема жидкости не только в трубе, но и в емкости при помощи измерения давления столба жидкости на плюсовую мембрану и, при необходимости, измерения минусовой полостью давления под куполом емкости, для исключения влияния насыщенных паров. Такой метод называют гидростатическим.

В системах автоматического контроля, регулирования и управления технологическими процессами не обойтись без такого прибора, как датчик избыточного давления. Он может использоваться в составе водяных систем теплоснабжения, а также входить в комплектацию узлов коммерческого и технологического учета жидкостей, газа и пара.

Продуктовая линейка «ЭМИС-БАР»

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.

Устройство прибора

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:

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.

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.

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

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

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.

Точные измерительные приборы – важная составляющая деятельности всех современных отраслей хозяйства. Они служат для своевременного учета расхода разных жидкостей, нужны в работе с газовыми смесями и паром.

Кроме классических расходомеров, обладающих различными принципами действия, часто применяются еще и электронные приборы, измеряющие давление. Подобные устройства – обязательный элемент большей части измерительных комплексов и теплосчетчиков. Они часто входят в состав систем, служащих для осуществления автоматического контроля.

Так называемые датчики давления востребованы на предприятиях энергетического комплекса, в производстве продуктов питания, нефтеперерабатывающей сфере и других отраслях, где требуется знать цифровое значение давления для обеспечения бесперебойной и безопасной работы оборудования.

Что такое датчик давления

Датчик давления – это прибор, предназначенный для мониторинга давления в жидкостной либо газообразной среде с передачей сигнала о полученных измерениях на соответствующее оборудование. Это необходимо для своевременной корректировки параметров различных технологических процессов.

Датчик для измерения давления является компактным устройством, представляющим собой жидкокристаллический дисплей в алюминиевом корпусе. В него входят специальные трубки, которые оценивают давление конкретной среды – жидкости, газа или пара, а затем преобразовывают его либо выводят на экран его числовое значение при помощи аналогового или цифрового сигнала.

Принцип осуществления деятельности данного прибора напрямую зависит от типа измеряемого давления:

Датчики давления используются преимущественно в пищевом или же химическом производстве. Особенно интересным вариантом можно назвать практичный и современный интеллектуальный датчик, служащий для измерения абсолютного давления, а также реализующий измерение относительно величины абсолютного вакуума. Данное измерение наиболее часто применяется там, где необходимо произвести быстрый учет давления газа, пара или же тепловой энергии.

По конструкции элементов чувствительности датчики делятся на волоконно-оптические и оптоэлектронные. Первые включают оптический волновод и определяют давление в результате поляризации света. Вторые проводят свет через многослойную конструкцию, каждый слой которой меняет его свойства в зависимости от давления среды.

По виду измерений для датчиков давления принята следующая классификация:

1. Датчик дифференциального давления помогает удачно решать задачи по учету расходования замеряемой среды. Принцип его действия заключается в замере разностей давления между двумя находящимися рядом полостями – плюсовой и минусовой. Он применяется для успешного учета расходов. Узкое устройство в коммуникациях является местным сопротивлением. В процессе прохождения через него происходит изменение характера скорости потока. Перед данным сужающим устройством давление в атмосферах значительно возрастет, а после него – снижается. Чем более высокого коэффициента достигает разница, имеющаяся на входе, а далее и на выходе сужающего устройства, тем выше будет расход той среды, которая протекает по данной трубе. Подобный датчик без особых проблем позволит произвести учет объема данной жидкости не только в самой трубе, но и в данной емкости. Это можно осуществить при помощи измерения давления в столбе жидкости, которая воздействует на плюсовую мембрану. Кроме того, в некоторых случаях производится измерение результатов в минусовой полости давления, которая находится непосредственно под куполом данной емкости. Это необходимо для того, чтобы надежно произвести исключение чрезмерного влияния большинства насыщенных паров. Этот способ называется гидростатическим.

2. Датчик избыточного давления нужен для успешной регулировки и дальнейшего управления всеми техническими процессами. Он может применяться в составе большинства водяных систем, используемых для дальнейшего теплоснабжения; входит в необходимую комплектацию узлов, служащих для коммерческого и полноценного технологического учета всех требуемых жидкостей, газов и пара.

Комплексное исполнение датчика давления позволяет использовать его по назначению. Такое устройство применяется в условиях низких и высоких температур, а также в наиболее агрессивных средах.

В каждой из отраслей хозяйства необходимость того или иного датчика определяется сугубо индивидуальным способом, а также реальной надобностью. Выбор прибора зависит от того, какие перед ним поставлены задачи, а также от текущих условий эксплуатации. Заказчик самостоятельно выбирает материал, требующийся для изготовления мембраны разделения, а также корпуса электронного блока.

Технические характеристики и преимущества

К ключевым техническим опциям интеллектуальных датчиков давления можно отнести следующие:

Датчик давления имеет высокую точность измерений. Если осуществляется специальный заказ, погрешность не превышает 0,04%. Датчики хорошо показывают себя в широком диапазоне измерений, в процессе самодиагностики и перегрузки.

Интеллектуальный счётчик — это надежное средство измерения, которое отвечает заявленным метрологическим и технико-эксплуатационным параметрам, легко работает в агрессивной среде и при низких температурах. Дополнительные плюсы – высокий уровень визуализации, простота использования, комфортный вывод информации на дисплее. Своевременно узнав о превышении давления, можно спланировать действия для предотвращения серьезных проблем.

Устройство датчика давления

Датчик давления состоит из преобразующего элемента; элемента, воспринимающего давление; приемника давления; системы вторичной обработки цифрового сигнала и устройства вывода информации. Все это скрывается в общем корпусе, оснащенном цифровым дисплеем.

Методы измерения давления при помощи датчика:

Области применения

Датчики можно использовать в следующих областях:

Счетчики давления позволяют держать под контролем большинство производственных процессов, успешно применяются в важных социальных сферах. Без них невозможно представить нормальную жизнедеятельность.

Как выбрать

Для того чтобы избежать серьезных финансовых расходов и правильно подойти к выбору датчика давления, необходимо учесть несколько важных качественных характеристик:

Учитывая соответствующие факторы, можно найти подходящий датчик давления, который прослужит максимально долгое время без поломок и прочих проблем. Важно лишь подобрать достойного производителя, имеющего нужную документацию и положительные отзывы, а также правильно произвести установку и начальную настройку.

Цены, наличие и другие данные, указанные на сайте, не являются публичной офертой. Для уточнения информации свяжитесь с нашими специалистами любым удобным для Вас способом

Давление — одна из важных физических характеристик текучих сред — жидкостей, расплавленных металлов и газов. В машиностроении разнообразные жидкости и газы широко используются в качестве рабочих тел систем машин и механизмов, поэтому нередко возникает необходимость измерения и контроля над давлением в этих средах.

Конструкции современных автомобилей также используют большое число датчиков давления различных жидкостных и газообразных текучих сред, и их количество постоянно растет. Независимо от метода измерения, датчики могут определять избыточное, абсолютное или дифференциальное давление. При этом могут использоваться разные единицы измерения давления. Чтобы исключить возможную путаницу в этих единицах, в таблице 1 приведены соотношения между используемыми в различных технических источниках единицами измерения давления.

Таблица 1. Единицы измерения давления

* внесистемная единица измерения давления, иногда употребляемая в США и некоторых англоязычных странах.

В таблице 2 приведены некоторые узлы автомобиля, где имеется необходимость измерения давления с целью получения управляющих сигналов для ЭСАУ.

Таблица 2. Некоторые датчики давления, применяемые в автомобильной технике

Датчики барометрического и абсолютного давления во впускном коллекторе

Такие датчики используются в ЭСАУ автомобильных двигателей для определения объемного расхода воздуха, с целью регулирования количества впрыскиваемого за рабочий цикл топлива. Это регулирование необходимо для обеспечения заданного состава топливовоздушной смеси на различных режимах работы ДВС и при различных внешних условиях.

Этот способ измерения дешевле в реализации по сравнению с непосредственным измерением массового расхода воздуха, но менее точен и используется в бортовых диагностических системах второго поколения OBD-II.

В некоторых конструкциях ЭСАУ двигателей такой датчик давления используется совместно с расходомером воздуха, а в двигателях с наддувом могут использоваться несколько датчиков давления.

Датчики барометрического (атмосферного) давления адаптируют ЭБУ двигателя к перепадам высоты и изменениям атмосферного давления. Обычно применяются совместно с объемным расходомером воздуха в одном корпусе.

Измерение атмосферного давления производится при включении зажигании до запуска ДВС. Если автомобиль эксплуатируется в условиях больших перепадов высот (например, в горах), для адаптации подачи топлива к новой высоте необходимо останавливаться и перезапускать двигатель.

Рис. 1. Комбинированный датчик барометрического давления и разрежения: а) Ford, б) Chrysler; 1 – трубка соединения вакуумного шланга с впускным коллектором; 2 – трубка соединения с атмосферой

Часто в системах управления двигателем используются комбинированные датчики, измеряющие и атмосферное давление, и давление во впускном коллекторе (рис. 1). Такие датчики иногда называют MAP-сенсорами (Manifold Air Pressure) и крепят непосредственно к стенке впускного коллектора.

Датчики, применяемые для измерения разрежения во впускном трубопроводе, могут быть различных конструкций.

Датчики давления дискретного действия представляют собой устройство, где замыкание и размыкание контактов происходят под действием упругой мембраны, испытывающей измеряемое давление.

Датчики давления непрерывного действия представляют собой либо потенциометр, ползунок которого связан с мембраной, либо катушку индуктивности, в которую мембрана под действием давления вдвигает магнитный сердечник.

Интегральные датчики давления подключаются к ЭБУ через коммутатор и АЦП. В зависимости от разрядности контроллера шаг дискретизации показаний датчика может составлять до 4 мс (8-разрядный), до 2 мс (16-разрядный). Эти датчики отличаются небольшими размерами, высокой надежностью и унифицированным выходным сигналом, благодаря чему, они используются для подключения к аналоговым или импульсным входам микроконтроллера.

В современных ЭСАУ применяются микромеханические или толстопленочные датчики давления . Микромеханические датчики давления (рис. 2) имеют более прогрессивную конструкцию, и обеспечивает более высокую точность измерений. Большинство современных датчиков давления построены по микромеханической технологии. Микромеханические датчики, это полупроводниковые датчики с преобразователем давления на кремниевом кристалле в работе которых используется пьезорезистивный эффект (рис. 2, 3).

На поверхности кремниевого кристалла сформирован мост из четырех тензорезисторов, ток через которые изменяется под действием прогиба чувствительной диафрагмы. С одной стороны диафрагмы расположена камера с вакуумом, с другой на диафрагму воздействует давление воздуха во впускном коллекторе. В зависимости от конструкции датчика, давление воздействует непосредственно на диафрагму или через защитный слой.

Рис. 2. Микромеханические пьезорезистивные датчики T-MAP BOSCH абсолютного давления до 400 кПа: а) типичный внешний вид датчика; б) конструкция сенсорной ячейки: 1-защитный гель; 2-давление; 3-сенсорный чип; 4-присоединяемые выводы; 5-керамическая подложка; 6-стеклянное основание; в) конструкция датчика давления: 1-присоединяемые выводы; 2-крышка; 3-сенсорный кристалл; 4-керамическая подложка; 5-корпус с фитингом измеряемого давления; 6-прокладка; 7-NTC-элемент

Рис. 3. Упрощенная электрическая схема датчика абсолютного (атмосферного) давления с цепями компенсации: А – цепь температурной компенсации, В – измерительный мост, С – подстройка нуля, D – коэффициент усиления, Е – термокомпенсация усилителя

Информацию о давлении в зависимости от конструкции датчика несет величина выходного напряжения или его частота. Погрешность датчика абсолютного давления во впускном коллекторе обычно составляет порядка 1%, а датчика барометрического давления – около 1,5%, причем, по краям рабочего диапазона погрешность растет как по температуре, так и по давлению.

Датчики давления в жидкостных средах

Работа таких датчиков, как правило, основана на преобразовании перемещения упругой диафрагмы в положение переключателя или движка потенциометра. На таком принципе, например, в старых конструкциях, работали датчики давления масла в ДВС.

В современных автомобилях все больше используются кремниевые или керамические интегральные датчики. Непосредственно в корпусе датчика размещают унифицирующие преобразователи. Имеется защита от электромагнитных помех, микросхемы работают при температуре -40. +150 °С в условиях вибраций, при различных давлениях в агрессивных химических средах.

Датчик давления топлива в аккумуляторе системы Common Rail (рис. 4) вворачивается непосредственно в топливную рейку высокого давления. Топливо попадает в датчик через отверстие в аккумуляторе и канал в корпусе датчика и под давлением воздействует на диафрагму. Чувствительный полупроводниковый элемент датчика, расположенный на диафрагме, преобразует давление в электрический сигнал, который усиливается в обрабатывающем контуре и поступает в ЭБУ.

Рис. 4. Датчик давления топлива в аккумуляторе системы Common Rail: 1 — электрические выводы; 2 — чип со схемой обработки сигнала; 3 — диафрагма с чувствительным элементом; 4 — топливный канал

Датчики давления в газовых средах

Известно, что автомобиль производит токсичные отходы в процессе эксплуатации: 60% в виде выхлопных газов, 20% в виде картерных газов и 20% за счет испарений топлива. Со всеми этими выбросами успешно борются соответствующие системы в составе ЭСАУ двигателем.

Для уменьшения вредного влияния испарений топлива они из бака поступают в адсорбер с активированным углем, объемом 850. 1000 см 3 , где накапливаются и сжигаются в двигателе в определенное время. На рис. 5 показана система улавливания паров бензина из топливного бака, в которой для управления продувкой адсорбера используется клапан с дифференциальным датчиком давления между давлением в задроссельной зоне впускного коллектора и давлением паров топлива в баке с рабочим диапазоном ±3,5 кПа.

Рис. 5. Система улавливания паров бензина

В современных двигателях для уменьшения содержания окислов азота (NOx) в выхлопных газах используется система EGR (exhaust gas recirculation) рециркуляции выхлопных газов. Это система является частью ЭСАУ двигателем. Окислы азота возникают в камере сгорания при температуре выше 1370 °С. В присутствие солнечного света NOx вступает в реакцию с углеводородом, образуя канцерогенный фотохимический смог.

На частичных режимах работы двигателя ЭСАУ снижает температуру сгорания рабочей смеси, путем введением небольшого количества (6. 10%) выхлопных газов из выпускного во впускной коллектор. Так как выхлопные газы инертны, то они разбавляют топливовоздушную смесь, не изменяя соотношения воздух/топливо. Регулирование количества подаваемых отработавших газов производится клапаном EGR, исправность работы которого постоянно контролируется ЭБУ. Например, на некоторых автомобилях в трубе между EGR и впускным коллектором измеряется дифференциальное давление по обе стороны с помощью датчика дифференциального давления. Когда клапан EGR открывается, это давление убывает, когда клапан EGR закрыт, давление по обе стороны вставки становится одинаковым.

При сгорании топлива в дизеле образуются частицы сажи – микроскопические углеродистые частицы диаметром около 0,05 мкм на которых адсорбируются различные углеводородные соединения, оксиды металлов и сера. Состав частиц сажи зависит от параметров рабочего процесса, режимов работы двигателя и состава топлива. Некоторые углеводородные соединения опасны для здоровья человека. Сажевый фильтр задерживает содержащиеся в газах частицы сажи. При заполнении фильтра сажей до определенной величины система управления двигателем запускает процесс активной регенерации. Степень заполнения фильтра сажей определяется блоком управления по его газодинамическому сопротивлению с помощью дифференциального датчика перепада давления до сажевого фильтра и после (рис. 6).

Рис. 6. Дифференциальный датчик давления перепада давления

Мембранные потенциометрические датчики давления

В таких датчиках чувствительным элементом является гибкая диафрагма или мембрана. При изменении давления ее перемещение преобразуется в положение движка потенциометра. Недостатки потенциометрических датчиков заключаются в износе, а также в статическом трении из-за чего затруднено регулирование в диапазоне менее 0,5% от номинала.

Рис. 7. Потенциометрический датчик давления: 1 – преобразователь; 2 – щетка; 3 – контакты разъема; 4 – щеткодержатель; 5 – ось поводка; 6 – поводок; 7 – возвратная пружина; 8 – рычаг; 9 – шток; 10,13 – корпус; 11 – мембрана; 12 – канал

Резистивный проволочный потенциометр со скользящим контактом – один из наиболее простых и эффективных преобразователей перемещения, в котором скользящий контакт (движок) соединен с перемещающейся под действием давления мембраной, а остальная часть потенциометра закреплена неподвижно. Движок потенциометра контактирует с отдельными витками на катушке, поэтому выходной сигнал (напряжение) преобразователя изменяется не непрерывно, а в виде чередующихся малых и больших скачков. Малый скачок возникает, когда движок замыкает два соседних витка, большой – в момент перехода движка к следующему витку и размыкания контакта с предыдущим витком. Следовательно, разрешение такого преобразователя зависит от диаметра провода и может быть повышено путем использования более тонкого провода. Потенциометр с плотностью намотки 50 витков на миллиметр имеет предельное разрешение 20 мкм, что близко к практическому пределу.

В современных автомобилях используются потенциометры, выполненные по пленочной технологии, где резистивный элемент представляет собой керамическое основание с нанесённой топологией проводникового, резистивного и защитного слоёв. Такие датчики могут эксплуатироваться в достаточно жёстких условиях.

Датчики давления на основе линейных дифференциальных трансформаторов (ЛДТ)

Линейный дифференциальный трансформатор – это электромеханическое устройство, вырабатывающее выходной электрический сигнал, пропорциональный перемещению ферромагнитного сердечника под действием смещения диафрагмы. ЛДТ состоит из первичной и двух вторичных обмоток, симметрично расположенных на цилиндрическом каркасе. Свободно движущийся внутри обмоток ферромагнитный сердечник в форме стержня обеспечивает связь этих обмоток через магнитный поток (рис. 8 ).

Рис. 8. Принципиальная схема линейного дифференциального трансформатора

При подаче переменного напряжения U1 на первичную обмотку (3. 15 В с частотой 2. 5 кГц) в двух вторичных обмотках наводятся ЭДС взаимной индукции. Вторичные обмотки включены последовательно и встречно, поэтому результирующий выходной сигнал U0 преобразователя представляет собой разность этих напряжений и равен нулю, когда сердечник находится в центральной (нулевой) позиции. При перемещении сердечника из нулевой позиции напряжение, индуцируемое во вторичной обмотке, к которой движется сердечник, возрастает, а напряжение, индуцируемое в другой вторичной обмотке, уменьшается. В результате вырабатывается дифференциальный выходной сигнал, величина которого линейно зависит от положения сердечника. Фаза выходного напряжения изменяется скачком на 180° при переходе через нулевую позицию. Информацию о перемещении несет амплитуда и фаза выходного сигнала. Погрешность подобного преобразования перемещения сердечника в напряжение составляет около 0,25%. Коэффициент трансформации дифференциального трансформатора 10:1. 2:1.

На автомобилях ЛДТ обычно не используются, но могут применяться, например, для измерения абсолютного давления во впускном коллекторе, давления масла, топлива и т.п. ЛДТ характеризуется отсутствием трения, стабильностью выходного сигнала и способностью работать в агрессивных средах.

Емкостные датчики давления

Емкостные датчики давления используют метод изменения емкости конденсатора при изменении расстояния между обкладками-электродами. Принципиально конструкция состоит из конденсатора, одна из обкладок которого закреплена на упругой металлической мембране (или выполнена в виде мембраны). При изменении давления мембрана с электродом деформируется, и расстояние между обкладками конденсатора изменяется.

Рис. 9. Емкостной датчик с кремниевым чувствительным элементом

На приведенном рисунке одна из обкладок конденсатора выполнена в виде упругой мембраны, которая прогибается при изменении действующего на нее давления. Мембраны для таких датчиков обычно выполняются из кремния (рис. 9) или керамики, при этом конструкции датчиков аналогичны независимо от материала мембраны.

На кремниевой подложке расположен твердый слой, являющийся нижней обкладкой конденсатора. В изолирующем слое стекла и кварца закрепляется кремниевая мембрана, являющаяся второй обкладкой конденсатора. В этом же изолирующем слое имеются токопроводящие электроды от обеих обкладок конденсатора. Между обкладками образуется герметичная полость или вакуум. Иногда пространство между обкладками заполняется маслом или какой-нибудь органической жидкостью.

Подобные датчики все чаще используются в различных системах автомобиля, например, для измерения давления в шинах, во впускном коллекторе двигателя и т.п. Например, емкость подобных конденсаторов применяемых для измерения давления впуска в двигатель и меняется линейно примерно от 32 до 39 пФ при изменении давления от 17 до 105 кПа. Размеры такого датчика 6,7×6,7 мм.

Отлаженная работа системы водоснабжения является одним из важнейших атрибутов комфортного проживания как в шикарном коттедже, так и в скромном дачном домике. Часто владельцам приходится обустраивать индивидуальную водопроводную сеть. Ведь далеко не во всех населенных пунктах существует централизованная подача воды.

Датчик давления воды в системе водоснабжения позволит автоматизировать подачу ее к кранам. Небольшой по размеру прибор значительно увеличит ресурс насосного оборудования, заодно предотвратит разрушительные для техники гидроудары.

О том, как работает устройство и как его грамотно подобрать с учетом рабочих характеристик водопровода, узнаете, ознакомившись с представленной нами информацией. Мы подробно описали устройство и принцип работы датчика. Предложенные к рассмотрению сведения дополнили фото и видео-материалами.

Назначение и сфера использования прибора

Вопросы, о которых даже не подозревают многие жители крупных городов, после приобретения загородной недвижимости сразу же становятся актуальными. Среди них – устройство личного водопровода, одним из важных элементов которого является датчик давления.

Жизнь на свежем воздухе вдвойне приятна, если можно принять ванну, воспользоваться стиральной машиной или включить автоматический полив грядок, засаженных домашними овощами, клубникой и зеленью. Чтобы удовлетворить все потребности жителей конкретного частного домовладения, требуется отлаженная система снабжения водой.

Для автоматизации процесса забора воды в автономные водопроводы устанавливаются датчики давления, со спецификой использования которых знакомит следующая подборка:

Фото из

Датчики давления — устройства, реагирующие на понижение и повышение значений давления воды в водопроводе выше или ниже заданных пользователем пределов

Приборы, реагирующие на изменение давления в системе, работают в тандеме с гидроаккумулятором

При повышении давления, формируемого мембраной гидроаккумулятора, создается коммутация электрической цепи, отключающая питание насоса. При понижении датчик отдает команду на включение

Насосные станции, предназначенные для откачки воды из неглубоких источников или перекачки ее из накопителя, оснащаются реле давления в процессе сборки

Есть датчики давления, выполняющие не только прямые обязанности. К примеру, стрелочные электромеханические модели останавливают агрегат при угрозе работы «всухую»

Аналогичную работу выполняет блок автоматики, отличающийся от электромеханических датчиков более сложным устройством и возможностью более точно корректировать значения давления

При использовании блока автоматики в систему необязательно включать гидробак, т.к. он в миниатюрном варианте есть в приборе. В выпускаемых в последние годы бытовых насосах блок автоматики нередко монтируется в корпус

Датчики давления используются в системах с поверхностными и погружными насосами. Их устанавливают в независимые системы для автоматизации процесса забора воды

Датчик давления в автономном водопроводе

Использование в паре с гидробаком

Прибор установлен на гидроаккумулятор

Датчик в формате насосной станции

Реле давления стрелочного типа

Электронный блок автоматики

Вмонтированный блок автоматики

Сфера применения датчиков давления

Хозяева дач и коттеджей используют воду из колодцев и скважин. Для ее забора применяют современное оборудование, сердцем которого служит насос. Он, по мере необходимости, подкачивает воду. Чтобы продлить срок службы, устанавливают специальный датчик, следящий за давлением воды в трубопроводе.

Чтобы вода на даче не закончилась в самый неподходящий момент, например, во время мытья посуды или в разгар купания, поможет авто контроль за включением насоса

Второе название этого прибора – реле давления. В некоторых моделях насосных станций он идет в комплекте. Датчик имеет настройки, установленные фирмой производителем. Его предназначение – обеспечить оптимальную частоту включения и выключения насоса.

Если реле отлично справляется с возложенной на него функцией, то сердце индивидуального водопровода проработает длительное время. В противном случае насос может перегреться и быстро сгореть

Когда 5-6 домочадцев постоянно проживают в доме, они включают краны, чтобы помыть руки, пользуются унитазом, моют посуду, принимают ванну, используют воду для мытья автомобиля или полива огорода. Сложно представить, как долго выдержал бы насос, работу которого не контролирует датчик. Он бы включался каждый раз, когда пользователи нуждаются в воде.

Регулярное падение давления и в результате слабый напор воды, чревато частым включением насоса. Это может происходить из-за неправильной настройки датчика давления воды

Классификация моделей контроллеров

Рынок оборудования и запчастей для систем водоснабжения изобилует предложениями отечественных и зарубежных заводов. Среди датчиков давления можно встретить как недорогие и простые модели российских производителей, так и дорогие многофункциональные решения.

Дорогие варианты контроллеров давления содержат встроенный датчик давления. Такого рода приборы, как правило, не только контролируют давление, но и выравнивают его

Все разновидности датчиков можно поделить на 2 основные группы:

Первый тип приборов имеет металлическую пластину, которая реагирует на давление мембраны гидробака в системе, замыкая или размыкая контакты. Если его значение недостаточное, то происходит включение насоса, а в противном случае – отключение.

Электронный тип датчиков посылает сигнал о деформации мембраны в систему автоматического регулирования. Полученная информация анализируется, поступает команда отключить/включить насос.

Такое оборудование весьма чутко реагирует на малейшее отклонение от установленных значений, имеет защиту от «сухого» хода. В зависимости от модели, возможен автоматический запуск системы после аварийного отключения, уведомление владельца о неполадках путем отправки сообщения на мобильный телефон и другие дополнительные функции.

Сложные приборы целесообразно ставить в загородных домах, где планируется проживание круглый год нескольких членов семьи

Например, испанский регулятор KIT 02, выполняющий функции датчика давления, умеющий поддерживать постоянное давление заданной величины, защищающий от сухого хода, имеет клапан обратного хода, встроенный манометр, гасит гидроудары. Но стоимость этой модели далека от 1000 рублей.

Наиболее популярные варианты устройств давления воды в частной системе водоснабжения:

Одним из бюджетных решений может стать датчик от фирмы Джилекс РДМ-5. Он имеет заводские настройки нижнего и верхнего предела 1,4 и 2,8 атмосфер соответственно. Менять диапазон можно самостоятельно, учитывая, что рабочие значения этого прибора от 1,0 до 4,6 атмосфер.

Сравнительная таблица различных датчиков от российских и европейских производителей. Два последних варианта – электронные. Их стоимость в разы превышает механические

Прибор немецкой компании Grundfos модель FF4-4 отличается возможностью задавать настройки с точностью до 0,01 атм. Его рабочий диапазон составляет от 0,07 до 4 атмосфер, а FF4-8 – до 8 атм. У него имеется прозрачная крышка и специальная шкала внутри устройства.

Хорошо продуманная функциональность и отличный дизайн немецких моделей доставляет удовольствие от использования устройства

Все это значительно упрощает самостоятельную регулировку – не нужно крутить гайки и гадать, достаточно ли. Шкала сразу показывает результат. Главное отрицательное качество устройства – стоимость, которая почти в 5 раз выше РДМ-5.

Устройство и принцип работы типового датчика

Чаще всего владельцами используются датчики механического типа. Их основное преимущество – независимость от электричества. Они не требуют выделения специальной розетки для включения устройства в работу.

Эти приборы предназначены для включения и отключения насоса при достижении заданных показателей давления. Поэтому насос подключается к сети через датчик.

Строение прибора зависит от модели и производителя. Чаще дачники используют самое простое российское реле (+)

Самый простой и популярный механический датчик РДМ-5. Он состоит из таких элементов:

Более дорогие модели иностранных производителей могут иметь шкалу для регулировки, встроенный манометр и другие составляющие, которые позволяют выполнять самые разнообразные функции.

С датчиком давления воды значительно удобнее организовать полив грядок, клумбы, кустарников и газона

По количеству возможностей и стоимости можно выделить такие группы датчиков давления:

Устройство электронных контроллеров со встроенным реле давления и манометром сложнее, чем у механических. Такие приборы, в зависимости от модели, имеют дополнительный регулятор, предотвращающий перепады давления воды в системе. Это обеспечивает всегда равномерный напор, вне зависимости от того, работает ли в конкретный момент насос.

Датчик, контролирующий работу насоса, устанавливается, как правило, в системах водоснабжения с гидроаккумулятором. Прибор всегда монтируется перед накопительным баком. Его функция заключается в постоянном измерении давления воды в системе. Эти показания датчик сравнивает с заданным показателями.

Если домовладение расположено в местности с частым отключением электроэнергии, то есть смысл установить накопительный бак большого объема на чердаке

Как только давление становится ниже, чем предусмотрено настройками, контакты замыкаются и насос включается, начиная забор воды. Она заполняет гидроаккумулятор, который помогает создавать требуемое давление.

В момент фиксации датчиком верхнего предела давления, заданного владельцем дома, происходит размыкание электрических контактов – насос прекращает работу.

Частота включения/выключения зависит от объема гидроаккумулятора, давления в системе и количества потребителей воды. Например, если хозяйка коттеджа принимает ванну, ее муж наслаждается гидромассажем в душевой кабинке, а на кухне работает посудомоечная машина, то датчик в определенный момент включит насос.

Сначала при включении кранов и душевых леек вода будет поступать из накопительного бака. Как только ее количество уменьшится, мембрана емкости тоже уменьшит сопротивление.

Соответственно, давление в системе станет меньше. Мембрана гидробака сразу же отреагирует на это изменение и, как только показания достигнут нижнего предела давления, установленного пользователем, контакты реле давления замкнутся.

В этот момент включится насос и начнет закачивать воду в систему, заодно заполняя освободившееся пространство в гидроаккумуляторе. Если краны еще открыты, то вода из скважины будет поступать до тех пор, пока давление в системе не достигнет верхнего предела диапазона, заданного владельцем.

Объем гидроаккумулятора зависит от потребностей конкретного домовладения и его жителей. Чем больше людей проживает и чем больше установлено сантехнических приборов, тем большая вместительность бака потребуется

Если же в доме в качестве датчика используется электронный контроллер с дополнительными функциями, то в момент, когда давление падает, напор воды не становится слабее. Встроенный регулятор помогает поддерживать нужное давление, и пользователь ничего не заметит, в отличие от ситуации с использованием простого датчика давления.

Принципы выполнения регулировки

Прибор, следящий за давлением и управляющий работой насоса в автоматическом режиме, весьма удобен в использовании. Он почти не нуждается во внимании и обслуживании. Разве 1-2 раза в год предстоит прочистить от мусора и проверить, как датчик справляется с контролем заданного диапазона давления воды.

Что нужно знать перед началом работ?

Изначально у владельца, купившего такой прибор, есть 2 варианта:

Первый вариант удобен, когда параметры насоса и давления в системе соответствуют заводским показателям. У простых отечественных моделей они составляют 1,4 и 2,8 атмосфер соответственно для нижнего и верхнего предела. В зависимости от прибора и компании производителя эти цифры могут отличаться.

Верхний и нижний предел заводских настроек обязательно указываются в паспорте в разделе технических характеристик

Если указанный диапазон подходит владельцу дома, то остается только поставить датчик, следуя инструкции по установке. В противном случае предстоит самостоятельная регулировка датчика, контролирующего давление воды в частной системе водоснабжения.

Удобнее настраивать желаемый диапазон в моделях, имеющих встроенный манометр и более чувствительную шкалу делений. Но стоимость такого решения обойдется в кругленькую сумму.

Перед тем, как приступить к регулировке прибора, нужно посмотреть в паспорте максимально допустимый рабочий диапазон и сравнить эти данные с мощностью насоса. Важно оставить небольшой запас – нельзя допустить работу оборудования по максимуму. Этот зазор около 0,5 атмосфер.

Также, следует помнить, что оптимальный диапазон срабатывания насоса составляет 1-1,5 атм. Больше делать не стоит – могут возникать гидроудары, которые наносят непоправимый вред оборудованию. Минимальный порог включения насоса в работу должен быть не менее 1,4 атм.

Если во время работы насоса есть вероятность понижения уровня воды в водозаборе ниже пределов, необходимых для нормального функционирования оборудования, то датчик давления лучше дополнить блоком автоматики. Тогда агрегат будет отключаться при угрозе «сухого хода»

Еще перед настройкой датчика обязательно нужно узнать, какое давление в гидроаккумуляторе. Для этого его отключают от сети, сливают воду, манометром проверяют давление.

Если показания 1,4 атмосферы и менее, то нужно подкачать до 1,5 атм. В противном случае следует стравить излишки воздуха до этого значения, нажав на ниппель.

Пошаговая настройка датчика давления

В зависимости от модели датчика будут немного отличаться действия по его регулировке. В каждом приборе имеются свои детали, отвечающие за настройку диапазона срабатывания насоса. Например, у немецкого FF4-8 есть шкала делений, где все предельно просто регулировать. И крышку для проведения настройки снимать не нужно – она прозрачная.

Регулировку можно осуществлять самостоятельно, изучив паспорт прибора или пригласить специалиста

Если это сложный электронный контроллер давления с дополнительными функциями, то следует внимательно прочесть в паспорте особенности указания рабочего давления для системы. Причем, оно должно быть хотя бы на 0,5 атм меньше, чем предельно допустимые показатели.

Вне зависимости от марки и модели прибора, следящего за давлением, нужно сначала проверить нижний предел, при котором срабатывает насос. Для этого предстоит сливать воду, открыв кран. Как только начнется закачивание воды, надо записать показания манометра.

В некоторых моделях датчиков есть встроенный манометр, у других его нет, для них нужно покупать отдельно измерительный прибор

Когда насос отключится, это значение тоже следует записать – это верхний предел максимально допустимого давления в системе. Причем, эти показания не должны отличаться друг от друга более, чем на 1,5 атмосфер.

Зная изначальный диапазон реагирования оборудования, остается настроить верхний предел и его разницу с нижним. Если это модель с двумя пружинами, то регулировка будет происходить с использованием гаечного ключа.

Сначала предстоит снять защитную крышку, чтобы увидеть под ней 2 пружины. Большая отвечает за изменение верхней границы предела. Чтобы граничное значение уменьшить или увеличить, предстоит крутить гайку. Причем, лучше это делать не спеша, проворачивая на 0,5 – 1 оборот.

Подкрутив один раз, нужно открыть кран и проверить по манометру полученное значение давления для включения насоса. Если показатель не устраивает, продолжить крутить гайку.

Иногда вместо регулировки требуется очистка фланца и контактов прибора от минерального осадка. Включения приносятся водой, прошедшей недостаточную очистку или транспортируемой по старым металлическим трубам

Маленькая пружина отвечает за изменение разницы между верхним и нижним давлением. При ее подкручивании важно помнить, что эта разница не должна быть более, чем 1,5 атм. Когда гайка перед большой пружиной подтянута, а гайка маленькой также отрегулирована, стоит снова открыть кран и начать спускать воду.

Как только произойдет включение насоса, нужно запомнить значение, указанное манометром – это будет нижняя граница. После этого предстоит дождаться повышения давления в системе. Лишь только оно достигнет верхнего предела – насос отключится. Это показание также нужно запомнить и сравнить с нижним.

Если цифры отличаются на 1,5-1 атм, не пересекаются с минимально и максимально допустимыми рабочими значениями, то все удалось. В противном случае нужно снова сливать воду и начинать регулировку заново.

Выводы и полезное видео по теме

Видео #1. Обзор моделей датчиков, отслеживающих давление в системе водоснабжения:

Видео #2. Подробный видео ролик об электронном реле для контроля давления воды:

Видео #3. Информация в видеоформате об особенностях регулировки отечественного датчика давления воды:

Видео #4. Об особенностях обслуживания датчика давления, проработавшего 2 года. Вначале стояла задача поменять прежний диапазон срабатывания насоса:

Ознакомившись со спецификой работы и регулировки датчиков давления воды в частных системах водоснабжения, можно выполнить настройку прибора своими руками.

Если остались сомнения в собственных силах, то лучше вызвать специалиста, пользующегося хорошей репутацией. Важно, чтобы датчик работал правильно, тогда не возникнет никаких проблем со всей системой водоснабжения коттеджа/дачного домика.