Приборы для измерения давления в производстве

Датчики давления: Аналитический обзор, сравнение видов и рыночных цен, анализ характеристик и преимуществ, правила профессионального подбора моделей датчиков давления любого вида (избыточного, абсолютного, вакуумметрического, гидростатического и дифференциального (перепада-разности) давлений, в том числе и специальных нестандартных исполнений).

Датчик давления – это конструктивно обособленный первичный преобразователь давления (избыточного, дифференциального, абсолютного, вакуумметрического).
Измерительный преобразователь давления – это технический прибор с нормативными метрологическими характеристиками, служащий для преобразования давления в унифицированный выходной сигнал (электрический, пневматический) и/или цифровой код (HART-протокол, интерфейсы RS-232/485 и др.).

Специальное предложение — технические датчики давления — цена от 2200 рублей*
(цена указана на базовое исполнение без НДС, подробнее о скидках и акциях см. ниже).

В данном разделе представлен подробный обзор технических датчиков давления — преобразователей в унифицированный выходной сигнал (электрический или пневматический), применяемых в промышленности, энергетике, ТЭК и ЖКХ, но также рекомендуем ознакомиться и с
датчиками-реле давления (прессостаты с релейным выходом: замыкание/размыкание контакта при достижении заданного значения (уставки));
специализированными датчиками давления (например: высокотемпературных расплавов полимеров, сыпучих продуктов, для хладогентов и т.п.);
автомобильными датчиками давления (масла, топлива и воздуха в шинах);
миниатюрными датчиками для радиоэлектроники и медицины.

II. Дополнительная информация о датчиках давления:
1. Методы измерения давления, принципы действия и конструкции датчиков.
2. Выбор вида выходного сигнала (цифровой или аналоговый) в зависимости от быстротечности процесса.
3. Общие определения, разъяснения и понятия:
— Отличие датчика давления от манометра, ЭКМ и реле (сигнализатора).
— Дополнительное оборудование и арматура для манометров и датчиков давления.
— Виды исполнений по взрывозащите (Exi, Exd/Exs).
— Отличие интерфейсов RS485/RS422 от RS232 и USB.
— Про HART-протокол.
— Отличие M-Bus от ModBus.
— Предупреждение о воровстве контента.

Виды технических (промышленных) датчиков давления (избыточного, дифференциального(перепада), абсолютного, вакуумметрического (разряжения), далее, сокращенно — ДД) в зависимости от определяющих технических характеристик (конкретные марки датчиков можно посмотреть, перейдя по ссылке):
1. Датчики давления с унифицированным токовым сигналом (0-5мА,  4-20мА) и цифровой выходом (интерфейс, протокол)
—  Малогабаритные датчики и экономкласс (для ЖКХ)
—  Однопредельные датчики (однодиапазонные)
—  Многопредельные датчики (многодиапазонные перенастраиваемые)
—  С электроконтактным (релейным, дискретным) выходом — ЭКМ
—  С цифровым выходом (RS232, RS485, USB; ModBus, HART-протокол)
2. Датчики с выходом по напряжения постоянного тока (0-1,-5,-10В)
3. Датчики с выходом взаимной индуктивности 0-10мГн
4. Датчики с пневматическим выходным сигналом 20-100кПа
5. Датчики гидростатического давления (датчики уровня) погружные и врезные (с торцевой открытой мембраной).
6. Нестандартные специальные датчики давления
(перегрузка, нестандартный диапазон и/или выход, высокотемпературное и защищенное исполнение и т.п.).
Подробнее о датчиках давления, их видах, принципах действия, конструктивных исполнениях, а также о технических характеристиках, особенностях выбора (как правильно выбрать, заказать, купить датчик), комплектации, областях применения, выходных сигналах, о ценах (см. общий прайс-лист на датчики давления), наличию на складе или сроках изготовления см. ниже.

Изучение назначения, устройства, принцип действия и тарировки приборов дня измерения давления (абсолютного, манометрического вакуумметрического).

Приборы для измерения давлений

Приборы для измерения давлений классифицируют по различным признакам. По характеру измеряемого давления приборы разделяют на следующие классы:

1) барометры – приборы для измерения атмосферного давления:

2) манометры – приборы для измерения избыточного давления;

3) вакуумметры – приборы для измерения вакуума;

4) мановакуумметры – приборы для измерения, как избыточного давления, так и вакуума;

5) манометры абсолютного давления – приборы для измерения абсолютного (полного) давления;

6) дифференциальные манометры – приборы для измерения разности давлении.

По принципу действий приборы различают:

Простейшим прибором для измерения избыточного давления является пьезометр (рис.1, а). Он представляет собой вертикально установленную прозрачную стеклянную или ПВХ трубку с открытым верхним концом

Основным достоинством пьезометра является простота устройства и точность измерения. Основным недостатком пьезометра является малый диапазон измеряемых давлений. При больших давлениях пьезометр становится слишком громоздким. К недостаткам пьезометра также можно отнести хрупкость.

Избыточное давление в жидкостях или газах измеряется манометрами. Это весьма обширный набор измерительных приборов различной конструкции и различного исполнения

На рисунке 1,б показана схема действия поршневого манометра. При увеличении давления в сосуде жидкость или газ по закону Паскаля передаёт это давление на нижнюю поверхность поршня, заставляя его тем самым подниматься или опускаться. Поршень связан через систему рычагов с указательной стрелкой.

Рис.1 Приборы для измерения избыточного давления

а) пьезометр, б) поршневой манометр, в) жидкостный манометр, г) мембранный манометр, д) сильфонный манометр

Другой тип манометра – это открытый (жидкостный) манометр (рис.1, в). Он состоит из U-образной трубки, наполненной ртутью или другой жидкостью. Работа основана на законе сообщающихся сосудов и на уравновешивании измеряемого давления газа давлением столба жидкости (ртути, воды и т. д.). В один конец трубки подается давление. Жидкость в другой трубке поднимается до тех пор, пока измеряемое давление не будет в точности равно давлению, вызываемому разностью уровней жидкости в двух коленах трубки. Зная эту разность высот можно рассчитать давление.

Недостатком такого манометра является то, что величина давления зависит от ускорения свободного падения в данном месте. Не всегда такой манометр градуируется в паскалях, часто бывает удобным измерять давление в единицах высоты столба данной жидкости – в миллиметрах ртутного столба, водяного столба (1 мм вод. ст. – 9,8 Па; 1 мм рт. ст. = 133,3 Па)

Одним из простых приборов для измерения повышенных и высоких давлений является трубчатый манометр или манометр Бурдона Главная составная часть его – изогнутая по дуге латунная труба 1 овального сечения (рис. 2).

Жидкость или газ, производя давление изнутри трубки, выпрямляет ее.

Жидкость или газ подается в штуцер 3, соединенный с трубкой 1. Трубка, распрямляясь, приводит в движение систему зубчатых колес и рычагов 2, которые поворачивают стрелку 4; чем больше давление, тем на больший угол повернется стрелка. Угол поворота стрелки пропорционален измеряемому давлению. Шкала, нанесенная на циферблате, градуирована в единицах давления. Обычно манометр калибруется в МПа. Такие манометры применяются при измерении давления воздуха, пара, газов и жидкостей. Манометры для измерения давления в шинах автомобиля часто бывают типа манометра Бурдона.

Таким образом, это деформационный манометр.

К деформационным относятся также мембранные и сильфонные манометры (рис. 1, г, д)

Главной частью мембранного манометра является гибкая круглая плоская пластина способная получить прогиб под действием давления.

Сильфонный манометр (сильфон) представляют собой тонкостенную цилиндрическую оболочку с поперечными гофрами, способную получать значительное перемещении под действием давления. Для увеличения жесткости внутрь сильфона часто помещают пружину. Сильфоны изготавливают из бронзы, углеродистой стали, алюминиевых сплавов. Серийно производят бесшовные и сварные сильфоны диаметром от 8-10 до 80-100 мм. Сильфоны более чувствительны, чем мембранные манометры и имеют больший диапазон измерений.

Основными достоинствами приборов являются большой диапазон измеряемых давлений, простота устройства и применения, портативность и универсальность.

Основным недостатком приборов является непостоянство их показаний, вследствие постепенных изменений упругих свойств пружинящего элемента, возникновения остаточной деформации, износа передаточного механизма. Поэтому такие приборы необходимо периодически проверять.

Манометры позволяют определять давление лишь с определенной точностью, класс точности манометров определяется величиной k, выражающей максимальную допустимую погрешность величины

, соответствующей предельному показанию

Номинальный ряд классов, точности манометров: 0,005; 0,02; 0,05; 0,1; 0.2; 0,35; 1; 2; 2,5; 4,0; 6,0.

Манометры и вакуумметры, пружинные образцовые служат для контроля манометров общего назначения и для проведения особо точных замеров. Для контроля образцовых манометров используются грузопоршневые манометры.

Манометры класса 0,05 предназначены для проверки образцовых пружинных и других манометров точных измерения, манометры класса 0,2 – для проверки технических манометров общего назначения.

Стенд для тарировки включает:

Общие сведения

Измерять
давление или разрежение необходимо для
управления различными технологическими
процессами, а так же для обеспечения
безопасности производства.

1.1.
Пружинные манометры
применяются для измерения относительно
больших избыточ­ных давлений (более
40 кПа). Действие пружинных манометров
основано на зависимости между давлением
и упругой деформацией полой пружины.
Они просты, надежны в работе и имеют
хоро­шо видимую шкалу.

Трубчатая
пружина манометров имеет в сечении
овальную форму, изготовляется из латуни
или стали. При повышении давления сечение
трубчатой пружины старается приблизиться
к окружности, что создает напряжение,
которое стремится ее выпрямить. У
вакуумметров из трубки выкачивают
воздух, и пружина стремится еще более
сжаться.

Рис.
1.1. Общий вид и схема пружинного манометра.

У
пружинного манометра (рис. 1.1) один конец
витка полой пружины 1
закреплен
в штуцере,
соединенном
с измеряемой средой. Второй конец
соединен со стрелкой 5
через тагу 2 и зубчатый
сектор 3 с шестерней 4.
При
повышении давления в полости пружины
она пытается разогнуться и поворачивает
стрелку относительно шкалы 6.

1.2.
Напоромеры, тягомеры, тягонапоромеры
и
дифманометры
мембранные
показывающие предназначены
для измерения вакуумметрического,
избыточного, а также разности
вакуумметрических и избыточных давлений
(до 40 кПа) неагрессивных газов.

1.2.1.
Технические характеристики. Приборы
класса точности 1,5 и 2,5 (указан на
циферблате) предназначены для работы
при темпера­туре окружающей среда от
минус 50 до плюс 50°С и относительной
влажности до 98 %
при
температуре 35°С. Масса приборов не более
0,8 кг.

1.2.2.
Устройство
и принцип работы. Принцип
действия приборов основан на
уравно­вешивании вакуумметрического
или избыточного давления силами упругой
деформации чувствительного элемента
(мембранной коробки).

Конструкция
приборов представлена на рис.1.2 и 1.3.
Измеряемое давление через штуцер 12
подается во внутреннюю полость мембранной
коробки 1. Разность давлении вызывает
перемещение жестко­го центра мембранной
коробки,которое тягой 7 передается на
рычаг 8 и далее через тягу 9 на шибер 3
оси 2, на которой закреплена стрелка 5.
Весь механизм прибора собран на
кронштей­не 10. Кронштейн к корпусу 11
крепится на штуцере 12 при помощи гайки
13. Прокладки 6, 16 и 17 служат для обеспечения
герметичности прибора.

В
приборах предусмотрена грубая и точная
настройка диапазона измерения. Грубая
и точная настройка осуществляется
изменением передаточного отношения

Таблица
1.1. Характеристика приборов

Рис.
1.2. Общий вид и разрез прибора с
вертикальной мембранной коробкой.

перестановкой
тяг 7 и 9 в одно из отверстий рычага
8.Точная настройка осуществляется винтом
4. Для выборов люфтов в механизме на оси
имеется спиральная пружина.

1.2.3.
Подготовка прибора к работе. Методы
и средства поверки.
Перед установкой прибора на объекте
необхо­димо проверить внешний вид,
установку нуля прибора, герметичность,основную
погрешность и вариацию показаний.

Условия
проведения поверок должны соответствовать
ГОСТ 2405-88.

При
проведении поверки должны применяться
средства поверки по ГОСТ 8.053-73. Вид
поверки-ведомственная. Межповерочный
интервал -1 год;

При
внешнем осмотре надлежит убедиться,что
наружные детали не имеют нарушений
гальванических и лакокрасочных
покрытий,ухудшающих внешний вид прибора
и дефектов, мешающих отсчету показаний.

1.2.4.
Установка нуля приборов. При
отклонении стрелки от нулевой отметки
на величину,
превышающую допускаемую основную
погреш­ность,
производится корректировка нуля. Для
этого необходимо специальным ключом
отвернуть гайку 14 (см. рис.2.) и повернуть
гайку 15 до установки стрелки на нуль.

1.2.5.
Проверка герметичности. Герметичность
чувствительного элемента проверяют в
процессе определения основной погреш­ности
прибора при его выдержке на верхнем
предела измерений в течений 5 мин.

Проверку
герметичности дифманометров произ­водят
путем одновременной подачи в полость
корпуса и
чувствительного элемента избыточного
давления, равного 40 кПа (0,4 кгс/см2)
при выдержке в этих условиях в течение
5 мин.

Чувствительные
элемента и корпуса приборов считаются
герметичными, если после 3-х минутной
выдержки
в течение 2 мин давление падает не
быстрее, чем на 1%
от
значении давлений указанных выше.
При определении герметичности приборы
должны быть
отключены от источника давления.

1.2.6.
Определение основной погрешности и
вариации показаний. Основную
погрешность определяют установкой
стрелки прибора на оцифрованную отметку
и отсчета действительного значения по
образцовому прибору или установкой по
образцовому прибору действитель­ного
значения и отсчета показаний по шкале
прибора.

Основная
погрешность прибора должна быть 1,5%;
2,5%
от
верхнего предела измерения для о приборов
с односторонней шкалой и от суммы
абсо­лютных значе-

а

б

Рис.
1.3. Общий вид (а) и разрез (б) прибора с
горизонтальной мембранной коробкой:

1
– мембранная коробка; 2
–
ведущий штифт; 3 – стрелка; 4 – корпус; 5 –
плоская пружина; 6 – кронштейн; 7 – коленчатый
рычаг; 8 – ось.

ний
верхних пределов измерения для приборов
с двусторонней шкалой.

Проверку
прибора производят вначале при плав­но
возрастающем значении измеряемого
давления,а затем, после выдержки на
верхнем пределе измерений в течение 5
мин,при плавно убывающем значении
измеряемого давления.

Вариацию
показаний определяют как разность
между показаниями при прямом и обратном
ходах на отметках,выбранных для
определения основной погреш­ности.

Обработка
и оформление результатов поверки по
ГОСТ 8.053-73.

1.2.7.
Выбор места установки и способ монтажа.
При
выборе места установки необходимо,
чтобы расстояние между приборами и
местом отбора давле­ния было минимальным
во избежание запаздывания показаний.

Приборы
предназначены для утопленного щитового
монтажа. При монтаже приборы должны
устанав­ливаться в рабочем положении
без перекосов и наклонов (положение
циферблата вертикальное) и соединяться
с контролируемым объектом эластичными
трубками с внутренним диаметром не
менее 2,5 мм.

Измеряемое
давление подводится к штуцерам в строгом
соответствии со знаками, указанными
на корпусе:

”
+” – штуцер для большего давления;

”
– ” – штуцер для меньшего давления.

Если
знаки на корпусе отсутствуют, то
подсоеди­нение производится к любому
штуцеру.

1.2.8.
Техническое обслуживание. В
процессе эксплуатации необходимо
следить за исправностью соединительных
линий. Периодически проверять установку
стрелки на нулевую отметку. В случае,если
отклонение стрелки превышает значения,
указанного в разделе 5 произ­водят
ее корректировку. Перед корректировкой
нуля необходимо отсоединить прибор от
измеряемой среды и выдержать в течение
10 мин.

В
процессе эксплуатации приборы не должны
подвергаться перегрузкам, превышающим
на 25 %
верхний
предел измерения.

Средний
ремонт приборов в период их срока службы
должен производиться в порядке,
установлен­ном технической документацией
МПО.283.287 РС.

1.2.9.
Характерные неисправности и методы их
устранения даны
в табл. 1.2.

1.2.10.
Условия хранения и транспортирования.
Приборы
должны храниться в вентилируемом
помещении при температуре окружающего
воздуха от 5 до 40 °С и относительной
влажности не более 80 %.

Воздух
в помещении не должен содержать при­месей
агрессивных паров и газов, вызывающих
кор­розию деталей.

Транспортирование
приборов может произво­диться любым
видом транспорта при условии защиты
упаковки приборов от прямого попадания
атмосферных осадков и при температуре
окружающей среды от минус 50 до плюс 50
°С.

2.
Содержание работы. Изучить назначение,
устройство и эксплуатацию приборов
для измерения
давления и
разрежения.

Таблица
1.2. Характерные неисправности и методы
их устранения

3.
Порядок выполнения работы: ознакомиться
с п. 1 настоящей методички; определить
вид, класс и абсолютную погрешность
(из формулы (1.1)) приборов, указанных на
рис. 1.4-1.10.

где
∆ – класс
точности прибора;
∆х – абсолютная погрешность;
хп
– верхний
предел измерений.

Дополнительная информация о датчиках давления

В данном подразделе последовательно рассмотрены следующие вопросы:
1. Методы измерения давления, принципы действия и конструкции датчиков.
2. Выбор вида выходного сигнала (цифровой или аналоговый) в зависимости от быстротечности процесса.
3. Общие определения, разъяснения и понятия:
— Отличие датчика давления от манометра, ЭКМ и реле (сигнализатора).
— Дополнительное оборудование и арматура для манометров и датчиков давления.
— Виды исполнений по взрывозащите (Exi, Exd/Exs).
— Отличие интерфейсов RS485/RS422 от RS232 и USB.
— Про HART-протокол.
— Отличие M-Bus от ModBus.
— Предупреждение о воровстве контента.

Методы измерения давления, принципы действия и конструкции датчиков

В общем, широком смысле датчик (англ. sensor (сенсор)) — это термин систем управления, обозначающий первичный преобразователь, как элемент измерительного (сигнального, регулирующего или управляющего) устройства системы, преобразующий на основе чувствительного элемента и вспомогательных систем контролируемую физическую величину в удобный для использования сигнал (обычно электрический, но иногда пневматический, гидравлический и т.п.).

Датчик давления состоит из первичного преобразователя, в составе которого чувствительный элемент — приемник давления с сенсором, 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 (обычно сальник или разъем).

Сенсор датчика давления — это устройство на базе чувствительного элемента (тензометрического, пьезометрического, емкостного, резонансного, индуктивного принципа действия), физические параметры которого изменяются в зависимости от давления измеряемой среды: жидкости, газа, пара. Давление измеряемой среды преобразуется измерительным и электронным блоками датчика (преобразователя) в разнообразные электрические сигналы (релейный, унифицированный выходной сигнал тока(мА), напряжения(В), индукции(мГн)) или цифровой выходной код (интерфейс RS232, RS485, USB, M-Bus или HART, ModBus-протоколы) или, гораздо реже, для использования на особо взрывоопасных объектах в пневматический сигнал (20-100кПа).

Основными отличиями одних измерительных приборов от других являются пределы (диапазоны) измерений, динамические и частотные диапазоны, точность регистрации давления (погрешность), допустимые условия эксплуатации (в зависимости от окружающей и измеряемой среды), массогабаритные характеристики, которые зависят от пыле-водо-взрыво-защищенности, вида и величины измеряемого давления и принципов его преобразования (типа сенсора) в выходной сигнал (например, для электрического сигнала — это тензометрический, пьезорезистивный, ёмкостный, индуктивный, резонансный, ионизационный, пьезоэлектрический и другие методы):

Тензометрический метод измерения

Чувствительные элементы тензометрических датчиков базируются на принципе изменения сопротивления при деформации тензорезисторов, приклеенных на диэлектрической подложке к упругому чувствительному элементу (обычно мембрана), который деформируется под действием измеряемого давления.

Пьезорезистивный метод измерения

Пьезорезистивный метод измерения основан на интегральных чувствительных элементах из монокристаллического кремния (Si). Кремниевые преобразователи имеют высокую чувствительность благодаря изменению удельного объемного сопротивления полупроводника при деформировании давлением.

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

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

Ёмкостный метод измерения

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

Резонансный метод измерения

В основе резонансного метода лежит изменение резонансной частоты колеблющегося упругого элемента при деформировании его силой или Д.. 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 измерения

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 приложенной нагрузке.

Пьезоэлектрический метод измерения

В основе пьезоэлектрического метода лежит прямой пьезоэлектрический эффект, при котором пьезоэлемент генерирует электрический сигнал, пропорциональный действующей на него силе или Д.. 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 даже в жестких условиях эксплуатации.

Ионизационный метод измерения

В основе ионизационного метода 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 Д., например, емкостными. К тому же, зависимость сигнала от измеряемого давления не является является линейной — она логарифмическая.

Из вышеизложенного становиться очевидно, что выбор датчика давления должен начинаться с выбора и анализа основных параметров, под которые подбирается метод измеряния (тензометрический, пьезорезистивный, ёмкостный, индуктивный, резонансный, пьезоэлектрический, ионизационный или иной).

Выбор вида выходного сигнала в зависимости от быстротечности процесса

Выбор выходного сигнала зависит от быстротечности изменений контролируемого процесса. Процессы (и соответствующие им выходные сигналы) могут быть как медленноменяющимися, так и быстропеременными. Именно быстропеременность давления зачастую является ключевым фактором при отказе от современных цифровых микропроцессорных датчиков в пользу, казалось бы, устаревших аналоговых преобразователей.

Спектр медленноменяющихся сигналов лежит в области низких частот. Для того, чтобы с высокой точностью оцифровать медленоменяющийся сигнал, необходимо подавить высокочастотную часть спектра, полностью состоящую из помех. Это особенно актуально в промышленных условиях.
Специально для медленноменяющихся сигналов используются интегрирующие аналого-цифровые преобразователи — 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.

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

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

Общие определения, разъяснения и понятия относящиеся к датчикам давления

Цифровые электроконтактные (сигнализирующие) манометры (например, ЭКМ-1005/ЭКМ-2005, ДМ5001/ДМ5002 и другие) являются, по-сути, преобразователями (датчиками) давления с индикатором и дискретным электроконтактным выходом (э/м реле) и предназначены для измерения и непрерывного преобразования значения избыточного (а также, иногда и абсолютного, дифференциального или вакуумметрического) давлений неагрессивных и умеренно агрессивных сред в электрический унифицированный выходной сигнал (4-20мА) с отображением информации о давлении на цифровом табло (ЖК или СД-дисплей), а так же для управления внешними электрическими цепями в системах автоматического контроля и управления технологических процессов (АСУТП).

Параметры сигнализирующего устройства для электроконтактных манометров ЭКМ и датчиков

Сигнализирующее устройство по подключению внешних цепей имеет четыре варианта исполнения по ГОСТ 2405-88:
исп. V (исп. 5) (базовое исполнение) — левый контакт размыкающий (min), правый замыкающий (max) – оба указателя синие (5 исп.).
исп. III (исп. 3) — два размыкающих контакта: левый указатель (min) — синий, правый (max) — красный (3 исп.).
исп. IV (исп. 4) — два замыкающих контакта: левый указатель (min) — красный, правый (max) — синий (4 исп.).
исп. VI (исп. 6) — левый контакт замыкающий (min), правый размыкающий (max) – оба указателя красные (6 исп.).
При выборе исполнения следует учитывать, что варианты определяются относительно начала диапазона измерения (относительно нормальных условий производства и хранения).

2 Дополнительное оборудование и арматура для датчиков давления и манометров

I. Присоединение к процессу (подвод давления на вход прибора):
1. Монтажная арматура: отборные устройства(ОУ) и закладные конструкции (ЗК): бобышки (адаптеры вварные), отводы прямые и угловые (в т.ч. петлевые трубки Перкинса) или импульсные трубки (линии), манифольды.
2. Краны манометровые (до 16/25бар) или клапаны/клапанные блоки (свыше 2,5МПа), клапаны нажимные и предохранительные.

3. Прокладки/уплотнения медные, фторопластовые, паранитовые и др.
4. Переходники (резьбы-М/G/K нар/вну), муфты, бочонки (материал сталь, латунь, нержавейка).
5. Демпферы (гасители пульсаций гидроударов, дроссели), охладители (отводы-радиаторы), разделители мембранные РМ, капиллярные линии — КЛ и соединительные рукава мод-55004.
6. КМЧ – комплект монтажных частей (скоба, кронштейн, крепеж для монтажа на трубе, плите и пр.).
7. КПЧ – комплект присоединительных частей (присоединители: фланцы, штуцера, гайки-М20х1,5/G1/2, ниппели (сталь, нерж.), крепеж, уплотнения).
8. Для дифманометров-расходомеров: диафрагмы ДБС, ДКС, ДФК; сосуды СК, СУ, СР, универсальные СКУР-100/250.
Внимание — для приборов измеряющих дифференцтальное (разность, перепад) давление (дифманометры — перепадомеры, расходомеры, уровнемеры) необходимо предусмотреть двойной комплект присоединительных частей — КПЧ (для подключения к «плюсовой» и «минусовой» камере соответственно).

II. На выходе из прибора (по сигнальной линии):
1. Вторичные приборы: индикаторы-измерители, регуляторы с выходом, контроллеры, коммуникаторы, регистраторы/самописцы и пр.
2. Блоки питания БП-36/24В, преобразования, корнеизвлечения и барьеры искрозащиты (взрывозащиты-Exi).
3. Кабель и провода монтажные.
4. Пульты или коммуникаторы (для настройки параметров, калибровки, выбора режимов работы), модемы, конфигурационное программное обеспечение ПО.

III. Вокруг прибора:
Защитные кожухи. Монтаж в специальные утепляющие пожаробезопасные пылевлагозащитные шкафы и чехлы, применение специальных обогревателей для КИПиА.

см. подробнее про дополнительное/вспомогательное оборудование ПД

3 Виды исполнений датчиков давления по взрывозащите

а) Взрывозащищенное исполнение (Exi, Вн: Exd/Exsd)
Exi — взрывозащищенное с видом взрывозащиты «искробезопасная электрическая цепь «ia» и уровнем взрывозащиты «особо взрывобезопасный» (0); маркировка взрывозащиты «0ExiaIICT5X».

Вн: Exd/Exsd — взрывозащищенное с видами взрывозащиты «взрывонепроницаемая оболочка» (d); «специальный» (S); уровнем взрывозащиты «взрывобезопасный» (1); маркировка по взрывозащите «1ExsdIIBT5X».

б) Невзрывозащищенное (общепромышленное исполнение — никак не обозначается при маркировке датчиков).

в) Исполнение повышенной надежности (для работы на объектах атомной энергетики — ОАЭ (АЭС и пр.)

4 Отличие интерфейсов RS485/RS422 от RS232 и USB

Важным элементом электронного блока современных цифровых датчиков давления является АЦП — Аналого-цифровой преобразователь (англ. Analog-to-digital converter, ADC) — устройство, преобразующее входной аналоговый сигнал в дискретный бинарный код (цифровой сигнал), позволяющий микропроцессорному преобразователю иметь цифровой ЖК- или СД-индикатор, интерфейсы связи (RS485/RS232/USB и др.) и поддерживать протоколы управления и удаленного обмена данными (HART, ModBas и др.).

Интерфейс RS-485 (англ. Recommended Standard 485), EIA-485 (англ. Electronic Industries Alliance-485) — стандарт физического уровня для асинхронного интерфейса. Регламентирует электрические параметры полудуплексной многоточечной дифференциальной линии связи типа «общая шина».

Стандарт RS-485 приобрел большую популярность и стал основой для создания целого семейства промышленных сетей, широко используемых в промышленной автоматизации.
В стандарте RS-485 для передачи и приёма данных используется одна витая пара проводов, иногда сопровождаемая экранирующей оплеткой или общим проводом.
Передача данных в RS485 осуществляется с помощью дифференциальных сигналов. Разница напряжений между проводниками одной полярности означает логическую единицу, разница другой полярности — ноль.

Так как интерфейсы RS485/422 реализованы на дифференциальных линиях связи, их помехозащищённость очень хорошая. Обычно применяется кабельное хозяйство с волновым сопротивлением 120 Ом. На концах линий обязательно ставятся согласующие резисторы. Линии RS485 могут быть длиной до 1 километра.

Интерфейс RS422 является «облегчённой» версией RS485. У него снижены выходные токи передатчиков и следовательно меньше нагрузочная способность. Для улучшения этих параметров применяются повторители данных.

Интерфейс RS485 реализуют магистральный принцип обмена данными. В нём может быть адресовано до 63 портов. Строго говоря, RS422 – радиальный интерфейс, но многие производители оборудования дополняют его возможностью магистрального подключения и частичной совместимостью с RS485 (со сниженными параметрами по нагрузочной способности).

б) Интерфейс RS232
Интерфейс RS232 построен на униполярных линиях передачи данных. Поэтому его производительность и максимальная длина кабеля невелики. RS232 применяется для подключения периферийного оборудования к управляющим компьютерам. RS232 является радиальным интерфейсом, поэтому понятие адреса в нём отсутствует. Эти факторы способствуют повышению эффективности работы интерфейса в системах сбора данных и с периферийным оборудованием.

в) Интерфейс USB
USB (ю-эс-би, англ. Universal Serial Bus — «универсальная последовательная шина») — последовательный интерфейс для подключения периферийных устройств к вычислительной технике. Интерфейс USB получил широчайшее распространение и фактически стал основным интерфейсом подключения периферии к бытовой цифровой технике.

Интерфейс USB позволяет не только обмениваться данными, но и обеспечивать электропитание периферийного устройства. Сетевая архитектура позволяет подключать большое количество периферии даже к устройству с одним разъёмом USB.

5 Про HART-протокол

HART-протокол (англ. Highway Addressable Remote Transducer Protocol) — цифровой промышленный протокол передачи данных, попытка внедрить информационные технологии на уровень полевых устройств.
Модулированный цифровой сигнал, позволяющий получить информацию о состоянии датчика или осуществить его настройку, накладывается на токовую несущую аналоговой токовой петли уровня 4—20мА. Таким образом, питание датчика, снятие его первичных показаний и вторичной информации осуществляется всего по двум проводам.
HART-протокол — это практически стандарт для современных промышленных датчиков. Приём сигнала о параметре и настройка датчика осуществляется с помощью HART-модема или HART-коммуникатора. К одной паре проводов может быть подключено несколько датчиков. По этим же проводам может передаваться сигнал 4—20мА.

HART-протокол был разработан в середине 1980-х годов американской компанией Rosemount. В начале 1990-х годов протокол был дополнен и стал открытым коммуникационным стандартом. Однако, полных официальных спецификаций протокола в открытом доступе нет — их необходимо заказывать за деньги на сайте фонда HART-коммуникаций. На март 2009 года доступна спецификация версии HART 7.2, поддерживающая технологию беспроводной передачи данных.

HART-протокол использует принцип частотной модуляции для обмена данными на скорости 1200 бод. Для передачи логической «1» HART использует один полный период частоты 1200 Гц, а для передачи логического «0» — два неполных периода 2200 Гц. HART-составляющая накладывается на токовую петлю 4—20мА. Поскольку среднее значение синусоиды за период равно «0», то HART-сигнал никак не влияет на аналоговый сигнал 4—20мА. HART-протокол построен по принципу «Ведущий — Ведомый», то есть полевое устройство отвечает по запросу системы. Протокол допускает наличие двух управляющих устройств (управляющая система и коммуникатор).

Существует два режима работы датчиков, поддерживающих обмен данными по HART протоколу:

Режим передачи цифровой информации одновременно с аналоговым сигналом — обычно в этом режиме датчик работает в аналоговых АСУ ТП, а обмен по HART-протоколу осуществляется посредством HART-коммуникатора или компьютера. При этом можно удаленно (расстояние до 3000 метров) осуществлять полную настройку и конфигурирование датчика. Оператору нет необходимости обходить все датчики на предприятии, он может их настроить непосредственно со своего рабочего места.

В многоточечном режиме — датчик давления передает и получает информацию только в цифровом виде.
Аналоговый выход автоматически фиксируется на минимальном значении (только питание устройства — 4 мА) и не содержит информации об измеряемой величине. Информация о переменных процесса считывается по HART-протоколу. К одной паре проводов может быть подключено до 15 датчиков. Их количество определяется длиной и качеством линии, а также мощностью блока питания датчиков. Все датчики в многоточечном режиме имеют свой уникальный адрес от 1 до 15, и обращение к каждому идет по соответствующему адресу. Коммуникатор или система управления определяет все датчики, подключенные к линии, и может работать с любым из них.

6 Отличие M-Bus от ModBus

Интерфейс M-Bus (Meter-Bus) — стандарт физического уровня для полевой шины на основе асинхронного интерфейса. Также под этим названием понимают коммуникационный протокол, используемый для связи устройств по этой шине. Интерфейс M-bus преимущественно применяется для приборов учета электрической энергии (электросчётчики), тепловой энергии (теплосчётчики), расходомеров воды и газа.

Протокол Modbus — открытый коммуникационный протокол, основанный на архитектуре ведущий-ведомый (master-slave). Широко применяется в промышленности для организации связи между электронными устройствами. Может использоваться для передачи данных через последовательные линии связи интерфейсы RS485, RS422, RS232, и сети TCP/IP (Modbus TCP). Также существуют нестандартные реализации, использующие UDP.

Не следует путать «MODBUS» и «MODBUS Plus». MODBUS Plus — приприетарный протокол принадлежащий Schneider Electric. Физический уровень уникальный, похож на Ethernet 10BASE-T, полудуплекс по одной витой паре, скорость 1 Мбит/с. Транспортный протокол — HDLC, поверх которого специфицировано расширение для передачи MODBUS PDU.

7 Предупреждение о воровстве контента статьи «Датчики давления»

Вышеприведенные материалы опубликованы с согласия правообладателя, любое копирование, в том числе и части текста возможно только с согласия правообладателя.

Заранее благодарим Вас за обращение в любое из предприятий группы компаний — ГК «Теплоприбор» (Теплоприборы, Промприбор, Теплоконтроль и другие) и обещаем приложить все усилия для оправдания Вашего доверия.

Виды технических (промышленных) датчиков давления (избыточного, дифференциального(перепада), абсолютного, вакуумметрического (разряжения), далее, сокращенно — ДД) в зависимости от определяющих технических характеристик (конкретные марки датчиков можно посмотреть, перейдя по ссылке):
1. Датчики давления с унифицированным токовым сигналом (0-5мА,  4-20мА) и цифровой выходом (интерфейс, протокол)
—  Малогабаритные датчики и экономкласс (для ЖКХ)
—  Однопредельные датчики (однодиапазонные)
—  Многопредельные датчики (многодиапазонные перенастраевыемые)
—  С электроконтактным (релейным, дискретным) выходом — ЭКМ
—  С цифровым выходом (RS232, RS485, USB; ModBus, HART-протокол)
2. Датчики с выходом по напряжения постоянного тока (0-1,-5,-10В)
3. Датчики с выходом взаимной индуктивности 0-10мГн
4. Датчики с пневматическим выходным сигналом 20-100кПа
5. Датчики гидростатического давления (датчики уровня) погружные и врезные (с торцевой открытой мембраной).
6. Нестандартные специальные датчики давления
(перегрузка, нестандартный диапазон и/или выход, высокотемпературное и защищенное исполнение и т.п.).
Подробнее о датчиках давления, их видах, принципах действия, конструктивных исполнениях, а также о технических характеристиках, особенностях выбора (как правильно выбрать, заказать, купить датчик), комплектации, областях применения, выходных сигналах, о ценах (см. общий прайс-лист на датчики давления), наличию на складе или сроках изготовления см выше и в соответствующих разделах сайта..

Оглавление раздела технические преобразователи / датчики давления

I.  Описание, определения и основные характеристики датчиков давления.
1. Виды измеряемого датчиками давления.
2. Виды исполнения сенсора (чувствительного элемента) и материал мембраны.
3. Класс точности и выходные сигналы датчиков давления.
4. Условия эксплуатации в зависимости от измеряемой и окружающей среды.
5. Параметры питания и способы монтажа датчиков давления.
6. Общие рекомендации о том как правильно выбрать, заказать и купить датчик давления.

В настоящее время ожидается дополнение и переиздание авторской статьи «Датчики давления: Аналитический обзор, сравнение видов и рыночных цен, анализ характеристик и преимуществ, правила профессионального подбора» моделей датчиков давления любого вида (избыточного, абсолютного, вакуумметрического, гидростатического и дифференциального (перепада) давления, в том числе и специальных нестандартных исполнений).

Вернуться в начало страницы.

Измерители давления

Для измерения давления жидкости, воздуха и газов используется манометр. Он применяется на промышленных предприятиях. Прибор помогает контролировать работу многих систем (газовые магистрали, тепловые насосы, вентиляционные и охлаждающие системы) и вовремя устранять возникшие неисправности.

Дифференциальный – прибор, который применяется для определения давления воздуха в вентиляционных системах. Он используется в промышленности. У нас представлены цифровые манометры данного вида, они имеют ЖК-дисплей, поддерживают 8 единиц измерения: гПа, мбар, Па, мм Н2О, мм Нg, дюйм Н2О, дюйм Нg, фунт/дюйм².

Вакуумметры – специальные приборы, замеряющие объем газа. К ним относятся, например манометры для шин, а также устройства для измерения давления топливной магистрали. Они используются для контроля за плотностью шин, что продляет срок их службы и для выявления повреждений вакуумных систем, обратных линий и топливных магистралей.

Манометрический коллектор – специальный прибор для подключения к холодильным системам и тепловым насосам. С его помощью контролируется давление жидкости и газа, а при подключении специального датчика устройство может рассчитывать температуру.

Трубки гидрометрические

Трубки пневмометрические, устройства для измерения величины и направления скорости, а также расхода жидкости или газа, основанные на измерении давления в потоке. Применяются для измерения скоростей течения воды в реках, каналах, лотках и трубах, скоростей воздушных потоков, а также относительных скоростей движения судов и самолётов.

Широко распространена комбинированная трубка Пито — Прандтля, которая представляет собой цилиндрическую трубку с полусферическим носиком, ось которой устанавливается вдоль потока. Через центральное отверстие на полусфере (критическая точка) измеряется полное давление p0; другое отверстие (или ряд отверстий) располагается на боковой поверхности трубки на расстоянии нескольких диаметров трубки от носика и от державки и служит для измерения статического давления.

Деформационные манометры

В этих
приборах измеряемое давление или
разрежение уравновешивается силами
упругого противодействия различных
чувствительных элементов, деформация
которых, пропорциональная измеряемому
параметру, через рычаги передается на
стрелку или перо прибора. При снятии
давления чувствительный элемент
возвращается в первоначальное положение
под воздействием упругой деформации.
Деформационные манометры нашли широкое
применение в промышленности, что
обусловлено простотой и надежностью
конструкции, наглядностью показаний,
малыми габаритами, высокой точностью
и широкими пределами измерения.

В
качестве измерительных элементов
деформационных манометров и измерительных
преобразователей давления, разрежения
и перепада давлений используют
одновитковую трубчатую пружину (рис.
3а), сильфон (рис. 3б), мембранную коробку
(рис. 3в), многовитковую трубчатую пружину
(рис. 3г), вялую мембрану (рис. 3д), жесткую
мембрану (рис. 3е).

В
трубчато-пружинном манометре с
одновитковой трубчатой пружиной (рис.
4), получившем наибольшее распространение,
чувствительным элементом является
трубчатая пружина 2, представляющая
собой полую трубку овального или
эллиптического сечения, согнутую по
дуге окружности на 180–270.
Маленькая ось эллипса трубки расположена
параллельно, а большая – перпендикулярно
плоскости чертежа. Один конец трубчатой
пружины жестко соединен с держателем
1, укрепленным винтами в круглом корпусе
3 манометра. Держатель имеет резьбовой
ниппель, предназначенный для крепления
прибора на трубопроводе или аппарате,
в котором измеряется давление. Свободный
конец пружины поводком связан с
передаточным механизмом 7 , состоящим
из зубчатого сектора и сцепленной с ним
шестеренки, на ось которой насажена
стрелка 4.

Для
устранения мертвого хода стрелки,
вызванного люфтами в соединениях,
передаточный механизм снабжен упругим
спиральным волоском 5. Внутренний конец
волоска крепится на оси стрелки, а
внешний – на неподвижной плате механизма.
Волосок постоянно прижимает шестеренки
со стрелкой в направлении, противоположном
перемещению звеньев механизма под
действием давления, что устраняет
влияние люфтов в соединениях, и стрелка
прибора начинает двигаться одновременно
с отклонением чувствительного элемента.

Под действием давления среды, сообщающийся
с внутренней полостью трубчатой пружины,
последняя несколько распрямляется,
свободный конец перемещается и тянет
за собой поводок, который через
передаточный механизм вызывает
перемещение стрелки по шкале прибора.
Раскручивание трубчатой пружины,
согнутой по дуге окружности, обусловлено
тем, что при подаче давления ее
эллиптическое сечение стремиться
перейти в круглое. При этом малая ось
эллипса, расположенная в плоскости
чертежа, увеличивается, и волокна
пружины, находящиеся на радиусе r1,
переходят на больший радиус r1’,
а волокна, находящиеся на радиусе r2,
переходят на меньший радиус r2’.
Так как длина трубчатой пружины остается
неизменной, а один конец ее жестко
заделан в держателе, в пружине возникают
внутренние напряжения, приводящие к ее
раскручиванию и перемещению свободного
конца. Последний и, следовательно,
стрелка прибора перемещаются
пропорционально изменению измеряемого
давления, поэтому манометр имеет
равномерную шкалу.

Жидкостные манометры

Принцип
действия жидкостных манометров основан
на уравновешивании измеряемой величины
высотой столба рабочей жидкости. В
качестве рабочей жидкости, в зависимости
от величины измеряемого избыточного
давления или разряжения, а также от
химических свойств измеряемого вещества,
применяются: вода, спирт, ртуть, минеральные
масла небольшой вязкости.

Простота
конструкции и надежность гидростатического
метода, лежащего в основе работы этих
приборов, а также достаточно высокая
точность – причины их широкого применения,
как для лабораторных, так и для технических
измерений небольших избыточных давлений,
разрежений, разности двух давлений,
атмосферного давления. Образцовые
жидкостные приборы служат для поверки
некоторых типов манометров, вакуумметров,
тягомеров, напоромеров, барометров,
дифференциальных манометров.

Наиболее
распространенным и самым простым по
устройству является U-образный
прибор (рис. 1). Он состоит из изогнутой
в виде буквы U стеклянной
трубки 4, примерно до половины заполненной
рабочей жидкостью 3. С помощью скобок 1
трубка прикреплена к доске 2, между
ветвями трубки размещена шкала 5.

Значение
измеряемой величины (разность давлений
Р1 и Р2) определяется по шкале прибора:

где р –
плотность рабочей жидкости; g
– ускорение силы тяжести.

Приборы для измерения давления

Давление характеризуется отношением
силы, равномерно распределенной по
площади и нормальной к величине этой
площади.

По
принципу действия приборы для измерения
давлений делятся на жидкостные,
деформационные, грузопоршневые и
электрические.

В
зависимости от измеряемой величины
различают следующие приборы: манометры
– для измерения избыточных давлений;
вакуумметры – для измерения разрежения
мановакуумметры – для измерения
избыточных давлений; напоромеры, тягомеры
и тягонапоромеры – для измерения малых
избыточных давлений и разрежений (до
нескольких кПа); дифференциальные
манометры (дифманометры) – для измерения
перепадов (разности) давлений.