Существует несколько основных типов чувствительных элементов, применяемых при измерении давления. Каждый из них имеет свои достоинства и недостатки. Поэтому при подборе датчика под конкретную задачу, обязательно нужно начинать с выбора типа чувствительного элемента.
Мембранный прессостат: (реле давления)
Чувствительный элемент – мембрана. (плоский или гофрированный стальной диск).
Самый дешевый вариант в массовом производстве
Механически замыкает и размыкает электрические контакты при изменении давления
Невысокая точность и повторяемость срабатывания
Применим для измерения давления жидкостей, паров и газов
Не подходит для работы с частым срабатыванием
Невысокое сопротивление внезапным скачкам давления
Невысокое сопротивление перегрузкам давления
Сильфонный прессостат: (Реле давления)
Чувствительный элемент – сильфон (стальной цилиндр с гофрированными стенками).
Высокая точность и повторяемость срабатывания при низких давлениях
Хорошая устойчивость к скачкам давления и перегрузкам
Поршневой прессостат: (Реле давления)
Чувствительный элемент – поршень.
Обязательно имеет детали уплотнения (кольца, манжеты)
Идеально подходит для гидравлических систем
Подходит для работы с частым срабатыванием
Высокое сопротивление внезапным скачкам давления
Керамический датчик (преобразователь) давления:
Чувствительный элемент – керамическая пластина с электродами.
Преобразует давление системы в пропорциональное изменение электрического сигнала
Подходит для работы с агрессивными средами
Идеально подходит для измерения низких давлений
Невысокая цена
Не требуется заполнения жидкостью пространства за мембраной
Тонкопленочный датчик (преобразователь) давления:
Чувствительный элемент – тонкая пленка стали.
Преобразует давление системы в пропорциональное изменение электрического сигнала
Очень высокая стабильность измерений во времени
Работоспособность при высоких температурах среды
Все смачиваемые части датчика выполняются из нержавеющей стали без дополнительных материалов
Очень высокое сопротивление перегрузкам и скачкам давления
Идеально подходит для измерения высоких давлений до 2000 бар
Не требует заполнения жидкостью пространства за мембраной
Пьезорезистивный датчик (преобразователь) давления:
Чувствительный элемент – пьезорезистивный.
Преобразует давление системы в пропорциональное изменение электрического сигнала
Невысокая цена
Подходит для измерения низких давлений
Пространство за разделительной мембраной обязательно заполняется силиконовым маслом
Требуется температурная компенсация результатов измерений
Конструктивный расчет элементов регулятора
В преобразователях давления в перемещение в зависимости от величины измеряемых давлений в качестве чувствительного элемента используются мембраны, сильфоны или трубки Бурдона. Рассмотрим пример расчета сильфонного датчика давления, содержащегося „в гидравлическом регуляторе давления пара или топлива.
Сильфон представляет из себя металлический гофрированный цилиндр, донышко которого непосредственно воспринимает измеряемое давление и передает усилие через иглу сильфона на рычаг сравнения регулятора, рис. 14.
Рис. 14. Гидравлический интегральный регулятор давления пара
Усилие Nc, развиваемое сильфоном пропорционально давлению Р0 и активной площади сильфона F0 : Nc = P0Fc. Активная площадь сильфона определяется средним значением диаметра донышка d и внешнего диаметра гофрированного цилиндра D :
Расчет преобразователя заключается в определении геометрических размеров сильфона, рычага сравнения (плечи l1,l2,l4), а также жесткости Су и предварительного натяга установочной пружины SУ. Выходным параметром преобразователя давления, приведенного на рис.13, является горизонтальное перемещение h заслонки двухпроточного усилительного реле. В установившемся состоянии системы регулирования эта заслонка находится в среднем положении, перекрывая ровно половину диаметров dc правого и левого сопел. Рабочий ход заслонки в переходных процессах составляет половину этих диаметров, т.е. Дhmax = ±0,5dc. В крайнем положении заслонки одно из сопел полностью перекрывается, а другое -полностью открывается, создавая максимальный перепад давлений ДPB на сервомоторе регулятора. Рабочий ход сильфона ДSc, свободного конца установочной пружины ДSy к перемещение заслонки Дhmax связаны геометрическими размерами рычага сравнения и составляют пропорцию:
Жесткость пружины су рассчитывают из условия баланса моментов на рычаге сравнения относительно неподвижной оси. Изменение момента на сильфоне обусловлено отклонением измеряемого давления от установившегося значения ДР0 . Этот момент уравновешивается растяжением (или сжатием) пружины:
Предварительный натяг пружины SУ уравновешивает номинальное давление Р0:
Расчет установочной пружины выполняется следующим образом.
Исходя из усилия, развиваемого пружиной, задаются ее размерами: диаметром провода dn и диаметром витка DB. Число витков стальной пружины, обеспечивающее требуемую жесткость, равно:
где Е = 9,8 10 н/мІ . Число витков пружины должно быть от 10 до 20. Затем проверяют пружину на суммарное напряжение от кручения и изгиба: , где Nmax= су (Sy + ДSУ) -максимальное усилие, развиваемое пружиной,
Величина предельного напряжения у не должна превысить величины 0,7 ·109 н/м2. В противном случае размеры пружины корректируют.
Коэффициент передачи преобразователя “давление – перемещение” равен:
Расчет сильфонного датчика давления в пакете MathCad:
Чувствительные элементы датчиков давления и перепада давления.
Рис. 4. Схемы действия мембранных чувствительных элементов давления
Давление. В энергетической установке судна давление измеряют в очень широком диапазоне. Воспринимают давление, как правило, упругие и эластичные ЧЭ, деформирующиеся под действием силы от давления среды. Эта сила обычно уравновешивается силой действия пружины СУ. Для измерения малых давлений применяют плоские эластичные и жесткие мембраны (рис.4, а). Эластичные мембраны изготавливают из аэростатной ткани или дюритовой резины. Ограниченно распространены жесткие мембраны, изготовленные из нержавеющей стали и бериллиевой бронзы, недостатком которых является малый диапазон перемещения. Для увеличения хода применяют мембраны с гофром, направленным вогнутостью в стороны измеряемого давления (рис. 4, б).
Увеличить усилие, развиваемое мембраной, можно применением жесткого центра (рис. 4, в).
Сильфонный датчик давления (гармониковая мембрана) представляет собой гофрированную упругую металлическую трубку, закрытую с одного торца, образующего активную площадь (рис. 6, а).
В датчике эта сила уравновешивается суммой сил упругости сильфона (за счет его собственной жесткости) и дополнительной пружины (рис. 6, б). Выходным сигналом датчика является перемещение Δ yД штока.
Сильфонные датчики применяют для измерения давления различных сред в широком диапазоне (0, 01- 100) 105 Па. При измерении малого давления пружина может отсутствовать, в этом случае действующая сила полностью уравновешивается за счет упругости самого сильфона. Жесткость сильфона зависит от его геометрических размеров, материала, числа гофр и слоев. Для измерения высокого давления необходимо увеличить толщину стенки сильфона, что приводит к повышению его жесткости. В этом случае жесткость можно снизить, сделав сильфон двух-трехслойным в зависимости от необходимой прочности.
Манометрическая трубка, или трубка Бурдона (рис. 7, а), представляет собой упругую металлическую трубку эллиптического или прямоугольного сечения, согнутую по радиусу. К неподвижно закрепленному концу трубки подводится измеряемое давление р, которое действует на ее внутренние поверхности, имеющие разные площади, и создает усилие, направленное в сторону поверхности с большей площадью.
Это усилие уравновешивается силой упругости самой трубки. Выходной сигнал датчика в виде перемещения Δ уД свободного конца трубки пропорционален изменению давления Δ р. При повышении давления трубка выпрямляется, а при снижении – сгибается.
Достоинствами трубки Бурдона являются большая механическая прочность, простота конструкции и широкий диапазон измеряемого давления при линейной характеристике, что позволяет широко использовать ее в контрольно-измерительных приборах и приборах автоматических устройств. Металлические мембраны и трубки Бурдона в рабочей зоне обладают свойствами пружин и практически не имеют остаточной деформации. Диапазон измеряемого давления на линейном участке характеристики определяется пределом упругости трубчатой пружины и зависит от конструктивных соотношений размеров и механических свойств материала трубки.
Превышение предельных значений вызывает остаточную деформацию пружины, что недопустимо в эксплуатации.
Для измерения давления до 100· 105 Па трубчатые пружины изготавливают из латуни или бронзы, для более высокого – из стали.
Геликоидальная пружина (рис. 7, б) представляет собой упругую металлическую трубку эллиптического сечения, закрученную по спирали. К неподвижно закрепленному концу трубки подводится измеряемое давление р. Принципы действия геликоидальной пружины и трубки Бурдона аналогичны. Выходным сигналом датчика является угловое перемещение Δ аД свободного конца трубки. Геликоидальные пружины применяют в случаях, когда требуется получить большие перемещения выходного звена датчика при малых изменениях давления.
Рис. 8. Схемы действия датчиков перепада давления
Перепад давлений. Перепад Δ р = р1 – р2 часто измеряют для определения расхода жидкости или газа, а также сопротивления участка трубопровода. Для измерения малых перепадов давления (от 10 до 1600 Па) используют мембранный датчик из эластичной аэростатной ткани, дюритовой резины или фольги (рис. 8, а).
Измеряемые давления р1 и р2 подводятся к полости датчика с обеих сторон мембраны, на жестком центре которой создается усилие FЧ. пропорциональное их разности и направленное в сторону меньшего давления. Выходной шток уплотняется в корпусе сальником или сильфоном. Во втором случае приведенная активная площадь мембраны со стороны штока будет меньше на размер активной площади уплотнительного сильфона.
Сильфонный датчик перепада давления (рис. 8, б) имеет измеряемый диапазон значительно шире, чем мембранный. Состоит датчик из двух сильфонов с одинаковой активной площадью, преобразующих измеряемые давления в силы, направленные в противоположные стороны.
Разность сил, приведенная к соединительному штоку, уравновешивается силами действия пружины и упругости самих сильфонов. Выходным сигналом датчика является перемещение рычага Δ уД, пропорциональное изменению перепада давлений Δ (р1 – р2). Двухсильфонные и двухмембранные датчики обладают высокой чувствительностью из-за отсутствия сил сухого трения в уплотнениях штоков.
