Какие датчики давления бывают

Датчики давления. Виды и работа. Как выбрать и применение

Датчики давления являются устройством, выдающим сигналы на выходе, зависящие от давления измеряемой среды. Сегодня не обходятся без точных датчиков определения давления. Они применяются в автоматизированных системах всех отраслей промышленности.

Классификация и принцип работы

Многие датчики давления функционируют на преобразовании давления в движение механической части. Кроме механических элементов (трубчатые пружины, мембраны) для замеров используются тепловые и электрические системы. Электронные элементы дают возможность осуществить производство датчиков давления на электронных элементах.

Датчик давления состоит из:

• Первоначальный преобразователь вместе с чувствительным элементом.
• Корпус датчика, имеющий разные конструкции.
• Электрическая схема.

Волоконно-оптические

Этот тип датчиков считается самым точным в работе, которая не имеет большой зависимости от изменений температуры. Элементом точной чувствительности действует оптический волновод. Давление в волоконно-оптических приборах определяется путем поляризации света, прошедшего по элементу чувствительности, и колебаниям амплитуды.

Оптоэлектронные датчики давления

Датчики давления состоит из нескольких слоев, через которые проходит свет. Один слой меняет свойства от величины давления среды. Меняются 2 параметра: величина преломления и размер слоя. Методы изображены на рисунках.

При изменении свойств будет изменяться характеристика света, проходящего через слои. Фотоэлемент производит регистрацию изменений. Преимуществом оптоэлектронных приборов стала высокая точность.

Датчики легко определяют давление, имеют повышенное разрешение, чувствительность, стабильны к действию температуры. Перспективность оптоэлектронных приборов обуславливается работой на интерференции света, использованием интерферометра для замера малых перемещений. Основные составляющие элементы датчика — кристалл оптического анализатора с диафрагмой, фотодиод и детектор. Детектор составляют три светодиода.

К 2-м фотодиодам прикреплены оптические фильтры, которые имеют отличия по толщине. Фильтры состоят из кремниевых зеркал, имеющих отражение от лицевой части поверхности, которые имеют слой оксида кремния. Поверхность напылена слоем алюминия малой толщины.

Световой преобразователь подобен емкостному датчику. Его диафрагма смоделирована способом травления, которая покрыта металлическим тонким слоем. Стеклянная пластина снизу покрыта металлическим слоем. Между подложкой и стеклом есть промежуток, образованный двумя прокладками.

Два металлических слоя образуют интерферометр с изменяемым воздушным промежутком. В его состав вошли: зеркало на стекле стационарного вида и меняющее положение зеркало на мембране.

На подобной основе изготавливают чувствительные датчики размером 0,55 мм. Они легко проходят через ушко иглы.

Оптическое волокно взаимосвязано с сенсором. В нем с помощью управления микропроцессора подключается монохроматический свет, который вводится в волокно. Делается замер интенсивности обратного света, по калибровке рассчитывается наружное давление и результат показывается на экране. Сенсоры используют в медицине для проверки давления внутри черепа, измерения кровяного давления в артериях легких. Другими методами в легкие добраться невозможно.

Магнитные

Магнитные датчики давления еще называют индуктивными. Элементом чувствительности служит Е-пластина, в центре расположена катушка, и проводящая мембрана. Она расположена на малом расстоянии от конца пластины. При подсоединении обмотки образуется магнитный поток, он идет через пластину, промежуток воздуха и мембрану.

Магнитная проницаемость воздуха в зазоре в 1000 раз слабее мембраны и пластины. Малое изменение параметра зазора приводит к значительному изменению индуктивности.

При воздействии давления мембрана изгибается, сопротивление катушки меняется. Преобразователь переводит изменение в сигнал тока. Измерительный рабочий элемент преобразователя сделан по схеме моста, обмотка включена в плечо. АЦП подает сигнал от элемента измерения в виде сигнала от давления.

Емкостные

Датчики давления самой простой конструкции, состоящий из плоских электродов (2 шт.) с зазором. Электрод сделан мембраной, на нее давит измеряемое давление. Меняется размер зазора. Такой вид датчика образует конденсатор с меняющимся зазором. Величина емкости конденсатора меняется при изменении промежутка от пластин или от электродов в данном случае.

Для определения очень небольших изменений давления приборы наиболее применимы и эффективны. Они дают возможность произвести замеры избыточного давления в различной среде. На предприятиях при выполнении технологических процессов, в которых задействованы системы воздушного и гидравлического оборудования, в насосах, компрессорах, на станках емкостные датчики нашли широкое применение. Датчик емкостного вида имеет конструкцию, которая имеет стойкость к вибрациям, скачкам температуры, защищена от химической и электромагнитной среды.

Ртутные

Также простая конструкция прибора. Действует по закону о сообщающихся сосудах. На одну емкость давит давление, которое нужно измерить. По величине другого сосуда — определяется давление.

Пьезоэлектрические

Элементом чувствительности в этом датчике служит пьезоэлемент. Это вещество, создающее электрический сигнал во время деформации. Такое свойство называется прямым пьезоэффектом. В измеряемой области находится пьезоэлемент, который образует ток, прямо зависящий от значения давления. Сигнал в датчике из пьезоматериала образуется только при деформации. При неизменном давлении нет деформации, поэтому датчик годен только для проведения замеров среды с быстро изменяемым давлением.

Если давление не будет изменяться, то не будет деформации, пьезоэлектрик не сгенерирует сигнал.

Пьезоэлектрики нашли использование в первичных преобразователях потока водяных вихревых счетчиков, и других сред. Их устанавливают парами в трубу с проходом в несколько сотен мм за предметом обтекания. Фиксируют вихри. Количество и частота вихрей прямо зависят от скорости потока и расхода по объему.

Пьезорезонансные датчики давления

В отличие от вышеописанного вида датчика здесь применяется обратный пьезоэффект, то есть, форма материала пьезоэлемента изменяется от тока подачи. Применяется резонатор в виде пластины из пьезоматериала. На пластину с двух сторон нанесены электроды. На них подключается по очереди напряжение питания с разным знаком, пластина производит изгиб в обе стороны в зависимости от полярности поданного напряжения и частоты.

Если воздействовать на пластину силой, чувствительной мембраной к давлению, то резонатор изменит частоту колебаний. Частота резонатора укажет значение давления на мембрану, которая оказывает давление на резонатор.

На рисунке изображен пьезорезонансный датчик с абсолютным давлением, который сделан герметичной камерой 1. Она достигается корпусом 2, основанием 6, мембраной 10. Мембрана крепится на электронную сварку к корпусу. Держатели закреплены на основании перемычками. Силочувствительный резонатор удерживает держатель.

Мембрана 10 давит на втулку 13 и шарик 6, который закреплен в держателе. Шарик давит на чувствительный резонатор 5. Проводка закреплена на основании 6, необходима для слияния резонаторов с генераторами. Сигнал на выходе абсолютного давления образуется по схеме путем разности генераторных частот. Датчик находится в активном термостате 18 с неизменной температурой 40 градусов. Давления для измерения поступает через штуцер 12.

Резистивные датчики давления

Другим названием этот датчик называется тензорезистор. Это элемент, который меняет собственное сопротивление при деформации. Такие тензорезисторы монтируют на мембрану, которая чувствительна к изменяющемуся давлению. В результате при приложении силы на мембрану происходит ее изгиб, из-за этого изгибаются тензорезисторы, которые на ней закреплены. На тензорезисторах меняется сопротивление и значение тока цепи.

Растяжение элементов из проводников на каждом тензорезисторе ведет к увеличению длины и снижению сечения. В итоге сопротивление повышается. При сжатии процесс происходит наоборот. Изменения сопротивления незначительные, поэтому для обработки сигнала применяются усилители. Деформация переделывается в изменение сопротивления проводника или полупроводника, а затем в сигнал тока.

Тензорезисторы выполнены в виде проводящего зигзагообразного элемента, или из полупроводника, который расположен на гибкой подложке, приклеенной к мембране. Подложка сделана из слюды, полимерной пленки или бумаги. Элемент проводника — из полупроводника, тонкой проволоки или фольги, напыленных на металл в вакуумном состоянии. Чувствительный элемент соединяют с цепью измерения выводами из проволоки или площадками контактов. Тензорезисторы чаще имеют размер площади до 10 мм2. Они более подходят для замера давления, веса, силы нажатия.

Как выбрать

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

Похожие темы:

• Тензометрические датчики (Тензодатчик). Виды, принцип действия
• Емкостные датчики. Виды и устройство. Работа и применение
• Индуктивные датчики. Виды. Устройство. Параметры и применение
• Приборы для измерения давления. Виды и работа. Применение

Источник

Виды датчиков для контроля давления и область их использования

Такие приборы представляют собой измерительные устройства с чувствительными элементами, изменяющими физические параметры в зависимости от давления окружающей среды.

В отличие от манометров, которые только измеряют давление и демонстрируют показания на шкале, датчики еще и преобразуют полученную величину в унифицированный сигнал или цифровой код, который передается по сети технической системы и используется для регулирования всего процесса.

Таким образом, в датчиках обязательно предусматривают не только приемник давления (чувствительный элемент), а и устройства вывода информационного сигнала. И все места стыков и соединений защищаются герметичными соединениями.

Классификация

Датчики давления классифицируют по нескольким признакам. Первый из них — измеряемая характеристика:

• Абсолютное давление — показатель в измеряемой среде относительно абсолютного нуля (вакуума).
• Избыточное давление — уровень увеличения давления в среде относительно барометрического (в земной атмосфере).
• Разрежения — степень уменьшения давления относительно барометрического.
• Давления/разрежения: можно измерять как увеличение, так и уменьшение относительно показателей атмосферного давления.
• Разности давлений (дифференциальные): замеряют, насколько различаются показатели в двух разных средах или в 2 удаленных точках процесса.
• Гидростатического: измеряют разность между полным и динамическим давлением, используются для трубопроводов.

Еще одна классификация — по методу измерения давления:

• Высота жидкости в колонне. По такому принципу работают манометры с откалиброванной шкалой, заполненные водой или ртутью. Водные считаются более чувствительными и точными.
• Упругая деформация. Метод основан на таком соответствии: степень деформации упругого материала прямо пропорциональна прикладываемому усилию (давлению).
• Электрические методы. По такому принципу работают тензодатчики: изменение размера сказывается на электрическом сопротивлении проводника.

В зависимости от всех этих характеристик выделяют следующие типы датчиков:

1. Упругие датчики зачастую используются для измерения давления жидкости. Представляют собой прибор с жидкостью в отсеке с одной упругой стенкой. эта эластичная «мембрана» отклоняется при изменении показаний, и на основании этих отклонений высчитывается величина. Такие приборы чувствительные и хрупкие, сбиваются при воздействии вибраций.
2. Трубки Бурдона: внутрь трубки подается давление, что вызывает ее упругую деформацию (эллипс или овал в сечении стремится принять форму круга, а свободный конец трубки перемещается). Чаще всего по такому принципу работают манометры со стрелочным циферблатом. Это — портативные модели, нетребовательные в обслуживании, но работающие с низкой точностью и подходящие только для статических измерений.
3. Сильфоны: устройства цилиндрической формы со складками, деформируются при сжатии и расширении. Такие приборы подключаются к переключателям и могут использоваться только при давлениях ниже 200 Па.
4. Мембраны и диафрагмы представляют собой резиновые, металлические, пластиковые или кожаные диски. Отличаются чувствительностью к резким изменениям давления, а также подходят для измерения низких величин, менее 2-7Па. Также могут применяться в агрессивных средах.
5. Электрические датчики устанавливаются наравне с упругими, увеличивая точность измерения и обеспечивая передачу электрического сигнала на контрольный пункт.
6. Емкостные, состоящие из параллельных пластин-конденсаторов, соединенных с металлической диафрагмой. также в конструкции есть электроды, запитанные от высокочастотного генератора. Подходят для измерения в пределах 2,5-70 МПа.
7. Индуктивные, с ферромагнитным сердечником, обмотками и упругим элементом. Сердечник перемещается при изменении давления, и напряжение между обмотками тоже меняется. В зависимости от степени калибровки напряжения и типа упругого элемента диапазон измеряемых значений может колебаться в пределах 250Па — 70 МПа.
8. С магнетосопротивлением. Представляют собой конструкцию с ферромагнитным сердечником, пластиной и гибким элементов. При их перемещении изменяется магнитный поток цепи. Чувствительность измерений в этом случае составляет 0,35 МПа.
9. Пьезоэлектрические с датчиком-кристаллом, который формирует электрический заряд в тот момент, когда воспринимает давление. Есть прямая зависимость между изменением этих величин, поэтому устройство получается чувствительное, с быстрым срабатыванием (низким временем отклика). Чувствительность в этом случае тоже на уровне, в пределах 0,1МПа, а верхний предел измерений — 100 МПа.
10. Потенциометрические оснащаются рычагом, прикрепленным к упругому датчику. Когда упругий элемент деформируется, рычаг перемещается по потенциометру, и тем самым обеспечивается измерение сопротивления. Такие датчики работают с низкой чувствительностью и не подходят для постоянного использования в ответственных процессах.
11. Тензометрический: изменения давления определяются путем расчета колебаний сопротивления мостовой схемы Уитстона. Чувствительность датчиков остается высокой только в случае стабильной температуры процессов. Диапазон измерений — до 1400 МПа с чувствительностью 1,4-3.5 МПа.
12. Вибрационные (с виброэлементом). В этом случае измеряются изменения резонансной частоты вибрирующих элементов, а сам датчик расположен в изолированном цилиндре под вакуумом. Такие устройства подходят для измерения стабильных величин без резких скачков и практически не подвержены воздействию температур. Допустимый диапазон измерений — до 0,3 МПа.
13. Дифференциального давления: измеряется разность давления, и эта величина преобразуется в передаваемый сигнал. Используется в паре с емкостным элементом или с диафрагмой, считается минимально инвазивным. Чувствительность измерений и их диапазон зависит от того, какие именно электрические и упругие элементы используются в конструкции. Чаще всего такие устройства используются для измерения перепадов величин.
14. Вакуумные или вакуумметры работают при давлении ниже атмосферного, в вакууме или при чрезвычайно низких величинах.
15. Тепловые, работают по принципу вакуумметров, когда газовая теплопроводность изменяется из-за давления. Принцип используемый в данном типе датчиков заключается в изменении газовой теплопроводности под действием давления. Такие чувствительные элементы работают только при низких давлениях.
16. Приборы ионизации могут быть с горячим либо с холодным катодом (отличаются по принципу испускания электронов). Такие устройства считаются очень чувствительными и подходят для измерения дробных долей.

Также выпускаются приборы с разной степенью чувствительности. Некоторые работают с минимальной погрешностью, но требуют больше времени для проведения измерений. Их целесообразно использовать там, где показатели давления в системе стабильны. Если же эта величина сильно изменяется за короткий промежуток времени, то решают «пожертвовать» точностью в пользу скорости проведения измерений.

Области применения

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

В жилищно-коммунальных хозяйствах и в быту такие устройства монтируются в системы теплового учета и автоматического контроля инженерных сетей. Большинство моделей универсальны и рассчитаны на использование в жидких, газообразных и химически агрессивных средах. В системах контроля за технологическими процессами (в фильтрах, насосах, открытых и закрытых емкостях) часто используются датчики дифференциального давления, а приборы, измеряющие разность давления, широко применяются на предприятиях энергетической отрасли.

Критерии выбора

При подборе подходящего устройства обязательно учитывают:

• место установки, тип технологического процесса и оборудования;
• диапазон измерений;
• тип и температура транспортируемой среды;
• тип унифицированного выходного сигнала;
• необходимая точность проведения измерений (чем ответственнее технологический процесс, тем выше нужна точность).

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

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

Источник