На каком принципе работает датчик давления

Эксплуатация многих промышленных и бытовых приборов нуждается в контроле состояния находящейся внутри них рабочей среды. Этой средой могут быть жидкие (вода, моторное или компрессорное масло, химические продукты) либо газообразные вещества (воздух, водяной пар, природный газ, кислород и иные технические среды). Чтобы устройство исполняло свои функции, оно должно как-то измерять рабочие параметры и реагировать на них заданным образом. Для этого предназначены датчики контроля давления и температуры.

Что такое датчик давления

Датчиком давления называют контрольное оборудование, отвечающее непосредственно за измерение указанного показателя.

Области его применения бывают разнообразными:

• нефтедобывающая, газодобывающая, перерабатывающая отрасль;
• химическая промышленность;
• энергетика;
• пищевое производство;
• множество других направлений.

В быту самый очевидный пример — это сенсоры давления для насосной станции в системе автономного водоснабжения жилого дома (дачи, коттеджа).

Схематическое изображение, где находится датчик давления в водопроводе:

На схеме можно найти два измерителя, управляющие включением основного и дополнительного насосов. Они обеспечивают равномерную подачу воды независимо от ее потребления конечными пользователями.

Иногда такие устройства называют манометрами. Это не совсем верно, поскольку манометр — это готовый прибор, визуально показывающий величину давления в удобном для человеческого восприятия виде. Датчик же лишь элемент системы измерения, непосредственно воспринимающий физическую величину и передающий измерительный сигнал для дальнейшей обработки.

Устройство и типы сенсоров

Принцип работы датчиков давления основан на фиксации изменения состояния среды чувствительным элементом (приемником). Электронный каскад вторичной обработки преобразует выходной сигнал до принятых стандартных параметров.

По типу чувствительного элемента существует несколько решений.

Емкостные

Данный вариант использует эффект изменения электрической емкости элемента, в котором гибкая мембрана является одной из обкладок конденсатора совместно с неподвижным корпусом. Преимущества в прямом измерении электрических характеристик без промежуточных преобразований; защищенности сенсора от перегрузок и импульсного удара; стабильности показаний. Именно такие датчики давления чаще применяют в промышленном оборудовании. Например, в компрессорах, воздушных и гидравлических насосах, диагностической аппаратуре.

Особый интерес представляет возможность изготовить именно такой датчик давления своими руками. Ведь из всех прочих разновидностей только емкостные сенсоры не требуют для производства точной механики или особого оборудования. Две токопроводящие пластины несложно соединить через прокладку из упругого диэлектрика, а настраивать самодельный датчик давления можно, используя в качестве эталона надежный проверенный манометр.

Индуктивные

Регистрируют токи в катушках с переменным полем, одна из которых располагается на упругой мембране. Небольшое перемещение магнита относительно воздушного зазора, приводит к сильному изменению индуктивности. Благодаря этому достигают высокой чувствительности сенсора.

Электронные

Кроме перечисленных, электронный датчик давления воздуха может быть реализован и на других физических принципах: изменении теплопроводности, ионизации газа. Такие сенсоры требуют точной настройки и используются в сложной аппаратуре и научных приборах. Их достоинство в способности измерять сверхнизкие давления, включая глубокий вакуум.

Тензометрические

Используется изменение электрического сопротивления при деформации тензорезистора, который расположен на упругом элементе. Сам тензорезистор изготовлен в виде тонких проводников на слюдяной или бумажной подложке площадью 2–10 квадратных мм.

По-другому этот тип сенсоров называется резистивным.

Механические

Группа устройств, в которых давление внутри системы приводит к механическому движению частей сенсора относительно неподвижного основания. Это перемещение регистрируется прибором.

Достоинством измерителей данной группы служит их очень высокая чувствительность в некоторых диапазонах, где другие конструкции недостаточно эффективны. Так датчик низкого давления в вакуумной системе должен реагировать на изменения порядка 0.01 Мпа. Этого можно добиться, применяя чувствительную мембрану. Другой тип механического измерителя — трубка Бурдона. Используется в приборах, в которых нет электроники, непосредственно воздействуя на стрелку. По этому принципу действуют механические манометры, а также глубиномеры (включая наручные для водолазов).

Похожий принцип реализован в знакомых многим автомобильных указателях моторного масла. Упругий элемент реагирует на сжатие, через толкатель перемещая подвижный контакт по обмотке реостата. Электрическое сопротивление изменяется, что и регистрирует прибор.

Различия по использованию

По характеру измеряемого параметра различают следующие разновидности датчиков:

• абсолютного давления;
• избыточного давления;
• дифференциальные.

Измерение давления чаще всего требуется для задания общих режимов работы оборудования: включения или выключения подающих насосов, системы подогрева и множества других управляемых автоматикой процессов. Простые по конструкции устройства прошлых лет измеряли перепад показателя по отношению к атмосферному, что не всегда удовлетворяло требованиям точности. Это связано с тем, что величина, с которой атмосфера давит на поверхность, может ощутимо меняться (в истории зафиксированы измерения от 641 до 816 мм ртутного столба).

Датчик абсолютного давления

Чтобы избежать ошибок из-за влияния погоды, более современные приборы способны отсекать влияние атмосферы. Они регистрируют измеряемую величину по отношению к глубокому вакууму. Такой сенсор называют абсолютным. Полученные от него показания чаще всего применяют для последующей цифровой обработки, чтобы расчетным путем привести характеристику давления к стандартным условиям. Это необходимо для правильной фиксации расхода тепловой энергии или газа в системах учета.

Датчик избыточного давления

Более простые в устройстве датчики избыточного давления учитывают суммарный показатель абсолютного и атмосферного. Без них не обойтись в коммунальном хозяйстве, в производственных или коммерческих устройствах, регистрирующих расход жидкости или газа. Другая область применения простых и надежных измерителей избыточного давления — устройства аварийной сигнализации о превышении допустимого уровня.

Дифференциальный датчик

Датчик дифференциального типа определяет разницу давлений в двух раздельных полостях. Обычно такие приборы установлены в приборе, который постоянно контролирует расход вещества, протекающего по трубе, без использования вращающихся деталей. Его принцип действия основан на эффекте увеличения давления потока перед сужением диаметра и уменьшения после него. Чем такая разница выше, тем больше и протекающий по трубе поток.

Одна из возможных схем подключения этих устройств приведена на рисунке.

Диапазон измеряемой величины

Поскольку интервал показателя давления весьма широк, то инженерам требуются сенсоры, способные качественно измерять параметры в интересующем диапазоне. Изготовить прибор, одинаково хорошо и с удовлетворительной чувствительностью применимый как в глубоком вакууме, так и на промышленном компрессоре высокого уровня сжатия, на практике невозможно. Поэтому существуют отдельные датчики: вакуумные, низкого и высокого давления. В числовом выражении:

• вакуумные датчики — для измерения низкого (1 мм. рт. ст.) или высокого (105 мм. рт. ст.) вакуума;
• датчики низкого давления — от атмосферного до величин порядка 10 Па (встречается также другое название: форвакуумные);
• датчики высокого давления — измеряют параметр выше 1 атм., также делятся на диапазоны по возрастанию компрессии.

Датчики низкого давления широко применяют в научном и лабораторном оборудовании, в медицине, в промышленности, производящей электронные компоненты и сверхчистые вещества.

По типу контролируемой среды

Потребность узнать степень сжатия или разрежения рабочей среды может возникнуть для самых разных веществ или агрегатных состояний. Чтобы обеспечить долгий срок службы и достаточную точность показаний, регистрирующие приборы также делают с учетом условий, в которых им предстоит работать.

Обычно это:

• датчики давления воздуха — замеряют показатель сжатия газообразной среды в широком интервале величин;
• топливные — устанавливают в системе питания двигателей, например, в топливной рампе инжекторного мотора с целью оптимизировать состав и количество горючей смеси в цилиндрах;
• водяные — для трубопроводов и магистралей в коммунальном хозяйстве, для установки на насосной станции;
• для агрессивных сред — в защищенном исполнении используют в химическом производстве, при перекачке нефти и газа.

Проверка и настройка

Как проверить датчик давления, если возникли подозрения в его работоспособности? Проверка разделяется на два этапа. Сперва нужно прозвонить электрическую цепь измерителя, чтобы убедиться в отсутствии обрыва или короткого замыкания. Методика проверки мультиметром аналогична работе с другими электроприборами.

Если такая диагностика не выявила проблемы, то следующий шаг — проконтролировать регулировки сенсора на соответствие реальной величине давления. Для этого не обойтись без эталона, в показаниях которого нет сомнений. Для этого выполняют подключение датчика давления к испытательной емкости, оборудованной прошедшим метрологическую поверку манометром. Поскольку настраивать сам сенсор обычно невозможно, регулируют воспринимающий его сигнал прибор так, чтобы его показания не расходились с эталоном.

Рассмотрим несколько примеров тестирования устройств, с которыми многие сталкиваются в жизни.

Регулировка реле насосной станции

Для примера рассмотрим, как настроить нормальную работу устройства, включающего и выключающего насос на установке автономного водоснабжения. Его схема содержит датчик давления и две пружины с регулировочными гайками, воздействующие на электрический контакт. Они находятся под защитной пластмассовой крышкой реле, закрепленного возле двигателя насоса.

Изменяя затяжку пружин вращением гаек, наблюдают за показанием штатного манометра и добиваются требуемой величины сжатия воздуха в гидроаккумуляторе системы по нижнему и верхнему пределам.

Автомобильный датчик абсолютного давления

Этот сенсор находится на впускном коллекторе двигателей, оборудованных впрыском топлива. Он известен также под названием MAP (Manifold Absolute Pressure) или русской аббревиатурой ДАД. Его задача — направлять в электронный блок управления двигателем сигнал о степени сжатия воздуха на впуске, что необходимо учитывать для оптимизации состава топливной смеси. При отказе ДАД форсунки впрыскивают в цилиндры больше бензина, чем нужно двигателю для оптимальной работы, отчего вырастает его расход, падает мощность, обороты становятся нестабильными.

Тестирование выполняется подключением датчика давления к мультиметру и замером электрического сопротивления в разных режимах. Роль эталонного прибора здесь играет бортовой компьютер автомобиля, в котором хранятся стандартные параметры. При отклонении от них деталь признается негодной и выбраковывается, поскольку возможности ее регулировок не предусмотрены.

Видео по теме

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 ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫХ 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»

В конце 2018 года в продуктовой линейке компании «ЭМИС» появились интеллектуальные «ЭМИС» — БАР». Они способны осуществлять непрерывное измерение абсолютного, избыточного, дифференциального и гидростатического давления, определять разрежение жидких и газообразных сред, насыщенного и перегретого пара.

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

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

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

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

Функции меню:

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

Приборы «ЭМИС» — БАР» внесены в Госреестр средств измерения (№2219), имеют сертификат соответствия ТР ТС 012/2011 «О безопасности оборудования для работы во взрывоопасных средах», всю необходимую разрешительную документацию, а также дополнительные сертификаты:

• Сертификат соответствия ТР ТС 032/2013 «О безопасности оборудования, работающего под избыточным давлением».
• Декларация о соответствии ТР ТС 032/2013 «О безопасности машин и оборудования».
• Декларация о соответствии ТР ТС 020/2011 «Электромагнитная совместимость технических средств».
• Сертификат соответствия «Применение в средах, содержащих сероводород».
• Экспертное заключение по результатам санитарно-эпидемиологической экспертизы.
• Право интеллектуальной собственности разработчика защищено патентом РФ № 186107.

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

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

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

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.

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

В 2018 году, в целях проведения ОПИ, «ЭМИС-БАР» были поставлены на объект УРМЦ «Газпром – Трансгаз – Екатеринбург». В своем отзыве заказчик отмечает, что за время опытно-промышленных испытаний они показали себя надёжным средством измерения, отвечающим всем техническим требованиям и в полной мере обеспечивающим заявленные метрологические и технико-эксплуатационные параметры. Приборы показали высокую стабильность при различных температурных режимах и в разных погодных условиях, высокую визуализацию, интуитивность и практическое удобство дисплея.

Также положительные характеристики ИД «ЭМИС-БАР» получили по результатам работы на «Березниковском содовом заводе», где измеряемой средой стала фильтровая жидкость карбоколонны. «Интерфейс настройки прибора интуитивный и понятный. Материал корпуса соответствует заявленному в паспорте. Несмотря на наличие в фильтровой жидкости агрессивных примесей, отложений и коррозии на сенсоре не было. Метрологические характеристики после 6 месяцев работы соответствуют заявленным. Диапазон напряжения питания может быть от 12 до 36 вольт, при этом влияния на работу прибора данный разбег по питанию не оказывает», — отмечает в отзыве заказчик.

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

На рисунке комплекс учета «ЭМИС»-Эско 2210»

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

Если у Вас существует потребность в приобретении продукции, на нашем сайте Вы можете оставить заявку или заполнить опросный лист и отправить его на адрес sales@emis-kip.ru.

Задать вопрос инженерам по работе производимых приборов