Лекция
Привет, Вы узнаете о том , что такое датчик давления, Разберем основные их виды и особенности использования. Еще будет много подробных примеров и описаний. Для того чтобы лучше понимать что такое датчик давления, методы измерения давления, тензодатчик , настоятельно рекомендую прочитать все из категории Датчики и сенсоры, Технические измерения и измерительные приборы .
датчик давления — устройство, физические параметры которого изменяются в зависимости от давления измеряемой среды (жидкости, газа, пара). В датчиках давление измеряемой среды преобразуется в унифицированный пневматический, электрический цифровой код или сигналы.
Тензометрический датчик (тензо датчик) ( тензодатчик ; от лат. tensus — напряженный) — датчик, преобразующий величину деформации в удобный для измерения сигнал (обычно электрический), основной компонент тензометра (прибора для измерения деформаций). Существует множество способов измерения деформаций: тензорезистивный, пьезоэлектрический, оптико-поляризационный, пьезорезистивный, волоконно-оптический, или простым считыванием показаний с линейки механического тензодатчика. Среди электронных тензодатчиков наибольшее распространение получили тензорезистивные датчики.
Давление необходимо учитывать при проектировании многих химических процессов. Давление определяется как сила действующая на единицу площади и измеряется в английских единицах - пси или в СИ единицах - Па.
Существуют три типа измеряемого давления:
Существуют различные типы датчиков давления, которые сегодня доступны на рынке для использования в промышленности. Каждый из них имеет преимущества в определенных ситуациях.
Тензометрические датчики применяют для измерения деформации. В данной статье пойдет речь о широко применяемой разновидности тензометрических датчиков – тензорезисторных полномостовых датчиках. Этот датчик содержит четыре тензорезистора, включенных по схеме моста Уитстона.
Тензорезистор – это фольговый или проволочный резистор, приклеенный к упругому элементу конструкции, изменяющий свое сопротивление пропорционально деформации упругого элемента: при сжатии сопротивление уменьшается, при растяжении – увеличивается. Как правило, номинальные сопротивления используемых тензорезисторов находится в диапазоне от 50 до 1000 Ом. В типичном случае в мост включают тензорезисторы равного номинала.
Для того чтобы контролируемая давлением система работала правильно и эффективно, важно, чтобы используемый датчик давления мог давать точные показания по мере необходимости и в течение длительного периода времени без необходимости ремонта или замены в условиях работы системы. Существует несколько факторов, влияющих на пригодность конкретного датчика давления для конкретного процесса. Основные это:
Чувствительный элемент (упругий элемент) будет подвергаться воздействию веществ, используемых в процессе, поэтому материалы датчика, которые могут реагировать с данными веществами или подвергаться воздействию агрессивных сред - непригодны для использования. Мембраны (диафрагмы) являются оптимальными даже для очень суровых условий использования.
Датчик давления состоит из первичного преобразователя давления, в составе которого чувствительный элемент — приемник давления, схемы вторичной обработки сигнала, различных над конструкции корпусных деталей, в том числе для герметичного соединения датчика с объектом и защиты от внешних воздействий и устройства вывода информационного сигнала. Основными отличиями одних приборов от других являются пределы измерений, динамические и частотные диапазоны, точность регистрации давления, допустимые условия эксплуатации, массогабаритные характеристики, которые зависят от принципа преобразования давления в электрический сигнал: тензометрический, пьезорезистивный, емкостный, индуктивный, резонансный, ионизационный, пьезоэлектрический и другие.
Чувствительные элементы датчиков базируются на принципе изменения сопротивления при деформации тензорезисторов, приклеенных к упругому элементу, который деформируется под действием давления.
Основан на интегральных чувствительных элементах из монокристаллического кремния. Кремниевые преобразователи имеют высокую чувствительность благодаря изменению удельного объемного сопротивления полупроводника при деформировании давлением.
Для измерения давления чистых неагрессивных сред применяются так называемые Low cost — решения, основанные на использовании чувствительных элементов либо без защиты, либо с защитой силиконовым гелем.
Для измерения агрессивных сред и большинства промышленных применений используется преобразователь давления в герметичном металло-стеклянном корпусе, с разделительной диафрагмой из нержавеющей стали, передающей давление измеряемой среды посредством кремнийорганической жидкости.
"Сердцем" датчика давления является емкостная ячейка. Ёмкостный метод основан на зависимости изменения электрической емкости между обкладками конденсатора и измерительной мембраны от подаваемого давления. Основным преимуществом емкостного метода является защита от перегрузок (изм. мембрана при перегрузке ложится на стенки «обкладки» конденсатора, длительное время не подвергаясь деформации, при снятии перегрузки мембрана восстанавливает исходную форму, при этом дополнительная калибровка сенсора не требуется), также обеспечивается высокая стабильность метрологических характеристик, уменьшение влияния температурной погрешности за счет малого объема заполняющей жидкости непосредственно в ячейке.
В основе метода лежит изменение резонансной частоты колеблющегося упругого элемента при деформировании его силой или давлением. Это и объясняет высокую стабильность датчиков и высокие выходные характеристики прибора.
К недостаткам можно отнести индивидуальную характеристику преобразования давления, значительное время отклика, невозможность проводить измерения в агрессивных средах без потери точности показаний прибора.
Основан на регистрации вихревых токов (токов Фуко). Чувствительный элемент состоит из двух катушек, изолированных между собой металлическим экраном. Преобразователь измеряет смещение мембраны при отсутствии механического контакта. В катушках генерируется электрический сигнал переменного тока таким образом, что заряд и разряд катушек происходит через одинаковые промежутки времени. При отклонении мембраны создается ток в фиксированной основной катушке, что приводит к изменению индуктивности системы. Смещение характеристик основной катушки дает возможность преобразовать давление в стандартизованный сигнал, по своим параметрам прямо пропорциональный приложенному давлению.
В основе лежит принцип регистрации потока ионизированных частиц. Аналогом являются ламповые диоды.
Лампа оснащена двумя электродами: катодом и анодом, — а также нагревателем. В некоторых лампах последний отсутствует, что связано с использованием более совершенных материалов для электродов.
Преимуществом таких ламп является возможность регистрировать низкое давление — вплоть до глубокого вакуума с высокой точностью. Однако следует строго учитывать, что подобные приборы нельзя эксплуатировать, если давление в камере близко к атмосферному. Поэтому подобные преобразователи необходимо сочетать с другими датчиками давления, например, емкостными. Зависимость сигнала от давления является логарифмической.
В основе лежит прямой пьезоэлектрический эффект, при котором пьезоэлемент генерирует электрический сигнал, пропорциональный действующей на него силе или давлению. Пьезоэлектрические датчики используются для измерения быстроменяющихся акустических и импульсных давлений, обладают широкими динамическими и частотными диапазонами, имеют малую массу и габариты, высокую надежность и могут использоваться в жестких условиях эксплуатации.
Окружающая среда (в технологическом процессе - это среда создаваемая веществом, вибрация, температура и т.д.), в которой проводится технологический процесс, также должна быть учтена при выборе датчика давления. В агрессивных средах, при сильных вибрациях в трубопроводе, или при экстремальных температурах, датчики должны иметь дополнительный уровень защиты. Герметичные, прочные корпуса с заполнением материалом, содержащим глицерин или силикон - часто используются, для того, чтобы защитить внутренние компоненты датчика (кроме чувствительного элемента) от очень жестких, агрессивных сред и колебаний.
Большинство процессов работают в определенном диапазоне давлений. Поскольку определенные датчики давления работают оптимально в определенных диапазонах давления, существует необходимость выбрать устройства, способные функционировать в диапазоне, установленном процессом.
Различные процессы требуют различных уровней точности. В общем, чем точнее датчик, тем он дороже, таким образом, будет экономически выгодно выбрать датчики, которые способны максимально удовлетворить требуемую точность. Существует также компромисс между точностью и способностью быстро обнаруживать изменения давления. Следовательно, в процессах, в которых давление сильно варьируется в течение коротких периодов времени - нецелесообразно использовать датчики, которым требуется больше времени, чтобы дать точные показания давления, хотя они и могли бы дать более точные значения.
В системе регулирования запарного котла необходимо производить регулирование температуры. При этом необходимо учитывать динамичность давления нагревающего пара в трубопроводе. Для этой цели используют датчик давления пара.
В настоящее время существует большое многообразие датчиков давления, поэтому, используя метод классифицирования, составим классификацию датчиков давления.
Классификация датчиков давления представлена на рисунке 2.1
Схематично данная классификация выглядит следующим образом:
Рисунок 2.1. Классификация датчиков давления
По методу измерения
а) прямые методы
Давление может быть определено непосредственно изменением силы, действующей на данную поверхность (прямой метод). На этом методе основаны грузопоршневые манометры, в которых сила, действующая на поршень с известной площадью, уравновешивается гирями. Модификацией такого манометра являются жидкостные манометры, в которых измеряемое давление определяется по высоте и удельному весу столба жидкости. Жидкостные и грузопоршневые манометры не требуют калибровки по эталонным измерителям давления, т.к. показания их могут быть определены путем измерения линейного размера и массы. При измерении высоких давлений в качестве образцовых мер могут быть использованы точки затвердевания или фазового перехода различных веществ.
Жидкостные измерители давления применяют преимущественно для измерения низких давлений, но их можно использовать также для измерения небольших разностей давления при высоком статическом давлении. В качестве запорных жидкостей в основном применяют спирт, воду, ртуть или специальные жидкости с низким давлением пара.
Грузовые и поршневые манометры измеряют усилие, развиваемое измеряемым давлением на поршне, перемещающемся в полом цилиндре. В качестве уравновешивающей силы используется груз, усилие пружины или электромагнитная сила. Нагружаемые гирями приборы называются грузовыми манометрами. Основной областью применения манометров является диапазон средних давлений.
б) косвенные методы
Кроме двух названных прямых методов измерения давления, существует большое число косвенных методов, основанных на использовании различных законов прикладной физики. Косвенные механические методы измерения давления основаны на определении упругого прогиба отформованных определенным образом чувствительных элементов под действием контролируемого давления, а также сжимаемости газов и жидкостей. В области измерения взрывных давлений мерой достигнутого максимального давления может служить пластическая деформация чувствительного элемента, а также электрические, оптические и химические явления, возникающие при определенных давлениях.
По диапазону измерения
В настоящее время диапазон измеряемых для научных и прикладных целей давлений превышает 18 порядков. Ниже приведена абсолютная шкала давлений. В скобках указаны манометры, соответствующих определенному диапазону измерения.
а) глубокий вакуум ( 
бар). (Ионизационный манометр)
б) глубокий вакуум технический ( 
бар). (Манометр Мак-Леада, манометр Пирани)
в) вакуум ( 
бар). (Трубчатые кварцевые-стеклянные пружины, мембраны, плоские мембраны, анероидные коробки, кольцевые весы, колокольные манометры, ртутный манометр, газовый манометр, манометр с угольными шайбами)
г) умеренные давления ( 
бар). (Металлические трубчатые пружины, плоские мембраны, анероидные коробки, поршневые манометры, ртутный манометр, компрессорный манометр, манометр с угольными шайбами)
д) средние давления ( 
бар). (Металлические (медные) трубчатые пружины, плоские мембраны, поршневые манометры, дифференциально-поршневой манометр, каскадный манометр, компрессорный манометр среднего давления, манометр с угольными шайбами).
е) высокие давления ( 
бар). (Стальные трубчатые пружины, поршневые манометры для высоких давлений, дифференциально-поршневой манометр, каскадный манометр, компрессорный манометр высокого давления, манометр сопротивления).
ж) сверхвысокие давления ( 
бар). (Стальные трубчатые пружины, компрессорный манометр высокого давления, манометр сопротивления).
По конструкции и назначению
а) регистрирующие приборы
При перемещении пера должна быть преодолена большая сила трения, чем при перемещении стрелки показывающего прибора. Поэтому рабочее усилие, развиваемое упругими элементами регистрирующих манометров, должно быть достаточно велико.
Под рабочим усилием при этом понимают величину работы, затрачиваемой на перемещение пера на полную шкалу. Усилие, необходимое для преодоления трения, должно составлять лишь незначительную часть общего усилия, развиваемого чувствительным элементом. В качестве чувствительных элементов, обеспечивающих большие рабочие усилия, применяют широкие винтообразные или спиральные трубчатые пружины, многорядные анероидные коробки, а также сильфоны. Для передачи углового перемещения чувствительного элемента на прямолинейно перемещающееся перо регистратора применяют эллиптические механизмы, обеспечивающие при соответствующем соотношении размеров пропорциональность между указанными перемещениями.
б) измерители давления с электрическими сигнальными устройствами (сигнализаторы).
Сигнальные устройства предназначены для включения и выключения электрических цепей в зависимости от положения стрелки показывающего манометра. В нормальных условиях эксплуатации при умеренной нагрузке применимы скользящие контакты. При малом зазоре между контактами возникает опасность образования электрической дуги. Об этом говорит сайт https://intellect.icu . В магнитных триггерных контактах для исключения образования дуги на стрелке задатчика помещен постоянный магнит, сближающий контакты при образовании некоторого зазора между ними. Одновременно такой магнит увеличивает контактное давление. Сигнальные контакты могут быть как нормально открытыми, так и нормально закрытыми. Одной из разновидностей контактных манометров являются сигнализаторы предельных давлений, выдающие акустический или оптический сигнал на выходе давления за установленные пределы.
в) измерители давления с дистанционными передачами (регуляторы).
В схемах контроля различных производственных процессов обычно совмещают на щитах управления измерительную и регулирующую аппаратуру. Передача выходных сигналов датчика давления на небольшие расстояния осуществляется пневматически, на значительные – электрически. Для дистанционной передачи показаний датчиков давления используют различные устройства: реостатный преобразователь в виде потенциометра, ползунок которого связан с осью стрелки манометра; индуктивный, в котором связанный со стрелкой манометра ферромагнитный сердечник, перемещаясь в питаемой переменным напряжением в катушке, изменяет ее индуктивное сопротивление. Для точных измерений применяют мостовые схемы дистанционных передач.
г) приборы для особых условий эксплуатации;
Влияющие на процесс измерения факторы (вибрации, ускорения, удары, температура и т. д.) могут изменять механические свойства датчика и вносить ошибки, приводящие к увеличению погрешности измеряемой величины давления. Эти факторы могут относиться как к рабочей среде, так и к окружающим условиям. Действие таких факторов как постоянные вибрации, агрессивная среда негативно влияют на работу датчика, действуя на него разрушительно. Поэтому часто встает вопрос об использовании устройств, имеющих определенную защиту, способных работать в особых условиях.
- Измерения сильно пульсирующих давлений контролируемой среды и измерение давлений при вибрациях контролируемого объекта.
Во многих областях техники необходимо контролировать быстро меняющиеся или колеблющиеся давления; при этом в задачу измерения не входит непрерывный контроль за указанным процессом. Даже в тех случаях, когда чувствительный элемент выдерживает возникающие нагрузки, возможны заклинивание и износ передаточных механизмов, затрудняется точный отсчет показаний. Эти явления сказываются особенно сильно при пульсации давлений с частотой, приближающейся к собственной резонансной частоте манометра.
- Взрывозащитные манометры для газов высокого давления.
При измерении давления сжатых газов энергия, накапливающаяся в упругом чувствительном элементе, способствует возникновению взрыва. Особенно взрывоопасен кислород в присутствии незначительных количеств органических веществ. Устройства защиты должны исключить возможность выброса отдельных деталей (например, циферблата) в направлении лицевой стороны прибора; это необходимо для безопасности персонала.
- Измерение давления агрессивных сред.
Защита чувствительных элементов мембранных манометров от агрессивных сред обеспечивается путем введения защитных слоев из нержавеющей стали, тантала, фторопласта, химически чистого серебра, а также путем нанесения защитных покрытий, цинкования и покрытия свинцом и фторопластом. В других случаях применяют разделительные устройства в виде мембран, тонкостенных трубок овального сечения или сильфонов.
По динамике измеряемого давления
Датчики давления характеризуются областью применения и надежностью их использования в этой области. Давление является параметром процесса и может изменяться со временем. Оно может быть квазистационарным или медленно меняющимся в случае статического давления, либо более или менее быстро изменяющимся в случае динамического давления. Чтобы отслеживать эти изменения, датчик должен обладать такими свойствами, как высокая собственная частота, обеспечивающая высокое быстродействие; минимальное обратное влияние на изменяемую величину, позволяющее избежать искажения пульсаций на поверхности чувствительного элемента.
а) приборы для измерения статического давления;
б) приборы для измерения динамического давления.
По способу преобразования сигнала давления, генерируемого чувствительным элементом, в измеряемый сигнал
Способов преобразования сигнала давления в какой-либо другой сигнал существует бесчисленное множество. Перечислим самые применимые и чаще всего встречающиеся.
а) изменение пространственного положения.
Это один из самых простых и наглядных способов в приведенной классификации. Этот способ (в большинстве случаев) лежит в основе остальных способов преобразования. Давление, поступающее на чувствительный элемент (мембрану, трубку Бурдона или мембранную коробку), вызывает его деформацию. Деформация приводит к изменению положения подвижной части чувствительного элемента.
Рисунок 2.1.1.
б) изменение сопротивления
Чувствительный элемент связан (посредством понижающей передачи или без нее) с ползунком реостата. Изменение измеряемого давления вызывает перемещение подвижной части чувствительного элемента, и, соответственно, изменение положения ползунка на реостате (рис 2.1.2.)
Рисунок 2.1.2. Изменение сопротивления
в) изменение емкости
Чувствительный элемент (например, мембрана) связан с одной из обкладок конденсатора. Вторая обкладка конденсатора закреплена неподвижно. Изменение давления вызывает перемещение подвижного конца чувствительного элемента и связанной с ним обкладки. Изменение расстояния между обкладками приводит к изменению емкости конденсатора (рис 2.1.3.)
Рисунок 2.1.3. Изменение емкости
г) Изменение индуктивности.
Через обмотку сердечника, закрепленного неподвижно,
пропускают электрический ток. Ток создает МДС, которая порождает в сердечнике магнитный поток, образующий контур между сердечником и подвижным якорем. Якорь связан с чувствительным элементом (например, с сильфоном). Изменение давления в сильфоне, приводит к перемещению днища сильфона, связанного с подвижным якорем. Таким образом, изменение давления приводит к изменению зазора между сердечником и якорем, и, следовательно, к изменению магнитного потока и индуктивности (рис 2.1.4.)
Рисунок 2.1.4. Изменение индуктивности
д) изменение освещенности
Из источника через отверстие свет падает на приемник. Подвижная заслонка связана с чувствительным элементом (например, с трубкой Бурдона). Изменение давления в трубке, вызывает перемещение заслонки вдоль отверстия. Положение заслонки определяет степень освещенности приемника (рис 2.1.5.)
Рисунок 2.1.5. Изменение освещенности
Выбор устройства для измерения давления.
В соответствии с приведенной выше классификацией, учитывая условия работы системы, производится выбор датчика. Датчик давления пара должен удовлетворять следующим требованиям:
Выбранный датчик давления представлен на рисунке 2.1.6.
К основным достоинствам данного устройства относятся высокая надежность работы, простота конструкции, сравнительная дешевизна изготовления, низкая инерционность, а также соответствие требованиям рассматриваемой системы (см. выше).
К недостаткам относятся ограниченный диапазон измерения, пониженная стойкость против коррозии. Не рекомендуется использовать в особых условиях эксплуатации (при вибрациях, в агрессивной среде).
Рисунок 2.1.6. Датчик давления типа ДД.
Устройство и принцип действия.
Чувствительным элементом датчика является сильфон (1), уравновешенный винтом пружиной (2). При изменении давления, действующего на сильфон, перемешается шток (3). Когда давление поднимается выше определенного значения, рычаг (4) выключателя переместится и мостик (5) отойдет от контакта (6). Когда давление понижается ниже минимального, под действием пружины, рычаг переместится в обратном направлении, и контакты замкнутся. Настройка данного датчика осуществляется с помощью винта (7) и ограничителей хода (8) и (9) рычажной системы. Рабочая среда – воздух, пар. Максимально допустимый ток через контакты не более 5А, напряжение 380В; рабочая температура 0...300 0С .
Расчет датчика давления заключается в расчете чувствительного элемента. В рассмотренном датчике чувствительным элементом является сварной сильфон, то есть сильфон, изготовленный сваркой из кольцевых пластин (рисунок 2.2.1.).
Сильфон представляет собой тонкостенную цилиндрическую оболочку с поперечной гофрировкой, способную получать значительные перемещения под действием давления или осевой силы. Таким образом, сильфон предназначен для преобразования измеряемого давления в усилие. Сильфоны рассчитываются по приблизительным формулам, полученным из экспериментальных данных.
В приборостроение применяют сильфоны диаметром от 8-10 до 120-150 мм с толщиной стенки 0.1-1.3 мм. Сильфоны используют в широком диапазоне давлений: от сотых долей до сотен атмосфер.
Рисунок 2.2.1 . Сварной сильфон
Таким образом, расчет датчика сводится к определению геометрических параметров сильфона и в подборе материала сильфона, в соответствии с заданными требованиями. Это означает, что необходимо выбрать такие параметры сильфона, чтобы давление p = 0.7 кг с / см2 , действующее на сильфон, вызывало перемещение потолка сильфона λ =3мм
Для стабильного функционирования системы сильфон должен обладать высокой чувствительностью. Достаточной чувствительностью обладают сильфоны, изготовленные сваркой из кольцевых пластин (сварочные). Они рассчитываются по следующей могучей формуле: 
,
где λ - осевая деформация сильфона, мм;
n- число рабочих гофр;
p- давление, действующее на сильфон, кг с / см2 ;
Rн - наружный радиус сильфона, мм;
E- модуль упругости материала, из которого изготовлен сильфон;
h - толщина стенки, мм;
Ар- коэффициент, зависящий от отношения 
, определяется по таблице [2.4. с 195].
Rв- внутренний радиус сильфона по впадинам гофр, мм.
Используя метод подбора, следуя требованиям рассматриваемой системы, определены следующие параметры:
(соответствует дисперсионно-твердеющим сплавам);
h=0,05 мм.
Модернизацию описанного датчика можно проводить в двух направлениях, а именно:
а) модернизация (усовершенствование) уже имеющихся в датчике элементов;
б) введение в датчик новых элементов, способствующих улучшению показателей датчика.
Ограничимся усовершенствованием уже имеющихся в датчике элементов, так как введение новых элементов способствует усложнению устройства датчика (а все гениальное - просто).
Чувствительным элементом рассмотренного датчика является сварной сильфон (см. выше описание). Существенным недостатком сварных сильфонов является пониженная стойкость против коррозии из-за наличия большого количества сварных швов. Для увеличения прочности или защиты от коррозии сильфоны изготавливают многослойными. Также, для лучшей коррозийной устойчивости, можно заменить сварной сильфон на бесшвовый. (Бесшвовым называют сильфон, изготовленный из тонкостенных цельнотянутых трубок.) Правда, при такой замене увеличивается себестоимость датчика - за все хорошее приходится платить.
Замена спиральной возвратной пружины на плоскую позволяет исключить лишние элементы датчика: рычаг (4) выключателя, мостик (5), ограничители хода (8) и (9) рычажной системы (см. рис.2). Уменьшение количества элементов в устройстве увеличивает надежность его безотказной работы. Исключение перечисленных элементов позволяет уменьшить габаритные размеры и вес датчика. Модернизированный датчик легче реализовать и экономически, и технологически.
Датчик давления, модернизированный данным способом, представлен на рисунке 2.3.1.
Рисунок 2.3.1. Модернизированный датчик давления.
Существует несколько наиболее часто используемых методов измерения давления. Эти методы включают в себя визуальный замер высоты жидкости в колонне, метод упругой деформации и электрические методы.
Давление можно выразить как высоту жидкости с известной плотностью в трубке. Используя уравнение P = ρ GH, можно легко вычислить значение давления. Данные типы измерительных приборов обычно называют манометрами. Для измерения высоты жидкости в колонне, может быть использована шкала с единицами измерения расстояния, также как и откалиброванная шкала давления. Обычно в качестве жидкости в этих колоннах используется вода или ртуть. Вода используется, когда вы хотите достичь более высокой чувствительности (плотность воды значительно меньше, чем плотность жидкой ртути, так что высота столба воды будет более сильно меняться при изменении давления). Ртуть же используется, когда вы хотите измерять более высокие значения давления, но с меньшей чувствительностью.
Этот метод измерения давления основан на принципе, который гласит, что степень деформации упругого материала прямо пропорциональна прикладываемому давлению. Для данного метода, в основном, используются три типа датчиков: трубки Бурдона, диафрагмы и сильфоны. (См. раздел "Типы датчиков")
Электрические методы, используемые для измерения давления основаны на принципе, основывающимся на том, что изменение размера влияет на электрическое сопротивление проводника. Устройства, использующие для измерения давления изменение сопротивления называют тензодатчиками. Также существуют и другие электрические датчики, например емкостные, индуктивные, магнетосопротивления (Холла), потенциометрические, пьезометрические и пьезорезистивные преобразователи. (См. раздел "Типы датчиков")
Существует множество различных датчиков давления являющихся наиболее подходящими для конкретного процесса, но их обычно можно разделить на несколько категорий, а именно: упругие датчики, электрические преобразователи, датчики дифференциального давления и датчики давления вакуума. Ниже представлены категории, каждая из которых содержит уникальные внутренние компоненты более подходящие под использование в конкретной ситуации.
Большинство датчиков давления жидкости имеют упругую структуру, где жидкость заключена в небольшой отсек по меньшей мере с одной упругой стенкой. При использовании данного метода, показания давления определяются путем измерения отклонения этой эластичной стенки, представляя результат непосредственным отсчетом через соответствующие связи, либо через трансдуцированные электрические сигналы. Упругие датчики давления очень чувствительны, они довольно хрупкие и подвержены вибрации. Кроме того, они, как правило, значительно дороже, чем манометры, и поэтому в основном используются для передачи измеренных данных и измерения разности давлений. Теоретически можно использовать довольно широкий спектр упругих элементов для упругих датчиков давления. Однако большинство устройств используют ту или иную форму трубки Бурдона или диафрагмы.
Принцип, на котором основаны разного вида трубки Бурдона: Давление, подаваемое внутрь трубки, вызывает упругую деформацию эллиптического или овального сечения трубки в сторону круга, которая вызывает появление напряжений в продольном направлении, заставляющих трубку разгибаться, а свободный конец трубки перемещаться. Система рычагов и передач превращает это движение и возвращает стрелку, показывающую давление относительно круглой шкалы. Диапазон измерения такого манометра составляет - от 10 Па до 1000 МПа. Трубные материалы могут быть изменены соответствующим образом в соответствии с требуемым условием процесса. Также, трубки Бурдона - портативные и требуют минимального технического обслуживания, однако, они могут быть использованы только для статических измерений и имеют низкую точность.
Материалом для трубчатых пружин может служить сталь, бронза, латунь. В зависимости от конструктивного исполнения трубчатые пружины могут быть одно- и многовитковые (винтовые и спиральные), S-образные и т.п. Распространены одновитковые трубчатые пружины, используемые в манометрах, которые предназначены для измерения давления жидкостей и газов, а также в таких типах манометров как глубиномер. Датчики С-типа могут быть использованы в диапазонах давлений приближающихся к 700 МПа; они имеют минимальный рекомендованный диапазон давления - 30 кПа (т.е. они не достаточно чувствительны для измерения разности давлений меньше чем 30 кПа).
Сильфоны имеют цилиндрическую форму и содержат много складок. Они могут деформироваться в осевом направлении при изменении давления (сжатие или расширение). Давление, которое должно быть измерено прикладывается к одной стороне сильфона (внутри или снаружи), тогда как на противоположную сторону действует атмосферное давление. Абсолютное давление может быть измерено путем откачки воздуха из внешнего или внутреннего пространства сильфона, а затем измерением давления на противоположной стороне. Сильфон может быть подключен только к включающим / выключающим переключателям или к потенциометру и используется при низких давлениях, <200 Па с чувствительностью 1,2 Па.
Мембраны изготовлены из круглых металлических дисков или гибких элементов, таких как резина, пластик или кожа. Материал, из которого изготовлена мембрана зависит от того используется ли свойства упругости этого материала или ему должен противостоять другой элемент (например - пружина). Мембраны изготовленные из металлических дисков используют упругие характеристики, а тем, которым противостоят другие упругие элементы, изготовлены из гибких элементов. Мембраны очень чувствительны к резким изменениям давления. Мембраной изготовленной из металла можно измерить максимальное давление равное примерно 7 МПа, а мембраной использующей упругий тип материала можно измерять чрезвычайно низкие давления (0,1 кПа - 2,2 МПа) при подключении к емкостным преобразователям или к датчикам перепада давления. Диафрагмы бывают плоские, гофрированные и капсульного типа. Как отмечалось ранее, мембраны очень чувствительны (0,01 МПа). Они могут измерять дробные разности давления на очень маленьком диапазоне (скажем, давления нескольких дюймов воды) (эластичный тип) или большие перепады давления (приближаясь к максимальному диапазону в 207 кПа) (металлический тип).
Мембраны очень универсальны - они обычно используются в очень агрессивных средах или в ситуациях с экстремальными избыточными давлениями.
Примеры упругих элементов датчиков давления показаны ниже:
Сегодня датчики не только обязательно подключаются к стрелочным указателям, для отображения давления, но также могут служить для преобразования давления в электрический или пневматический сигнал, который может быть передан в диспетчерскую в которой производится считывание и определение давления. Электрические датчики принимают данные полученные механическое воздействие от упругого датчика и включают в себя электрический компонент, таким образом, усиливая чувствительность и увеличивая сферы применения датчиков. Существуют такие типы датчиков давления: емкостной, индуктивный, датчик магнетосопротивления (датчик Холла), пьезоэлектрический, тензодатчик, виброэлемент, и потенциометрический тип датчика.
Емкостной датчик состоит из параллельных пластин - конденсаторов, соединенных с диафрагмой, которая обычно металлическая и подвергается давлению сил участвующих в процессе с одной стороны и опорным давлением на другой стороне. Электроды прикреплены к мембране и получают питание от генератора высокой частоты. Электроды ощущают любое перемещение диафрагмы и это влияет на изменение емкости пластин-конденсаторов. Изменение емкости обнаруживается подсоединенной электрической цепью, которая выводит напряжение в соответствии с изменением давления. Данный тип датчика может работать в диапазоне от 2,5 Па - 70 МПа с чувствительностью 0,07 МПа.
Пример емкостного датчика давления:
Индуктивные датчики давления в сочетании с диафрагмой или трубкой Бурдона. Ферромагнитный сердечник прикреплен к упругому элементу и имеет первичную и две вторичные обмотки. Ток подается на первичную обмотку. Когда сердечник по центру то то же напряжение будет индуцироваться к двум вторичными обмотками. Когда сердечник перемещается под влиянием давления, отношение напряжения между двумя вторичными обмотками изменяется. Разность напряжений пропорциональна изменению давления.
Ниже показан пример индуктивного датчика давления с использованием диафрагмы. Для этого вида датчика давления, принимая камеру 1 в качестве эталонной камеры с опорным давлением Р 1 подающегося и катушку заряжаемую эталонным током. Когда давление в других камерах изменяется, диафрагма движется и индуцирует ток в другой катушке, который измеряется и выражает измеренное значение тока в единицах давления.
Такие датчики могут быть использованы с любым упругим элементом (хотя, как правило, используются в сочетании с диафрагмой или трубкой Бурдона). Чтение значения создаваемого давления, будет определяться калибровкой напряжения. Таким образом, диапазон давления, в котором может быть использован этот датчик определяется относительно упругого элемента, но лежит в диапазоне от 250 Па - 70 МПа.
Датчики давления, основанные на принципе магнетосопротивления, также имеют ферромагнитный сердечник. При изменении давления, гибкий элемент перемещает ферромагнитную пластину, что приводит к изменению магнитного потока цепи, которое может быть измерено. Ситуации, в которых можно было бы использовать электрический элемент это ситуация, в которой индуктивный датчик не генерирует достаточно точное измерение. Диапазон давления для данного метода составляет от 250 Па до 70 МПа с чувствительностью 0,35 МПа.
Пример датчика давления на основе измерения магнетосопротивления можно увидеть ниже:
Пьезоэлектрические датчики используют датчик - кристалл. Когда давление прикладывается к кристаллу, он деформируется и создается небольшой электрический заряд. Измерение электрического заряда пропорционально изменению давления. Этот тип датчика имеет очень быстрое время отклика на постоянные изменения давления. Подобно датчику давления основанного на принципе измерения магнетосопротивления, пьезоэлектрический элемент очень чувствителен, но реагирует гораздо быстрее. Таким образом, если время имеет существенное значение, пьезоэлектрический датчик будет приоритетный к использованию. Диапазон давления датчиков такого типа составляет 0,021 - 100 МПа с чувствительностью 0,1 МПа.
Ниже показан пример пьезоэлектрического датчика давления:
Потенциометрические датчики имеют рычаг, механически прикрепленный к упругому датчику давления. При изменении давления, деформируется упругий элемент, в результате чего заставляет рычаг двигаться вперед или назад по потенциометру и таким образом снимаются показания сопротивления. Эти чувствительные элементы принадлежат оптимальному рабочему диапазону, но ограничены многими факторами. Таким образом, они являются датчиками нижнего уровня, которые не используются слишком часто. При низкой чувствительности и рабочем диапазоне, они могут лучше всего подойти в качестве дешевого детектора давая грубую оценку. Диапазон давления 0,035 - 70 МПа с чувствительностью 0,07 -0,35 МПа.
Пример потенциометрического датчика давления показан ниже:
Тензометрический датчик обнаруживает изменения давления путем измерения изменения сопротивления мостовой схемы Уитстона. В общем, эта схема используется для определения неизвестного электрического сопротивления, уравновешивая две секции мостовой схемы, так что бы отношение сопротивлений в одной секции (
) было таким же, как и в другой секции (
), возвращая ноль, в гальванометре в центральной ветви. Одна из секций содержит неизвестный компонент, сопротивление которого должно быть определено, тогда как другая секция содержит резистор с известным сопротивлением, которое можно регулировать. Схема моста Уитстона показана ниже:
Тензодатчик помещает чувствительные элементы на каждом из резисторов и измеряет изменение сопротивления каждого резистора под действием изменения давления. Сопротивление определяется уравнением 
, где ρ = удельное сопротивление проводника, L = длина проводника, и A = площадь поперечного сечения проводника. Изменение давления будет либо удлинять, либо сжимать проводник, следовательно, датчик сжатия необходимо на одном резисторе, а датчик удлинения на другом. Чтобы контролировать воздействие температуры (проволока будет также либо удлиняться, либо сжиматься из-за изменения температуры), свободный датчик нужно разместить на остальных двух резисторах. Эти датчики часто являются одним из типов полупроводника (N-тип или р-тип). Таким образом, чувствительность таких датчиков значительно больше, чем чувствительность их металлических аналогов, однако с большей чувствительностью приходит более узкий функциональный диапазон: температура должна оставаться постоянной, чтобы получить действительное значение. Эти датчики сильно зависят от изменений температуры (в отличие от других типов электрических компонентов). Диапазон давления 0 - 1400 МПа с чувствительностью 1,4 - 3.5 МПа.
Пример несвязанного тензодатчика показан ниже. Данный тип датчиков использует чувствительные к натяжению провода, один конец которого закреплен на неподвижной раме, а другой конец прикреплен к подвижному элементу, который движется с изменением давления.
Пример связанного тензодатчика можно увидеть ниже. Данный тип размещается в верхней части диафрагмы, которая деформируясь при изменении давления, натягивает провода, прикрепленные к диафрагме.
Вибрационные датчики давления функционируют посредством измерения изменения резонансной частоты вибрирующих элементов. Ток проходит через провода, индуцируя электродвижущую силу в проводе. Затем усилие увеличивается, что вызывает колебание проволоки. Давление влияет на этот механизм, с помощью влияния на сам провод: повышение давления уменьшает напряжение в проводе и, таким образом снижает угловую частоту колебаний провода. При измерении абсолютных давлений, датчик размещен в цилиндре под вакуумом. Эти датчики измерения абсолютного давления являются очень эффективными: они производят повторяемые результаты и слабо подвержены влиянию температуры. Им не хватает чувствительности в процессе измерения, тем не менее, таким образом, они не очень подходят для процесса, в котором необходимо отслеживать кратковременные изменения давления. Диапазон давления: 0,0035 - 0,3 МПа с чувствительностью 1E-5 МПа.
Ниже показан вибрационный датчик давления:
Вибрационный датчик давления в цилиндре (для абсолютного давления), показан ниже:
Датчики дифференциального давления используются с различными видами датчиков, в которых измерение давления является результатом разности давлений, в частности таких датчиков как диафрагмы, сопла подачи или Вентури-метров. Датчик перепада давления преобразует разность давлений в передаваемый сигнал. Где размещение датчика перепада давления (DP) зависит от характера потока текучей среды, которая измеряется. Типичный датчик дифференциального давления минимально инвазивный (внешний компонент присоединен через точки измерения); он обычно используется с емкостным элементом в паре с диафрагмой, которая позволяет емкостному телу двигаться вместе или отдельно, генерируя сигнал (через изменение емкости), который может быть интерпретирован к падению давления. Они часто используются для обнаружения небольших различий в больших перепадах давления. Его размещение похоже на присоединение вольтметра параллельно с резистором, чтобы измерить "падение" его напряжения (аналогично падению давления).
Диапазон измеряемого давления и чувствительность датчика дифференциального давления зависит от электрических и упругих компонентов, используемых в самом датчике. Это отличный датчик, используемый при измерении перепада давления, однако, для всех остальных приложений, он довольно бесполезен.
Такие датчики могут измерять чрезвычайно низкие давления или вакуум, ссылаясь на давления ниже атмосферного. Кроме диафрагмы и электрических датчиков, предназначенных для измерения низких давлений, есть также тепловые датчики проводимости и датчики ионизации.
Принцип используемый в данном типе датчиков заключается в изменении газовой теплопроводности под действием давления. Однако из-за отклонения от идеального поведения газа, в котором связь между этими двумя свойствами линейна, датчики такого рода, которые также называются датчиками Пирани, могут быть использованы только при низких давлениях, в диапазоне (0.4E-3 до 1.3E-3) МПа. Это чрезвычайно чувствительные элементы. Они могут обнаруживать изменения давления в 6E-13 МПа.
В этих датчиках спиральная нить проводит ток нагревающий катушку. Изменение давления изменяет скорость теплопередачи от нити накала, тем самым заставляя варьироваться ее температуру. Эти изменения в температуре могут быть обнаружены с помощью термопар, которые также подключены к нитям накала - частям мостовой схемы Уитстона.
Существует две категории для этих типов датчиков: С горячим катодом и с холодным катодом. Для датчиков с горячим катодом, электроны испускаются нагретыми нитями, в то время как для датчиков с холодным катодом электроны освобождаются от катода в результате столкновения ионов. Электроны ударяют молекулы газа, поступающего в датчик, формируя положительные ионы, которые собираются и вызывают течение ионного тока. Количество образований катиона связано с плотностью газа и, следовательно, пропорционально измеряемому давлению, а также, так как используется постоянный ток электронов, следовательно, ионный ток является мерой давления газа. Оба типа датчиков являются высокочувствительными устройствами и наиболее подходит для измерения дробных долей давления. Датчики с горячим катодом еще более чувствительны, чем датчики с холодным катодом и способны измерять давление около 10 -8 Па. Их диапазон чувствительности колеблется от 1E-16 до 1E-13 МПа
| Тип элемента | Диапазон давления | Чувствительность | Преимущество | Недостатки |
| Трубка Бурдона | 0,1…700 МПа | 0,03 МПа | Портативность; Низкие эксплуатационные расходы. |
Статические измерения; Низкая точность. |
| Сильфоны | <0,2 МПа | 0,0012 МПа | Может быть использован на низких давлениях. | Может быть подсоединен только к двухпозиционному переключателю или к потенциометру. |
| Диафрагмы | 0,1…2,2 МПа | 0,01 МПа | Быстрое время отклика; Высокая точность; Хорошая линейность; Может быть использован в коррозионных средах. |
Очень дорогой. |
| Емкостные | 2,5 Па – 70 МПа | 0,07 МПа | Используются для измерения низких давлений и вакуума; Прочная конструкция. |
Полностью электронный; Емкостные пластины могут слипаться в процессе эксплуатации. |
| Индуктивные | 250 Па – 70 МПа | 0,35 МПа | Высокая чувствительность. | Ограничены упругими элементами; Более грубые по сравнению с датчиками магнетосопротивления. |
| Магнетосопротивления | 250 Па – 70 МПа | 0,35 МПа | Высокая чувствительность. | Требуют наличия внешнего источника переменного тока. |
| Пьезоэлектрические | 0,021…100 МПа | 0,1 МПа | Очень быстрое время отклика. | Подвергается влиянию высоких температур и статических сил. |
| Потенцоиметрические | 0,03…70 МПа | 0,07 – 0,35 МПа | Могут иметь очень маленькие размеры. | Маленькая чувствительность и рабочий диапазон. |
| Измерения натяжения | 0…14000 МПа | 1,4 – 3,5 МПа | Очень высокая чувствительность; Могут быть использованы на мобильных частях. |
Чрезвычайно медленное время отклика; Слабый выходной сигнал. |
| Дифференциальные | Зависит от других элементов устройства | Зависит от других элементов устройства | Используются для измерения перепада давления. | Измеряются только для измерения перепада давления. |
| Теплопроводности | 0,4Е-3…1,3Е-3 МПа | 6Е-13 МПа | Способны измерять вакуум. | Измерения линейны только на низких давлениях. |
| Ионизации | 1,3Е-13…1,3Е-8 МПа | 1Е-13…1Е-16 МПа | Высокая чувствительность; Могут измерять глубокий и сверхглубокий вакуум. |
Ограничены фотоэлектрическим эффектом. |
| Вибрации | 0,0035…0,3 МПа | 1Е-5 МПа | Очень точные; Не подвержены изменениям температуры. |
Не могут быть использованы на больших давлениях. |
Предположим, что имеется полунепрерывный реактор емкостью 1000 л с 50 кг цинка внутри под давлением 1 атм. и температурой равной 25°С. 6М хлористоводородной кислоты течет в реактор со скоростью 1 л / мин и вступая в реакцию с цинком производит хлорид цинка для использования в другом процессе.
А) Какие факторы следует учитывать?
Б) Скажите, если клапан выйдет из строя при рабочем давлении 4 атм. (т.е. он не закроется и реактор будет залит HCl) На какое давление вы можете безопасно установить точку останова?
С) Какой тип датчика должен быть использован?
Решение:
Факторы, которые следует учитывать:
Точка отключения
Принимая во внимание быстрое увеличение давления, как оценено в пункте (2), и отказ клапана при 4 атм., точка выключения должно быть примерно равна 3 атм.
Тип датчика:
Так, в итоге, мы выбираем датчик, который будет использовать диафрагму в качестве упругого элемента, емкостной элемент качестве электрического компонента и антикоррозийный корпус.
Ваш руководитель сказал вам добавить датчик давления в очень дорогой и важной части оборудования. Вы знаете, что часть оборудования работает на 1 МПа и при очень высокой температуре. Какой датчик вы бы выбрали?
Решение
Поскольку часть оборудования, которое вы имеете дело очень дорогое, вам нужен датчик, который имеет высокую чувствительность. Электрический датчик был бы подходящим, потому что вы могли бы подключить его к компьютеру для быстрого и простого считывания показаний. Кроме того, вы должны выбрать датчик, который будет работать на 1 МПа и сможет выдерживать высокие температуры. Из информации представленной в этой статье вы знаете, что есть много датчиков, которые будут работать при давлении 1 МПа, так что вы должны решить, относительно других влияющих факторов. Одним из наиболее чувствительных электрических датчиков является датчик емкостного типа. Он имеет чувствительность 0.07 МПа. Емкостный датчик обычно имеет диафрагму в качестве упругого элемента. Мембраны имеют быстрое время отклика, очень точны и работают на 1 МПа.
Исследование, описанное в статье про датчик давления, подчеркивает ее значимость в современном мире. Надеюсь, что теперь ты понял что такое датчик давления, методы измерения давления, тензодатчик и для чего все это нужно, а если не понял, или есть замечания, то не стесняйся, пиши или спрашивай в комментариях, с удовольствием отвечу. Для того чтобы глубже понять настоятельно рекомендую изучить всю информацию из категории Датчики и сенсоры, Технические измерения и измерительные приборы
Комментарии
Оставить комментарий
Датчики и сенсоры, Технические измерения и измерительные приборы
Термины: Датчики и сенсоры, Технические измерения и измерительные приборы