Датчик давления: типы, характеристики, особенности

Содержание:

Как работает датчик давления
Виды датчиков давления
Принципы работы датчиков давления
- Механические датчики
- Электрические датчики давления
Сферы применения датчиков давления
Как выбрать датчик давления

Датчик давления представляет собой прибор, с помощью которого измеряют давление газа, жидкости или твердого тела. Устройство преобразует физическое воздействие в электрический импульс, который с помощью электронной схемы измеряется и показывается как унифицированное значение. Датчики давления включены в различные измерительные комплексы, счетчики расхода и системы автоматического производственного контроля.

Как работает датчик давления

Устройство датчика давления включает несколько элементов:

корпус предохраняет внутренние детали от воздействий окружающей среды и агрессивных веществ;
измерительный компонент предназначен для преобразования механического нажатия в электрический сигнал;
трансмиттер работает как усилитель мощности сигнала для улучшения точности измерений;
электронная плата получает данные и выдает их в виде совместимого формата для систем управления и контроля процессами;
выходное табло или дисплей показывает данные в цифровом виде.

Точность измерений обеспечивается калибровкой датчика давления — сравнения показателей данного прибора с эталонными значениями.

Общий подход к калибровке:

осмотр прибора на предмет внешних повреждений и адаптацию его к классическим условиям среды: влажность, температура, атмосфера;
выставление нулевой точки;
первоначальная нагрузка в составе трех циклов полной нагрузки до предельного значения и сброса до нуля в целях стабилизации механических элементов;
измерения в нескольких контрольных точках по возрастанию силы входного сигнала.

Для правильной калибровки важно исключить воздействие вибраций и электромагнитных полей.

Виды датчиков давления

Самой важной классификацией датчиков давления является распределение приборов по типу давления.

Датчик абсолютного давления

Измеряет давление жидких и газообразных веществ относительно нуля давления в абсолютном вакууме. Датчики абсолютного давления применяются в вакуумных насосах, управлении производственными процессами, на упаковочных линиях, в пищевой и химической промышленности. В таких системах требуется постоянный эталон для сравнения текущих показателей.

Датчик избыточного давления

Служит для измерения искусственно созданного давления внутри какой-либо емкости и показывает, насколько его значение больше относительно нормального атмосферного давления. Классический пример — измерение давления в автомобильных шинах. Датчики избыточного давления составляют большинство устройств в пределах измерения до 50 бар, устанавливаются в системах водо- и теплоснабжения, для контроля учета жидкостей и газов.

Датчик перепада давления

Датчик дифференциального давления показывает разницу давления в двух точках на разных сторонах прибора.

Этот тип датчиков применяют для измерения скорости потока через перепад давления на месте сужения, для контроля уровня жидкости путем сопоставления значений выше и ниже границы, для контроля давления на воздушных и масляных фильтрах.

Датчик вакуумного давления

Используется в узких случаях измерения давления только меньше атмосферного, рассчитывает разницу между измеряемым значением и атмосферным давлением.

Герметичный датчик давления

Один из вариантов датчика избыточного давления, применяется для контроля давления в сравнении с установленным фиксированным значением.

Принципы работы датчиков давления

Схема работы датчиков давления заключается в получении сигнала на приемник, обработке импульса и в выводе показателей в цифровой или аналоговый вид. Различные принципы работы датчика давления показывают, как определить давление и преобразовать его в электрический сигнал. Каждый способ имеет свой диапазон значений, точность измерений, условия эксплуатации.

Механические датчики

Механические принципы работы датчиков давления основаны на деформации упругих деталей, которая трансформируется в электрический сигнал. Датчики такого типа имеют внутренний отсек с эластичной стенкой, внутри которого находится жидкость. Уровень деформации преобразуется в электрический показатель.

1. Трубка Бурдона представляет собой изогнутую металлическую трубку с прямоугольным или овальным сечением. Один конец манометрической трубки неподвижен, а свободная часть перемещается под воздействием подаваемого давления. Отклонение передвигает стрелку на круговой шкале и показывает значение давления.

Среди достоинств данного типа датчиков: компактность, широкий диапазон значений, простота конструкции. Однако невысокая точность измерений позволяет использовать трубки Бурдона только для статического давления.

2. Геликоидальная пружина состоит из упругой трубки, закрученной в спираль. Принцип действия похож на трубку Бурдона: давление прилагается к закрепленному концу пружины, а его значение определяется по степени отклонения незафиксированного конца. Такой тип датчиков давления применяется при измерении малых отклонений давления.

3. Сильфонный мембранный датчик давления состоит из гофрированного цилиндра со штоком. С одной стороны на прибор воздействует атмосферное давление, с другой – измеряемое. Сильфонный датчик имеет низкую чувствительность и может надежно измерять давление до 100 Па. Для низкого и среднего давления сильфоны изготавливают из латуни, высокое давление измеряют с помощью бериллиевой бронзы и нержавеющей стали.

4. Сильфонный датчик перепада давления может работать в более широком диапазоне измерений чем мембранный. Два элемента одинаковой площади передают силы давления на соединительный шток, а перемещение рычага интерпретирует значение в выходной сигнал. Датчики с двумя сильфонами обеспечивают высокую чувствительность измерений.

5. Мембранный датчик давления создан в виде дисков из ткани, фольги, резины или полимерного материала. Высокая чувствительность таких датчиков дает возможность измерять давление в малом и широком коридоре значений. Универсальные мембранные датчики давления показаны к применению в сложных условиях и агрессивных средах.

Электрические датчики давления

В электрических датчиках давления принимающие элементы модифицируют изменение давления в электрический сигнал и передают его на выходное устройство. Учет функциональных особенностей поможет выбрать, какой датчик давления подходит под конкретные условия работы.

1. Емкостные датчики давления представляют собой пару пластин, соединенных с мембраной, расположенных внутри корпуса с электродами. Внутреннее пространство заполнено маслом, которое передает давление на диафрагму и увеличивает емкость датчика. Изменение расстояния ведет к передаче напряжения в цепи, а затем возникающие электрические импульсы преобразуются в цифровые значения на дисплее датчика.

Достоинствами емкостных приборов являются защита от пиковых нагрузок, простота конструкции и высокая чувствительность к изменениям давления. Среди недостатков отмечаются восприимчивость к вибрациям, зависимость от статического давления и перепадов температуры. Значительная часть слабых сторон исправляется за счет тщательной калибровки датчиков давления и внесением поправочных коэффициентов в электронный модуль.

2. Индуктивные датчики могут работать с трубкой Бурдона или мембраной. Железный сердечник с двумя видами обмоток устанавливается на подвижный компонент. При подаче тока между вторичными обмотками индуцируется напряжение и происходит перемещение магнитной детали, что приводит к изменениям электрических сигналов.

Индуктивные датчики обладают высокой устойчивостью к движению и вибрации, что дает им широкое применение в автомобильной и авиакосмической отраслях.

3. Резонансные датчики давления используют принцип преобразования волновых процессов в электросигнал. Давление прикладывается к резонатору — вибрирующему элементу в виде мембраны или кантилевера, что приводит к изменению его естественной частоты. Наличие линейной зависимости частоты итогового сигнала от прикладываемого давления позволяет быстро обработать измерения. При этом не требуется использовать модуль преобразования сигнала, достаточно использовать цифровые счетчики.

Резонансные датчики давления выпускаются двух разновидностей:

резонатор работает непосредственно со средой;

резонатор и среда разделены упругим элементом.

Резонансные датчики гарантируют точные и стабильные измерения, могут работать под вибрационными нагрузками и при высоких температурах. Мультисенсорные устройства могут одновременно измерять статическое и дифференциальное давление.

Недостатком является долгое время отклика сигнала и восприимчивость к агрессивному внешнему воздействию.

4. Пьезоэлектрические датчики имеют в своей конструкции пьезокристалл, который деформируется в случае воздействия внешней силы. При изменении формы кристалла в нем возникает электрический разряд, который можно измерить для оценки величины давления. Высокая чувствительность и малое время отклика на колебание давления в сочетании с малыми размерами датчика нашли применение для измерения быстроменяющихся давлений.

Важно отметить, что пьезоэлектрический датчик не предназначен для измерения статического давления, его плюс — возможность контролировать импульсы. Эта особенность используется в измерении динамического давления воды, газа, пара в турбинах и двигателях.

5. Тензорезистивные датчики давления применяют тензоэффект — способность некоторых твердых веществ изменять электрическое сопротивление под воздействием деформации. Датчик давления на схеме соединяется с тензорезисторами. Усиление сопротивления создает дисбаланс, пропорциональный размеру давления.

Тензорезистивные датчики давления могут быть основаны на разных видах сенсоров:

с металлической мембраной — ставят на недорогие датчики, работающие в спокойных условиях;
со стальной мембраной — имеют меньшую погрешность и способны измерять высокое давление;
с керамической мембраной — обладают высокой точностью, могут работать со многими средами за исключением пищевых продуктов;
с кремниевой мембраной — сочетаются с нержавеющей сталью, отлично подходят для пищевых жидкостей и вязких субстанций.

Тензорезистивые устройства просты в изготовлении, имеют невысокую стоимость и могут работать в широких температурных пределах. К минусам относятся малая чувствительность и нестабильность измерений.

Сферы применения датчиков давления

Главная функция датчиков — измерение давления и передача данных для принятия дальнейших решений. Контроль производственных показателей используется для обеспечения беспрерывности технологического процесса и предотвращения аварийных ситуаций.

Применение датчиков давления в разных отраслях:

контроль давления в нефтяных скважинах и магистральных трубопроводах нефтегазовой промышленности;
поддержка необходимых условий для проведения химических реакций;
обеспечение контроля состояния здоровья пациентов в медицинских учреждениях;
организация работы систем управления двигателем в автомобилестроении;
контроль давления топливных систем в аэрокосмических устройствах;
поддержание бесперебойной работы турбин и парогенераторов в энергетике;
обеспечение работы коммунального хозяйства в сфере тепло-, газо- и водоснабжения населения.

Датчики давления являются необходимыми приборами для обеспечения безопасности множества процессов.

Как выбрать датчик давления

Правильная и продолжительная работа измерительного устройства основана на учете всех особенностей применения и выборе нужных параметров датчика.

Необходимо принять во внимание следующие характеристики датчика давления:

Предполагаемый диапазон измерений давления с учетом возможной погрешности. Рекомендуемый спектр измерений указан в техническом паспорте изделия.
Температурный режим и его колебания в зависимости от природных условий.
Совместимость формата выходного сигнала с системой управления и контроля процессами.
Тип и физические свойства измеряемого вещества, жидкости или газа. Нейтральность измерительного элемента к рабочей среде.
Условия внешней среды: наличие вибрационных нагрузок, перепадов температуры, влажности, ядовитые или химически-активные жидкости и газы. Для экстремальных условий необходим датчик давления с корпусом, обеспечивающим защиту внутренних компонентов прибора.
Комплектность и способ установки датчика должны быть просты и понятны, а также гарантировать сохранность и устойчивую работу устройства.
Уровень чувствительности и скорость отклика на изменения давления.

Понимание, за что отвечает датчик давления, и оптимальный подбор измерительного прибора обеспечит точное решение поставленных задач на долгое время.