Виды датчиков давления и их характеристики
Что такое датчик давления
Датчик давления — прибор для измерения давления жидкости или газа. Эти приборы состоят из сенсорной мембраны, капсульной защиты, заполняющей жидкости, пластины конденсатора, соединительных проводов, и разделительной мембраны.
Виды измеряемого давления
Выбирая манометр, в первую очередь следует определить, какой тип давления требуется измерять. Существуют четыре типа давления:
- Абсолютное - давление сплошных масс жидкостей, пара или газа), отсчитываемое от абсолютного нуля давления в абсолютном вакууме.
- Относительное - давление, рассчитанное относительно земной атмосферы.
- Дифференциальное - разница между давлением на входе и на выходе какого либо трубопровода.
- Избыточное - созданное искусственно давление в любых емкостях или трубопроводах и отсчитываемое от атмосферного давления. Оно отражает, насколько больше атмосферного давление внутри какого-либо сосуда.
Как выбрать манометр
При выборе датчика давления учитывается ряд факторов, влияющих на правильную работу устройства:
- Диапазон измерений - должен соответствовать диапазону измеряемого давления с учетом возможных колебаний;
- Температурный режим должен соответствовать условиям эксплуатации. Большая часть таких измерительных приборов функционируют при температурах от-25 до +100 градусов Цельсия;
- Выходной сигнал датчика должен соответствовать измерительному или управляющему контуру.
- Комплектация датчика и способ его установки. Основная масса манометров оснащаются резьбой для легкого монтажа на стежке. Выпускаются модели с фланцами, а также миниатюрные датчики для пайки на печатной плате. В сенсорных датчиках мембрана расположена на одном уровне со стенкой трубы. Благодаря этому не засоряются области без потока.
Типы датчиков давления
1. Сильфонный датчик давления (гармониковая мембрана) представляет из себя гофрированную упругую металлическую трубку со штоком, закрытую с одного торца. На него оказывает давление измеряемая среда. В датчике это давление уравновешивается суммой сил упругости сильфона и дополнительной пружины. Выходным сигналом датчика является перемещение штока. Сильфонные датчики применяются при измерении давления различных сред в диапазоне 0,01 – 100/105 Па. Датчики для измерении низкого давления могут поставляться без пружины. В такой конструкции действующая сила уравновешивается за счёт упругости самого сильфона. Жёсткость сильфона определяется его размерами, материалом изготовления, количеством гофр и слоёв. Для измерения высокого давления выпускаются сильфоны со стенками увеличенной толщины, что повышает жёсткость конструкции, а также с двух– и трехслойными стенками.
Для замеров низкого и среднего давления сильфоны производят из томпака и полутомпака (разновидности латуни), из бериллиевой бронзы и нержавеющей стали для высокого давления. Закрепляются эти контроллеры пайкой или сваркой оловянистыми припоями без применения кислоты.
2. Манометрическая трубка, или трубка Бурдона, это изогнутая по радиусу упругая металлическая трубка эллиптического или прямоугольного сечения. На неподвижно закрепленный конец трубки оказывается измеряемое давление, оно воздействует на внутренние поверхности трубки разной площади. Так создаётся усилие, направленное в сторону поверхности большей площади. Усилие уравновешивается силой упругости трубки. Выходной сигнал датчика – это перемещение свободного конца трубки, которое пропорционально изменению давления. При увеличении давления трубка распрямляется, при уменьшении – сгибается.
Металлические мембраны и трубки Бурдона схожи с пружинными датчиками по своим свойствам и избавлены от остаточной деформации. Диапазон измеряемого давления зависит от упругости трубчатой пружины, которая зависит от конструкции и механических свойств материала трубки. Превышение предельных значений вызывает остаточную деформацию пружины, что недопустимо при использовании контрольного прибора.
Достоинства этого вида датчиков:
- большая механическая прочность;
- простая конструкции;
- широкий диапазон измеряемого давления.
3. Геликоидальная пружина – это упругая металлическая трубка эллиптического сечения, закрученная по спирали. К закрепленному неподвижно концу трубки подводится измеряемое давление. Принципы функционирования геликоидальной пружины и трубки Бурдона похожи. Выходным сигналом этого манометра служит перемещение свободного конца трубки. Геликоидальные пружины применяются при необходимости получить значительные перемещения выходного звена датчика при незначительных изменениях давления.
4. Мембранный датчик измеряет давление в диапазоне от 10 до 1600 Па. Он изготавливается из эластичной аэростатной ткани, дюритовой резины или фольги. Измеряемое давление подводится к полости датчика с двух сторон мембраны. На жёстком центре мембраны создаётся усилие, пропорциональное их разности и направленное в сторону меньшего давления
5. Сильфонный датчик перепада давления имеет измеряемый диапазон значительно шире, чем мембранный. Состоит датчик из двух сильфонов с одинаковой активной площадью, преобразующих измеряемые давления в силы, направленные в противоположные стороны. Разность сил, приведенная к соединительному штоку, уравновешивается силами действия пружины и упругости самих сильфонов. Выходным сигналом датчика является перемещение рычага, пропорциональное изменению перепада давлений. Двухсильфонные и двухмембранные датчики обладают высокой чувствительностью.
6. Пьезокварцевый манометр состоит из следующих деталей:
1 - кварцевые пластины;
2 - контактная пластина;
3 - металлическая опора;
4 - металлическая мембрана;
5 - канал;
6 - нижняя гайка;
7 - провод;
8 - гайка.
Две кварцевые пластины обращены друг к другу сторонами одинаковой полярности. Первые стороны кварцевых пластин прилегают к металлической контактной пластине. Вторые стороны кварцевых пластин прилегают к металлическим опорам и через них электрически замыкаются на корпус датчика. Металлические опоры вместе со столбиком из кварца зажимаются между металлической мембраной и гайкой. Шарик, расположенный между гайкой и верхней опорой, равномерно распределяет давление на поверхности кварца. Нижняя гайка соединяет датчик с объектом измерения. При измерении давления положительный заряд, появляющийся на гранях кварцевых пластин, отводится на корпус. Отрицательный заряд с граней пластин снимается контактной пластиной 2 и с помощью провода подается на измерительное устройство. Диэлектрическая втулка, установленная в канале, изолирует провод от корпуса датчика.
Для повышения чувствительности датчика используют следующие методы:
- увеличивают активную площадь мембраны;
- последовательно включают большое количество кварцевых пластин;
- применяют удлинённые кварцевые пластины, функционирующие с использованием поперечного пьезоэффекта.
Главный недостаток манометров с пьезодатчиком заключается в крайне малых величинах зарядов.
Подробнее о видах манометра и принципах его работы читайте на сайте “Промышленная Автоматизация”.
7. Механические датчики давления функционируют на основе изменения тела – первичного преобразователя, которым являются пружины, мембраны, диафрагмы или сифоны. Они деформируются при изменении давления, чем передают сигнал. Наиболее распространенным типом стали пружинные контроллеры, которые бывают демонстрирующими, или самопишущими. Но эти контроллеры довольно хрупкие и дорогостоящие.
8. Электромеханические датчики давления применяются для измерения давления жидкостей и газов. Они основаны на механическом первичном преобразователе и эффективны при давлении до 1000 кг/см2. .
9. Электрические датчики давления функционируют на принципе изменения электрического сопротивления проводников и используются при давлении свыше 1000 кг/см2.
10. Пьезоэлектрические датчики В пьезоэлектрических датчиках главным элементом является кристалл. При увеличении давления на кристалл он деформируется, и создаётся электрический заряд. Измерение электрического заряда пропорционально изменению давления. Данный тип контроллера отличается быстрым откликом на постоянные колебания давления и высокой чувствительностью. Рабочий диапазон давления пьезоэлектрических датчиков составляет 0,021 – 100 МПа с чувствительностью 0,1 МПа.
11. Тензометрический манометр состоит из тензорезистора с контактом на панели, которая находится в контакте с измеряемым телом. Принцип работы датчика заключается в воздействии на чувствительный элемент исследуемой детали. Датчик подключается к электропитанию. Тензометрические датчики бывают двух типов: несвязанного и связанного.
12. Вибрационные датчики фиксируют колебания резонансной частоты вибрирующих элементов. Ток проходит через провода и индуцирует электродвижущую силу в проводе. Увеличение усилия вызывает колебание проволоки. Повышение давления уменьшает напряжение в проводе и снижает угловую частоту его колебаний. При измерении абсолютных давлений датчик размещается в цилиндре под вакуумом.
Вибрационные датчики абсолютного давления высоко эффективны. Они выдают повторяемые результаты и мало подвержены воздействию температуры. Но у данных устройств низкая чувствительность в процессе измерения, и подобные контроллеры плохо применимы для отслеживания кратковременных колебаний давления.
Измеряемый диапазон составляет 0,0035 – 0,3 МПа.
13. Датчики дифференциального давления используются с различными видами датчиков, в которых измерение давления является результатом разности давлений. К таким устройствам относятся датчики диафрагмы или сопла подачи. Внешний компонент датчика подсоединяется через точки измерения. Он обычно применяется вместе с ёмкостным элементом и с диафрагмой. С помощью диафрагмы движение емкостного тела генерирует сигнал через изменение ёмкости.
Диапазон измеряемого давления и чувствительность датчика дифференциального давления зависят от используемых в датчике электрических и упругих компонентов.
Устройства этого типа предназначены исключительно для измерения перепадов давления.
14. Датчики абсолютного давления. Поскольку точкой отсчёта является вакуум, датчик абсолютного давления измеряет атмосферное и барометрическое давление. С его помощью определяется высотность методом определения разницы в атмосферном давлении на разных высотах. Перепады атмосферного давления, вызванные изменениями погоды, могут достигать 30 мбар. А изменение высотности датчика может дать изменение давления около 200 мбар.
Изменения атмосферного давления оказывают влияние на точность измерения. При высоком давлении погрешность будет незначительной, но при замерах низкого давления она будет гораздо больше.
15. Датчики избыточного давления применяются для регулировки и управления техническими процессами. Они используется в большей части водяных систем теплоснабжения, входят в необходимую комплектацию узлов учета жидкостей,газов и пара.
16. Датчики относительного давления применяется для измерений, в которых нужно устранить влияние атмосферного давления. Например, для измерения гидростатического давления жидкости в резервуаре.
17. Частотные измерители или пьезорезонансные датчики разновидность электрических датчиков. Работа основывается на измерении частоты колебаний резонатора. Резонатор производится из пьезоматериала и подключается с двух сторон к электродам. Давление передаётся от чувствительной к давлению мембраны.
18. Оптические контроллеры являются наиболее точными, поскольку независимы от колебаний температуры. Через измеряемое вещество проходит световой луч. При прохождении он меняется, в затем фиксируется фотоэлементом.
Выделяют два подвида таких датчиков:
- волоконно-оптические. Чувствительным элементом является оптический волновод. Давление в них измеряется по изменению амплитуды и поляризации проходящего через чувствительный элемент света.
- оптоэлектронные состоят из многослойных прозрачных структур, через которые проходит свет. Один из прозрачных слоёв меняет свои параметры в зависимости от давления среды. Могут меняться два параметра– показатель преломления и толщина слоя.
На фото слева направо изображен принцип действия оптических датчиков давления, работающих на изменение показателя преломления и изменение толщины слоя.
19. Жидкостные датчики являются очень точными и стабильными. Но из-за своих недостатков (малый диапазон измерения, обязательность строго вертикального положения, крупные размеры) эти датчики постепенно заменяются другими, более современными манометрами. На фото слева изображены: датчик с U-образной системой, справа - с колокольной.
20. Ёмкостные датчики состоят из параллельных пластин – конденсаторов, соединённых с диафрагмой. Металлическая диафрагма подвергается внешнему давлению с одной стороны, и опорным давлением с другой стороны. Электроды прикреплены к мембране и ощущают любое ее перемещение. Данный процесс изменяет ёмкость пластин–конденсаторов. Это изменение емкости обнаруживается подсоединённой электрической цепью, которая выводит напряжение в соответствии с изменением давления.
Данные датчики работают в диапазоне от 2,5 до 70 МПа с чувствительностью 0,07 МПа.
21. Поршневые манометры. В них установлен поршень, находящийся под давлением контролируемой среды. Его движение вызывает сжатие специальной калиброванной пружины. Поршневые датчики не получили распространения из-за наличия зазора между поршнем и цилиндром, а также риска застопоривания поршня. Но благодаря высокой стабильности, поршневые датчики используют для тарировки манометрических систем других типов.
22. Сенсорные датчики преобразовывают механическую деформацию тела в электрический сигнал. При изменении размеров измеряемого тела изменяется его электросопротивление и меняется уровень выходного сигнала.
23. Пружинные датчики. Их функционирование основано на возникновении упругой деформации пружины, являющейся чувствительным элементом прибора. Деформация образуется при изменении давления внутри или снаружи пружины. Изменение формы детали передаётся на стрелку, перемещающейся по шкале При снятии давления чувствительный элемент возвращается в исходную форму.
В технических манометрах и вакуумметрах обычно применяются упругие пружины:
- Одновитковая согнута по дуге почти в форме окружности приблизительно на 270 градусов эллипсоидного сечения. Изготавливается она из латуни или стали. Один конец пружины запаян и является свободным. Второй конец пружины неподвижен и к нему подводится измеряемое давление. Давление вызывает деформацию пружины и смещение ее свободного конца.
- Многовитковая имеет 6-9 витков диаметром около 30 мм. Перемещение свободного конца пружины составляет до 15 мм, что больше, чем у одновитковой пружины. Намного большим является и тяговое усилие.
- Плоская мембрана применяется отдельно или в комплекте из двух мембран. Используется также мягкая мембрана из плоской прорезиненной ткани, соединённой с плоской калиброванной пружиной.
- Сильфоны (гармониковые мембраны) представляют собой цилиндрическую коробку со стенками с равномерными поперечными складками. В сравнении с плоской мембраной и мембранной коробкой, гармоникообразная мембрана отличается наибольшей чувствительностью.
24. Потенциометрический датчик давления состоит из:
1 - преобразователь;
2 - щётка;
3 - контакты разъёма;
4 - щёткодержатель;
5 - ось поводка;
6 - поводок;
7 - возвратная пружина;
8 - рычаг;
9 - шток;
10, 13 - корпус;
11 - мембран;
12 - канал
Оставить заявку или получить обратную связь вы можете написав нам на info@industriation.ru или позвонив по бесплатному номеру 8 800 550-72-52. Специалисты отдела продаж подберут оборудование, проконсультируют по возникшим вопросам и проконтролируют поставку.
