Виды датчика давления и их характеристики
Что такое датчик давления?
Датчик давления — устройство, которое измеряет давление жидкости, газа, пара. Он состоит из соединительных проводов, пластины конденсатора, сенсорной мембраны, капсульной защиты, заполняющей жидкости, уплотняющих сварных швов и разделительной мембраны.
Какое давление измеряют датчики?
При подборе датчика давления важно учитывать, какое давление необходимо измерить. Существует несколько типов давления, которые можно контролировать с помощью этих устройств:
- Абсолютное - это истинное давление сплошных масс (жидкостей, паров и газов), отсчитываемое от абсолютного нуля давления ─ абсолютного вакуума.
- Относительное - это давление, измеренное относительно земной атмосферы.
- Дифференциальное - это разность между давлением на входе и на выходе/
- Избыточное - давление, создаваемое искусственно в сосудах, паровых или водогрейных котлах, трубопроводах и отсчитываемое от имеющегося уже давления атмосферного. Оно указывает на сколько давление внутри сосуда больше атмосферного.
Выбор датчика давления.
Помимо определения типа измеряемого давления при выборе датчика важно учесть другие факторы, которые влияют на правильную работу устройств:
- Диапазон измерений датчика должен соответствовать диапазону измеряемого давления с учетом возможных колебаний;
- Температурный режим также должен быть подходящим. Большинство датчиков функционируют в диапазоне температур от -25 до +100 градусов Цельсия;
- Выходной сигнал датчика должен соответствовать измерительному или управляющему контуру.
Важным фактором является конфигурация датчика и способ его установки. Основная масса датчиков давления оснащаются резьбой для легкого монтажа на стежке, установленном на трубе, резервуаре. Существуют модели с фланцами, миниатюрные датчики для пайки на печатной плате. В сенсорных датчиках мембрана находится на одном уровне со стенкой трубы. Благодаря этому не засоряются области без потока.
Виды датчиков и их характеристики
1. Сильфонный датчик давления (гармониковая мембрана) представляет собой гофрированную упругую металлическую трубку, закрытую с одного торца, образующего активную площадь. Давление измеряемой среды действует на торец с определенной силой. В датчике эта сила уравновешивается суммой сил упругости сильфона (за счет его собственной жесткости) и дополнительной пружины. Выходным сигналом датчика является перемещение штока. Сильфонные датчики применяют для измерения давления различных сред в диапазоне 0,01 – 100/105 Па. При измерении малого давления пружина может отсутствовать. В этом случае действующая сила полностью уравновешивается за счёт упругости самого сильфона. Жёсткость сильфона зависит от его геометрических размеров, материала, числа гофр и слоёв. Для измерения высокого давления необходимо увеличить толщину стенки сильфона, что повысит его жёсткость. Жёсткость можно снизить, сделав сильфон двух - трехслойным в зависимости от необходимой прочности.
Изготовляют сильфоны из томпака и полутомпака для низкого и среднего давления, из бериллиевой бронзы и нержавеющей стали для высокого давления. Крепление обеспечивается с помощью пайки или сварки оловянистыми припоями без применения кислоты.
2. Манометрическая трубка или трубка Бурдона представляет собой упругую металлическую трубку эллиптического или прямоугольного сечения, согнутую по радиусу. К неподвижно закрепленному концу трубки подводится измеряемое давление. Оно действует на внутренние поверхности трубки, имеющие разные площади, и создаёт усилие, направленное в сторону поверхности с большей площадью. Усилие уравновешивается силой упругости самой трубки. Выходной сигнал датчика в виде перемещения свободного конца трубки пропорционален изменению давления. При повышении давления трубка выпрямляется, а при снижении – сгибается.
Металлические мембраны и трубки Бурдона в рабочей зоне обладают свойствами пружин и практически не имеют остаточной деформации (отсутствует петля гистерезиса). Диапазон измеряемого давления на линейном участке характеристики определяется упругостью трубчатой пружины и зависит от конструкции и механических свойств материала трубки. Превышение предельных значений вызывает остаточную деформацию пружины. В эксплуатации это недопустимо.
Достоинства:
- большая механическая прочность;
- простота конструкции;
- широкий диапазон измеряемого давления при линейной характеристике. Важное применение находит в контрольно-измерительных приборах (КИП) и приборах автоматических устройств.
3. Геликоидальная пружина представляет собой упругую металлическую трубку эллиптического сечения, закрученную по спирали. К неподвижно закрепленному концу трубки подводится измеряемое давление. Принципы действия геликоидальной пружины и трубки Бурдона аналогичны. Выходным сигналом датчика является перемещение свободного конца трубки. Геликоидальные пружины применяют в случаях, когда требуется получить большие перемещения выходного звена датчика при малых изменениях давления.
4. Мембранный датчик измеряет малые перепады давления (от 10 до 1600 Па). Он изготавливается из эластичной аэростатной ткани, дюритовой резины или фольги. Измеряемые давления подводятся к полости датчика с обеих сторон мембраны. На жёстком центре мембраны создаётся усилие пропорциональное их разности и направленное в сторону меньшего давления. Выходной шток уплотняется в корпусе сальником или сильфоном.
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 из-за отсутствия сил сухого трения в уплотнениях штоков.
6. Датчик пьезокварцевого манометра. Рассмотрим устройство с продольным пьезоэффектом. Он состоит из:
1 - кварцевые пластины;
2 - контактная пластина;
3 - металлическая опора;
4 - металлическая мембрана;
5 - канал;
6 - нижняя гайка;
7 - провод;
8 - гайка.
В корпусе датчика расположены две кварцевые пластины 1, которые обращены друг к другу сторонами одинаковой полярности. Первые стороны кварцевых пластин прилегают к металлической контактной пластине 2. Вторые стороны кварцевых пластин прилегают к металлическим опорам 3 и через них электрически замыкаются на корпус датчика. Металлические опоры 3 вместе со столбиком из кварца зажимаются между металлической мембраной 4 и гайкой 5. Шарик, пребывающий между гайкой 5 и верхней опорой, равномерно распределяет давление на поверхности кварца. Нижняя гайка 6 с каналом 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 7 подается на измерительное устройство. Диэлектрическая втулка, установленная в канале 5, изолирует провод от корпуса датчика.
Для повышения чувствительности датчика выполняют следующие работы:
- увеличивают активную площадь мембраны;
- последовательно включают большое количество кварцевых пластин;
- применяют удлинённые кварцевые пластины, работающей с использованием поперечного пьезоэффекта.
Основные трудности измерения давления при помощи пьезодатчиков вызваны тем, что величины зарядов очень малы. Поэтому для их измерения пригодны только такие способы, при которых не происходит утечки заряда.
Подробнее о видах манометра и принципах его работы читайте на сайте “Промышленная Автоматизация”.
7. Механические датчики давления используют изменение тела – первичного преобразователя. Это могут быть пружины, мембраны, диафрагмы или сифоны, реагирующие на изменение давления. Упругий элемент деформируется и передаёт информацию. Самым распространенным типом являются пружинные контроллеры (датчики). Они могут быть не только демонстрирующими, но и самопишущими. Такие контроллеры (приборы) достаточно хрупкие и дорогие.
8. Электромеханические модели используются для измерения давления в жидкостях и газах. В основе лежит механический первичный преобразователь, который показывает высокую эффективность при давлении до 1000 кг/см2.
9. Электрические используют изменение электрического сопротивления проводников. Они показывают высокую точность при давлении свыше 1000 кг/см2.
10. Пьезоэлектрические датчики используют кристалл. Когда давление прикладывается к кристаллу, он деформируется и создаётся небольшой электрический заряд. Измерение электрического заряда пропорционально изменению давления. Этот тип датчика имеет очень быстрое время отклика на постоянные изменения давления и высокую чувствительность. Диапазон давления датчиков такого типа составляет 0,021 – 100 МПа с чувствительностью 0,1 МПа.
11. Тензометрический состоит из тензорезистора, имеющего контакт на панели. Панель соприкасается с телом для измерения. Принцип работы датчика заключается в действии на чувствительный элемент исследуемой детали. Для подключения датчика к питанию используются электроотводы, соединенные с чувствительной пластиной.
С помощью моста измерения тензодатчика измеряются минимальные нагрузки. При этом применяемость прибора расширяется. Схема подключения мостом датчика основывается на законе Ома. Если сопротивления равны, то проходящий ток будет одинаковым. Схема используется для определения неизвестного электрического сопротивления. Она уравновешивает 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. Другая секция имеет резистор с известным регулируемым сопротивлением.
Тензометрический датчик бывает двух типов: несвязанного и связанного. На фото представлен первый тип.
12. Вибрационные фиксируют изменения резонансной частоты вибрирующих элементов. Ток проходит через провода, индуцируя электродвижущую силу в проводе. Усилие увеличивается, что вызывает колебание проволоки. Давление влияет на этот механизм с помощью влияния на сам провод: повышение давления уменьшает напряжение в проводе и снижает угловую частоту колебаний провода. При измерении абсолютных давлений датчик размещен в цилиндре под вакуумом. Вибрационные датчики измерения абсолютного давления очень эффективны. Они производят повторяемые результаты и слабо подвержены влиянию температуры. Данным устройствам не хватает чувствительности в процессе измерения, однако устройства не очень подходят для процесса, в котором необходимо отслеживать кратковременные изменения давления. Диапазон измеряемого давления 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. Типичный датчик дифференциального давления минимально инвазивный, т.е. внешний компонент подсоединён через точки измерения. Он обычно используется с ёмкостным элементом в паре с диафрагмой. С помощью диафрагмы ёмкостное тело движется вместе или отдельно и генерирует сигнал (через изменение ёмкости), который может быть интерпретирован к падению давления.
Диапазон измеряемого давления и чувствительность датчика дифференциального давления зависит от электрических и упругих компонентов, используемых в самом датчике.
У этого устройства есть недостаток - он предназначается только для измерения перепадов давления.
14. Датчики абсолютного давления. За счёт того, что точкой отсчёта является вакуум, только датчик абсолютного давления измеряет атмосферное давление и применяется для измерения барометрического давления. С его помощью определяется высотность по принципу разницы в атмосферном давлении на разных высотах. Перепады атмосферного давления, вызванные изменениями погоды могут быть до 30 мбар, а изменение высотности датчика может дать изменение давления около 200 мбар.
Колебания атмосферного давления влияют на точность измерения. В случае с высоким давлением погрешность будет незначительной, но гораздо больше при измерении низкого давления.
15. Датчики избыточного давления используют для регулировки и дальнейшего управления всеми техническими процессами. Он применяется в составе большинства водяных систем, используемых для дальнейшего теплоснабжения. Также входит в необходимую комплектацию узлов, служащих для коммерческого и полноценного технологического учета всех требуемых жидкостей, газов и пара.
16. Датчики относительного давления определяют давление относительно атмосферного. Они подходят для измерений, в которых нужно устранить влияние атмосферного давления. Пример такой задачи – измерение гидростатического давления жидкости в резервуаре.
17. Частотные измерители или пьезорезонансные датчики. Это один из видов электрических датчиков. Принцип работы заключается в измерении частоты колебаний резонатора. Резонатор делается из пьезоматериала и подключен с двух сторон к электродам. Сила подаётся от чувствительной к давлению мембраны.
18. Оптические контроллеры (датчики) считаются наиболее точными, так как не зависят от температуры. Световой луч, проходящий через измеряемое вещество, меняется и фиксируется фотоэлементом. Существует два подвида датчиков:
- волоконно-оптические являются наиболее точными, их работа не сильно зависит от колебания температуры. Чувствительным элементом является оптический волновод. Об измеряемой величине давления в таких приборах обычно судят по изменению амплитуды и поляризации проходящего через чувствительный элемент света.
- оптоэлектронные состоят из многослойных прозрачных структур. Через эту структуру пропускают свет. Один из прозрачных слоёв может изменять свои параметры в зависимости от давления среды. Есть два параметра, которые могут изменяться - показатель преломления и толщина слоя.
На фото слева направо представлен принцип действия оптических датчиков давления, работающих на изменение показателя преломления и изменение толщины слоя.
19. Жидкостные датчики являются наиболее точными и стабильными. Однако вследствие эксплуатационных неудобств (малые пределы измерения, необходимость строго вертикального положения, большие габариты и т. п.) они в последнее время вытесняются другими, более совершенными типами датчиков давления. На фото слева представлен датчик с U-образной системой, справа - с колокольной.
20. Ёмкостные датчики состоят из параллельных пластин – конденсаторов, соединённых с диафрагмой. Диафрагма обычно металлическая и подвергается давлению сил, участвующих в процессе с одной стороны, и опорным давлением на другой стороне. Электроды прикреплены к мембране и питаются от генератора высокой частоты. Электроды ощущают любое перемещение диафрагмы. Данный процесс влияет на изменение ёмкости пластин – конденсаторов. Изменение емкости обнаруживается подсоединённой 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.
21. Поршневые датчики. Поршень, находящийся под давлением контролируемой среды, вызывает сжатие специальной калиброванной пружины. Датчики этого типа не находят широкого применения из-за таких существенных недостатков, как наличие зазора между поршнем и цилиндром и возможность застопоривания поршня. Однако благодаря высокой стабильности поршневые датчики используют для тарировки манометрических систем других типов.
22. Сенсорные датчики преобразовывают механическую деформацию тела в электрический сигнал. На его основе меняется сила сжатия или растяжения предмета в электрический сигнал. При изменении размеров измеряемого тела изменяется его электросопротивление и изменяется уровень выходного сигнала.
23. Пружинные датчики. Действие их основано на возникновении упругой деформации пружины, являющейся чувствительным элементом прибора. Деформация возникает при изменении давления внутри или снаружи пружины. Изменение формы элемента передаётся на подвижную часть прибора со стрелкой, перемещающейся по шкале. При снятии давления чувствительный элемент принимает первоначальную форму.
В технических манометрах и вакуумметрах обычно применяются упругие пружины:
- Одновитковая согнута по дуге почти в форме окружности приблизительно на 270°. В сечении пружина имеет вид эллипса. Изготовливается она из латуни или стали (для больших давлений). Один конец пружины запаян и является свободным. Второй конец пружины неподвижен и к нему подводится измеряемое давление р. Давление вызывает деформацию пружины и перемещение ее свободного конца.
- Многовитковая имеет 6-9 витков диаметром около 30 мм. Перемещение свободного конца пружины значительно больше (до 15 мм), чем у одновитковой пружины. Гораздо большим является здесь и тяговое усилие.
- Плоская мембрана используется отдельно или в коробке из двух гофрированных мембран. Применяется также мягкая мембрана из плоской прорезиненной ткани, соединённой с плоской калиброванной пружиной.
- Сильфоны (гармониковые мембраны) представляют собой цилиндрическую коробку со стенками, имеющими равномерные поперечные складки (гофры). Измеряемое давление подается внутрь сильфона или снаружи его.
По сравнению с плоской мембраной и мембранной коробкой гармоникообразная мембрана обладает 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
Купить датчик давления можно в интернет-магазине “Промышленная Автоматизация”.
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.
