Что такое преобразователь давления
Что такое преобразователь давления?
Преобразователь давления – измерительный прибор, необходимый для непрерывного измерения физической величины, возникающего в различных средах. После получения прибором данных происходит их преобразование в выходной сигнал по току или напряжению. В дальнейшем он используется в качестве входного сигнала для аппаратуры систем автоматического регулирования и контроля. Само по себе давление определяется в качестве единицы силы, которая создается на единицу площади поверхности.
Сфера применения
Используются преобразователи на участках диспетчеризации, энергосбережения, учета и контроля распределения газа, нефтепродуктов и тепла. Часто оборудование применяют в энергетике, легкой и тяжелой промышленности, коммунальном хозяйстве, в транспорте и другом оборудовании. Необходимо сказать, что без этих аппаратов невозможна даже работа гидравлических насосов, компрессоров и промышленных двигателей. Преобразователь давления устанавливают и в системах вентиляции, кондиционирования и отопления. Некоторые виды, например, Сапфир 22М применяются в атомной энергетике и позволяют преобразовывать пропорционально непрерывное давление, разрежение жидкости, газов, нейтральных и агрессивных сред.
Принцип работы
В состав любого аппарата входят несколько основных элементов:
Кроме этого, обязательно есть кабельный провод, клеммы, атмосферная трубка и многое другое. Основным отличием между существующих датчиков является точность регистрации давления, которая зависит непосредственно от принципа преобразования давления в электросигнал. Нужно учитывать, что сигналы с преобразователей являются медленноменяющимися. Это значит, что их спектр лежит в области сверхнизких частот. Чтобы оцифровать такой сигнал, необходимо подавить высокочастотную часть спектра, которая полностью состоит из помех. Это особенно популярно в промышленных условиях.
Виды преобразователей давления
Преобразователь избыточного давления измеряет показания, которые создаются какой-либо средой по отношению к атмосферному давлению. Этот вид является самым популярным и применяется во многих сферах.
Преобразователь абсолютной величины позволяет получить данные среды абсолютного разряжения. Используются в основном в химической промышленности.
Оборудование вакуумметрического давления измеряет уровень вакуума относительно атмосферных показателей. Часто используется в пищевой и металлургической промышленности. Таким образом, преобразователи применяются для измерения гидростатического уровня жидкостей.
Преобразователь давления. Общая информация
Преобразователь давления — измерительный прибор, предназначенный для непрерывного измерения давления различных сред и последующего преобразования измеренного значения в унифицированный выходной сигнал по току или напряжению. Преобразователи давления часто называют датчиками давления. Давление определяется как единица силы создаваемая на единицу площади поверхности. В системе СИ единицей измерения давления является Паскаль (Па). Один Паскаль равен силе в один Ньютон, приложенной на площадь в один квадратный метр (Па = Н / м²).
В зависимости от вида измеряемого давления, преобразователи давления делятся на несколько видов.
Преобразователи избыточного давления
Данные преобразователи измеряют давление, создаваемое какой-либо средой относительно атмосферного давления. Этот тип преобразователей давления является самым распространенным и применяется практически во всех отраслях промышленности: ЖКХ, энергетика, водоподготовка, водоочистка, системы отопления, кондиционирования и вентиляции, пищевая промышленность, химия и др.
Для измерения избыточного давления воды, пара, нейтральных жидкостей и газов ООО «КИП-Сервис» предлагает датчик давления общепромышленного назначения PTE5000. Данные датчики широко применяются российскими предприятиями для измерения давления воды в системах котельной автоматики, системах водоснабжения и водоотведения, ЖКХ и других системах, где на первом плане стоит невысокая стоимость оборудования.
Преобразователи абсолютного давления
Данные преобразователи измеряют давление, создаваемое какой—либо средой относительно абсолютного разряжения (вакуума). Эти датчики давления не так широко распространены, и используются в основном в химической промышленности. В ассортименте датчиков ООО «КИП-Сервис» преобразователи абсолютного давления представлены серией преобразователей давления CER-8000 и CER-2000 голландской фирмы KLAY-INSTRUMENTS BV, выполненные в корпусе из нержавеющей стали, что актуально именно для химической промышленности. Следует отметить, что данные серии датчиков давления, в зависимости от модификации, могут применяться для измерения и других видов давления.
Преобразователи вакууметрического давления (разряжения)
Эти датчики измеряют уровень разряжения (вакуума) относительно атмосферного давления. На сегодняшний день вакуумные процессы находят широкое применение в таких отраслях, как пищевая промышленность (вакуумная упаковка, вакуумный транспорт), металлургическая промышленность и производство РТИ (литье под вакуумом), автомобилестроение и др.
Преобразователи гидростатического давления (гидростатические уровнемеры)
Данные преобразователи представляют собой разновидность датчиков избыточного давления, в том случае, когда последние применяются для измерения гидростатического уровня жидкостей. Преобразователь фактически измеряет давление столба жидкости над ним. Для применения в водоканалах и системах водоочистки в номенклатуре ООО «КИП-Сервис» представлены погружные гидростатические датчики уровня Hydrobar производства фирмы KLAY-INSTRUMENTS BV.
Как было сказано выше, единицей измерения давления в системе СИ является «Паскаль» (Па). На практике в промышленности широко применяются и другие единицы измерения, кроме «Па» наиболее распространенными являются «bar» (бар), «м.в.с.» (метр водяного столба) и «кгс/см²» (килограмм-сила на сантиметр квадратный), а также производные этих единиц: «мбар» (миллибар), «кПа» (килопаскаль), «МПа» (мегапаскаль).
| Единицы | Па | кПа | МПа | кгс/см² | мм рт.ст. | мм вод.ст. | бар |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 Па | 1 | 10 –3 | 10 –6 | 10,197 16 х 10 –6 | 0,007 500 62 | 0,101 971 6 | 0,000 01 |
| 1 кПа | 1 000 | 1 | 10 –3 | 0,010 197 16 | 7,500 62 | 101,971 6 | 0,01 |
| 1 МПа | 1 000 000 | 1 000 | 1 | 10,197 16 | 7 500,62 | 101 971,6 | 10 |
| 1 кгс/м 2 | 9,806 65 | 9,806 65 х 10 –3 | 9,806 65 х 10 –6 | 0,000 1 | 0,073 555 9 | 1 | 98,066 5 х 10 –6 |
| 1 кгс/см 2 | 98 066,5 | 98,066 5 | 0,098 066 5 | 1 | 735,559 | 10 000 | 0,980 665 |
| 1 мм рт.ст. (при 0 °C) | 133,322 4 | 0,133 322 4 | 0,000 133 322 4 | 0,001 359 51 | 1 | 13,595 1 | 0,001 332 24 |
| 1 мм вод.ст. (при 0 °C) | 9,806 65 | 9,807 750 х 10 –3 | 9,806 65 х 10 –6 | 0,000 1 | 0,073 555 9 | 1 | 98,066 5 х 10 –6 |
| 1 бар | 100 000 | 100 | 0,1 | 1,019 716 | 750,062 | 10 197,16 | 1 |
Конструкция преобразователей давления
На рисунке снизу приведена общая схема конструкции преобразователей давления. В зависимости от типа датчика, производителя прибора и особенностей применения, конструкция может меняться. Данная схема предназначена для ознакомления с основными элементами типового измерительного преобразователя давления.
На рынке существует 4 основных типа сенсоров, основанных на тензорезистивном методе преобразования, которые используют все существующие производители преобразователей давления. Рассмотрим каждый тип отдельно.
Типы сенсоров
1. Толстопленочные сенсоры на металлической/керамической мембране
Данный тип тензорезистивных сенсоров является самых дешевым, и, как следствие, широко используется для производства недорогих преобразователей давления неагрессивных сред (вода, воздух, пар).
Толстопленочные сенсоры обладают следующими особенностями:
2. Тонкопленочные сенсоры на стальной мембране
Тонкопленочные сенсоры на стальной мембране были разработаны специально для применения в составе преобразователей высокого (более 100 бар) давления. Они обеспечивают хорошую линейность и повторяемость при работе с высокими значениями давления.
Особенности тонкопленочных сенсоров:
3. Керамические тензорезистивные сенсоры
Данный вид сенсоров используется для высокоточного измерения давления сред, не агрессивных к материалу керамики (как правило Al2O3), кроме пищевых продуктов (т. к. необходимо использование уплотнителя сенсора) и вязких сред. Данный тип сенсоров используют практически все ведущие производители преобразователей давления.
4. Кремниевые тензорезистивные сенсоры
Кремниевые тензорезистивные сенсоры широко применяются всеми ведущими производителями преобразователей давления в сочетании с защитной разделительной мембраной из нержавеющей стали (или других химически стойких сплавов) для высокоточного измерения давления различных сред. Использование сварной разделительной мембраны из нерж. стали позволяет применять данный тип сенсоров в пищевой промышленности и для вязких сред.
Руководитель отдела маркетинга ООО «КИП-Сервис»
Стариков И.И.
Датчик давления
Датчик давления (преобразователь давления) — устройство, физические параметры которого изменяются в зависимости от давления измеряемой среды (жидкости, газы, пар). В датчиках давление измеряемой среды преобразуется в унифицированный пневматический, электрический сигналы или цифровой код.
Датчик давления состоит из первичного преобразователя давления, в составе которого чувствительный элемент и приемник давления, схемы вторичной обработки сигнала, различных по конструкции корпусных деталей и устройства вывода. Основным отличием одних приборов от других является точность регистрации давления, которая зависит от принципа преобразования давления в электрический сигнал: тензометрический, пьезорезистивный, емкостной, индуктивный, резонансный, ионизационный.
Содержание
Класификация
Класификация по типу измеряемого давления
Класификация по конструктивному исполнению
Класификация по принципу действия
Класификация по принципу преобразования давления в электрический сигнал
Тензорезистивный датчик давления
В настоящее время основная масса датчиков давления выпускаются на основе чувствительных элементов, принципом которых является измерение деформации тензорезисторов, сформированных в эпитаксиальной пленке кремния на подложке из сапфира (КНС), припаянной твердым припоем к титановой мембране. Иногда вместо кремниевых тензорезисторов используют металлические: медные, никелевые, железные и др. Принцип действия тензопреобразователей основан на явлении тензоэффекта в материалах. Чувствительным элементом служит мембрана с тензорезисторами, соединенными в мостовую схему. Под действием давления измеряемой среды мембрана прогибается, тензорезисторы меняют свое сопротивление, что приводит к разбалансу моста Уитстона. Разбаланс линейно зависит от степени деформации резисторов и, следовательно, от приложенного давления. Следует отметить принципиальное ограничение КНС преобразователя – неустранимую временную нестабильность градуировочной характеристики и существенные гистерезисные эффекты от давления и температуры. Это обусловлено неоднородностью конструкции и жесткой связью мембраны с конструктивными элементами датчика. Поэтому, выбирая преобразователь на основе КНС, необходимо обратить внимание на величину основной погрешности с учетом гистерезиса и величину дополнительной погрешности.
К преимуществам можно отнести хорошую защищенность чувствительного элемента от воздействия любой агрессивной среды, налаженное серийное производство, низкую стоимость.
Пьезорезистивный датчик давления
Практически все производители датчиков проявляют интерес к использованию интегральных чувствительных элементов на основе монокристаллического кремния. Это обусловлено тем, что кремниевые преобразователи имеют на порядок большую временную и температурную стабильности по сравнению с приборами на основе КНС структур. Кремниевый интегральный преобразователь давления (ИПД) представляет собой мембрану из монокристаллического кремния с диффузионными пьезорезисторами, подключенными в мост Уинстона. Чувствительным элементом служит кристалл ИПД, установленный на диэлектрическое основание с использованием легкоплавкого стекла или методом анодного сращивания. Принцип действия сенсора для пьезорезистивного датчика давления, как следует из названия, основан на пьезорезистивном эффекте – изменении сопротивления при наложении механического давления. Резисторы размещают на мембрае таким образом, чтобы продольные и поперечные коэффициенты тензочувствительности были разных знаков, тогда и изменения сопротивлений резисторов будут противоположными. Основным преимуществом пьезорезистивных дачткиков является более высокая стабильность характеристик, по сравнению с КНС преобразователями. ИПД на основе монокристаллического кремния устойчивы к воздействию ударных и знакопеременных нагрузок. Если не происходит механического разрушения чувствительного элемента, то после снятия нагрузки он возвращается к первоначальному состоянию, что объясняется использованием идеально-упругого материала.
Ёмкостной датчик давления
Емкостный датчик давления представляет собой конденсатор, составленный из двух пластин, разделенных диэлектриком. Емкостные преобразователи используют метод изменения емкости конденсатора при изменении расстояния между обкладками. Известны керамические или кремниевые емкостные первичные преобразователи давления и преобразователи, выполненные с использованием упругой металлической мембраны. При изменении давления мембрана с электродом деформируется и происходит изменение емкости. В элементе из керамики или кремния, пространство между обкладками обычно заполнено маслом или другой органической жидкостью.
Достоинством чувствительного емкостного элемента является простота конструкции, высокая точность и временная стабильность, возможность измерять низкие давления и слабый вакуум.
К недостатку можно отнести нелинейную зависимость емкости от приложенного давления.
Резонансный датчик давления
Преимуществом резонансных датчиков является высокая точность и стабильность характеристик, которая зависит от качества используемого материала.
К недостаткам можно отнести индивидуальную характеристику преобразования давления, значительное время отклика, не возможность проводить измерения в агрессивных средах без потери точности показаний прибора.
Индуктивный датчик давления
Индукционный способ 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.
Преимуществом такой системы, является возможность измерения низких избыточных и дифференциальных давлений, достаточно высокая точность и незначительная температурная зависимость.
Однако датчик чувствителен к магнитным воздействиям, что объясняется наличием катушек, которые при прохождении переменного сигнала создают магнитное поле.
Ионизационный датчик давления
Достоинства и недостатки различных методов преобразования давления в электрический сигнал
высоком давлении (низкий вакуум является порогом)
Выбор датчика давления
Различные сферы применений определяют свои требования к датчикам:
Еще одним важным параметром является цена датчиков, которые используют тот или иной принцип преобразования давления. Поэтому при выборе преобразователя необходимо определить наиболее выгодный вариант – соотношение цены к возможностям прибора. Очевидно там, где требуется только какой-либо определенный параметр датчика (например, точность или возможность измерять вакуум) соотношение цены к предъявляемым требованиям высокое. В основном это касается резонансных, индукционных, емкостных и ионизационных датчиков.
Отличие от манометра
В отличие от датчика давления, манометр — прибор, предназначенный для измерения (а не преобразования) давления. В манометре от давления зависят показания прибора, которые могут быть считаны с его шкалы, дисплея или аналогичного устройства.
Все о датчиках давления
Точные измерительные приборы – важная составляющая деятельности всех современных отраслей хозяйства. Они служат для своевременного учета расхода разных жидкостей, нужны в работе с газовыми смесями и паром.
Кроме классических расходомеров, обладающих различными принципами действия, часто применяются еще и электронные приборы, измеряющие давление. Подобные устройства – обязательный элемент большей части измерительных комплексов и теплосчетчиков. Они часто входят в состав систем, служащих для осуществления автоматического контроля.
Так называемые датчики давления востребованы на предприятиях энергетического комплекса, в производстве продуктов питания, нефтеперерабатывающей сфере и других отраслях, где требуется знать цифровое значение давления для обеспечения бесперебойной и безопасной работы оборудования.
Что такое датчик давления
Датчик давления – это прибор, предназначенный для мониторинга давления в жидкостной либо газообразной среде с передачей сигнала о полученных измерениях на соответствующее оборудование. Это необходимо для своевременной корректировки параметров различных технологических процессов.
Датчик для измерения давления является компактным устройством, представляющим собой жидкокристаллический дисплей в алюминиевом корпусе. В него входят специальные трубки, которые оценивают давление конкретной среды – жидкости, газа или пара, а затем преобразовывают его либо выводят на экран его числовое значение при помощи аналогового или цифрового сигнала.
Принцип осуществления деятельности данного прибора напрямую зависит от типа измеряемого давления:
Типы датчиков
Датчики давления используются преимущественно в пищевом или же химическом производстве. Особенно интересным вариантом можно назвать практичный и современный интеллектуальный датчик, служащий для измерения абсолютного давления, а также реализующий измерение относительно величины абсолютного вакуума. Данное измерение наиболее часто применяется там, где необходимо произвести быстрый учет давления газа, пара или же тепловой энергии.
По конструкции элементов чувствительности датчики делятся на волоконно-оптические и оптоэлектронные. Первые включают оптический волновод и определяют давление в результате поляризации света. Вторые проводят свет через многослойную конструкцию, каждый слой которой меняет его свойства в зависимости от давления среды.
По виду измерений для датчиков давления принята следующая классификация:
1. Датчик дифференциального давления помогает удачно решать задачи по учету расходования замеряемой среды. Принцип его действия заключается в замере разностей давления между двумя находящимися рядом полостями – плюсовой и минусовой. Он применяется для успешного учета расходов. Узкое устройство в коммуникациях является местным сопротивлением. В процессе прохождения через него происходит изменение характера скорости потока. Перед данным сужающим устройством давление в атмосферах значительно возрастет, а после него – снижается. Чем более высокого коэффициента достигает разница, имеющаяся на входе, а далее и на выходе сужающего устройства, тем выше будет расход той среды, которая протекает по данной трубе. Подобный датчик без особых проблем позволит произвести учет объема данной жидкости не только в самой трубе, но и в данной емкости. Это можно осуществить при помощи измерения давления в столбе жидкости, которая воздействует на плюсовую мембрану. Кроме того, в некоторых случаях производится измерение результатов в минусовой полости давления, которая находится непосредственно под куполом данной емкости. Это необходимо для того, чтобы надежно произвести исключение чрезмерного влияния большинства насыщенных паров. Этот способ называется гидростатическим.
2. Датчик избыточного давления нужен для успешной регулировки и дальнейшего управления всеми техническими процессами. Он может применяться в составе большинства водяных систем, используемых для дальнейшего теплоснабжения; входит в необходимую комплектацию узлов, служащих для коммерческого и полноценного технологического учета всех требуемых жидкостей, газов и пара.
Комплексное исполнение датчика давления позволяет использовать его по назначению. Такое устройство применяется в условиях низких и высоких температур, а также в наиболее агрессивных средах.
В каждой из отраслей хозяйства необходимость того или иного датчика определяется сугубо индивидуальным способом, а также реальной надобностью. Выбор прибора зависит от того, какие перед ним поставлены задачи, а также от текущих условий эксплуатации. Заказчик самостоятельно выбирает материал, требующийся для изготовления мембраны разделения, а также корпуса электронного блока.
Технические характеристики и преимущества
К ключевым техническим опциям интеллектуальных датчиков давления можно отнести следующие:
Датчик давления имеет высокую точность измерений. Если осуществляется специальный заказ, погрешность не превышает 0,04%. Датчики хорошо показывают себя в широком диапазоне измерений, в процессе самодиагностики и перегрузки.
Устройство датчика давления
Датчик давления состоит из преобразующего элемента; элемента, воспринимающего давление; приемника давления; системы вторичной обработки цифрового сигнала и устройства вывода информации. Все это скрывается в общем корпусе, оснащенном цифровым дисплеем.
Методы измерения давления при помощи датчика:
Области применения
Датчики можно использовать в следующих областях:
Счетчики давления позволяют держать под контролем большинство производственных процессов, успешно применяются в важных социальных сферах. Без них невозможно представить нормальную жизнедеятельность.
Как выбрать
Для того чтобы избежать серьезных финансовых расходов и правильно подойти к выбору датчика давления, необходимо учесть несколько важных качественных характеристик:
Учитывая соответствующие факторы, можно найти подходящий датчик давления, который прослужит максимально долгое время без поломок и прочих проблем. Важно лишь подобрать достойного производителя, имеющего нужную документацию и положительные отзывы, а также правильно произвести установку и начальную настройку.