Датчики давления принцип работы: Датчики давления компании Smartec

Содержание

Датчики давления компании Smartec

Датчики давления компании Smartec

Принцип работы

 

Датчики давления основаны на принципе изгиба мембраны, вызванном давлением жидкости или газа. На мембрану нанесен очень тонкий проводящий экранированный слой, который повторяет изгибы мембраны. Этот прогиб можно измерить двумя разными способами:

  • Проводящий (и резистивный) слой на мембране и опорный слой в корпусе датчика образуют конденсатор, деформация его обкладок вызывает изменение  емкости, которое может быть измерено
  • Сопротивление проводящих слоев изменяется при изгибе мембраны. Специальная механическая компоновка из четырех резистивных структур образовывает устойчивый мост Уитстона, сопоставимый с классическими тензометрическими датчиками

На практике широко используются оба способа измерения давления. Линейка датчиков давления Smartec основана на резистивной структуре, экранированной на мембране.

 

Принцип действия датчика давления

Емкостное измерение на основе тензометрического резистора на изгибающейся мембране

 

Изгиб мембраны (а также слоя) очень мал (

В общем случае экранированные резисторы также чувствительны к температуре, что приводит к необходимости компенсации температурных эффектов.

 

Типы датчиков давления

 

Мембрана изогнется, если есть разница давления с обеих её сторон. Существует три типа датчиков: относительного давления, абсолютного давления и дифференциального давления. У каждого типа есть конкретная областью применения.

Вкратце:

  • Датчик относительного давления измеряет разность давления среды и атмосферного давления, поэтому одна сторона мембраны всегда сообщается с атмосферой
  • Датчик абсолютного давления измеряет разность давления среды и вакуума, поэтому в подмембранном объеме создается вакуум
  • Дифференциальный датчик давления измеряет разность между двумя приложенными давлениями

 

 

Датчик относительного давления

 

На рисунке показана схема датчика относительного давления. С одной стороны  мембраны находятся жидкость или газ под давлением, которое должно быть измерено, а с другой давление на мембрану равно атмосферному. Это означает, что измеренное давление соотносится с атмосферным. Такое отверстие, соединяющее подмембранный объем с атмосферой, обычно называют вентиляционным.

 

Принцип работы датчика относительного давления

 

Единственным интерфейсом между «внешним миром» и находящейся под давлением средой является мембрана. Если эта мембрана повреждена (например, из-за ударного давления), сторона под давлением непосредственно соединяется с вентиляционным отверстием, начинается выброс газа или жидкости, что может привести к опасной ситуации. Для измерения давления опасных газов этот тип датчика не используется, вместо этого применяют датчики абсолютного типа.

Все датчики относительного давления имеют вентиляционное отверстие, которое соединяет одну сторону мембраны с атмосферой. Если это отверстие закрыто или забито из-за загрязнения, могут возникнуть ошибки считывания. Если этот тип датчиков установлен в прочный корпус, вентиляционное отверстие должно всегда оставаться открытым.

Типичное применение датчиков такого типа – измерение давления в шинах.

 

Датчики абсолютного давления

 

Данный тип не имеет вентиляционного отверстия, а в подмембранном объеме создан вакуум. На рисунке показан принцип датчика абсолютного давления.

 

Принцип работы датчика абсолютного давления

 

Очень сложно создать такую «камеру» с абсолютным вакуумом (фактически она и не существует). Однако давление в вакуумной контрольной камере датчиков Smartec очень низкое (25.10-3 торр или 5.10-4 PSI).

Для предотвращения возмущающих эффектов от различий в температурах в «почти» вакуумной камере, вакуум должен быть высоким. При нагревании давление в вакуумной камере будет увеличиваться.

Такие датчики подходят для использования во взрывоопасных зонах. Корпус может быть полностью закрыт и установлен, например, в резервуар под давлением. На случай образования трещин в мембране (например, из-за ударного давления), к среде подключена только вакуумная камера. При повреждении датчика не возникнет опасной ситуации. Особым типом датчика абсолютного давления является барометрический датчик. Этот датчик можно рассматривать как абсолютный с ограниченным диапазоном. В принципе, этот диапазон составляет от примерно 1 до 0 Бар. Но для большего разрешения барометрические датчики рассчитаны на диапазон 1 — 0.8 Бар и обычно используются для измерения атмосферного давления.

Данный тип датчиков используется, например, для измерения давления в газобаллонном оборудовании топливных систем автомобилей.

 

Датчики дифференциального давления

 

Дифференциальный датчик имеет входы на каждую сторону мембраны, один для положительного давления, а другой для отрицательного. Изгиб мембраны связан с разницей давлений на каждой стороне. На рисунке показан принцип работы датчика дифференциального давления.

 

Принцип работы датчика дифференциального давления.

 

 

Типы выходного сигнала

 

Только датчики Smartec с мостовым выходом необходимо компенсировать пользователю. В другие версии с аналоговым и цифровым выходом компенсация встраивается на производстве. Температурная компенсация управляется с помощью встроенного сигнального процессора, поэтому нет необходимости встраивать в решение внешнюю компенсацию.

 

Мостовой выходной сигнал

 

Выход моста Уитстона имеет определенное значение в случае отсутствия давления или в случае отсутствия разницы в давлении по обеим сторонам мембраны. Это значение называется смещением (offset). Диапазон давлений (от минимального до максимального), который может использоваться датчиком, называется рабочим.

Мост Уитстона не только чувствителен к изгибу мембраны, но и к изменениям температуры. Это означает, что для точного измерения необходимо компенсировать температурные эффекты для смещения и сдвига рабочего диапазона (при наличии давления). Поэтому указывается изменение смещения на изменение температуры, а также температурные коэффициенты рабочего диапазона. Если требуется более низкая точность, выходное напряжение моста может использоваться без компенсации.

 

Аналоговый выходной сигнал

 

Датчики давления Smartec с аналоговым выходом имеют встроенную термокомпенсацию. Это означает, что датчики с аналоговым выходом очень точны и  имеют стабильное смещение. Из-за обработки сигнала внутри устройства происходит некоторая задержка между физическим изменением давления и изменением выходного сигнала. Обычно эта задержка находится в диапазоне от 1 до 2 мс.

В аналоговой версии датчика дифференциального давления требуется дополнительное определение в месте, где давление на оба порта одинаковое. Разность давлений равна нулю. В этом конкретном случае выходное напряжение (смещение) может находиться в «среднем» (halfway Gnd и Vcc), или выходное напряжение смещения может быть равно нулю (уровень GND). Первая вариант называется дифференциальным, а второй называется единичным. Это означает, что дифференциальное давление может быть измерено только в одном направлении.

 

Цифровой выходной сигнал

 

Разрешение датчиков данного типа – 14 бит. В терминах передачи данных это означает, что есть два слова по 8 бит каждое. Верхние два бита наивысшего байта данных не используются и всегда равны нулю. Необходимо помнить, что точность датчиков ограничена физической структурой элемента и оцифровка (14 бит), никогда не сможет улучшить аналоговую точность датчика.

 

Важные понятия

 

Абсолютное давление — это давление относительно вакуума.

Атмосферное давление – это внешнее давление относительно абсолютного вакуума. Такое давление зависит от географического положения, высоты и погодных условий. Также называется барометрическим давлением.

Относительное давление – это давление относительно атмосферного давления.

Дифференциальное давление – разность давлений между двумя точками.

Смещение – разница между выходным сигналом при текущем и нулевом значении давления.

Линия наилучшего соответствия – математически полученная прямая линия лучше всего подходящая для мультиизмерения определенных уровней давления. Из каждой точки давления выходное значение усредняется. Прямая берется по минимальной квадратичной ошибке.

Нулевое смещение (рабочая точка) – это выходное значение при давлении 0 psi (вакуум) для датчика абсолютного давления, для относительных нулевое смещение – это выходное значение, когда измеряемое давление равно атмосферному, а для дифференциальных датчиков, когда давления с обоих портов равны между собой.

Рабочий диапазон – это разность между максимальным и минимальным значением давления.

Точность — отклонение между лучшей прямой линией и кривой полученной на основе реальных тестов. В точность также включены все погрешности. Выражается в процентах от полной шкалы (FSO).

Ратиометрический сигнал —  означает, что выход датчика (аналог) связан с напряжением питания. Это означает, что если Vcc падает на 10% выходное напряжение также падает на 10%.

Время отклика – время необходимое для установления величины равной 95% от реальной.

 

Принцип работы датчика давления воды

Датчик давления — это устройство, у которого физические параметры изменяются в зависимости от давления измеряемой среды, это могут быть газы, жидкости, пар. При изменении измеряемой среды, в которой находиться датчик давления, меняется и его выходные унифицированный пневматический, электрический сигналы или цифровой код.

Принципы использования датчика давления

Устройство 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 каждого датчика давления является точность регистрации давления (Диапазоны измерения от 0 … 6 бар до 0 … 60 бар), которая зависит от принципа преобразования давления в электрический сигнал: пьезорезистивный, тензометрический, емкостной, индуктивный, резонансный, ионизационный.

Методы преобразования давления в электрический сигнал
  • тензометрический

Чувствительные элементы датчиков базируются на принципе измерения деформации тензорезисторов, припаянных к титановой мембране, которая деформируется под действием давления.

  • пьезорезистивный

Основаны на интегральных чувствительных элементах из монокристаллического кремния. Кремниевые преобразователи имеют высокую временную и температурную стабильности. 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.

Ёмкостные преобразователи используют метод изменения ёмкости конденсатора при изменении расстояния между обкладками. Известны керамические или кремниевые ёмкостные 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. Недостаток — нелинейная зависимость емкости от приложенного давления.

Резонансный метод — это волновые процессы: акустические или электромагнитные. 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.

  • ионизационный

Ионизационный метод — 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.

Регистрация сигналов датчиков давления

Сигналы с датчиков давления являются медленноменяющимися. Это значит, что их спектр лежит в области сверхнизких частот. Для того чтобы с высокой точностью оцифровать такой сигнал необходимо подавить высокочастотную часть спектра, полностью состоящую из помех. Это особенно актуально в промышленных условиях. Специально для ввода медленноменяющихся сигналов используются интегрирующие АЦП. Они проводят измерение не мгновенного значения сигнала (которое изменяется под действием помех), а интегрируют сигнальную функцию за заданный промежуток времени, который заведомо меньше постоянной времени процессов, происходящих в контролируемой среде, но заведомо больше периода самой низкочастотной помехи

Какие отличия датчика давления от манометра?

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.

Нужен датчик давления?

Для подбора необходимого датчика давления для работы с частотным преобразователем или другим устройством обратитесь по телефону электротехнической компании ЭНЕРГОПУСК: (495) 775-24-55.

Датчики давления

Остались вопросы?
Специалисты ЭНЕРГОПУСК ответят на Ваши вопросы:
8-800-700-11-54 (8-18, Пн-Вт)

Как правильно выбрать преобразователь давления

Давление, эта важнейшая после температуры физическая величина, является определяющей во многих технологических процессах.

Преобразователи давления предназначены для измерений и непрерывного преобразования давления в унифицированный выходной сигнал постоянного тока, напряжения или в цифровой сигнал.

Используются датчики в регуляторах и других устройствах автоматики в системах автоматического контроля, регулирования и управления технологическими процессами в системах водообработки, отопления, вентиляции и кондиционирования; гидравлических системах, холодильной технике, расходомерах и счетчиках; дизельных двигателях; тормозных системах; уровнемерах, в испытательных стендах и т.д.

Индустриальные измерения и контрольно-измерительная аппаратура применяются во всех областях промышленности — от атомной до пищевой и фармакологической; соответственно, везде нужны и преобразователи давления и преобразователи уровня.

Принцип действия датчиков основан на упругой деформации чувствительного элемента (сенсора), на который нанесены полупроводниковые тензорезисторы, включенные по схеме моста Уинстона. Измеряемое давление подводится через штуцер в рабочую полость датчика и вызывает деформацию диафрагмы. Это приводит к изменению геометрии резисторов, находящихся с ней в тесной механической связи и изменению их сопротивления. Происходит преобразование приложенного давления (механический вход) в изменение сопротивления (электрический выход).

Мы предлагаем следующий алгоритм, чтобы правильно подобрать датчик для Вашего применения:

1. Тип измеряемого давления

Преобразователи давления измеряют разность двух давлений, воздействующих на измерительную мембрану (чувствительный элемент) датчика. Одно из этих давлений — измеряемое, второе — опорное, то есть то давление, относительно которого происходит отсчет измеряемого. В зависимости от вида опорного давления все датчики разделяются на следующие виды:

Практически все наши преобразователи давления имеют модификации для измерения как абсолютного так и избыточного (в том числе разряжения) давлений. Подробнее Вы можете ознакомиться в разделе продукция/преобразователи давления.

Преобразователи абсолютного давления
Предназначены для измерения величины абсолютного давления жидких и газообразных сред. Опорное давление — вакуум. Воздух из внутренней полости чувствительного элемента датчика откачан. Например, барометр –частный случай датчика абсолютного давления.

Минимальный доступный у нас для заказа диапазон абсолютного давления с погрешностью 0,1%ВПИ — это 0…50мбар (0…5кПа). Описание на датчик 41X Вы можете увидеть здесь.

Преобразователи избыточного (относительного) давления
Предназначены для измерения величины избыточного давления жидких и газообразных сред. Опорное давление — атмосферное; таким образом, одна сторона мембраны соединена с атмосферой.

Преобразователи дифференциального (разности, перепада) давления
Предназначены для измерения разности давления среды и используются для измерения расхода жидкостей, газа, пара, уровня жидкости. Давление подается на обе стороны мембраны, а выходной сигнал зависит от разности давлений.

В нашей линейке предствалены датчики

  • PD-33X — отличительной особенностью является высокая точность измерения перепада давления, а также возможность исполнения для значений опорного давления до 600бар. При этом измеряемый перепад может составлять всего 0…0,2 бар
  • PRD-33X — эти датчики уникальны способностью выдерживать перегрузки по давления и с положительной и с отрицательной стороны. При диапазоне измерений 0…0,350мбар перегрузка может составлять 35 бар!
  • PD-39X — эти датчики давления имеют особенную конструкцию с двумя сенсорами абсолютного давления. Это обеспечивает повышенную надежность и стойкость к перегрузкам, однако применимы данные датчики только в условиях, когда перепад давления одного порядка с опорным давлением в линии.
  • PD-41X — это сверхчувствительные датчики для измерения перепада давления. минимальный диапазон — это 0…0,5кПа. Это идеальное решения для измерения малых скоростей потока. Дифференциальный преобразователь PD-41X подходит только для неагрессивных газов.

Преобразователи гидростатического давления (преобразователи уровня)
Предназначены для преобразования гидростатического давления контролируемой среды в сигнал постоянного тока. Измеряют давление столба жидкости, зависящее только от его высоты и от плотности самой жидкости. Изменение атмосферного давления компенсируется при помощи капиллярной (дыхательной трубки)

Преобразователи вакууметрического давления (разряжения)
Предназначены для измерения величины вакуумметрического давления жидких и газообразных сред. Опорное давление в этих датчиках также атмосферное. Однако, в отличие от датчиков избыточного давления, измеряемое давление меньше атмосферного, т.е. существует разрежение относительно атмосферы.

Преобразователи избыточного давления-разряжения
Представляют собой сочетание датчиков избыточного и вакуумметрического давлений, т.е. измеряют как давление, так и разрежение, например -1…6 бар. У нас Вы можете заказать абсолютно любой такой диапазон в пределах максимального диапазона измерений конкретного датчика.

2. Среда использования датчика

Для надежной работы датчиков необходимо выбирать материалы элементов, контактирующих с измеряемой средой (мембран, фланцев, кабеля и уплотнительных колец) химически стойкими к этим средам. Например, для различных сред эксплуатации материалом мембран сенсоров может быть нержавеющая сталь, титан, титановый сплав, хастеллой, керамика, Kynar и др. Материал кабеля особенно актуален для погружных гидростатических датчиков давления. Для питьевой воды идеально подойдет полиэтиленовый PE кабель, для не агрессивных промышленных сред полиуретановый PUR. Если же Вы собираетесь использовать датчик в топливе или агрессивной жидкости, то оптимальным решением будет термопластичный эластомер (Hytrel) или тефлон (PTFE). Все эти материалы мы используем и предлагаем в своих модификациях датчиков Келлер.

3. Климатическое исполнение

Преобразователи давления также отличаются по климатическому исполнению. Следует обращать внимание на климатические условия (температура окружающей среды, влажность, прямое попадание воды и солнечных лучей) в месте установки датчика. Они должны соответствовать тем, на которые он рассчитан. Причем очень важно различать две температуры, которые могут оказывать влияние на наш датчик: температура окружающей среды и температура измеряемой среды. Наши преобразователи давления могут работать в условиях окружающей и измеряемой среды от -55 до 150С. Специальные исполнения преобразователей давления способны работать при температурах среды до +300С.

4. Выходной сигнал

Рассмотрим основные типы:

  • Аналоговый выходной сигнал. На выходе из датчика мы имеем непрерывный линейный сигнал по току или по напряжению, который мы можем регистрировать самыми простыми приборами, даже обычным бытовым тестером. 4…20 mA — это самый распространенный выходной сигнал для датчиков во всем мире, также популярными аналоговыми сигналами являются 0…10В, 0,5…4,5В и другие.
  • Цифровой выходной сигнал. На сегодняшний день существует огромное множество различных цифровых сигналов и отдельно останавливаться на них мы не будем. Пожалуй, самым широко используемым является интерфейс RS485 протокол MODBUS. Это открытый протокол, который позволяет объединить в систему до 128 устройств с максимальным расстоянием между ними 1300м.
  • Ратиометрический выходной сигнал. Этот сигнал используется пока достаточно редко, особенно в нашей стране, но с каждым днем он набирает все большую популярность. Особенностью ратиометрического выходного сигнала является зависимость значения сигнала от напряжения питания. Т.е. мы можем говорить, что этот сигнал является безразмерным и представляет собой ничто иное как процентное отношение сигнала питания. Обычно, про датчик с ратиометрическим выходным сигналом говорят 0,5…4,5В ратиометрический (ratiometric), на самом же деле 0,5…4,5В мы имеем только при условии стабильного напряжения питания 5В, поэтому правильно с физической точки зрения говорить: 0,5В/5В…4,5В/5В. Если же напряжение питания изменится, то пропорционально ему изменится и выходной сигнал.

Тип выходного сигнала прежде всего зависит от уже имеющегося оборудования и стоящей перед Вами задачи. Для этого необходимо изучить входы, которые имеют используемые контроллеры, приборы, машины или регуляторы. Все перечисленные сигналы мы используем в наших датчиках давления, а также и многие другие.

Для автономных приборов мы бы посоветовали использовать датчики с цифровым интерфейсом I2C с данными датчиками Вы можете ознакомиться здесь. Если же Вам не удобно работать с цифровым выходом, то лучше использовать датчики с минимальным напряжением питания например 3,5V — это датчики 33X или 5V — это датчики 21Y.

5. Точность измерений

Преобразователи давления имеют различные метрологические характеристики (классы точности) – обычно от 0,05% до 0,5%. Особо точные датчики используются на важных объектах в различных отраслях промышленности. Опционально датчики серии 33x могут иметь основную погрешность до 0,01% ВПИ (доступно только для диапазонов >10 бар).

На рисунке представлен датчик без температурной компенсации и с температурной компенсацией осуществляемой по специальным алгоритмам микропроцессором в преобразователях давления Келлер.

Особое внимание следует уделять стабильности датчиков давления. Ведь даже очень точный датчик спустя нескольких часов работы при температурных циклах в широком диапазоне начинает давать дополнительную погрешность более 0,5%ВПИ. Что говорить, если эти циклы будут продолжаться месяцами и даже годами!

Некоторые виды датчиков давления имеют взрывозащищенное исполнение. Эти модели могут успешно использоваться для определения давления на взрывоопасных объектах с присутствием взрывчатых и легко воспламеняющихся газов и жидкостей. В линейке Келлер представлены как преобразователи с искробезопасной цепью, так и преобразователи со взрывонепроницаемой оболочкой.

Преобразователи давления относятся к измерительной технике и должны проходить обязательные сертификационные испытания. После этого они утверждаются и вносятся в Госреестр средств измерений.

Надеемся, что данный материал поможет Вам лучше ориентироваться при выборе преобразователей давления.

Вы также можете подобрать решение, которое будет актуально именно для Вашей задачи с помощью наших специалистов. Заявку на подбор можно отправить любым удобным Вам способом: через форму обратной связи, по электронной почте [email protected] или же по телефону 8 (800) 777 18 50. 

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

Рисунок 1 — Датчик давления общепромышленный PTE5000

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

Рисунок 2 — Датчик давления общепромышленный CER-1

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)

Рисунок 3 — Преобразователь абсолютного давления. Датчики Klay.

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).

Таблица перевода популярных единиц измерения давления
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/м2 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/см2 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

Рисунок 4 — Схема конструкции 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.

  1. Кабельный ввод: Эта часть преобразователя давления используется для герметичного ввода электрического кабеля в датчик. Как правило, используется сальниковый ввод типа PG9, но встречаются и другие варианты подсоединения (например PG16, M20x1,5).
  2. Клеммы: Клеммы необходимы для физического подключения электрических проводов к датчику. На сегодняшний день подавляющее большинство преобразователей давления используют 2-проводную схему подключения с выходным сигналом 4…20 мА.
  3. Плата питания / искорзащиты: Данная плата осуществляет распределение электрической энергии между электронными компонентами датчика. У преобразователей во взрывобезопасном исполнении на данной плате реализуется функция искрозащиты. У недорогих датчиков давления (например, PTE5000), как правило, плата питания и преобразовательная плата совмещены.
  4. Корпус электроники: Часть датчика давления, в которой расположены плата питания и преобразовательная плата. У преобразователей низкой ценовой категории (WIKA, BD Sensors) корпус электроники и корпус собственно датчика представляют одно целое. Наличие отдельного корпуса для электроники характерно только для высококачественных преобразователей давления (например KLAY-INSTRUMETNS, EMERSON, VALCOM, YOKOGAWA).
  5. Преобразовательная плата: Это одна из самых важных частей преобразователей давления. Данная плата осуществляет преобразование сигнала от первичного сенсора в унифицированный электрический сигнал по току или по напряжению.
  6. Корпус датчика: Основная механическая часть, представляющая собой собственно тело преобразователя.
  7. Провода и атмосферная трубка: Провода, как правило, представляют собой кабельный шлейф, соединяющий выводы сенсора и преобразовательную плату. Атмосферная трубка используется в датчиках избыточного и вакууметрического давления для осуществления связи чувствительного элемента (сенсора давления) с атмосферным давлением.
  8. Технологическое соединение: Эта часть преобразователей давления используется для физического подключения датчика к процессу (к трубопроводу, емкости, аппарату). Наиболее распространенным соединением является резьбовое манометрическое подсоединение G1/2″ по стандарту DIN 16288 и резьба М20х1,5. Также широко встречаются соединения G1/4″, G1″, фланцевые соединения. В пищевой промышленности распространены специальные санитарные соединения, например молочная гайка DIN 11851, DRD-фланец, хомуты Tri-clamp. В ассортименте ООО «КИП-Сервис» есть специальные преобразователи давления для применения в пищевой (молочной, пивоваренной) промышленности. Это приборы производства KLAY-INSTRUMENTS BV — датчики давления серии 8000-SAN и интеллектуальные датчики давления серии 2000-SAN, которые полностью удовлетворяют всем требованиям пищевой промышленности по гигиене, точности измерений и температурным режимам. Рисунок 5 — Технологические соединения
  9. Сенсор давления (первичный преобразователь): Сенсор давления — один из ключевых элементов любого преобразователя давления. Данный элемент непосредственно осуществляет преобразование действующего на него давления в электрический сигнал, который потом унифицируется на преобразовательной плате. На сегодняшний день существует несколько способов преобразования давления в электрический сигнал. В промышленности применяются индуктивный, емкостной и тензорезистивный методы преобразования. Самым распространенным является тензорезистивный. Данный метод основан на явлении тензоэффекта в металлах и полупроводниках. Тензорезисторы соединенные в мостовую схему (мост Уитстона) под действием давления изменяют свое сопротивление, что приводит к разбалансу моста. Разбаланс прямо пропорционально зависит от степени деформации резисторов и, следовательно, от приложенного давления. Рисунок 6 — Мост Уитстона

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

Толстопленочный сенсор 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:

  • Самое недорогое решение;
  • Низкая точность — 0,5% или 1%;
  • Измерение только высокого давления — от 1 бар и выше;
  • Низкий запас по перегрузке, не более 2-кратной;
  • Отсутствие термокомпенсации.

2. Тонкопленочные сенсоры на стальной мембране

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:

  • Применяются только для высоких давлений — от 6 бар;
  • Точность — не более 0,25%;
  • Низкий запас по перегрузке, не более 2-х, иногда 4-кратной;
  • Отсутствие термокомпенсации.

3. Керамические тензорезистивные сенсоры

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.

Особенности:

  • Применяются для измерения как низкого так и высокого давления;
  • Высокая точность — до 0,1%;
  • Средняя устойчивость к перегрузкам;
  • Шероховатая поверхность (нежелателен контакт с пищевыми средами).

4. Кремниевые тензорезистивные сенсоры

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.

Особенности:

  • Применяются для измерения как низкого, так и высокого давления;
  • Высокая точность — до 0,1%;
  • Высокая устойчивость к перегрузкам.

Руководитель отдела маркетинга ООО «КИП-Сервис»
Стариков И.И.

Дополнительные материалы:

Читайте также:

принцип работы и типы датчиков

Настоящим я выражаю свое согласие ООО «Пауэр Интернэшнл–шины» (ОГРН 1027739435570, ИНН 7703247653) при оформлении Заказа товара/услуги на сайте www.4tochki.ru в целях заключения и исполнения договора купли-продажи обрабатывать — собирать, записывать, систематизировать, накапливать, хранить, уточнять (обновлять, изменять), извлекать, использовать, передавать (в том числе поручать обработку другим лицам), обезличивать, блокировать, удалять, уничтожать — мои персональные данные: фамилию, имя, номера домашнего и мобильного телефонов, адрес электронной почты.

Также я разрешаю ООО «Пауэр Интернэшнл–шины» направлять мне сообщения информационного характера о товарах и услугах ООО «Пауэр Интернэшнл–шины», а также о партнерах.

Согласие может быть отозвано мной в любой момент путем направления ООО «Пауэр Интернэшнл–шины» письменного уведомления по адресу: 129337, г. Москва, ул. Красная Сосна, д.30

Конфиденциальность персональной информации

1. Предоставление информации Клиентом:

1.1. При оформлении Заказ товара/услуги на сайте www.4tochki.ru (далее — «Сайт») Клиент предоставляет следующую информацию:

— Фамилию, Имя, Отчество получателя Заказа товара/услуги;

— адрес электронной почты;

— номер контактного телефона;

— адрес доставки Заказа (по желанию Клиента).

1.2. Предоставляя свои персональные данные, Клиент соглашается на их обработку (вплоть до отзыва Клиентом своего согласия на обработку его персональных данных) компанией ООО «Пауэр Интернэшнл–шины» (далее – «Продавец»), в целях исполнения Продавцом и/или его партнерами своих обязательств перед Клиентом, продажи товаров и предоставления услуг, предоставления справочной информации, а также в целях продвижения товаров, работ и услуг, а также соглашается на получение информационных сообщений. При обработке персональных данных Клиента Продавец руководствуется Федеральным законом «О персональных данных» и локальными нормативными документами.

1.2.1. Если Клиент желает уничтожения его персональных данных в случае, если персональные данные являются неполными, устаревшими, неточными, либо в случае желания Клиента отозвать свое согласие на обработку персональных данных или устранения неправомерных действий ООО «Пауэр Интернэшнл–шины» в отношении его персональных данных, то он должен направить официальный запрос Продавцу по адресу: 129337, г. Москва, ул. Красная Сосна, д.30

1.3. Использование информации предоставленной Клиентом и получаемой Продавцом.

1.3.1 Продавец использует предоставленные Клиентом данные в целях:

· обработки Заказов Клиента и для выполнения своих обязательств перед Клиентом;

  • для осуществления деятельности по продвижению товаров и услуг;
  • оценки и анализа работы Сайта;
  • определения победителя в акциях, проводимых Продавцом;

· анализа покупательских особенностей Клиента и предоставления персональных рекомендаций;

· информирования клиента об акциях, скидках и специальных предложениях посредством электронных и СМС-рассылок.

1.3.2. Продавец вправе направлять Клиенту сообщения информационного характера. Информационными сообщениями являются направляемые на адрес электронной почты, указанный при Заказе на Сайте, а также посредством смс-сообщений и/или push-уведомлений и через Службу по работе с клиентами на номер телефона, указанный при оформлении Заказа, о состоянии Заказа, товарах в корзине Клиента.

2. Предоставление и передача информации, полученной Продавцом:

2.1. Продавец обязуется не передавать полученную от Клиента информацию третьим лицам. Не считается нарушением предоставление Продавцом информации агентам и третьим лицам, действующим на основании договора с Продавцом, для исполнения обязательств перед Клиентом и только в рамках договоров. Не считается нарушением настоящего пункта передача Продавцом третьим лицам данных о Клиенте в обезличенной форме в целях оценки и анализа работы Сайта, анализа покупательских особенностей Клиента и предоставления персональных рекомендаций.

2.2. Не считается нарушением обязательств передача информации в соответствии с обоснованными и применимыми требованиями законодательства Российской Федерации.

2.3. Продавец получает информацию об ip-адресе посетителя Сайта www.4tochki.ru и сведения о том, по ссылке с какого интернет-сайта посетитель пришел. Данная информация не используется для установления личности посетителя.

2.4. Продавец не несет ответственности за сведения, предоставленные Клиентом на Сайте в общедоступной форме.

2.5. Продавец при обработке персональных данных принимает необходимые и достаточные организационные и технические меры для защиты персональных данных от неправомерного доступа к ним, а также от иных неправомерных действий в отношении персональных данных.

Резонансные сенсоры давления и датчики давления на их основе

Резонансные сенсоры давления и датчики давления на их основе

Известно, что частота свободных колебаний струны музыкального инструмента зависит от длины струны и степени её натяжения.

Это свойство можно использовать для построения сенсора, чувствительного к величине прикладываемого давления.

Устройство, основанное на этом принципе, показано на следующем рисунке:

Компания Foxboro использовала данный принцип преобразования давления в частоту в своем раннем резонансном проводном датчике давления.

Позже, корпорация Yokogawa Японии применила кремниевый микрорезонатор в качестве сенсора, ставший основанием для их успешной линии датчиков давления «DPharp».

Фотография датчика давления Yokogawa модель EJA110 с использованием данной технологии:

Давление процесса поступает через порты в двух фланцах, воздействует на пару разделительных диафрагм, сообщая движение чувствительной диафрагме через заполняющую жидкость, где резонансные элементы изменяют свою частоту колебаний с изменением деформации диафрагмы. Электронный блок, находящийся в верхнем корпусе, преобразует изменение частоты резонаторов в стандартный выходной сигнал, пропорциональный приложенному давлению.

Это, конечно, датчик дифференциального (разностного) давления. Даже когда датчик разобран частично, он не выглядит очень отличимым от датчика на основе дифференциального конденсатора:

Существенные отличия скрыты от наблюдателя внутри капсулы сенсора, хотя, функционально этот датчик является почти таким же, как его кузен на основе дифференциального конденсатора. В нём так же используются заполняющая жидкость и разделительные диафрагмы, чтобы защитить тонкие кремниевые резонаторы от потенциально разрушительных жидкостей и газов процесса, и от воздействия сверхдавлений.

Интересное преимущество резонансного элемента сенсора давления состоит в том, что сигнал сенсора очень легко преобразовать в цифровую форму. Вибрация каждого резонансного элемента воспринимается пакетом электроники как переменный ток «подсчитана» по заданному промежутку времени и преобразована в цифровой вид. Кварцевый кристалл электронного генератора чрезвычайно точен, обеспечивает стабильный эталон частоты, необходимый для задания промежутка времени для подсчета количества периодов измеряемой частоты.

В проекте Yokogawa «DPharp», два резонансных элемента колеблются с номинальной частотой 90 кГц. Поскольку чувствительная диафрагма деформируется под действием приложенного дифференциального давления, один резонатор испытывает растяжение, а другой сжатие. Частота резонаторов при этом изменяется в разных направлениях в пределах до 20 кГц.

Электроника датчика определяет эту разницу в частоте двух резонаторов, преобразуя её в стандартный сигнал, пропорциональный давлению процесса.

Принцип работы датчика давления

Каков принцип работы датчика давления? Датчик давления работает путем преобразования давления в аналоговый электрический сигнал.

Спрос на приборы для измерения давления увеличился в эпоху пара. Когда технологии измерения давления были впервые созданы, они были механическими и использовали манометры с трубкой Бурдона для перемещения иглы и визуальной индикации давления.В настоящее время мы измеряем давление электронным способом с помощью датчиков давления и реле давления.

Статическое давление

Давление можно определить как силу на единицу площади, которую жидкость оказывает на окружающую среду. Основная физика статического давления (P) рассчитывается как сила (F), деленная на площадь (A).

P = F / A

Сила может создаваться жидкостями, газами, парами или твердыми телами.

Наиболее часто используемые единицы давления:

  1. Па — [Паскаль] в 1 Па = 1 (Н / м²)
  2. бар — [бар] в 1 баре = 105 ‘ƒð‘ Ž
  3. psi: (фунт (сила) на квадратный дюйм)

Принцип действия датчика давления

Преобразователи давления

имеют чувствительный элемент постоянной площади и реагируют на силу, приложенную к этой области, давлением жидкости.Приложенная сила будет отклонять диафрагму внутри датчика давления. Прогиб внутренней диафрагмы измеряется и преобразуется в электрический выходной сигнал. Это позволяет контролировать давление с помощью микропроцессоров, программируемых контроллеров и компьютеров вместе с аналогичными электронными приборами.

Большинство датчиков давления предназначены для получения линейного выходного сигнала с приложенным давлением.

Для чего используются датчики давления?

Датчики давления

используются в различных отраслях промышленности, включая автомобильную промышленность, биомедицинское приборостроение, авиацию и морскую промышленность, и это лишь некоторые из них.

Датчики давления от Variohm

Мы можем предложить датчики давления в виде датчиков давления , реле давления, комбинированных датчиков давления и температуры, датчиков давления для монтажа на печатной плате и датчиков давления для опасных зон . Наши комбинированные преобразователи давления и температуры особенно хорошо подходят для приложений, где пространство ограничено.

Наши датчики давления имеют прочную модульную конструкцию, корпус из нержавеющей стали и приварной корпус к порту давления.Они доступны в миниатюрном формате, начиная с диаметра 12 мм.

Для получения дополнительной информации о принципе работы датчиков давления или для получения дополнительной информации о любом из наших датчиков давления, пожалуйста, свяжитесь с нами 01327 351004 или [email protected]

Принципы работы и применение датчиков давления

Датчик давления — это устройство, которое может воспринимать сигнал давления и преобразовывать сигнал давления в полезный выходной электрический сигнал в соответствии с определенными правилами.Датчик давления обычно состоит из чувствительного к давлению элемента и блока обработки сигналов. По разным типам испытательного давления датчики давления можно разделить на датчики избыточного давления, датчики дифференциального давления и датчики абсолютного давления.

Датчик давления — наиболее часто используемый датчик в промышленном строительстве. Он используется в различных промышленных средах автоматического управления, включая водное хозяйство и гидроэнергетику, железнодорожный транспорт, интеллектуальные здания, автоматическое управление производством, аэрокосмическую, военную промышленность, нефтехимию, нефтяные скважины, энергетику, корабли, станки, трубопроводы и многие другие отрасли.

Каталог

I Принцип работы различных датчиков давления

1. Пьезоэлектрические датчики давления

Основным принципом работы пьезоэлектрического датчика давления является пьезоэлектрический эффект . Пьезоэлектрические материалы, в основном используемые в пьезоэлектрических датчиках, включают кварц, тартрат калия-натрия и дигидрофосфат. Среди них кварц / кремнезем — природный кристалл. В этом кристалле обнаружен пьезоэлектрический эффект.В определенном диапазоне температур пьезоэлектрические свойства существуют всегда. После того, как температура превышает этот диапазон, пьезоэлектрические свойства полностью исчезают. Высокая температура — это так называемая точка Кюри. Поскольку изменение электрического поля не очевидно при изменении напряжения, кварц постепенно заменяется другими пьезоэлектрическими кристаллами. Пьезоэлектрический эффект применяется к поликристаллам, например к пьезокерамике. К ним относятся пьезокерамика из титаната бария, PZT, пьезокерамика из ниобата, пьезокерамика из ниобата свинца и т. Д.Пьезоэлектрические датчики в основном используются для измерения ускорения, давления и силы. Пьезоэлектрический датчик ускорения — это широко используемый акселерометр. Он отличается простой структурой, небольшими размерами, легкостью и длительным сроком службы. Пьезоэлектрические датчики ускорения широко используются для измерения вибрации и ударов в самолетах, автомобилях, кораблях, мостах и ​​зданиях, особенно в авиации и космонавтике.

пьезоэлектрический эффект

Пьезоэлектрический эффект : Когда определенные диэлектрики деформируются внешними силами в определенном направлении, внутри них возникает поляризация. Положительный и отрицательный заряды появятся на двух противоположных поверхностях. Когда внешняя сила будет снята, он вернется в незаряженное состояние. Это явление называется положительным пьезоэлектрическим эффектом. Когда направление приложенной силы изменяется, соответственно изменяется и полярность заряда. И наоборот, когда электрическое поле приложено в направлении поляризации диэлектрика, эти диэлектрики также будут деформироваться. После снятия электрического поля деформация диэлектрика исчезнет.Это явление называется обратным пьезоэлектрическим эффектом. Тип датчика, разработанный на основе диэлектрического пьезоэлектрического эффекта, называется пьезоэлектрическим датчиком.

2. Датчики давления тензодатчика

Принцип работы тензодатчика сопротивления металла заключается в том, что сопротивление деформационному сопротивлению, адсорбируемому на основном материале, изменяется в зависимости от механической деформации. Этот эффект широко известен как эффект деформации сопротивления. Тензорезистор — это чувствительное устройство, которое преобразует изменение деформации испытательного образца в электрический сигнал.Это один из основных компонентов пьезорезистивного датчика деформации.

Металлический тензодатчик

Чаще всего используются тензодатчики сопротивления металла , тензодатчики сопротивления и полупроводниковые тензодатчики . Существует два типа тензодатчиков сопротивления металла: тензодатчики с нитью и тензодатчики из металлической фольги. Обычно тензодатчики плотно приклеиваются к основанию, которое создает механическую нагрузку, с помощью специального клея.Когда напряжение основы изменяется, тензодатчики сопротивления также деформируются вместе. Затем сопротивление тензодатчиков изменяется так, что напряжение, подаваемое на резистор, изменяется. Изменение сопротивления таких тензодатчиков при напряжении обычно невелико. Обычно эти тензодатчики образуют тензодатчик. И они усиливаются последующими инструментальными усилителями, а затем передаются в схему обработки (обычно аналого-цифровое преобразование и ЦП), дисплей или привод.

Внутренняя структура металлического тензодатчика сопротивления: тензодатчик сопротивления состоит из основного материала, металлического тензодатчика или тензопленки, изоляционного защитного листа и выводного провода.В зависимости от использования, значение сопротивления тензорезистора может быть рассчитано проектировщиком. Однако следует учитывать диапазон значений сопротивления: значение сопротивления слишком мало, требуемый ток возбуждения слишком велик. В этом случае сопротивление тензодатчика слишком сильно меняется в разных средах; происходит дрейф выходного нуля и слишком сложная схема настройки нуля. Если сопротивление слишком велико, значит, сопротивление слишком велико и способность противостоять внешним электромагнитным помехам плохая.Как правило, оно составляет от десятков до десятков тысяч Ом.

3. Керамические датчики давления

Давление действует на переднюю поверхность керамической диафрагмы, вызывая небольшую деформацию диафрагмы. Толстопленочный резистор напечатан на задней части керамической диафрагмы и подключен к мосту Уитстона. Благодаря пьезорезистивному эффекту варистора мост генерирует высоколинейный сигнал напряжения, пропорциональный давлению и напряжению возбуждения.Стандартный сигнал откалиброван до 2,0 / 3,0 / 3,3 мВ / В в соответствии с совместимостью диапазона давления. Благодаря лазерной калибровке датчик имеет стабильность при высоких температурах и во времени. Датчик имеет температурную компенсацию 0 ~ 70 ℃ и может напрямую контактировать с большинством сред.

Керамический датчик давления

Керамика — признанный материал с высокой эластичностью, коррозионной стойкостью, износостойкостью, ударопрочностью и вибростойкостью.Термическая стабильность керамики и ее толстопленочный резистор обеспечивают диапазон рабочих температур до -40 ~ 135 ℃ с высокой точностью и стабильностью измерений. Степень электрической изоляции составляет 2 кВ, выходной сигнал сильный, долговременная стабильность хорошая. Керамические датчики с высокими характеристиками и невысокой ценой будут направлением развития датчиков давления. В Европе и США наблюдается тенденция к замене датчиков других типов. В Китае все больше и больше пользователей используют керамические датчики для замены диффузных кремниевых датчиков давления.

4. Сапфировые датчики давления

Изначально работая с сопротивлением деформации , используя кремний-сапфировый в качестве полупроводникового чувствительного элемента, сапфировый датчик давления обладает непревзойденными измерительными характеристиками. Схема датчика может обеспечить питание цепи тензометрического моста. Он также может преобразовывать несимметричный сигнал тензометрического моста в унифицированный выходной электрический сигнал. В датчике и преобразователе абсолютного давления сапфировый лист соединен с припоем керамической основы для стекла, который действует как эластичный элемент.Он преобразует измеренное давление в деформацию тензодатчика, чтобы достичь цели измерения давления. Таким образом, полупроводниковые компоненты из кремний-сапфира нечувствительны к температурным изменениям. Обладают очень хорошей работоспособностью даже в условиях высоких температур; сапфир обладает высокой радиационной стойкостью. Кроме того, кремний-сапфировые полупроводниковые компоненты не имеют дрейфа PN.

Конструкция сапфирового датчика давления

5.Датчики давления из диффузного кремния

Принцип работы датчика давления из диффузного кремния также основан на пьезорезистивном эффекте. Используя принцип пьезорезистивного эффекта, давление измеряемой среды непосредственно воздействует на диафрагму датчика (из нержавеющей стали или керамики). Таким образом, диафрагма производит микроперемещение, пропорциональное давлению среды. И значение сопротивления датчика тоже меняется. Датчики давления из диффузного силикона используют электронную схему для обнаружения этого изменения.Они преобразуют и выдают стандартный измерительный сигнал, соответствующий этому давлению.

II Применение датчиков давления

1. Датчики давления в системе взвешивания

В коммерческих системах взвешивания промышленных систем управления все чаще используются датчики давления. Во многих процессах управления давлением часто необходимо собирать сигналы давления и преобразовывать их в электрические сигналы, которыми можно управлять автоматически.

Устройства контроля давления с датчиками давления обычно называются электронными системами взвешивания.Электронные системы взвешивания становятся все более и более важными как инструменты онлайн-контроля за потоком материалов в различных промышленных процессах. Электронная система взвешивания может не только оптимизировать производство в процессе производства продукта и улучшить качество продукта, но также собирать и передавать данные о материальных потоках во время производственного процесса в центр обработки данных для онлайн-контроля запасов и финансовых расчетов.

При автоматическом управлении процессом взвешивания датчик давления необходим для правильного определения сигнала силы тяжести.А также его динамический отклик должен быть хорошим, а характеристики защиты от помех должны быть лучше. Сигнал, выдаваемый датчиком давления, может быть непосредственно отображен, записан, распечатан и сохранен системой обнаружения или использован для управления регулировкой обратной связи.

Интеграция датчика давления и измерительной цепи значительно уменьшает объем всего устройства. Кроме того, разработка технологии экранирования также улучшит помехоустойчивость датчика давления при взвешивании и степень автоматического управления.

2. Датчики давления в нефтехимической промышленности

Датчик давления является одним из наиболее часто используемых измерительных устройств в автоматическом управлении в нефтехимической промышленности. В крупномасштабные химические проекты включены почти все применения датчиков давления: дифференциальное давление, абсолютное давление, манометрическое давление, высокое давление, микродифференциальное давление, высокая температура, низкая температура и датчики давления с выносным фланцем трансмиссии из различных материалов и специальной обработки. .

Спрос на датчики давления в нефтехимической промышленности в основном сосредоточен в трех аспектах: надежность, стабильность и высокая точность. Среди них надежность и множество дополнительных требований, таких как коэффициент дальности, тип шины и т. Д., В зависимости от конструкции передатчика, уровня технологии механической обработки и конструкционных материалов. Стабильность и высокая точность датчика давления в основном гарантируются стабильностью и точностью измерения датчика давления.

Точность измерения и скорость отклика датчика давления соответствуют точности измерения датчика давления. Характеристики температуры и статического давления, а также долговременная стабильность датчика давления соответствуют стабильности датчика давления. Спрос на датчики давления в нефтехимической промышленности отражается в четырех аспектах: точность измерения, быстрая реакция, температурные характеристики и характеристики статического давления, а также долговременная стабильность.

Микродатчик давления — это новый тип датчика давления, изготовленный с использованием полупроводниковых материалов и технологии MEMS. Его преимущества заключаются в высокой точности, высокой чувствительности, хороших динамических характеристиках, небольших размерах, коррозионной стойкости и невысокой стоимости. Материал из чистого монокристаллического кремния имеет небольшую усталость. Микродатчик давления из этого материала имеет хорошую долговременную стабильность. В то же время микродатчик давления легко интегрируется с микродатчиком температуры.Таким образом, это может улучшить точность температурной компенсации, температурные характеристики и точность измерения датчика.

Если два микродатчика давления интегрированы, можно реализовать компенсацию статического давления, тем самым улучшая характеристики статического давления датчика давления. Сегодня микродатчики давления имеют много преимуществ, которых нет у традиционных датчиков давления. Микродатчики давления вполне могут удовлетворить потребности в датчиках давления в нефтехимической промышленности.

3. Датчики давления при очистке воды

Отрасль водоочистки, обеспечивающая защиту окружающей среды, в последние годы быстро развивалась и имеет светлое будущее. При водоснабжении и очистке сточных вод датчики давления обеспечивают важный контроль и мониторинг для защиты системы и обеспечения качества.

Датчик давления преобразует давление (обычно относится к давлению жидкости или газа) в выходной электрический сигнал. Электрический сигнал давления также может использоваться для измерения уровня статической жидкости, поэтому его можно использовать для измерения уровня жидкости.Чувствительные компоненты датчика давления в основном состоят из чувствительного элемента с силиконовым колпачком, силиконового масла, изолирующей диафрагмы и воздуховода. Давление измеряемой среды передается на сторону силиконового чашечного элемента через изолирующую диафрагму и силиконовое масло. Атмосферное эталонное давление действует на другую сторону кремниевого колпачкового элемента через воздуховод. Силиконовая чашка — это монокристаллическая кремниевая пластина чашеобразной формы с тонким дном. Под давлением нижняя мембрана чашки производит упругую деформацию с минимальным смещением.Монокристаллический кремний — идеальный эластомер. Его деформация строго пропорциональна давлению, и его характеристики восстановления превосходны.

4. Датчики давления в смартфоне

Датчики давления используются для измерения атмосферного давления на смартфонах, но какую роль измерение атмосферного давления имеет для обычных пользователей мобильных телефонов?

(1) Измерение высоты

Любители альпинизма очень озабочены своим ростом.Существует два обычно используемых метода измерения высоты: один — это система глобального позиционирования GPS, а другой — измерение атмосферного давления с последующим вычислением высоты на основе значения давления. Из-за технических и других ограничений общая ошибка при расчете высоты с помощью GPS составляет около десяти метров, и, если он находится в лесу или под обрывом, иногда спутниковые сигналы GPS не принимаются. Метод давления воздуха может быть выбран в более широком диапазоне, а стоимость может контролироваться на относительно низком уровне.Кроме того, датчик давления в мобильном телефоне, таком как Galaxy Nexus, также включает датчик температуры, который может регистрировать температуру, корректировать результат и повышать точность результата измерения. Поэтому добавление функции датчика давления на основе оригинального GPS смартфона может сделать трехмерное позиционирование более точным.

(2) Вспомогательная навигация

Многие автомобилисты сейчас используют мобильные телефоны для навигации, но при навигации по виадукам часто возникают ошибки.Например, когда вы находитесь на виадуке, GPS не может определить, находитесь ли вы на мосту или под мостом, из-за неправильной навигации. Однако, если к мобильному телефону добавлен датчик давления, его точность может составлять 1 метр, так что он может помочь GPS в измерении высоты.

(3) Позиционирование в помещении

Сигналы GPS не принимаются в помещении. Когда пользователь входит в очень толстое здание, встроенный датчик может потерять спутниковый сигнал, поэтому географическое положение пользователя не может быть распознано, а высота по вертикали не может быть определена.Если мобильный телефон оборудован датчиком давления, а затем совмещен с акселерометром, гироскопом и другими технологиями, можно достичь точного позиционирования в помещении.

5. Датчики давления в медицинской промышленности

С развитием рынка медицинского оборудования к использованию датчиков давления в медицинской промышленности предъявляются более высокие требования, такие как точность, надежность, стабильность, объем и т. Д. , которые необходимо улучшить. Датчики давления находят хорошее применение при минимально инвазивной катетерной абляции и измерениях датчиков температуры.

Минимально инвазивная хирургия может не только уменьшить травму операционного поля, но и значительно уменьшить боль пациента. Чтобы соответствовать таким требованиям, помимо опыта хирургической операции у врача, а также с использованием различного медицинского оборудования для наблюдения. Многие медицинские устройства, используемые для этой операции, теперь крошечные, например, различные катетеры и устройства для абляции. Катетеры включают термодилюционные катетеры, уретральные катетеры, пищеводные катетеры, центральные венозные катетеры, сосуды для внутричерепного давления и т. Д.

Возможность разместить датчик близко к пациенту имеет решающее значение для многих приложений, например, для диализа. важно точно измерить диализат и венозное давление. Датчик давления должен иметь возможность точно контролировать давление диализата и крови, чтобы поддерживать его в заданном диапазоне. Для этого типа применения требуется, чтобы датчик был компактным и мог выдерживать жидкие среды. Во многих случаях датчики, несовместимые с жидкими средами, требуют дополнительных установочных компонентов для их защиты.Переносимость жидкой среды особенно важна при мониторинге дыхания пациента, поскольку датчик здесь должен выдерживать кашель пациента и выдыхаемый влажный воздух.

6. Датчики давления MEMS

Датчик давления MEMS представляет собой тонкопленочный элемент , который деформируется под действием давления. Датчик деформации (пьезорезистивный датчик) можно использовать для измерения этой деформации или ее можно измерить по изменению расстояния между двумя поверхностями путем измерения емкости.

Датчик давления MEMS

Автомобильная промышленность остается крупнейшей областью применения датчиков давления MEMS, на которую приходится 72% ее продаж, за ней следует медицинская электроника (12%), промышленные секторы (10%). Потребительская электроника и военная авиация — оставшиеся 6% рынка.

В автомобильной области управление двигателем является его основным приложением, включая датчики давления воздуха в коллекторе в бензиновых двигателях и датчики давления в общей топливораспределительной рампе в транспортных средствах с дизельным двигателем.Чтобы улучшить ситуацию сгорания, некоторые организации также изучают датчики давления. Они могут работать в цилиндре, чтобы лучше измерять точное соотношение различных веществ, участвующих в химической реакции, и передавать данные обратно в систему управления двигателем.

Из-за суровых условий труда цена автомобильных датчиков намного выше, чем потребительских датчиков. Кроме того, автомобильным датчикам требуется много времени для идентификации. Эти датчики должны надежно работать до 15 лет.Некоторые датчики, такие как датчики тормозов или давления в шинах, имеют решающее значение для безопасности автомобиля.

Новое применение датчиков давления MEMS в автомобилях — измерение давления в системе трансмиссии, которое обычно используется в автоматических устройствах, но также используется в новых системах трансмиссии с двойным сцеплением. Немецкий производитель Bosch недавно вышел на рынок и представил решение MEMS, в котором для защиты силиконовой пленки используется масло. Таким образом, он может выдерживать давление до 70 бар. Устройства MEMS из пористого кремния также используются в современных боковых подушках безопасности.

В промышленной области основные области применения датчиков давления MEMS включают отопление, вентиляцию и кондиционирование воздуха (HVAC), измерение уровня воды, а также различные промышленные процессы и приложения управления. Например, в дополнение к точным измерениям высоты и атмосферного давления в самолетах используются датчики для контроля двигателей, закрылков и других компонентов.

За последние несколько лет датчик давления быстро продвинулся вперед, что положительно сказалось на конкурентной среде.Он вывел на рынок новых игроков и расширил круг существующих на рынке игроков.

Как работает датчик давления?

Omega — надежный источник датчиков давления и тензодатчиков, обеспечивающих получение высококачественных данных по множеству процессов. Чтобы датчики давления и тензодатчики предоставляли информацию, которую ищут наши клиенты, давление или сила этого процесса должны достигать чувствительного элемента. Чувствительный элемент реагирует на силу или давление процесса, создавая выходной сигнал, который может интерпретироваться устройством считывания или устройством сбора данных.Таким образом, чувствительный элемент является сердцем преобразователя или тензодатчика.

Теория системы измерения давления

Система измерения давления состоит из чувствительного элемента с прикрепленными к нему четырьмя тензодатчиками. Тензодатчики сконфигурированы в виде моста Уитстона, где все 4 резистора (обозначенные R1 — R4 на рисунке 2) равны и изменяются на равную величину пропорционально при приложении напряжения. Чем больше сила или напряжение (вход), тем больше выход.Устройство моста Уитстона требует 4 провода для подключения, положительного и отрицательного возбуждения, а также положительного и отрицательного выхода датчика.

Типичный датчик давления работает, создавая выходной сигнал тензометрического датчика, когда возникает отклонение диафрагмы. В зависимости от технологии тензодатчика выходная мощность может варьироваться от 1 до 3 милливольт на вольт (мВ / В) до 10–30 мВ / В. Чтобы рассчитать выходную мощность в полном масштабе, вам нужно умножить выходную мощность датчика на напряжение, используемое для питания устройства.Например, для датчика 3 мВ / В, если мы использовали 10 В постоянного тока в качестве напряжения возбуждения, мы ожидали бы получить 3 мВ / В x 10 В = 30 мВ на полной шкале.

Рисунок 1.
Рисунок 2.
Рисунок 3.
Типичная реакция диафрагмы при приложении давления.

Примеры

Хорошим примером того, как работает датчик давления, является датчик давления PX4600. Давление технологического процесса, которое пытается измерить заказчик, будет подводиться к элементу диафрагмы через порт доступа.Давление вызовет отклонение диафрагмы, нагружая мост Уитстона на другой стороне диафрагмы и создавая выходной сигнал мВ / В. Затем этот милливольтный сигнал считывается устройством, способным принимать милливольтный сигнал, или передается в усилитель или формирователь сигнала для дальнейшей обработки сигнала.

PX409-USBH имеет разъем USB на конце кабеля для прямого ввода в портативный компьютер. Бортовая электроника преобразует сигнал в удобный, простой в использовании протокол связи.Воспользуйтесь нашим бесплатным программным обеспечением, которое доступно на нашем веб-сайте. Устройство можно подключить к ноутбуку, который будет отображать и собирать данные, одновременно обеспечивая питание самого датчика.

Рисунок 6.
DPG409 Цифровой манометр DPGM409 использует цифровой выход в версиях с беспроводным передатчиком. Это позволяет получать показания с удаленной прямой видимости без необходимости прокладывать сигнальный провод. Беспроводной приемник будет принимать этот сигнал и отображать или записывать данные.

Категории датчиков

Рис. 7. без усиления
Большинство тензодатчиков имеют выходной сигнал без усиления. Неусиленные выходы распространены среди устройств, которые слишком малы для оснащения электроникой формирования сигнала, или в тех случаях, когда окружающая среда слишком экстремальна, чтобы электроника могла выжить.

Это относится к продуктам PX1004, PX1005 и PX1009, которые не имеют усиления из-за очень высоких и очень низких рабочих температур, в которых они предназначены для работы.Датчики без усиления имеют довольно короткую дальность передачи, обычно не более 6,1–9,1 м (20–30 футов). Это потому, что сила сигнала очень мала. Это также делает их восприимчивыми к электромагнитному шуму из окружающей среды.

Если вы хотите узнать больше об измерении давления высокотемпературных сред, прочтите эту статью.

Рис. 8. Датчики с усилением
Датчики с усилением используют внутреннюю электронику преобразования сигнала для создания более сильного сигнала.Это делает их менее восприимчивыми к окружающему шуму и позволяет преодолевать большие расстояния до своих приемных устройств. Датчики с внутренними усилителями имеют меньший диапазон рабочих температур из-за температурных ограничений электроники формирования сигнала внутри датчика.

Датчики с токовым выходом могут посылать усиленный сигнал на расстояние до 304,8 м (1000 футов) и при этом обеспечивать высокую точность. Как правило, датчики на выходе напряжения могут поддерживать точность менее 30,5 м (100 футов).

Цифровой
Третий тип датчика, классифицируемый по выходу, — это цифровой выходной датчик.Этот тип выхода может обеспечить самый низкий уровень шума и самые большие доступные расстояния передачи. Доступно несколько стилей связи, например DPGM409 и PX409-USBH или устройства RS485.

Соображения по точности

Рисунок 9. Типовая калибровка по 5 точкам
.

Общий диапазон ошибок
Это максимальное отклонение диапазона для любого выхода с учетом всех определенных источников ошибок, таких как вибрация, температура или влажность.Выражается в процентах от номинальной мощности.

Рисунок 10.
Статическая точность
Совместное влияние линейности, гистерезиса и повторяемости. Статическая точность выражается как ±% от диапазона и относится к BSL. Диапазон статической погрешности является хорошим показателем точности, которую можно ожидать от датчика давления или тензодатчика при постоянной температуре.

BSL (Лучшая прямая линия)
BSL — максимальное отклонение ошибки от базовой линии, разделенное пополам.Чтобы определить эту линию, выходы от нуля и полной шкалы используются для создания линии. Остальные точки данных измеряются на основе расстояния от этой линии. Лучшая прямая линия — это линия, которая имеет тот же уклон, что и базовая линия терминала, но смещена таким образом, чтобы ошибки равномерно разделялись по обе стороны от BSL. Лучшая прямая линия используется для описания характеристик линейности.

Нелинейность
Это максимальное отклонение калибровочной кривой от прямой линии между выходами без нагрузки и номинальными выходами.Он выражается в процентах от номинальной мощности и измеряется только при увеличении нагрузки давления.

Гистерезис
Гистерезис — это максимальная разница между выходными показаниями для одного и того же приложенного давления при приближении с противоположных направлений. Он определяется путем сравнения выходных данных для значения давления, сначала полученного при приближении от более низкого давления, а затем при приближении от более высокого давления. Чем ближе два показания, тем меньше гистерезис. Эту ошибку сложно исправить.

Повторяемость
Максимальная разница между выходными показаниями для повторяющихся нагрузок давлением при одинаковой нагрузке и условиях окружающей среды называется повторяемостью. Чем ближе эти показания, тем выше воспроизводимость. Эту ошибку исправить нельзя.

Как работает датчик давления — Physics of Probeware

Введение в датчики давления

Датчики давления

являются одними из наиболее широко используемых датчиков и могут быть найдены в пробном ПО для лабораторных измерений, но чаще встречаются в миллиардах устройств, включая смартфоны, носимые устройства, автомобили, дроны, метеорологические центры и медицинские инструменты.Датчики давления были одними из первых датчиков, которые были миниатюризированы и массово производились по низкой цене за счет производства микроэлектромеханических систем (МЭМС).

Датчик давления Bosch MEMS. Компонент датчика имеет размер менее 1 мм x 1 мм. Источник: www.bosch-sensortec.com

В этой статье объясняется:

  1. Механический и электрический принцип действия датчиков давления
  2. Конструкция современных промышленных датчиков давления
  3. Применение датчиков давления
  4. Эксперименты и мероприятия по изучению возможностей датчиков давления

Вы можете изучить эти концепции самостоятельно, используя:

Механические принципы работы

Все современные датчики давления используют один и тот же базовый принцип работы и общую конструкцию.Датчик давления имеет тонкую гибкую мембрану, которая может деформироваться. Мембрана закрывает эталонную полость. Контрольная полость обычно герметизируется при низком давлении вакуума. Когда давление снаружи выше, чем внутри эталонной полости, мембрана растягивается или деформируется в эталонную полость. Мембрана прикреплена к жесткому каркасу, поэтому вся деформация происходит в мембране, а не в каркасе.

Схема датчика давления в герметичной полости. С: www.comsol.se/paper/download/368301/ramesh_poster.pdf

Иногда полость не герметична и вместо этого подвергается действию известного эталонного давления. В этом случае перепад давления между внешним давлением и эталонным давлением вызывает деформацию мембраны. Открытая конструкция полости более распространена в промышленных приложениях, а герметичная полость используется почти во всех потребительских устройствах и приложениях.

Деформация мембраны вызывает два механических изменения, которые мы можем использовать для преобразования в электрические измерения.Во-первых, мембрана перемещается относительно дна полости, которую мы можем измерить с помощью емкостной цепи. Во-вторых, материал мембраны испытывает напряжение и деформацию, которые мы можем измерить с помощью резистивной цепи.

Анализ методом конечных элементов показывает профиль напряжения в напорных мембранах квадратной и круглой геометрии. От:
Y. Guo, et al. Датчики 2016, 16 (1), 55; doi: 10.3390 / s16010055

Математические уравнения для расчета смещения, напряжения или деформации в мембране довольно сложны.Сделав некоторые предположения о геометрии и условиях эксплуатации, вы можете упростить расчеты. Чтобы узнать больше, посетите эти ресурсы:

Принцип действия электрической части

Чтобы измерить смещение мембраны, мы можем включить датчик в емкостную измерительную цепь. Электроды встроены в верхнюю мембрану и нижнюю поверхность эталонной полости. Эти электроды действуют как конденсатор с параллельными пластинами. Емкость между пластинами равна C = e o e r * A / d

.

Где e 0 — электрическая проницаемость свободного пространства, e r — относительная диэлектрическая проницаемость, A — площадь пластины, а d — расстояние между пластинами.По мере деформации мембраны расстояние d уменьшается, что увеличивает емкость. Для преобразования изменения емкости в изменение напряжения, которое можно измерить и преобразовать в цифровой сигнал, можно использовать различные электрические схемы.

Второй метод электрических измерений заключается в измерении деформации мембраны. Любой проводящий материал, например металл, будет изменять сопротивление при приложении к нему напряжения или деформации. Эти устройства уместно называют тензодатчиками.Полупроводниковые материалы, такие как легированный кремний, испытывают большое изменение сопротивления из-за деформации из-за свойства материала, называемого пьезосопротивлением. Большое изменение сопротивления полезно для конструкции датчика, поэтому в большинстве современных датчиков давления используется пьезорезистивный тензодатчик для преобразования механических сил в электрические изменения.

Четыре пьезорезистора спроектированы вокруг мембраны и соединены в цепь, называемую мостом Уитстона. Мост Уитстона увеличивает измерительный сигнал и снижает погрешность датчика из-за таких вещей, как изменение температуры и другие механические нагрузки.Сигнал моста Уитстона усиливается и затем преобразуется в цифровой сигнал.

Пример коммерческого датчика давления

BME280 — это встроенный датчик окружающей среды от Bosch, содержащий датчик давления, влажности и температуры. Датчики давления изготавливаются по технологии MEMS и используют пьезорезисторы для измерения деформации, вызванной давлением в квадратной мембране. На изображении, полученном с помощью электронного микроскопа, вы можете видеть, что большой квадратный кремниевый чип внизу — это датчик давления, а меньший прямоугольный чип — датчик влажности.Масштабная линейка на изображении имеет длину 200 мкм, поэтому размер датчика давления составляет примерно 800 x 800 мкм. При максимальном разрешении BME280 может измерять изменение давления всего на 0,2 Па, что эквивалентно 1,7 см изменения высоты! Это впечатляет для устройства размером даже не 1 мм в квадрате.

Изображение датчика окружающей среды Bosch BME280 на растровом электронном микроскопе. Датчик используется в PocketLab Voyager.

PocketLab Voyager использует BME280 для измерения атмосферного давления и высоты.В видео ниже используется BME280 в PocketLab Voyager для измерения высоты ракеты-носителя. Данные о высоте синхронизируются с видео с помощью приложения PocketLab iOS.

Применение датчика давления

Большинство высокопроизводительных смартфонов со времен Samsung Galaxy S4 включают датчик давления MEMS в свой набор встроенных датчиков, который идет вместе с акселерометром, гироскопом, магнитометром и датчиком освещенности. Это сотни миллионов датчиков давления по всему миру.Основное приложение в смартфонах — пополнение данных GPS-навигации для дополнительных измерений высоты.

Современные автомобили содержат несколько датчиков давления для:

  • Давление воздуха в коллекторе
  • Атмосферное давление
  • Системы контроля давления в шинах
  • Давление в бензобаке
  • Иногда для обнаружения сбоев при боковом ударе для срабатывания подушек безопасности и систем безопасности
Датчики MEMS, включая датчики давления, используемые в современном автомобиле.Источник: https://www.memsjournal.com/2007/08/prospects-for-m.html

Есть еще сотни приложений датчиков давления в промышленных, медицинских, бытовых и контрольно-измерительных приложениях.

Некоторые новые варианты использования датчиков давления могут заключаться в измерении скорости транспортных средств, проезжающих по проезжей части. В приведенных ниже данных мы измеряем волну давления, создаваемую при движении автомобиля через нашу сенсорную систему на различных скоростях. Вы можете видеть, как приближается машина, мы можем измерить волну давления, а затем, когда машина проезжает мимо, мы можем измерить след за машиной.Величина изменения давления увеличивается с увеличением скорости автомобиля.


На приведенном ниже графике показана волна давления, возникающая при открытии двери в офисе, измеренная с помощью датчика перепада давления. Чтобы узнать больше, перейдите на страницу Sensirion Lab здесь.


Научная деятельность с использованием датчиков давления

Типы датчиков давления

— Руководство

Датчики давления

— это инструменты или устройства, которые преобразуют величину физического давления, оказываемого на датчик, в выходной сигнал, который можно использовать для определения количественного значения давления.Доступно множество различных типов датчиков давления, которые работают одинаково, но основаны на различных базовых технологиях для перевода между давлением и выходным сигналом. В этой статье будут рассмотрены наиболее распространенные типы датчиков давления, описаны принципы работы датчиков давления, рассмотрены общие спецификации, связанные с датчиками давления, и представлены примеры приложений.

Следует отметить одно отличие: датчики давления отличаются от манометров.Манометры по своей конструкции обеспечивают прямое считывание значения давления, называемого манометрическим давлением. Это может быть аналоговый (механический) дисплей с использованием стрелки и градуированной шкалы или прямой цифровой дисплей показаний давления. Датчики давления, с другой стороны, напрямую не обеспечивают считываемый выходной сигнал давления, а вместо этого генерируют значение выходного сигнала, которое пропорционально показанию давления, но которое сначала необходимо подготовить и обработать, чтобы преобразовать уровень выходного сигнала в калиброванное считывание давления.

Чтобы узнать больше о других типах датчиков, см. Соответствующие руководства, в которых рассматриваются различные типы датчиков или использование датчиков для расширения возможностей Интернета вещей (IoT). Чтобы узнать больше о других устройствах для измерения давления, см. Наши соответствующие руководства по манометрам и цифровым манометрам.

Датчики давления, преобразователи давления и преобразователи давления

Есть несколько общих терминов, связанных с устройствами измерения давления, которые часто используются как взаимозаменяемые.Эти термины — датчики давления, датчики давления и датчики давления. Производители и поставщики этих устройств могут использовать один или несколько из этих терминов для описания своих продуктовых предложений. Как правило, основное различие между этими терминами связано с генерируемым электрическим выходным сигналом и выходным интерфейсом устройства. Имейте в виду, что у разных поставщиков есть различия в том, как классифицируются их устройства.

Один из способов понять разницу между датчиками давления и датчиками давления.Датчики давления и датчики давления не имеют встроенной электроники, обеспечивающей формирование сигнала и усиленный выходной сигнал, в отличие от двух других.

Датчики давления, хотя и используются как общий термин для всех этих трех типов устройств, обычно вырабатывают выходной сигнал в милливольтах. Относительно низкое выходное напряжение в сочетании с потерями сопротивления, которые происходят с проводкой, подразумевает, что длина проводов должна быть небольшой, что ограничивает использование устройств примерно 10-20 футами от электроники, прежде чем возникнут слишком большие потери сигнала.Выходной сигнал будет пропорционален напряжению питания, используемому с датчиком. Так, например, датчик, который генерирует выходной сигнал 10 мВ / В, используемый с источником питания 5 В постоянного тока, будет производить выходной сигнал в диапазоне от 0 до 50 мВ по величине. Милливольтные выходы позволяют инженеру спроектировать преобразование сигнала в соответствии с требованиями приложения и помогают снизить как стоимость, так и размер корпуса датчика. Ограничения этих устройств заключаются в том, что необходимо использовать регулируемые источники питания, поскольку выходная мощность на полномасштабном уровне пропорциональна напряжению питания.Кроме того, низкий выходной сигнал означает, что эти устройства менее подходят для использования в электрически зашумленной среде. Иллюстрация полумостовой схемы с выходом в милливольтах показана на Рисунке 1 ниже.

Рисунок 1: Датчик давления с тензометрическим датчиком с использованием моста Уитстона

Изображение предоставлено: https://www.avnet.com/wps/portal/abacus/solutions/technologies/sensors/pressure-sensors/output-signals

Преобразователи давления

генерируют более высокий уровень выходного напряжения или частоты за счет наличия дополнительных встроенных возможностей усиления сигнала для повышения амплитуды выходного сигнала, скажем, до 5 В или 10 В, и частотного выхода до 1-6 кГц.Повышенная мощность сигнала позволяет использовать датчики давления на большем расстоянии от электроники, скажем, в 20 футах. Эти устройства используют более высокий уровень напряжения питания, например 8–28 В постоянного тока. Более высокое выходное напряжение снижает потребление тока, что позволяет использовать датчики давления в приложениях, где оборудование работает от батарей.

В то время как датчики давления и преобразователи давления генерируют выходной сигнал напряжения, датчики давления выдают выходной ток с низким сопротивлением, обычно используемый в качестве аналоговых сигналов 4–20 мА в 2-проводной или 4-проводной конфигурации.Датчики давления обладают хорошей устойчивостью к электрическим помехам (EMI / RFI) и поэтому подходят для приложений, где необходимо передавать сигналы на большие расстояния. Эти устройства не требуют регулируемых источников питания, но более высокий выходной ток и потребляемая мощность делают их непригодными для приложений с батарейным питанием, когда устройства работают при полном или близком к нему давлении.

Для простоты в этой статье мы будем использовать общий термин датчики давления, а не делать четкие представления датчиков давления и датчиков давления.

Терминология по давлению

В этом разделе представлена ​​основная терминология, относящаяся к датчикам давления.

  • Манометрическое давление — это измерение давления относительно давления окружающей среды. Типичным примером этого является использование манометра для измерения давления воздуха в автомобильной шине. Если манометр показывает 35 фунтов на квадратный дюйм, это означает, что давление в шинах на 35 фунтов на квадратный дюйм выше местного давления окружающей среды.
  • Абсолютное давление — это измерение, производимое относительно чистого вакуума, например космического вакуума.Этот тип измерения давления важен для применения в аэрокосмической технике, поскольку давление воздуха изменяется с высотой.
  • Дифференциальное давление — это измерение разности давлений между двумя значениями давления, следовательно, измерение того, насколько они отличаются друг от друга, а не их величины относительно атмосферного давления или другого эталонного давления.
  • Вакуумное давление — это измерение давления, значение которого находится в отрицательном направлении по отношению к атмосферному давлению.

На рисунке 2 ниже эти термины показаны на диаграмме, показывающей относительные отношения между каждым из них.

Рисунок 2: Взаимосвязь различных измерений давления

Изображение предоставлено: https://www.engineeringtoolbox.com

Технологии измерения давления

Для измерения давления используются шесть основных датчиков давления. Это:

  • Потенциометрические датчики давления
  • Индуктивные датчики давления
  • Датчики давления емкостные
  • Пьезоэлектрические датчики давления
  • Тензометрические датчики давления
  • Датчики давления с переменным сопротивлением

Потенциометрические датчики давления используют трубку Бурдона, капсулу или сильфон, которые приводят в движение рычаг стеклоочистителя, обеспечивая относительно нормальные измерения давления.

Индуктивные датчики давления используют линейный регулируемый дифференциальный трансформатор (LVDT) для изменения степени индуктивной связи, которая возникает между первичной и вторичной обмотками трансформатора.

Емкостные датчики давления используют диафрагму, которая отклоняется под действием приложенного давления, что приводит к изменению значения емкости, которая затем может быть откалибрована для получения показаний давления.

Пьезоэлектрические датчики давления основаны на способности таких материалов, как керамика или металлизированный кварц, генерировать электрический потенциал, когда материал подвергается механической нагрузке.

Тензометрические датчики давления основаны на измерении изменения сопротивления, которое происходит в таком материале, как кремний, когда он подвергается механической нагрузке, известному как пьезорезистивный эффект.

Датчики давления с переменным сопротивлением используют диафрагму, которая находится в магнитной цепи. Когда к датчику прикладывается давление, отклонение диафрагмы вызывает изменение сопротивления контура, и это изменение можно измерить и использовать в качестве индикатора приложенного давления.

Типы датчиков давления

С помощью датчика давления можно проводить измерения давления для определения диапазона различных значений и различных типов давления в зависимости от того, выполняется ли измерение давления относительно атмосферы, условий вакуума или других эталонных уровней давления. Датчики давления — это инструменты, которые могут быть спроектированы и настроены для определения давления по этим переменным. Датчики абсолютного давления предназначены для измерения давления относительно вакуума, и в них используется эталонный вакуум, заключенный внутри самого датчика.Эти датчики также могут измерять атмосферное давление. Точно так же датчик избыточного давления определяет значения, относящиеся к атмосферному давлению, и часть устройства обычно находится в условиях окружающей среды. Это устройство можно использовать для измерения артериального давления.

Важным аспектом промышленных процессов определения давления является сравнение нескольких уровней давления. Датчики перепада давления используются для этих приложений, которые могут быть сложными из-за наличия как минимум двух различных давлений на одной механической конструкции.Датчики перепада давления имеют относительно сложную конструкцию, потому что они часто необходимы для измерения мельчайших перепадов давления при больших статических давлениях. Принципы трансдукции и механического измерения давления являются общими для большинства стандартных датчиков давления, независимо от их категории как приборы дифференциального, абсолютного или манометрического давления. Ниже мы рассмотрим наиболее распространенный тип датчиков давления.

Датчики барометра-анероида

Барометр-анероид состоит из полого металлического корпуса с гибкими поверхностями сверху и снизу.Каков принцип работы датчика атмосферного давления? Изменения атмосферного давления заставляют этот металлический корпус менять форму, а механические рычаги усиливают деформацию, чтобы обеспечить более заметные результаты. Уровень деформации также можно повысить, изготовив датчик в сильфонной конструкции. Рычаги обычно прикреплены к циферблату со стрелкой, который переводит деформацию под давлением в масштабированные измерения или на барограф, который регистрирует изменение давления во времени. Датчики-анероидные барометры компактны и долговечны, в их работе не используется жидкость.Однако масса элементов измерения давления ограничивает скорость отклика устройства, что делает его менее эффективным для проектов измерения динамического давления.

Датчики манометра

Манометр — это датчик давления жидкости, имеющий относительно простую конструкцию и более высокий уровень точности, чем у большинства барометров-анероидов. Он выполняет измерения, регистрируя влияние давления на столб жидкости. Наиболее распространенной формой манометра является U-образная модель, в которой давление прикладывается к одной стороне трубки, вытесняя жидкость и вызывая падение уровня жидкости на одном конце и соответствующее повышение на другом.Уровень давления обозначается разницей в высоте между двумя концами трубки, и измерение производится по шкале, встроенной в устройство.

Точность считывания можно повысить, наклонив одну из ножек манометра. Также можно прикрепить резервуар для жидкости, чтобы сделать уменьшение высоты одной из ножек незначительным. Манометры могут быть эффективными в качестве манометрических датчиков, если одна ветвь U-образной трубки выходит в атмосферу, и они могут функционировать как дифференциальные датчики, когда давление прикладывается к обеим ногам.Однако они эффективны только в определенном диапазоне давлений и, как и барометры-анероиды, имеют низкую скорость отклика, что неадекватно для измерения динамического давления.

Датчики давления с трубкой Бурдона

Хотя они работают в соответствии с теми же основными принципами, что и анероидные барометры, в трубках Бурдона вместо полой капсулы используется спиральный или С-образный чувствительный элемент. Один конец трубки Бурдона зафиксирован в соединении с давлением, а другой конец закрыт.Каждая трубка имеет эллиптическое поперечное сечение, которое заставляет трубку выпрямляться при приложении большего давления. Инструмент будет продолжать выпрямляться до тех пор, пока давление жидкости не сравняется с упругим сопротивлением трубки. По этой причине разные материалы трубок связаны с разными диапазонами давления. Зубчатый механизм прикреплен к закрытому концу трубки и перемещает указатель по шкале с градуировкой для получения показаний. Устройства с трубкой Бурдона обычно используются в качестве датчиков избыточного давления и дифференциальных датчиков, когда две трубки соединены с одним указателем.Как правило, спиральная трубка более компактна и обеспечивает более надежную работу, чем С-образный чувствительный элемент.

Вакуумные датчики давления

Давление вакуума ниже атмосферного, и его может быть сложно обнаружить механическими методами. Датчики Пирани обычно используются для измерений в диапазоне низкого вакуума. Эти датчики основаны на нагретом проводе, электрическое сопротивление которого зависит от температуры. Когда вакуумное давление увеличивается, конвекция уменьшается, а температура проволоки повышается.Электрическое сопротивление увеличивается пропорционально и калибруется по давлению, чтобы обеспечить эффективное измерение вакуума.

Ионные датчики или датчики с холодным катодом обычно используются для приложений с более высоким вакуумом. Эти инструменты основаны на нити накала, которая генерирует электронную эмиссию. Электроны переходят на сетку, где они могут сталкиваться с молекулами газа, вызывая их ионизацию. Устройство для сбора заряженных частиц притягивает заряженные ионы, и количество накапливаемых им ионов напрямую соответствует количеству молекул в вакууме, что обеспечивает точное считывание давления в вакууме.

Датчики давления закрытые

Герметичные датчики давления используются, когда необходимо получить измерение давления относительно эталонного значения (например, атмосферного давления на уровне моря), но когда невозможно открыть датчик непосредственно для этого эталонного давления. Например, на подводных транспортных средствах герметичный датчик давления может использоваться для определения глубины транспортного средства путем измерения давления окружающей среды и сравнения его с атмосферным давлением, имеющимся в герметичном устройстве.

Технические характеристики датчика давления

Датчики давления

обычно имеют размер и характеристики, определяемые несколькими общими параметрами, которые показаны ниже. Обратите внимание, что спецификации для этих устройств могут отличаться от производителя к производителю, а также обратите внимание, что характеристики могут отличаться в зависимости от конкретного типа датчика давления, полученного от источника. Базовое понимание этих спецификаций упростит процесс поиска или определения одного из этих датчиков.

  • Тип датчика — отражает тип давления, на которое рассчитан датчик. Это может включать абсолютное давление, сложное давление, дифференциальное давление, манометрическое давление или вакуумное давление.
  • Диапазон рабочего давления — обеспечивает диапазон давлений, в котором датчик может работать и генерировать выходной сигнал.
  • Максимальное давление — абсолютное максимальное значение давления, при котором устройство может надежно работать без повреждения датчика.Превышение максимального давления может привести к отказу устройства или неточному выходному сигналу.
  • Полная шкала — это разница между максимальным давлением, которое может измерять датчик, и нулевым давлением.
  • Тип выхода — описывает общий характер характеристик выходного сигнала датчика давления. Примеры включают аналоговый ток, аналоговое напряжение, частоту или другие форматы.
  • Выходной уровень — диапазон выходного сигнала, например 0-25 мВ, связанный с датчиком давления в пределах его рабочего диапазона.Для выходных электрических сигналов это обычно будет диапазон милливольт или вольт или диапазон выходного тока в миллиамперах.
  • Точность — мера отклонения между уровнем давления, определенным выходным сигналом датчика, и истинным значением давления. Точность часто выражается в виде диапазона единиц давления +/- (например, фунт / кв. Дюйм или миллибар) или ошибки +/- в процентах. Точность датчиков давления обычно определяется по прямой, наилучшим образом подходящей для значений выходных сигналов, по отношению к различным показаниям приложенного давления.
  • Разрешение — представляет собой наименьшую разницу выходного сигнала, которую может различить датчик.
  • Дрейф — мера постепенного изменения откалиброванного состояния датчика с течением времени.
  • Напряжение питания — величина источника напряжения, необходимого для питания датчика давления, измеряется в вольтах, чаще всего выражается как допустимый диапазон входного напряжения.
  • Диапазон рабочих температур — крайние значения температуры (высокие и низкие), при которых датчик рассчитан на надежную работу и выдачу выходного сигнала.

Применение датчиков давления

Датчики давления

находят широкое применение в ряде рынков, включая медицину, общепромышленность, автомобилестроение, HVAC и энергетику, и это лишь некоторые из них. Важно понимать, что, хотя эти устройства измеряют давление, их можно использовать для выполнения других важных измерений, поскольку существует взаимосвязь между зарегистрированным давлением и значениями этих других параметров.

Некоторые примеры использования датчика давления приведены ниже:

  • В автомобильных тормозных системах датчики давления могут использоваться для обнаружения неисправностей в гидравлических тормозах, которые могут повлиять на их работоспособность.
  • В автомобильных двигателях используются датчики давления для оптимизации топливовоздушной смеси при изменении условий движения и для контроля уровня давления масла в работающем двигателе.
  • Датчики давления в автомобилях могут использоваться для обнаружения столкновений и активации устройств безопасности, таких как подушки безопасности.
  • В аппаратах ИВЛ датчики давления используются для контроля давления кислорода и для помощи в управлении смесью воздуха и кислорода, подаваемой пациенту.
  • В гипербарических камерах
  • используются датчики давления для отслеживания и контроля давления, применяемого в процессе лечения.
  • Датчики давления используются в приборах спирометрии, которые измеряют объем легких пациентов.
  • Автоматизированные системы доставки лекарств, которые вводят лекарство пациенту в виде жидкости для внутривенного вливания, используют датчики давления для доставки нужной дозировки в нужное время суток.
  • В системах HVAC датчики давления могут использоваться для контроля состояния воздушных фильтров. Поскольку фильтры забиваются твердыми частицами, перепад давления на фильтре возрастает и может быть обнаружен.
  • Скорость воздушного потока можно контролировать с помощью датчиков давления, поскольку скорость воздушного потока пропорциональна разности давлений.
  • В промышленных процессах датчики давления могут обнаруживать засорение фильтра в технологическом потоке, оценивая разницу между давлением на входе и выходе.
  • Уровни жидкости в резервуаре можно эффективно контролировать с помощью датчиков давления, размещенных на дне резервуара. По мере того, как уровень жидкости в резервуаре уменьшается, давление напора (вызванное весом объема жидкости над датчиком) также уменьшается.Это измерение является прямым индикатором количества жидкости в резервуаре и не зависит от формы резервуара, а зависит исключительно от высоты жидкости. Здесь датчики давления представляют собой альтернативу другим формам датчиков уровня жидкости.
  • Улучшенное местоположение GPS обеспечивается датчиками давления. Измерение высоты может быть выполнено путем определения барометрического давления из-за взаимосвязи между барометрическим давлением и высотой в атмосфере.
  • В высокоэффективных стиральных машинах могут использоваться датчики давления для определения объема воды, который необходимо добавить для очистки партии грязной одежды, что позволяет наилучшим образом использовать природные ресурсы.
  • Датчики давления используются в носимых устройствах для наблюдения за пациентами и пожилыми людьми в условиях проживания с обслуживанием, определения того, когда могло произойти падение, и уведомления персонала или члена семьи. Измеряя небольшие изменения давления воздуха порядка 2 миллибар, эти датчики могут обнаруживать изменение высоты на расстоянии порядка 10 см.

Сводка

В этой статье представлен обзор датчиков давления, включая их описание, типы, основные характеристики и примеры применения.Для получения информации по другим темам обратитесь к нашим дополнительным руководствам или посетите платформу Thomas Supplier Discovery Platform, где вы можете найти потенциальные источники поставок для более чем 70 000 различных категорий продуктов и услуг.

Источники:
  1. https://www.avnet.com/
  2. https://www.variohm.com/news-media/technical-blog-archive/working-principle-of-a-pressure-sensor
  3. https://www.hbm.com/
  4. https://www.te.com/usa-en/products/sensors/pressure-sensors/pressure-transducers/pressure-sensor-vs-transducer-vs-transmitter.HTML
  5. https://allsensors.com/applications/medical-pressure-sensor-applications
  6. https://meritsensor.com/applications/

Датчики прочие изделия

Прочие «виды» статей

Больше от Instruments & Controls

Датчики абсолютного давления: как они работают и зачем они нужны

Датчики и манометры абсолютного давления выдают показания, на которые не влияет атмосферное давление. Такие инструменты, как высотомеры и барометры, отображают измерения абсолютного давления с привязкой к вакууму.В этой статье объясняется, что такое абсолютное давление и как его измерять.

Атмосфера Земли имеет вес и создает давление. Величина этого атмосферного давления, также называемого атмосферным давлением, зависит от высоты. Чем выше местоположение, тем меньше атмосферного давления на поверхность. Атмосферное давление также меняется в зависимости от погодных условий.

Манометрическое давление (атмосферное давление + измеренное давление) подходит для большинства задач измерения давления, но атмосферное давление, изменяющееся в зависимости от высоты и погоды, может повлиять на точность в определенных приложениях.

Производители приборов разработали манометры и датчики абсолютного давления для приложений, где требуются показания, не зависящие от изменений высоты или погоды, например, в метеорологических и авиационных приложениях. Датчик абсолютного давления — это герметичная система, функционирующая путем определения идеального вакуума, поэтому он выдает показания давления, не учитывающие влияние атмосферного давления.

Абсолютное давление

Большинство электронных датчиков давления измеряют манометрическое давление на основе деформации диафрагмы.Если мембрана подвергается технологическому давлению с одной стороны и вентилируется с другой стороны (подвергается воздействию давления окружающей среды), деформация уменьшается на величину давления окружающей среды. Это означает, что показание манометрического давления на самом деле является разницей между давлением процесса и атмосферным давлением.

В датчиках абсолютного давления сторона датчика, не контактирующая со средой под давлением, находится в камере абсолютного вакуума, которая постоянно герметизирована. На деформацию диафрагмы не влияет атмосферное давление, поскольку она использует герметичный вакуум в качестве опорной и нулевой точки.

Приложения для датчиков абсолютного давления

Датчики абсолютного давления и манометры обычно используются в приложениях, где требуется мониторинг промышленных высокопроизводительных вакуумных насосов. Например, промышленные упаковочные машины используются для вакуумной упаковки медицинских продуктов в чистой среде, чтобы гарантировать санитарную доставку без бактерий в больницы и врачей.

В пищевой промышленности вакуумная упаковка используется, когда требуется максимально возможный уровень вакуума для предотвращения разложения кислородом скоропортящихся пищевых продуктов, тем самым значительно продлевая вкус продукта и срок его хранения.

Обычные манометры и датчики, на которые влияют атмосферные воздействия, не могут контролировать верхний предел вакуума.

Приложения, требующие истинных датчиков и манометров абсолютного давления, также можно найти в научных лабораториях, университетах, военной и авиационной промышленности.

WIKA предлагает высокоточные датчики и преобразователи абсолютного давления для ряда приложений, включая преобразователи давления модели P-30 (стандартная версия) и модель P-31 (версия для заподлицо), идеально подходящие для использования в лабораториях, машиностроении и калибровка.

Эта справочная страница WIKA предлагает более подробную информацию о манометрическом и абсолютном давлении, а также объясняет основные концепции, лежащие в основе измерения дифференциального давления.

Самые популярные типы датчиков давления Технология Eastsensor

Пьезорезистивный принцип измерения манипулирует изменением электрических свойств чувствительного элемента при его деформации, силой, прикладываемой к чувствительному элементу при использовании давления, вызывает его деформацию, а также при этом изменяются его электрические свойства, электрические сигналы, которые изменяются вместе с давлением, передаваемым наружу с помощью ультратонких соединительных проводов, это позволяет измерять изменение электрических сигналов

В пьезорезистивных датчиках давления срабатывают 4 резистора на диафрагмы, чтобы измерить результат приложенного к ним физического давления.
Любая заметная модификация сопротивления преобразуется с помощью мостовой схемы Уитстона прямо в выходное напряжение.

Пьезорезистивный принцип измерения давления — один из первых, разработанных в технологии MEMS, и он был создан за много лет до емкостного. Из-за этого его чаще всего используют. Благодаря широкому распространению, а также низкой стоимости производства, пьезорезистивные датчики давления широко используются в потребительской электронике и автомобильной промышленности, а также в бытовой технике.

В существующих сферах, в зависимости от материала диафрагмы и подложки, пьезорезистивные датчики давления можно разделить на три предпочтительных типа:

  • Кремниевые пьезорезистивные типы
  • Металлические тонкопленочные пьезорезистивные (тонкопленочные) типы
  • Керамические пьезорезистивные ( Толстопленочный сухой тип) типы

3.1, Кремниевый пьезорезистивный датчик давления

Кремниевая пьезорезистивная технология понимается как пьезорезистивные свойства полупроводников.Пьезорезистивные свойства полупроводниковых материалов зависят от таких элементов, как тип материала, фокус легирования, а также ориентация кристалла в кристалле.

Кремниевый пьезорезистивный датчик давления, использующий элементы чувствительного элемента, который в основном включает легированный кремний (тип P), он действительно похож на современные интегральные схемы, которые сегодня используются в портативных компьютерах или планшетах. Проще говоря, за счет включения в полупроводник (подложку N-типа) тщательно контролируемых количеств загрязняющих веществ (примесей) дополнительный легированный кремний приводит к большему удельному сопротивлению, а также к более высокому калибровочному коэффициенту.Это также увеличивает тепловую чувствительность как сопротивления, так и измерительного коэффициента.

Подобно тензодатчику, пьезорезистивный чувствительный элемент включает в себя диафрагму, к которой прикреплены четыре пары кремниевых резисторов. В отличие от конструкции тензометрического датчика, здесь сама диафрагма сделана из кремния, а резисторы проникают прямо в кремний на протяжении всего производственного процесса. Диафрагма завершается приклеиванием диафрагмы к неочищенной кремниевой пластине.

Для повышения диэлектрического сопротивления кремниевой пьезорезистивной технологии используются некоторые уникальные процедуры упаковки продукта, одна из самых популярных — заливка маслом.

Вместо давления на диафрагму для удлинения кабелей, а также прямого изменения сопротивления, люди также могут использовать тип среды для перемещения давления и прочности на диафрагму, при необходимости одной из наиболее используемых сред является силиконовое масло. , Датчик давления или преобразователь, созданный с помощью этой технологии, обычно называют продуктами, заполненными диффузионным кремнием.

Датчики давления, в которых используются кремниевые пьезорезистивные чувствительные элементы, обладают рядом преимуществ по сравнению с другими инновациями в области измерения давления: они крошечные, легкие, легко воспроизводимые, надежные со временем, динамически восприимчивые, а также действительно сознательные варианты давления.

Преимущество кремниевого пьезорезистивного датчика давления

  • Крошечный размер
    Его можно персонализировать до общей длины 45 мм, включая электрические и процедурные порты, портативный размер, безусловно, сэкономит площадь и минимизирует вес для некоторых специальных применений.
  • Долговременная безопасность
    Кремниевый пьезорезистивный материал не приклеен, не напечатан или не нанесен гальваническим покрытием на поверхность чувствительной диафрагмы, поэтому он не имеет связей и, следовательно, очень стабилен по сравнению, обычно обеспечивается 0,1%, оптимально 0,2% для большого диапазона диапазонов
  • Стабильность и долговечность в большинстве условий
    Комбинация материала высокой гибкости и почти безупречной адгезии и интеграции создает структуру с очень небольшим гистерезисом, гарантируя, что анализы давления будут конкретными независимо от инструкций изменение давления.
  • Высокая чувствительность выходного сигнала
    Относительно высокая степень падения напряжения может быть достигнута с помощью полупроводниковых тензодатчиков для предоставленного изменения давления, что позволяет людям лучше использовать аналоговое разрешение в цифровом и улучшать соотношение сигнал / шум
  • Отлично подходит для обоих Измерение как статического, так и динамического давления
    В отличие от пьезоэлектрического датчика давления, который используется только для измерения динамического изменения давления, пьезорезистивный датчик также измеряет как статическое, так и динамическое давление.
  • Может широко использоваться во многих отраслях промышленности.
    Датчик давления, в котором используются кремниевые пьезорезистивные чувствительные элементы, имеет ряд преимуществ по сравнению с другими инновациями в области измерения давления. Его можно использовать в большинстве современных секторов.
  • Модернизированная версия полупроводниковой деформации калибр
    Твердотельная диффузия заставляет 4 кремниевых резистора легировать на подложку типа N, создавая электрический сигнал путем изменения сопротивления на мосту Уитстона, без клея, связки, 100% гибкость, уменьшенная гистерезис

Недостаток кремниевого пьезорезистивного датчика давления

  • Температурные характеристики
    Температурный дрейф, который, как правило, из-за свойства разницы сопротивления 4 легированных кремниевых резисторов
  • Возбуждение мощности
    Требуется относительная высокая мощность возбуждения, поэтому пьезорезистивный кремний не подходит для варианта с батарейным питанием
  • Ударопрочность
    Даже если материал подложки представляет собой слой монокристаллического кремния n-типа, это может сделать кремниевый чувствительный элемент более эластичным, тем не менее, в некоторых тяжелых ударных приложениях, таких как гидравлическое давление syst em или гидравлического удара, компенсируемое изменяющееся ударное давление может превышать скорость давления диафрагмы кремниевого пьезорезистивного датчика, в этом случае для предотвращения и уменьшения повреждения из-за избыточного давления используется тонкопленочная пьезорезистивная технология
  • Химическая коррозия
    SS316 наиболее распространенный металл, используемый в конструкции кремниевых капсул, тем не менее, некоторые химические вещества очень агрессивны по отношению к SS316, для решения этой проблемы люди могут использовать другие материалы, такие как хастеллой, монель, инконель и титан, но, тем не менее, такой уникальный материал постоянно стоит дороже, чем нержавеющая сталь, будет ли у нас конкурентоспособный по стоимости метод решения химической проблемы? Определенно, керамический пьезорезистивный датчик может хорошо справиться с этой задачей.
    Некоторые из вышеперечисленных потенциальных проблем, о которых следует поговорить с производителями, прежде чем выбирать кремниевые датчики давления.

Рекомендуемые конструкции кремниевого пьезорезистивного датчика

3.2, Металлический тонкопленочный пьезорезистивный датчик давления

Элементы чувствительного блока могут быть приклеены к поверхности с помощью клея, как обычный тензодатчик, или с помощью проводника наподобие полупроводникового тензодатчика или с легированием силикона P на подложке N, как диффузный силикон.

Чувствительные элементы могут быть дополнительно нанесены на диафрагму путем испарения или распыления, что может устранить возможные проблемы с клеем, выходящим из строя при высоких температурах, а также облегчить создание небольших инструментов.

Среди средств разбрызгивания чувствительного элемента на металлическую тонкопленочную подложку, называемый пьезорезистивным датчиком давления металлической тонкой пленки (MTF)

Термин «пленка» состоит из достаточно тонких металлических пленок, имеющих плотность от примерно 100 нм до примерно 10 микрон, тонкие металлические пленки, имеющие плотность от примерно 10 нм до примерно 100 нм, а также ультратонкие металлические пленки, такие как металлические пленки прерывистого или островкового типа, имеющие толщину менее примерно 10 нм.Термин «металл» включает чистые или практически чистые стали, а также сплавы металлов.

Преимущество датчика давления с металлической тонкой пленкой

  • Пониженный коэффициент толщины
    В отличие от толстопленочных (керамических пьезорезистивных), тонкие металлические пленки имеют низкий коэффициент измерения (2 ~ 4). Из-за того, что они имеют гораздо меньшее сопротивление и могут выдерживать гораздо более высокую существующую плотность, чем полупроводниковые пьезорезисторы, они могут генерировать сигнал, сравнимый по силе с полупроводниковыми.
  • Намного меньше шума и высокая чувствительность. .Учитывая, что у металлических пленок на несколько порядков выше плотность поставщиков услуг, чем у полупроводниковых пьезорезисторов, их шум 1 / f будет значительным. Если устройства работают на резонансной частоте, а также проводят измерения переменного тока, тонкие металлические пленки могут быть очень чувствительными.
  • Гибкость конструкции
    В отличие от полупроводниковых пьезорезисторов, металлические тонкопленочные пьезорезисторы можно производить при значительно меньшей стоимости. Металлические пленки толщиной от 10 нм до 10 микрон могут быть просто напылены или напылены практически на любой тип подложки, например Si, SiC, SiN, SiO2, стекло, а также пластмассовые материалы.
  • Защита от ударов и вибрации
    Металлический тонкопленочный датчик чрезвычайно стабилен благодаря материалам. Кроме того, он устойчив к ударным и вибрационным нагрузкам в дополнение к элементам динамического давления. Поскольку используемые материалы поддаются сварке, датчик можно прикрепить к штуцеру давления — герметично и без дополнительных уплотнительных материалов.
  • Идеальный вариант для тяжелонагруженного оборудования
    Благодаря нескольким превосходным характеристикам тонкой металлической пленки, таким как более низкий коэффициент калибровки, очень хорошая защита от разрывного давления (благодаря впечатляющей пластичности металлической тонкой пленки), повышенный выходной сигнал хорошо производительность при нагревании, умеренная стоимость производства, он может быть одним из лучших вариантов при приобретении датчика давления для тяжелой промышленности.
  • Лучше для клинического сектора
    В результате очень надежной способности (менее 0,1% от полной шкалы), а также высокой точности и хорошей гигиены металла, тонкопленочный пьезорезистивный сенсорный блок также использовался в медицинских учреждениях для многочисленные клинические случаи, такие как инфузионный насос, инсулиновый насос,

Недостаток металлической тонкой пленки давления датчик

Металлическая тонкая пленка имеет так много преимуществ, но, тем не менее, ни один человек не является лучшим, перечисленные ниже пункты должны быть следует учитывать

  • Не идеально подходит для измерения абсолютного давления
  • Не подходит для работы с пониженными частотами СВЧ
  • Стоимость выше, чем у толстопленочного датчика давления
  • Сложная процедура изготовления

Рекомендуемые Модели металлических тонких Пленка Пьезорезистивная

3.3. Керамический пьезорезистивный датчик давления (толстопленочного типа)

Керамический пьезорезистивный датчик давления представляет собой толстопленочный датчик давления сухого типа, изготовленный из керамики Al2O3 96% по пьезорезистивной технологии, работающий по пьезорезистивному принципу, принципу Уитстона. Мост наносится методом трафаретной печати прямо на одной стороне керамической диафрагмы, а также на противоположной стороне диафрагмы.

Керамические капсулы пьезорезистивного датчика давления изготавливаются с керамической опорной пластиной, а также с плоской диафрагмой и также работают по пьезорезистивному принципу.Мост Уитстона нанесен трафаретной печатью на одной стороне керамической диафрагмы заподлицо, которая, следовательно, приклеена к корпусу чувствительного элемента. Мост соприкасается с внутренней частью, где образуется кариес, а противоположная сторона диафрагмы по этой причине может подвергаться непосредственному воздействию измеряемой среды.

В заключение, керамическая пьезорезистивная технология использует процесс толстопленочной печати для печати моста Уитстона снаружи керамической структуры, а также использует эффект варистора для преобразования сигнала давления среды прямо в сигнал напряжения или тока. .

Преимущество керамического пьезорезистивного датчика давления.

Керамическая пьезорезистивная технология имеет преимущества умеренной стоимости, а также базовой процедуры по сравнению с традиционными решениями из нержавеющей стали. Основываясь на нашем опыте, мы доработали основные характеристики керамических пьезорезистивных пластин, как указано ниже.

  • Намного прочнее и устойчивее.
    Поскольку керамические пьезорезистивные датчики не рассчитывают на масло, диафрагма может быть толще, а таблетки могут быть намного короче кремниевых, керамические пьезорезистивные датчики не создают угрозы утечки, которая может поставить под угрозу весь набор датчиков.
  • Высокая стабильность.
    Из-за того, что они более жесткие, керамические датчики давления определенно не будут отличаться по своим калиброванным настройкам даже после нескольких рабочих циклов, что сводит к минимуму опасность смещения чувствительного элемента. Все эти характеристики делают керамические датчики давления идеальными для множества промышленных применений, особенно если критически важны точность, широкий диапазон, а также устойчивость к коррозии.
  • Химически инертен.
    Керамика обладает естественной высокой защитой от коррозии от кислотных или щелочных средств, элементы датчика давления дисковой конструкции изготовлены из глиноземной керамики с чистотой 96%, которая, в отличие от множества чувствительных элементов на основе металла, является химически инертной, а, следовательно, не подвергается воздействию многих коррозионных соединений.
  • Легкий и низкий профиль.
    Как указывалось выше, керамические капсулы для измерения давления могут быть намного меньше по размеру, чем другие, поэтому их вес, соответственно, легкий, их можно легко упаковать, чтобы удовлетворить ваши собственные потребности в жилье, более того, керамическая термобезопасность может обеспечивать свою рабочую температуру от — От 40 до 105 ° C, поэтому они могут выдерживать высокие рабочие температуры и давления без потери чувствительности при пониженных значениях давления. Они также переносят довольно высокое избыточное давление.

Недостаток керамического пьезорезистивного датчика давления.

  • Умеренная перегрузочная способность.
    В результате менее гибкой природы самой керамики стандартная полая конструкция выдерживает давление только диафрагмы, которая имеет плохую устойчивость к перегрузкам. когда давление измеряемой среды напряжено, керамический резистивный чувствительный элемент обязательно воспользуется шансом разрыва диафрагмы и утечки среды.
  • Выходная чувствительность.
    Чувствительность выходного сигнала этой технологии снижена, минимальный диапазон запуска от 50 кПа для датчика давления, а также 100 кПа для датчика давления является обязательным, а также исчезает верхний предел диапазона для керамического пьезорезистивного датчика, чем 50 бар для датчика, 600 бар для датчика давления, поэтому, если диапазон давления превышает этот диапазон, керамический пьезорезистивный датчик, безусловно, будет не самым эффективным решением.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *