Принцип работы датчик перепада давления – Датчики перепада (разности) давления. Электроконтактные датчики дифференциального давления

Содержание

Датчики перепада (разности) давления. Электроконтактные датчики дифференциального давления

Датчики измерения перепада давления чаще всего применяются комплектно с первичными преобразователями расхода (сужающими или напорными устройствами). Датчики перепада осуществляют преобразование измеренной разности давлений в непрерывный аналоговый выходной унифицированный сигнал тока, напряжения или индуктивности. Датчики разности давления с индуктивным выходом (типа ДМ, например, работающие совместно с вторичными приборами КСД) устарели и в настоящее время практически не применяются. Наибольшее распространение получили датчики с унифицированным токовым выходом (0-5, 0-20, 4-20 мА).

Чувствительным элементом датчика перепада является упруго деформируемая измерительная мембрана с закрепленными на ней тензорезисторами. Измерительная мембрана изолирована от рабочей среды. Давление среды прикладывается к защитным мембранам, расположенным с обоих сторон от измерительной мембраны. Полости между защитными и измерительной мембранами заполнены специальной жидкостью. Под действием приложенных давлений защитные мембраны деформируются, деформируя измерительную мембрану — в след за ней деформируются тензорезисторы. При этом их сопротивление изменяется. Это изменение сопротивления воспринимается электроникой датчика перепада и соразмерно преобразуется в то или иное значение выходного аналогового сигнала. В отличие от обычного датчика давления, у которого измеряемое давление прикладывается только к одной стороне мембраны, к мембране датчика разности давления измеряемое давление среды прикладывается с обеих сторон. Поэтому корпус датчика перепада имеет два присоединительных штуцера: плюсовой и минусовой штуцеры.

Штуцеры располагаются параллельно друг другу с одной стороны датчика, но встречаются датчики и с соосным расположением штуцеров. Если давление среды, приложенное к плюсовому штуцеру, больше давления среды в минусовом штуцере, то датчик покажет разницу (перепад) давлений со знаком плюс. Если к плюсовому штуцеру приложено меньшее давление чем к минусовому, то перепад будет со знаком минус.

Датчики измерения разности давления чаще всего рассчитаны на измерение сравнительно небольших значений давлений среды – предельные значения измеряемого давления от нескольких десятков миллиметров водяного столба (мм.вод.ст), до нескольких сотен кПа. С первичными преобразователями расхода, такими как диафрагмы, трубы Вентури, трубки Пито-Прандтля и др. датчики перепада соединяются посредством двух импульсных трубок.

Импульсные трубки (импульсная трубная проводка) в большинстве случаев выполняют из толстостенной металлической трубки диаметром 14…16 мм. Прокладка импульсных труб выполняется в соответствии с требованиями правил измерения расхода газов и жидкостей стандартными сужающими устройствами РД 50-213-80. Особое внимание при монтаже импульсной трубной проводки уделяется наличию и направлению уклонов, одинаковой длине плюсовой и минусовой линий, расположению отборов и изгибов на одном уровне. Импульсная линия должна быть минимально возможной длины, так как с увеличением ее протяженности возрастает задержка распространения импульса давления, что особенно критично для контуров регулирования интенсивно протекающих процессов. Рассчитать приблизительное (без учета коэффициентов затухания и т.п.) время запаздывания импульса давления Δt (в секундах) в импульсной трассе в зависимости от длины трассы L (в метрах) и скорости прохождения звука в заполненной трассе С (в м/с) можно по следующей формуле:

Скорость распространения звука С внутри заполненной импульсной трассы зависит от показателя адиабаты среды х внутри трассы, абсолютного давления среды Р в импульсной трассе (в кПа) и плотности среды ρ при рабочих условиях (в кг/м3).

Для воды с температурой от 20 до 100°С показатель адиабаты можно принять равным 1,327.

Кроме того чем длиннее импульсная линия, тем больше она склонна к засорению или перемерзанию. Окрашивание импульсных трасс производиться краской того же цвета, что была использована для окрашивания основного трубопровода в соответствии с указаниями ГОСТ 14202-69.

Присоединение датчика перепада к импульсным трассам осуществляется через игольчатые вентиля или специальные вентильные блоки. На одной импульсной трассе устанавливается два вентиля: один вентиль непосредственно перед датчиком перепада, второй в месте отбора импульса давления для отсоединения импульсной трассы от процесса. Первый вентиль на импульсной трассе со стороны трубопровода называется технологическим и обслуживается (заменяется, перекрывается) технологическим персоналом: аппаратчиками, водопроводчиками или газовщиками. Дополнительный уравнительный вентиль монтируется непосредственно перед датчиком перепада на перемычке, соединяющей плюсовую и минусовую импульсные трассы.

В процессе работы датчика перепада вентиля на плюсовой и минусовой трассах должны быть полностью открыты, а уравнительный вентиль полностью закрыт. При проверке датчика перепада на ноль вентиля на плюсовой и минусовой трассах закрываются, а уравнительный вентиль открывается. После чего производиться настройка нуля датчика перепада регулировочными резисторами или средствами встроенного программного обеспечения датчика. После того как настройка нуля датчика выполнена уравнительный вентиль перекрывается, а отсечные вентиля открываются. Для некоторых устаревших моделей датчиков перепада давлений, например, типа Сапфир, в первую очередь открывается вентиль на плюсовой трассе, а уже потом вентиль на минусовой трассе. Это связано с конструктивным исполнением чувствительного элемента. Современным датчикам перепада последовательность открытия плюсового и минусового вентилей безразлична.

Наиболее часто датчики перепада давления с аналоговым выходом используются совместно с напорными и сужающими устройствами для измерения расхода жидкостей, газов или пара. Но выходным сигналом датчика перепада является именно величина перепада давлений, а не расход. Для того чтобы преобразовать измеренное значение перепада давлений контролируемой среды в соответствующий этому перепаду расход применяются блоки извлечения корни. Блок извлечения корня представляет собой либо отдельное преобразовательное устройство, либо функцию внутреннего программного обеспечения датчика перепада. В случае если в датчике перепада давлений имеется и активирована функция корнеизвлечения, то выходным сигналом датчика будет уже не величина перепада, а нескорректированный расход.

Датчики перепада давления (особенно низкопредельные) довольно чувствительны к наличию вибрации в месте их установки, что проявляется в существенном знакопеременном дрейфе нуля. Для того чтобы вибрация элементов конструкций (например, трубопровода газохода) не влияла на показания датчика перепада его следует монтировать на основании не связанном механически с вибрирующими частями и в конструкции импульсных трасс по возможности должны быть предусмотрены элементы гашения вибрации. Отклонение положения установки датчика перепада от строго вертикального также может привести к уходу нуля. При наклоне датчика в сторону плюсовой камеры возникает дрейф нуля со знаком минус. При наклоне датчика в сторону минусовой камеры дрейф нуля будет со знаком плюс. Поэтому монтажная площадка для установки датчика перепада должна быть ровной и установлена строго по уровню. Датчик перепада должен быть жестко зафиксирован на монтажной площадке.

При измерении расхода пара импульсные трубки должны быть заполнены конденсатом. Если импульсные трубки (или одна из двух) не будут заполнены конденсатом до необходимого уровня, то возникнут существенные искажения показаний. Несмотря на высокую температуру пара импульсные трубки, после того как они заполнятся конденсатом, должны быть холодными. В холодное время года для увеличения скорости образования конденсата импульсные трубки охлаждают прикладыванием льда или снега. Если импульсные трубки остаются горячими необходимо проверить их на наличие утечек и на плотность закрытия уравнительного вентиля.

Датчик перепада давления может быть использован также в качестве датчика давления или датчика разряжения в зависимости от схемы подключения к процессу. Например, если плюсовую камеру датчика перепада соединить с трубопроводом с разряженной атмосферой, а вторую (минусовую) камеру датчика оставить незадействованной, т.е. сообщить с атмосферным давлением, то датчик перепада будет работать как датчик разряжения. И показывать разряжение со знаком минус. Если же плюсовую камеру датчика соединить с трубопроводом с избыточной атмосферой, а вторую (минусовую) камеру датчика оставить незадействованной, то датчик перепада будет работать как датчик давления. И показывать давление со знаком плюс.

Если минусовую камеру датчика соединить с трубопроводом с разряженной атмосферой, а вторую (плюсовую) камеру датчика оставить незадействованной, то датчик перепада будет работать как датчик разряжения, но показания будут со знаком плюс вместо минуса. Если минусовую камеру датчика соединить с трубопроводом с избыточной атмосферой, а вторую (плюсовую) камеру датчика оставить незадействованной, то датчик перепада будет работать как датчик давления, но показания будут со знаком минус вместо плюса.

Довольно широко применяются механические датчики дифференциального давления (перепада давления) для контроля степени загрязнения фильтров систем вентиляции, водоподготовки, газоснабжения и др. Конструкция механических датчиков перепада схожа с конструкцией реле давления. Единственное отличие заключается в том, что на упругодеформируемую диафрагму измеряемое давление прикладывается не с одной, а с обеих сторон.


Схема контроля чистоты фильтра работает следующим образом. Плюсовая камера дифференциального датчика давления соединяется с пространством трубы до фильтра, минусовая камера с трубой после фильтра. Если фильтр чистый, то рабочая среда (газ, воздух, вода и т.п.) беспрепятственно проходят через фильтр. Давления среды до и после фильтра практически равны. По мере загрязнения фильтра его сопротивление протекающему потоку возрастает, а значит, возрастают потери давления на фильтре. В результате давление среды после фильтра становиться меньше чем давление среды до фильтра. Возникшая разность (перепад) давлений воздействует на мембрану датчика перепада, изгибает ее в определенном направлении, что в результате приводит либо к замыканию встроенной контактной группы, либо к перемещению стрелки датчика перепада в «красную» зону.

Замкнувшийся контакт датчика перепада либо включает сигнализирующую лампу «Засорение фильтра», либо запускает схему автоматической очистки (промывки) фильтра. Нахождение стрелки датчика перепада в «красной» зоне (для датчиков перепада без выходной контактной группы) сигнализирует обслуживающему установку персоналу о необходимости проведения технического обслуживания фильтра — его очистке.

Дополнительную информацию вы можете найти в разделе «Вопрос-ответ».

Посмотреть другие статьи в том числе про измерение давления.

Датчики дифференциального (перепада) давления. Описание и принцип работы

Датчики дифференциального (перепада) давления применяются для преобразования перепада давления (разности давлений) в унифицированный выходной сигнал напряжения, тока или индуктивности. Наиболее популярными являются датчики с унифицированным токовым выходом (0-5 мА, 0-20 мА, 4-20 мА).

Датчик ИД-Р-ЦС-Ex
ИД-Р-ЦС-Ex датчик разности давлений

Чувствительными элементами приборов являются мембраны и тензорезисторы. Сопротивление измеряется следующим образом. К измерительной мембране крепятся тензодатчики, она изолирована от рабочей среды. Давление среды принимают на себя мембранные разделители. Пространство между измерительной и разделительными мембранами заполнено специальной жидкостью. Под воздействием давления происходит деформирование мембран разделителей, которые в свою очередь деформируют измерительную мембрану, а за ней тензорезисторы. Тензорезисторы преобразуют степень деформации в тот или иной выходной сигнал. На дифференциальный датчик давление действует с двух сторон, поэтому корпус прибора имеет два соединительных штуцера: плюсовой и минусовой. Как правило, штуцеры располагаются параллельно, но бывают модели с соосным расположением штуцеров. Датчик показывает разницу давления со знаком соответствующим штуцеру.

Датчик МИДА-ДД-15-Ех
МИДА-ДД-15-Ех датчик разности давлений с соосным расположением штуцеров

Датчики дифференциального давления рассчитаны на измерение относительно небольших значений давления среды. Эти значения варьируются от нескольких миллиметров водяного столба до нескольких сотен килопаскаль (1 мм. вод. ст. = 0.009807 кПа). Датчики перепада соединяются с первичными преобразователями посредством импульсных трубок.

Трубка импульсная
Импульсная трубка

Импульсные трубки используются для подключения различных приборов измерения давления, являются самым экономичным вариантом. Предназначение трубок – защита датчиков от чрезмерного нагрева и пульсации измеряемой среды. При монтаже импульсных трубок  необходимо учесть, что импульсная линия должна быть максимально короткой, так как с ее увеличением возрастает задержка распространения импульса давления, что довольно критично для контуров регулирования интенсивно протекающих процессов.

Датчики перепада давления применяются в системах теплоснабжения, водоснабжения, вентиляции, машиностроения и иных системах требующих постоянной балансировки за счет обеспечения и поддержания перепада.

Датчик дифференциального давления: принцип работы, сфера использования

датчик давленияПри добыче, переработке, хранении нефтепродуктов и газовых смесей основным критерием, отвечающим за качество и безопасность, является соблюдение технологического регламента производства. А это достигается путем максимально точного контроля и регулирования технологических параметров, таких как давление, расход, вязкость, уровень, температура, химический состав. Для обеспечения этого существуют приборы КИП.

Принцип работы

При измерении расхода жидкости или газа могут использоваться различные методы и приборы контроля. Одним из таких является датчик дифференциального давления. Принцип его работы заключается в том, что в трубопроводе создается препятствие потоку с помощью сужающего устройства. Поток жидкости или газа, проходя через этот участок трубопровода, меняет характеристику своего течения. Перед заужением давление возрастает, а сразу за ним оно понижается. Разница между этими характеристиками будет тем больше, чем больше расход среды, протекающей через трубу. Эти давления и измеряет датчик дифференциального давления — дифманометр. Другое название таких приборов — датчик разности давлений.

Разновидности датчиков

Конструктивно они очень разнообразные. Имеют различные принципы преобразования измеряемого параметра и разный выходной сигнал. Могут иметь табло или работать только с вторичными приборами. Раньше дифманометры были пневматическими, но на смену морально устаревшим приборам пришли электронные, в которых перепад давлений, при помощи чувствительного элемента — тензодатчика, преобразуется в унифицированный электрический токовый сигнал 0-20, 4- 20 миллиампер. Такие приборы более экономичные, надежные, более точные и имеют расширенный рабочий диапазон температур от -45 до +125 гр. С. В зависимости от предъявляемых требований, приборы подразделяются:

• по способу установки;

• подключению;

• искробезопасности;

• взрывозащите.

Область применения дифманометров

Все больше приборов контроля расхода находят применения в инженерных сетях коммунального хозяйства. Помимо своего основного предназначения, измерять расход, датчик дифференциального давления, может применяться в качестве гидростатического уровнемера. В таком случае плюсовая линия прибора устанавливается в резервуаре с измеряемым уровнем жидкости, а минусовая линия сообщается с атмосферой. Таким образом, при увеличении уровня, увеличится и перепад давлений в разных секторах измерительного блока датчика.

Датчики дифференциального давления от Omron / Статьи и обзоры / Элек.ру

В марте прошлого года компания Omron Electronic Components BV, признанная во всем мире как лидер производства высококачественных инновационных электронных компонентов, представила серию цифровых датчиков дифференциального давления D6F-PH, обеспечивающих исключительную точность и повторяемость измерений таких параметров низкоскоростных воздушных потоков, как давление и расход, недостижимые для ранее используемых аналогов емкостного или пьезоэлектрического типа.

Благодаря цифровой технологии, основная опция измерения давления в датчиках серии D6F-PH может дополняться измерением расхода воздушного (газового) потока и его температуры, а по заявке заказчика — даже детектированием аварийной ситуации по достижении температурой заданного порогового значения. Превосходная чувствительность и способность производить измерения в различных газовых потоках с низким расходом позволяет использовать новые приборы в высококачественном медицинском, химико-технологическом оборудовании и в научных исследованиях. Столь замечательные результаты конструирования электронных приборов, предназначенных для измерения и управления параметрами физической среды, невозможно было бы получить вне сферы стремительно развивающихся в настоящее время технологий проектирования и производства микроэлектромеханических систем (Microelectromechanical Systems, MEMS).

Как и любой продукт МЭМС-технологий, датчик дифференциального давления от Omron представляет собой микросистему, объединяющую два самостоятельных компонента. Первый из них — исполненный на отдельном кристалле измерительный элемент, преобразующий контролируемые параметры физической среды в некоторый электрический сигнал. Второй — специализированная интегральная микросхема (Application Specific Integrated Circuit, ASIC), осуществляющая обработку входного и формирование выходного сигнала, содержащего информацию об измеряемом параметре.

Микрофотоснимок измерительного элемента в датчике (рис. 1а) иллюстрирует реальные размеры и топологию размещения (рис. 1б) его составных частей. Трудно представить себе, что столь совершенная измерительная система имеет габариты всего лишь 1,25 х 1,25 х 0,4 мм! При внимательном изучении рисунка в центре кристалла можно видеть выполненный по тонкопленочной технологии нагревательный элемент, о котором речь пойдет позже, и три независимых термоэлемента — А, В и базовый. Выводы этих элементов соединены с показанными на рисунке контактными площадками, предназначенными для подключения к специализированной микросхеме ASIC. Тонкая подложка измерительного элемента для обеспечения требуемой стойкости к механическим и вибрационным воздействиям соединена с керамическим основанием. В нижней части рис. 1б представлено поперечное сечение измерительного элемента, где видно, что в центральной части основания под нагревательным и термочувствительными элементами вытравлена полость, снижающая охлаждающее воздействие основания на измерительный элемент при его нагреве.

Рис. 1. Конструкция измерительного элемента в датчике дифференциального давления D6F–PH

Рис. 1. Конструкция измерительного элемента в датчике дифференциального давления D6F–PH

Как упоминалось выше, процесс принудительного нагрева контролируемой датчиком физической среды положен в основу действия прибора и ужесточает условия его функционирования, что связано с возникающими механическими напряжениями композитных материалов и деградацией электрических свойств незащищенных токонесущих элементов. Поэтому важно оградить измерительный элемент и от возможной химической агрессивности среды. Защитные свойства измерительного узла обеспечивают не только показанный на рисунке изолирующий слой поверх токонесущих элементов, но и используемая в компании Omron технология производства МЭМС-датчиков дифференциального давления и других продуктов аэрокосмического назначения, соответствующих самым жестким требованиям эксплуатации.

Принцип работы

Типовая схема применения датчика дифференциального давления представлена на рис. 2, где стрелкой показано направление движения газа (воздуха) в основном канале. При этом давление на входе диафрагмы обозначено через Р1, на выходе — Р2. Для измерения дифференциального давления обводную трубку со входа диафрагмы подключают к патрубку датчика с индексом «+», с выхода — с индексом «–». Тогда измеряемое дифференциальное давление составит величину ΔР = Р1–Р2. Если обводные трубки подключить к измерительной диафрагме наоборот, датчик покажет результат измерения со знаком минус. Чтобы результат измерения перепада давления соответствовал истинному значению с точностью до знака, изначальное подключение обводных трубок с высоким и низким давлением должно соответствовать вышеуказанному правилу.

Рис. 2. Типовая схема применения датчика дифференциального давления

Рис. 2. Типовая схема применения датчика дифференциального давления

Принцип измерения дифференциального давления иллюстрирует рис. 3, показывающий распределение температурного поля в рабочем пространстве датчика, поперечное сечение конструкции которого пояснялось на рис. 1б. На рис. 3а видно, что в отсутствии движения воздуха в измерительном канале температурное поле симметрично относительно нагревательного элемента, следовательно, выходное напряжение на термоэлементах А (со стороны плюсового патрубка) и В (минусового) одинаково, их разность равна нулю. При возникновении движения воздуха в измерительном канале перпендикулярно оси нагревательного элемента (рис. 3б) температурное поле перераспределяется, при этом больший нагрев термоэлемента В вызывает возрастание напряжения на его выводах и, соответственно, меньший нагрев термоэлемента А приводит к уменьшению его выходного напряжения. Следовательно, разность напряжений на выводах термоэлементов А и В позволяет определить дифференциальное давление в основном канале транспортируемого воздуха (газа), а зная сечение канала, и расход. Такую расчетную задачу обработки данных измерения выполняет упомянутая ранее специализированная микросхема, соединенная с выводами измерительного датчика.

Рис. 3. Измерение дифференциального давления на основе перераспределения температурного поля, создаваемого нагревательным элементом в датчике D6F–PH

Рис. 3. Измерение дифференциального давления на основе перераспределения температурного поля, создаваемого нагревательным элементом в датчике D6F–PH

По своей сути данная специализированная микросхема является однокристальной микро-ЭВМ, содержащей все необходимые для ее функционирования элементы — процессор, оперативную и долговременную память с «зашитой» в ней управляющей программой, регистры хранения и обработки информации, аналого-цифровые преобразователи, интерфейс обмена информацией с внешней ЭВМ и др. Подробнее со структурой микро-ЭВМ и форматом цифровых данных, используемых в датчике, можно ознакомиться в источнике [2].

Цифровая обработка информации в датчике дифференциального давления позволяет программно устранить показанную на рис. 4 нелинейную зависимость выходного напряжения, формируемого измерительной частью. Вследствие теплового механизма проведения измерений результат нелинейно зависит как от скорости измеряемого потока, так и от колебаний температуры воздуха в некотором интервале ΔТ, как это обозначено на рисунке. Основываясь на дополнительных данных, получаемых от базового термоэлемента (рис. 1б), микро-ЭВМ линеаризует требуемую зависимость и выполняет температурную коррекцию с погрешностью выходных данных не хуже ±3%. Причем выходные данные формируются в виде последовательного цифрового потока формата I2C.

Рис. 4. Зависимость выходного напряжения в измерительном элементе датчика от температуры и измеряемого расхода воздуха

Рис. 4. Зависимость выходного напряжения в измерительном элементе датчика от температуры и измеряемого расхода воздуха

Результаты исследования устойчивости к пылевому загрязнению контролируемой среды датчиков дифференциального давления от различных производителей изложены в статье [3], где показано влияние не только конструктивного исполнения прибора на жизнестойкость подобных изделий, но и их ориентации в пространстве при функционировании, а также рабочего расхода воздуха при измерении. Чем он меньше, тем выше ресурс прибора. Следовательно, изначально рассчитанные на низкое дифференциальное давление датчики серии D6F–PH, дополнительно оборудованные системой BDSS и правильно сориентированные в пространстве, имеют неоспоримое преимущество перед остальными аналогами.

Устройство двунаправленного пылевого фильтра иллюстрирует рис. 5а. Запыленный воздух через входной патрубок тангенциально входит в цилиндрический корпус первого по пути движения воздуха микроциклона, соосно с которым смонтирован выходной патрубок для очищенного воздуха. Через 180° также тангенциально к корпусу микроциклона подсоединен выходной патрубок для запыленного воздуха. Аналогичный второй микроциклон включен последовательно с первым, при этом не имеет значения, какой из микроциклонов будет первым, а какой — вторым, т. е. эффективность очистки воздуха не зависит от направления движения воздуха в фильтре, что особенно важно для дифференциальных датчиков, где движение воздушного потока может происходить как в прямом, так и в обратном направлении.

Рис. 5. Устройство двунаправленного пылевого фильтра в датчике D6F–PH

Рис. 5. Устройство двунаправленного пылевого фильтра в датчике D6F–PH

Как показано на рис. 5б, при входе в микроциклон условно выделенные оранжевым цветом частицы пыли, обладающие некоторой массой, под воздействием центробежной силы смещаются в радиальном направлении к корпусу микроциклона и, увлекаемые воздушным потоком, через патрубок выходят из первого и попадают во второй циклон. Очевидно, что в соосный с корпусом микроциклона выходной патрубок частицы пыли попасть не могут, поскольку направление движения воздуха в нем перпендикулярно по отношению к плоскости вращательного движения запыленного воздуха. Этим достигается достаточно глубокая степень очистки воздуха, подаваемого по отдельному каналу к МЭМС-датчику, что позволяет обеспечить требуемую точность и стабильность измерений.

Особенности применения и технические параметры

Основные конструктивные параметры датчиков дифференциального давления серии D6F–PH приведены на рис. 6. Обращает на себя внимание наличие взаимно перпендикулярно ориентированных двух пар крепежных отверстий со внутренним диаметром 2 мм, что предоставляет конструктору при проектировании измерительной установки возможность выбора различных вариантов крепления датчика. Для справки на рисунке показана фактически отсутствующая на изделии маркировка «+» и «–» патрубков, которую следует учитывать при подключении обводных трубок с высоким и низким давлением соответственно, о чем пояснялось выше. На верхней части рисунка над размерной линией 22 мм, соответствующей межосевому расстоянию крепежных отверстий, показаны штыревые электрические контакты. Для подключения к ним напряжения питания и сигнальных проводников следует использовать соответствующую ответную четырехконтактную гнездовую часть разъема и ни в коем случае не прибегать к непосредственной припайке проводников.

Рис. 6. Конструктивные размеры датчиков серии D6F–PH

Рис. 6. Конструктивные размеры датчиков серии D6F–PH

Для снижения погрешности измерения рекомендуется размещение подводящих обводных трубок в горизонтальной плоскости, о чем упоминалось ранее как о правильном пространственном ориентировании. Длина обводных трубок внутренним диаметром 4 мм не должна превышать 800 мм. В этом случае дополнительная погрешность измерения расхода потока контролируемой среды не превысит 1%.

Датчик должен быть прочно закреплен винтами с метрической резьбой М1,8 на плоской поверхности при ограничении вращающего момента до 0,36 нм. Неправильная установка может привести не только к возрастанию погрешности измерений, но и к повреждению датчика. Нормируемые показатели погрешностей при использовании приборов приведены в таблице 1.

Таблица 1. Технические параметры датчиков дифференциального давления серии D6F-PH

novaya_seriya_datchikov_differentsialnogo_davleniya_ot_omron_tab1

Следует учитывать, что приведенный в таблице допустимый измерительный интервал дифференциального давления калибруется при стандартном атмосферном давлении 1013,25 гПа. При этом калибровочный газ (воздух) не должен содержать больших частиц пыли, нефти или сконденсировавшейся влаги. Относительная влажность воздуха не должна превышать значения 85%. Погрешность установки нуля в приборе и погрешность проводимых измерений в общем случае некоррелированы, и поэтому должны складываться.

Аппаратное и программное обеспечение тестирования датчика

При автономном тестировании датчика достаточно иметь некоторую установку, регулирующую параметры среды, и два контролирующих прибора — образцовый и тестируемый. В такой схеме ЭВМ необходима лишь для регистрации показаний приборов в целях их сравнительной оценки. Поскольку формат интерфейса для обмена данными между ЭВМ и тестируемым датчиком предопределен как I2C, а подавляющее большинство ЭВМ таким интерфейсом не оборудованы, необходим специальный адаптер, конвертирующий имеющийся во всех ЭВМ интерфейс USB в требуемый I2C. С одной стороны адаптер через разъем мини-USB отдельным кабелем соединяют с ЭВМ, а с другой стороны подключают к датчику через четырехпроводный кабель со специальным гнездовым разъемом. Все вышеперечисленные элементы составляют аппаратное обеспечение, необходимое для тестирования датчика.

Однако впервые подключенный адаптер с присоединенным к нему датчиком ЭВМ воспринимает как неизвестное оборудование. Для его распознавания необходимо установить драйвер устройства, для чего потребуется скачать с сайта производителя модуля [4] архив CDM 2.08.30 WHQL Certified.zip, разархивировать его и указать установщику оборудования полученный каталог как источник. При успешной установке драйвера в диспетчере устройств ЭВМ появится виртуальный COM-порт, как это выделено красной рамкой на рис. 7. Теперь при отключении адаптера от ЭВМ дополнительный виртуальный порт будет исчезать из перечня оборудования, при повторном подключении — снова появляться.

Рис. 7. Результат установки виртуального последовательного порта на ЭВМ

Рис. 7. Результат установки виртуального последовательного порта на ЭВМ

После проведения указанных операций датчик готов для включения в измерительную схему, но для обращения ЭВМ к датчику и получения результатов измерения необходима отдельная управляющая программа D6_Flow_demo_v1.0.exe, которую можно заказать и получить в компании Omron. При запуске исполняемой программы на экране монитора разворачивается рабочее окно D6F Digital Flow Sensor Monitor (FTDI — I2C) v1.0 интерфейса общения с датчиком (рис. 8), где для типа D6F–PH5050AD3 в разделе Select Mode выбирают Mode3, в разделе Mesure Mode — Pressure, Interval time — 1 ms, на электронной клавише вместо предустановленного по умолчанию расхода 5 л/мин выбирают перепад давления ±500 Па, а затем последовательно нажимают экранные кнопки Normal Mode и Start. В результате кнопка Start изменит свое функциональное назначение, о чем будет свидетельствовать появившаяся на ней надпись Stop, и с выбранной периодичностью 1 мс в соответствующих показанных на рисунке окнах будут обновляться цифровые данные, сигнализирующие о текущем значении измеряемого перепада давления и температуры контролируемой среды. Одновременно поток отображаемых цифровых данных аккумулируется в файле, который можно просмотреть после нажатия на кнопку Stop. Для этого необходимо нажать перешедшую в активное состояние экранную кнопку CSV Gen, а затем в выпадающем рабочем окне FileSelection выбрать директорию для сохранения файла и присвоить ему некоторое идентификационное имя.

Рис. 8. Интерфейс выбора режима датчика и регистрации результатов измерения

Рис. 8. Интерфейс выбора режима датчика и регистрации результатов измерения

После переноса данных в файл Microsoft Excel для их анализа и графического представления можно использовать весь богатый математический аппарат Microsoft Excel, в том числе и средства построения графиков требуемого формата.

Измерение статического давления

Поскольку принцип работы датчика D6F PH основан на измерении теплоотдачи при движении воздуха через термоанемометрический чувствительный элемент, при измерении давления через датчик должен постоянно проходить некоторый расход воздуха. Это принципиально отличает его от датчиков, использующих в качестве чувствительного элемента снабженные тензорезистором мембраны различной формы. В таких датчиках используется закрытая полость, в которой под воздействием сил давления деформируется тонкая мембрана, и затем ее деформация преобразуется в сигнал тензорезистора. Поэтому для исследователей представляет большой практический интерес сравнение результатов измерения статического давления с помощью датчиков, основанных на столь разных физических принципах. Такое исследование коренным образом отличается от типовой схемы применения (рис. 2) и способно продемонстрировать широкую универсальность применения исследуемых датчиков серии D6F PH. В качестве образцовых мембранных датчиков были выбраны многодиапазонные датчики давления АИР 10 НПП ЭЛЕМЕР [5].

Для проведения сравнительных испытаний была собрана лабораторная установка, схема которой представлена на рис. 9. Ввиду особенностей конструкции датчиков АИР–10 давление с их помощью может определяться только в одну сторону — или больше атмосферного, или меньше. Поэтому в установке были использованы два образцовых датчика АИР 10, один из которых измерял давление выше атмосферного, другой — ниже. Тестируемый датчик D6F PH позволяет определять давление как выше атмосферного, так и ниже, которое индицируется со знаком «–». На рисунке видно, что давление в сосуде создается за счет нагрева воздуха. Так как примененный в испытаниях датчик D6F PH5050AD3 имеет ограничение по измеряемому давлению в пределах ±500 Па, то на установке было предусмотрено устройство по ограничению уровня давления в системе. При достижении уровня давления 500 Па (50 мм водного столба) излишний воздух уходит из сосуда. Рабочий диапазон датчиков АИР–10 был предустановлен в интервале значений 0–1000 Па, что в соответствии с рабочей документацией позволило получить значение их инструментальной погрешности в 1,2% (12 Па).

Рис. 9. Схема лабораторной установки при испытании датчика D6F–PH в условиях статического давления

Рис. 9. Схема лабораторной установки при испытании датчика D6F–PH в условиях статического давления

При проведении эксперимента включался нагреватель, при этом давление поднималось до предельного значения и фиксировалось на этом уровне. Через некоторое время нагреватель выключался, при охлаждении воздуха в замкнутом объеме сосуда давление опускалось ниже атмосферного. Для проверки повторяемости результатов цикл «нагрев–охлаждение» проводился несколько раз. Результаты измерения одного из повторяющихся циклов представлены на рис. 10. На графиках представлены три кривые: для датчика D6F–PH, для давления выше атмосферного (датчик АИР–10+), для давления ниже атмосферного (датчик АИР–10–).

Рис. 10. Сравнительный результат измерения давления образцовыми и тестируемым датчиками

Рис. 10. Сравнительный результат измерения давления образцовыми и тестируемым датчиками

Графики демонстрируют хорошее согласование результатов измерения давления обоих типов датчиков. На стадии подъема и снижения давления динамические характеристики всех датчиков совпадают с достаточной степенью точности. На участке постоянного максимального давления имеется некоторое расхождение значений, причем полученные датчиком D6F PH данные в среднем на 30–40 Па ниже, чем аналогичные, полученные с помощью датчиков АИР–10. Относительная погрешность составляет 4–5%, что считается хорошей точностью для данной серии экспериментов, и, возможно, связано с близостью измеряемого давления к предельному значению датчика D6F PH. Обращает на себя внимание ступенчатый характер давления, измеряемый датчиком АИР–10+ на 25-й секунде эксперимента, обусловленный большой дискретностью времени опроса в регистраторе, из чего следует малая пригодность применения таких датчиков для контроля высокодинамичных процессов. На этом же рисунке линия, соответствующая результату измерения перепада давления датчиком D6F PH, благодаря малому времени реакции (см. табл. 1) не претерпевает никаких разрывов, что делает их незаменимыми в исследовании подобных процессов.

Таким образом, по результатам экспериментов можно сделать вывод о возможности измерения статического давления с достаточной степенью точности с помощью датчика давления D6F–PH, использующего термоанемометрический принцип. Отдельно необходимо отметить возможность измерения разнополярного давления (как выше атмосферного, так и ниже), что позволяет существенно снизить стоимость лабораторного оборудования по сравнению со схемой, базирующейся на применении однополярных датчиков давления. При этом следует учитывать, что необходимость течения воздуха через датчик D6F–PH исключает его использование для контроля давления с фиксированным объемом воздуха.

Исследование воздушного потока пневмометрическим методом

Другой важной областью применения датчиков дифференциального давления является измерение скорости потока по разности полного и статического давления в соответствии с законом Эйлера. Для замера полей скоростей и давлений в воздушных каналах использовалась стандартная методика, изложенная в [6]. С целью исследования возможности применения датчика D6F PH для измерения скорости потока была собрана установка, представленная на рис. 11. В качестве приемника полного давления использовалась тонкая металлическая трубка со специально спрофилированным концом, ориентированным навстречу потоку. Для точного позиционирования приемника применялся шаговый двигатель, с помощью которого приемник поворачивался на заданный угол в пределах от –90 до +90° относительно центральной оси потока. Набегающий поток с заданными параметрами формировался с помощью электровентилятора в трубе, на выходе из которой помещался приемник полного давления.

Рис. 11. Схема лабораторной установки для исследования воздушного потока пневмометрическим методом с помощью датчика D6F–PH

Рис. 11. Схема лабораторной установки для исследования воздушного потока пневмометрическим методом с помощью датчика D6F–PH

Результаты эксперимента представлены на рис. 12. С помощью датчика D6F–PH фиксировалось давление потока в зависимости от угла осевой ориентации приемника по отношению к потоку. Отчетливо заметно, что при больших углах давление становится ниже атмосферного, как это определяется условиями обтекания приемника полного давления потоком воздуха. Постепенно поворачивая приемник и фиксируя максимальное значение давления, можно определить не только величину скорости потока, но и его направление. Хорошо видно, что в диапазоне углов –13…+33° полное давление достигает максимума 340±30 Па, обусловленного параметрами контролируемого потока.

Рис. 12. Зависимость полного давления в воздушном потоке от ориентации приемника в датчике

Рис. 12. Зависимость полного давления в воздушном потоке от ориентации приемника в датчике

Полученный результат измерения полного давления позволяет с помощью несложных вычислений найти скорость потока с в различных точках его продольного сечения по траектории перемещения приемника, как показано на рисунке. Для этого используют известное уравнение Эйлера [7]:

с = (2p/ρ)1/2 (1)

где р — давление, измеряемое датчиком, ρ — плотность воздуха.

Чтобы определить плотность воздуха, необходимо воспользоваться уравнением состояния Менделеева-Клайперона:

ρ = р/(RT) (2)

где R — газовая постоянная воздуха, равная 287 Дж/(кг•К), Т — термодинамическая температура воздуха, Т = t + 273 К. В свою очередь, здесь t — температура воздуха в °С.

После подстановки известных данных из (2) в (1) получаем, что максимальная скорость воздуха на оси потока составила с = 23±0,3 м/с, относительная погрешность определения скорости при этом не превышала ±1,5%. Максимальное давление от скоростного напора по конструктивным особенностям примененного датчика не может превышать 500 Па, что соответствует скорости потока воздуха в стандартных атмосферных условиях примерно 28 м/с.

Полученные и представленные на рисунке данные позволяют сделать вывод о возможности использования датчика D6F PH для определения скорости и направления воздушного потока пневмометрическим методом. При этом необходимость пропускать воздух через датчик отлично вписывается в схему измерений. Можно предположить, что предельно высокая чувствительность аналогичного датчика D6F–PH0505AD3 в области слабых перепадов давлений как выше, так и ниже атмосферного и хорошие динамические характеристики делают его уникальным и удобным инструментом при определении сложных полей скоростей конвекционных потоков воздуха в научно-исследовательских и производственных помещениях с принудительной и естественной вентиляцией, например там, где особую важность приобретает чистота воздуха — медицина, производство интегральных микросхем, элементов микроэлектромеханических систем и др.

Литература

  1. http://microsite.omroncomponents.com/assets/D6F-PH_Datasheet.pdf
  2. http://www.mouser.com/pdfdocs/ApplicationNotes_Diff_Pressure_Sensor_App_note_D6FPH_Rev_1.pdf
  3. Григорьев А. МЭМС-датчики дифференциального давления // Электронные компоненты. 2013. № 7.
  4. http://www.ftdichip.com/Drivers/VCP.htm
  5. Каталог продукции. Научно-производственное предприятие ЭЛЕМЕР. 2011.
  6. ГОСТ 12.3.018–79 «Методы аэродинамических испытаний».
  7. Петунин А. Н. Методы и техника измерений параметров газового потока. М.: Машиностроение. 1972.

Станислав Косенко,
Олег Михеев,
Максим Федотов, 
Иван Некрасов
Статья опубликована в журнале «Вестник Электроники», №2 2014

Типы датчиков измерения давления

В современной пищевой промышленности, энергетике, газовой, нефтяной и других отраслях широко применяются  датчики давления. Прибор служит для максимально точного фиксирования показателей давления исследуемой в конкретном случае среды и последующего преобразования полученного сигнала в электрический или цифровой результат. По такому параметру, как принцип действия, принято выделять следующие типы датчиков давления: оптические, резистивные, магнитные, пьезоэлектрические, емкостные, ртутные, пьезорезонансные.

В состав любого датчика давления входит:

  • первичный преобразователь давления с чувствительным элементом;
  • различные по конструкции корпусные детали;
  • схемы для повторной обработки сигнала.

ЕМКОСТНЫЕ ДАТЧИКИ

Имеет одну из наиболее простых конструкций. Состоит из двух плоских электродов и зазора между ними. Один из этих электродов представляет собой мембрану на которую давит измеряемое давление, вследствие, чего изменяется величина зазора. То есть, по сути, этот тип датчиков представляет собой конденсатор с изменяющейся величиной зазора. А как известно емкость конденсатора зависит от величины зазора. Емкостные датчики способны фиксировать очень маленькие изменения давления.

ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ДАТЧИКИ

Чувствительным элементом датчиков этого типа является пьезоэлемент — материал, выделяющий эклектический сигнал при деформации (прямой пьезоэффект). Пьезоэлемент находится в измеряемой среде, он будет выделять ток пропорциональный величине изменения давления. Так как электрический сигнал в пьезоматериале выделяется только при деформировании, а при постоянном давлении деформирование не происходит, то этот датчик пригоден только для измерения быстро меняющегося давления.

ОПТИЧЕСКИЕ ДАТЧИКИ

Оптические датчики давления могут быть построены на двух принципах измерения: волоконно-оптическом и оптоэлектронном.

Волоконно-оптические

Волоконно-оптические датчики давления являются наиболее точными и их работа не сильно зависит от колебания температуры. Чувствительным элементом является оптический волновод. Об измеряемой величине давления в таких приборах обычно судят по изменению амплитуды и поляризации проходящего через чувствительный элемент света. 

Оптоэлектронные

Датчики этого типа состоят из многослойных прозрачных структур. Через эту структуру пропускают свет. Один из прозрачных слоев может изменять свои параметры в зависимости от давления среды. Есть 2 параметра, которые могут изменяться: первый это показатель преломления, второй это толщина слоя.

На иллюстрации показаны оба метода, изменение показателя преломления — рисунок а, изменение толщины слоя — рисунок б.

optoelektroniy

Понятно, что при изменении этих параметров будут меняться характеристики проходящего через слои света, это изменение будет регистрироваться фотоэлементом. Более подробно об оптоэлектронных датчиках давления можно почитать в этом PDF документе. К достоинствам датчика этого типа можно отнести очень высокую точность.

РТУТНЫЕ ДАТЧИКИ

Тоже очень простой измерительный прибор. Работает по принципу сообщающихся сосудов. На один из этих сосудов давить измеряемое давление. Давление определяется по величине ртутного столба.

МАГНИТНЫЕ ДАТЧИКИ

Другое название таких датчиков — индуктивные. Чувствительная часть таких датчиков состоит их Е-образной пластины, в центре которой находится катушка, и проводящей мембраны чувствительной к давлению. Мембрана располагается на небольшом расстоянии от края пластины. При подключении катушки, создается магнитный поток, который проходит через пластину, воздушный зазор и мембрану. Магнитная проницаемость зазора примерно в тысячу раз меньше магнитной проницаемости пластины и мембраны. Поэтому, даже небольшое изменение величины зазора влечет за собой заметное изменение индуктивности.

magnitniy

ПЬЕЗОРЕЗОНАНСНЫЕ

Этот тип тоже использует пьезоэффект, только в отличие от прошлого типа тут используется обратный пьезоэффект — изменение формы пьезоматериала в зависимости от подаваемого тока. В датчиках данного типа используется резонатор (например пластина) из пьезоматериала, на которую нанесены с двух сторон электроды. На электроды по переменно подается напряжение разного знака, таким образом пластина изгибается то в одну то в другую сторону с частотой подаваемого напряжения. Но если на эту пластину подать силу, например мембраной чувствительной к давлению, то частота колебания резонатора изменится. Частота резонатора и будет показывать величину, с которой давление давит на мембрану, а она в свою очередь давит на резонатор.

Схема пьезорезонатора

Пьезорезонансный датчик давления

В качестве примера, на рисунке приведен пьезорезонансный датчика абсолютного давления. Он выполнен в виде герметичной камеры

1. Герметичность достигается соединением корпуса 2, основания 6 и мембраны 10, которая крепится к корпусу с помощью электронно-лучевой сварки. На основании 6 закреплены два держателя: 4 и 9. Держатель 4 крепится к основанию с помощью специально перемычки 3 и он держит силочувствительный резонатор 5. Держатель 9, установлен для крепления опорного пьезорезонатора 8.
Мембрана 10 передает усилие через втулку 13 на шарик 6, закрепленный в держателе 4. Шарик 4 передает силу давления на силочувствительный резонатор 5.
Провода 7 крепятся на основании 6 и служат для соединения резонаторов 5 и 8 с генераторами 17 и 16 Выходной сигнал абсолютного давления формируется схемой 15 из разности частот генераторов. Датчик давления помещен в активный термостат 18 с постоянной температурой 40 градусов Цельсия. Измеряемое давление подается через штуцер 12.

РЕЗИСТИВНЫЕ

По-другому этот тип датчиков называет тензорезистивный. Тензорезистор — это элемент, изменяющий свое сопротивление в зависимости от деформирования. Эти тензоризисторы устанавливают на мембрану чувствительную к изменению давления. В итоге, при давлении на мембрану она изгибается и изгибает тензоризисторы, закрепленные на ней. Вследствие чего, сопротивление на них меняется и меняется величина тока в цепи.

ДАТЧИКИ ДАВЛЕНИЯ С АНАЛОГОВЫМ ВЫХОДОМ

Для непрерывного измерения давления и передачи его значения в системы учета и контроля применяются датчики давления со стандартными выходными сигналами тока или (существенно реже) напряжения. Датчики могут измерять избыточное или абсолютное давление, а также разряжение. Это зависит от конструкции датчика. Абсолютное давление это сумма избыточного и атмосферного давлений.

РАБСОЛЮТНОЕ = РИЗБЫТОЧНОЕ + РАТМОСФЕРНОЕ

Датчик давления состоит из сенсора, модуля преобразования сигнала сенсора, дисплея и корпуса. В настоящее время наиболее распространены тензометрические сенсоры с металлической мембраной. Все более широкое применение находят емкостные сенсоры с мембраной из сверхчистой керамики (99,9% Al2O3).

davlenie

Принцип действия тензосенсоров с металлической мембраной основан на измерении деформации тензорезисторов, сформированных в тонкой пленке кремния на сапфировой подложке (КНС), припаянной твердым припоем к титановой мембране. Иногда вместо кремниевых тензорезисторов используют металлические: медные, никелевые и др. Принцип действия тензорезисторов основан на явлении тензоэффекта в материалах, который выражается в том, что при линейном удлинении проводника его электрическое сопротивление увеличивается. Тензорезисторы соединены в мост Уитсона. Под действием давления измеряемой среды мембрана прогибается, тензорезисторы деформируются. Их сопротивление меняется, что приводит к разбалансу моста. Разбаланс имеет линейную зависимость от степени деформации резисторов и, следовательно, от приложенного к мембране давления. Разбаланс моста преобразуется электроникой датчика в выходной аналоговый сигнал и в цифровой код для вывода данных на дисплей. Мембрана и корпус сенсора образуют герметичную конструкцию, заполненную внутри кремнийорганической жидкостью.

membrana

Несмотря на множество достоинств, таких как: высокая степень защиты от воздействия агрессивных сред, высокая предельная  температуры измеряемой среды, низкая стоимость, отлаженное серийное производство датчики давления с тензосенсорами и металлической мембраной имеют ряд недостатков. В частности, неустранимую временную нестабильность передаточной характеристики (давление-ток) и существенные гистерезисные эффекты от воздействия давления и температуры. Это обусловлено неоднородностью конструкции и жесткой связью мембраны с корпусом сенсора. При эксплуатации датчиков с сенсорами данного типа практически всегда наблюдается эффект прямого и обратного хода. Например, если на датчик со шкалой 0-10 Bar и выходным сигналом 4-20 mA подать давление 5 Bar, плавно увеличивая его с 0 значения то установиться, допустим, выходной ток 11,5 mA. Если же, на тот же датчик подать давление 5 Bar, но теперь  плавно уменьшая с 10 Bar, то выходной сигнал будет уже 12,5 mA. Этот эффект связан с упругими свойствами металлической мембраны.

tenzodatchik

Работа емкостных сенсоров датчиков давления основана на зависимости емкости конденсатора от расстояния между его обкладками. Чем меньше расстояние, тем больше емкость. Роль одной обкладки (подвижной) выполняет металлизация внутренней стороны мембраны, роль второй обкладки (неподвижной) – металлизация основания сенсора. Подвижная мембрана изготавливается из сверхчистой керамики, кремния или упругого металла. При изменении давления процесса (рабочей среды) мембрана с обкладкой деформируется, расстояние между ней и основанием сенсора изменяется и происходит изменение емкости.

emkostnoj

Достоинством емкостного сенсора из сверхчистой керамики является простота конструкции, высокая точность и временная стабильность показаний, возможность измерять низкие давления и слабый вакуум благодаря отсутствию заполняющего масла. Керамическая мембрана обладает коррозионной стойкостью к химически-агрессивным средам и стойкостью к истиранию. Кроме того у емкостных керамических сенсоров отсутствует эффект прямого и обратного хода. Они в меньшей степени подвержены воздействию гидравлических ударов, так как мембрана в этом случае просто прижимается к основанию сенсора.

К недостаткам емкостных сенсоров можно отнести нелинейную зависимость емкости от приложенного давления, но эта нелинейность компенсируется электроникой датчика. Так, например, к керамическим емкостным сенсорам датчиков давления Cerabar фирмы Endress+Hauser прилагается специальный паспорт, в котором производитель указывает настроечные коэффициенты. При замене сенсора эти коэффициенты должны быть занесены во внутреннюю энергонезависимую память датчика с помощью HART-коммуникатора. В противном случае погрешность измерения давления существенно возрастает, возрастает и нелинейность измерения.

Достаточно широко в настоящее время распространены датчики с чувствительными элементами на основе монокристаллического кремния. Несмотря на схожую конструкцию с приборами на основе КНС структур они имеют на порядок большую временную и температурную стабильности, более устойчивы к воздействию ударных и знакопеременных нагрузок. Эффект прямого – обратного хода также отсутствует, что объясняется использованием идеально-упругого материала.

pezosensor

Данный тип сенсора (интегральный преобразователь давления), представляет собой мембрану из монокристаллического кремния с размещенными на ней методом диффузии пьезорезисторами. Пьезорезисторы соединены в мост Уинстона. Кристалл ИПД прикрепляется к диэлектрическому основанию легкоплавким стеклом или методом анодного сращивания. Для измерения давления чистых неагрессивных сред применяются, так называемые, Low cost – решения. Чувствительные элементы в датчиках данного типа либо не имеют защиты вовсе, либо защищены лишь слоем силиконового геля. При измерении агрессивных сред чувствительный элемент размещается в герметичном металлическом корпусе, с разделительной диафрагмой из нержавеющей стали, передающей давление измеряемой среды на ИПД посредством кремнийорганической жидкости.

Недостатком датчиков с пьезорезистивными сенсорами является их сравнительно невысокая предельная рабочая температура измеряемой среды – не более 150 °С.

razdelitelnaja_membrana

Не зависимо от типа, сенсор является самой уязвимой частью датчика давления. Для защиты сенсора от повреждений применяют различные защитные устройства. Для предотвращения коррозии или загрязнения мембраны сенсора при измерении давления вязких, агрессивных или сильно загрязненных сред применяют разделительные мембраны или колонки. Разделительная мембрана монтируется непосредственно перед датчиком и служит для передачи давления без контакта сенсора с измеряемой жидкостью. Давление измеряемой жидкости подается в одну полость разделительной мембраны и деформирует мембрану. Датчик давления подсоединен ко второй полости, заполненной инертной жидкостью, например, силиконовым маслом, и воспринимает деформацию мембраны. Разделительные колонки чаще всего применяют для измерения давления горячего мазута. Нижнюю часть колонки и датчик заполняют водой, после этого открывают вентиль на мазутопроводе. Мазут заполняет верхнюю часть колонки, и остается сверху, так как имеет плотность чуть меньше чем находящаяся снизу вода и не растворяется в ней.

okhladitel

 

Для защиты сенсора от чрезмерного давления среды применяют специальные пружинные вентили, которые автоматически закрываются, перекрывая подачу давления на датчик при скачках давления или гидроударе. Еще одним эффективным способом защиты сенсора датчика от гидроударов является глушитель ударов давления TTR производства компании «BD Sensors Rus», работающий на многокамерном принципе. Они обладают способностью эффективно демпфировать гидроудары длительностью от 20 миллисекунд и амплитудой до 70 МПа. При пульсации давления длительностью до 100 миллисекунд, глушитель ударов давления позволяет датчику давления выдерживать четырехкратную перегрузку.

dempfer

Для измерения давлений рабочих сред с температурой до 300 °С применяют радиатор-охладитель. Как правило, он изготавливается из нержавеющей стали, например, 12Х18Н10Т. Радиатор-охладитель и разделительная мембрана могут быть изготовлены и смонтированы как самостоятельные изделия или быть частью конструкции датчика, например, как в датчике S-11 фирмы WIKA.

Датчики давления могут подключаться к вторичным приборам по двух-, трех- или четырехпроводной схеме. По двухпроводной схеме подключаются только датчики, имеющие выходной сигнал 4-20 мА. Это объясняется тем, что в цепи питания (являющейся одновременно и цепью передачи выходного сигнала) всегда должен протекать небольшой ток, обеспечивающий питание электронной «начинки» датчика. В данном случае этот минимальный ток равен 4 мА. Понятно, что датчики с выходным сигналом 0-5 мА или 0-20 мА при включении по двухпроводной схеме работать не будут, так как при нулевом давлении ток в цепи также должен равняться нулю. Соответственно, в этом случае электроника датчика останется без электропитания и перестанет работать.

Если выходной токовый сигнал датчика нестабилен при стабильном входном давлении, то, как правило, это связано с наличием сильных электромагнитных помех. Уменьшить влияние помех можно установкой конденсаторов между заземленным корпусом датчика и контактом питания (и/или контактом выходного сигнала) на контактной колодке датчика. Выводы конденсаторов должны иметь минимальную длину. Для подавления высокочастотных помех достаточно высокочастотного конденсатора емкостью 300…500 пф., для подавления низкочастотной помехи — конденсатора типа К73-17 емкостью 1…2 мкф.
Некоторые датчики давления, например DS200 производства BD Sensors помимо токового выхода имеют встроенные реле с настраиваемыми порогами срабатывания. С их помощью можно реализовывать различные системы автоматики, например, АВР насосной установки и одновременно контролировать текущее значение давления среды.

Во время эксплуатации датчиков давления часто возникает необходимость изменить значение шкалы измерения или выполнить подстройку нуля. Не все датчики (в том числе и самые современные) позволяют сделать это. Как правило, бюджетные приборы являются однопредельными, то есть не перенастраиваемыми. В лучшем случае имеется возможность подстройки нуля и шкалы в небольшом диапазоне. Более дорогие модели позволяют осуществлять корректировку нулевых показаний и шкалы в больших пределах, устанавливать нестандартные значения «нуля» и шкалы и даже инвертировать выходной сигнал (в этом случае нулевому давлению будет соответствовать максимальный выходной ток датчика 20 мА, который будет уменьшаться с ростом давления).

Подстройку шкалы в многопредельных датчиках давления выполняют либо для увеличения точности представления измеренной величины, либо для расширения диапазона измерения, либо для согласования с вторичным прибором, имеющим определенные настройки. Подстройку шкалы для увеличения точности представления осуществляют в том случае, если максимальное значение шкалы датчика существенно превышает давление среды. В этом случае целесообразно уменьшить шкалу датчика, при этом увеличиться точность представления, так как на единицу измеряемого давления будет приходиться большее изменение выходного токового сигнала.

stolb

Корректировать ноль датчиков давления (особенно датчиков перепада давления) приходиться довольно часто. Это связано с тем, что у многих датчиков ноль «уходит» если пространственное положение датчика изменить относительно той ориентации, при которой была выполнена настройка нуля (например, наклонить).  Либо, если датчик давления соединяется с трубопроводом импульсной трассой и место подсоединения импульсной трассы к трубопроводу находиться выше места соединения датчика с импульсной трассой. В результате этого, если измеряемой средой является пар, вода или другая жидкость, столб этой жидкости создает дополнительное давление на мембрану датчика, вызывая отклонение его показаний от нулевых значений. Чем больше столб жидкости, тем больше отклонение, которое необходимо скорректировать иначе показания во всем диапазоне измерений будет завышены. Давление столба жидкости рассчитывается по формуле:

PСТОЛБА ЖИДКОСТИ = ρgh

Таким образом, измеренное датчиком значение давления будет равно сумме избыточного давления жидкости в трубопроводе плюс давление столба жидкости в импульсной трассе:

РИЗМЕРЕННОЕ = РИЗБЫТОЧНОЕ + РСТОЛБА ЖИДКОСТИ

Отбор давления рекомендуется осуществлять в тех местах трубопровода, где скорость движения потока наименьшая и завихрения минимальны, то есть на прямолинейных участках трубопроводов, на максимальном расстоянии от запорных устройств, колен, сужений, компенсаторов и других гидравлических соединений.

На измерении давления столба жидкости основан принцип косвенного измерения уровня жидкости в резервуарах, расширительных баках и т.п. Датчик давления крепят к днищу резервуара или на боковой стенке вблизи дна. Чаще всего для измерения уровня применяют датчики давления с открытой мембраной, так как они менее подвержены засорению и более чувствительны к малым изменениям уровня ввиду больших размеров мембраны. Датчики давления с открытой мембраной довольно часто имеют шкалу непосредственно в единицах измерения уровня — миллиметрах (метрах) водяного столба.

ds200p

Как правило, импульсные трассы применяют для того чтобы персоналу было удобно обслуживать датчики давления или по конструктивным соображениям. При определенной конфигурации импульсные трассы выполняют также роль демпфирующих устройств, сглаживая скачки давления. Но импульсные трассы имеют и ряд существенных недостатков. При большой длине и множестве изгибов они легко засоряются. В холодное время года они часто замерзают, если проложены в не отапливаемом помещении и отсутствует теплоизоляция и обогрев. Наиболее часто применяется электрообогрев с помощью специального нагревательного шнура. Он обвивается вокруг импульсной трассы на всем ее протяжении, затем трасса обматывается теплоизоляционным материалом. Иногда для обогрева используют так называемый спутник – трубу с циркулирующей горячей водой или паром. Кроме того из-за большой протяженности импульсной трассы и ее малого поперечного сечения (как правило используются трубки диаметром 14…16 мм) возникают задержки передачи давления.

К трубе или импульсной трассе датчик давления чаще всего подключается через вентильный блок. Вентильные блоки перекрывают подачу рабочей среды к мембране датчика, что позволяет, при необходимости, демонтировать его не останавливая процесс. При этом утечки рабочей среды также сводятся к минимуму. Вентильные блоки имеют различную конструкцию: от самых простых игольчатых до сложных комбинированных вентилей, сочетающих в себе функции отключения и продувки датчика на свечу или в окружающую среду.

ventil

C вентильным блоком датчик соединяется посредством резьбы. Самыми распространенными резьбами датчиков давления являются метрическая М20х1,5 и дюймовая G ½’’резьбы. Для уплотнения резьбовых соединений достаточно редко используют льняную прядь или фум ленту. Чаще применяют торцевые кольцевые прокладки из паронита, фторопласта или обожженной меди. Прокладки из обожженной меди и фторопласта имеют высокую температурную и химическую стойкость, но обладают одним существенным недостатком – они являются одноразовыми.    Прокладки из паронита обладают худшей стойкостью, но допускают несколько циклов установки – демонтажа датчика, обеспечивая при этом герметичное уплотнение. В пищевой промышленности, где попадание в измеряемую среду частиц уплотнительных материалов недопустимо применяют датчики с фланцевым или «рюмочным» креплением.

DPI_620

Калибровку датчиков давления производят с помощью калибраторов давления или масляных колонок. Калибраторы давления, например, DPI фирмы Druck, позволяют генерировать и плавно регулировать давление сжатого воздуха в широких пределах. Проверять работоспособность датчиков давления нажатием твердым предметом или пальцем на мембрану сенсора для имитации давления не рекомендуется — это может привести к повреждению сенсора.

На какие параметры нужно обращать внимание при покупке датчиков давления:

  • Вид давления. Очень важно понимать какой вид давления необходимо измерять. Существует 5 типов: абсолютное, дифференциальное(относительное), вакуум, избыточное, барометрическое. Для лучшего понимания разницы между ними, рекомендуем прочитать статью «виды давления».
  • Диапазон измеряемого давления.
  • Степенью защиты прибора. В разных отраслях использования датчиков будут разные условия эксплуатации, для которых необходимы разные степени защиты от проникновения воды и пыли. Определитесь, какую степень защиты электроприбора нужно выбрать именно вам.
  • Наличие термокомпенсации. Температурные эффекты, такие как расширение материалов, могут наложить достаточно сильные помехи на выходные показания датчика. Если у вас происходят постоянное изменение температуры измеряемой среды, то термокомпенсация необходима. Обратите также внимание на границы температур. Например, у датчика ST250PG2BPCF есть термокомпенсация в пределах от -40 до 100 градусов Цельсия.
  • Материал. Материал может оказать решающую роль при использовании датчика в агрессивных средах, в таком случае необходим выбор материала с высокой коррозийной стойкостью.
    Вид выходного сигнала. Важно определиться какой вид нужен вам. Аналоговый или цифровой? Если аналоговый, то какие диапазоны выходных сигналов и сколько проводов? Например, диапазоны могут быть 4…20 мА.

Вам понравится

[/su_posts]

Датчик дифференциального давления | LAZY SMART

Реле перепада давления предназначено для определения разности давления между двумя точками в жидких и газообразных средах.

Принцип действия реле достаточно прост: внутри расположена мембрана (или похожее устройство), на каждую из сторон которой действует давление двух различных точек среды. При достижении давлением заданного уровня мембрана изгибается и механически замыкает выходные контакты реле перепада.

Выход реле перепада давления, как и обычного электомагнитного реле, представляет собой группу контактов: нормально-открытый (НО) и нормально-закрытый (НЗ). В исходном состоянии НЗ контакт замкнут, а НО — разомкнут. При достижении разности давления заданного уровня происходит сработка реле и выходные контакты меняют свои состояния на противоположные.

Разность давлений, при которой происходит сработка реле задаётся с помощью ползунка или «крутилки» на корпусе реле. Диапазон, в котором происходит настройка является одним из главных параметров при выборе реле перепада.

Другим важным параметром является тип сред, в которых может работать реле. Некоторые из таких устройств предназначены только для воздушной среды, а другие подходят сразу для газов и жидкостей. Так же нужно учитывать агрессивность среды.

Области применения реле перепада давления

Реле перепада давления активно применяют в системах тепло- и водоснабжения, системах вентиляции и кондиционирования. Приведём типичный пример использования реле перепада.

Реле перепада давления в системах вентиляции

Типовая установка приточной вентиляции состоит из следующих узлов: фильтр поступающего воздуха, приточный вентилятор и калорифер, нагревающий воздух.

Два реле перепада давления устанавливаются в воздуховод и охватывают фильтр и вентилятор.

Датчик перепада, охватывающий фильтр измеряет разность давления на входе и на выходе фильтра. Когда эта разность достигает определённого уровня реле срабатывает — это означает, что фильтр загрязнён.

Реле перепада давления, охватывающее вентилятор служит для определения его вращения. Когда вентилятор в работе, на входе (со стороны всасывания) давление воздуха меньше, чем на выходе (со стороны нагнетания воздуха. Эту разность и улавливает реле и срабатывает, когда вентилятор вращается.

Сигналы «фильтр загрязнён» и «вентилятор вращается» с выходов реле перепада заводятся в контроллер  приточной установки и используются для управления её работой.


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. 

Отправить ответ

avatar
  Подписаться  
Уведомление о