Принцип работы датчиков давления, расхода и уровня

Иногда многим людям может потребоваться измерить давление. Для этого необходимо использовать датчики давления. Их принцип работы основан на преобразовании давления в механическое перемещение.

Кроме, механических систем, для измерения давления также могут использоваться механические и тепловые системы.

Датчики давления

Механические датчики давления состоят из:

1. Жидкостных датчиков давления.
2. Поршневых систем.
3. Пружинных систем.

Теперь пришло время рассмотреть датчики движения, которые встречаются наиболее часто. Наиболее часто на сегодняшний день используют пружинные датчики давления. Их действие будет основано на том, что возникновении упругой деформации пружины, которая считается пружинным элементом прибора. При изменении давления будет возникать деформация внутри и снаружи. Изменение формы определенного элемента будет передаваться на подвижную часть прибора со стрелкой. При снятии давления элемент примет прежнюю форму.

В технических манометрах чаще всего применяются упругие пружины:

• Одновитковые.
• Многовитковые.
• Плоские мембраны.
• Сильфоны.

Раскручивание пружины будет происходить из-за того, что при увеличении внутреннего давления эллиптическое сечение будет стремиться принять круглую форму. В результате этого могут возникать напряжения, которые будут раскручивать пружину. Свободный конец будет перемещаться прямопропорционально давлению внутри ее. Таким образом, можно сказать о том, что измеряемое давление будет преобразовываться в механическое перемещение свободного конца пружины. Величина такого перемещения чаще всего будет составлять 5-7 мм.

Многовитковая трубчатая пружина будет иметь 6-9 витков. Перемещение свободного конца пружины значительно больше, чем у одновитковой пружины. Обычно датчики в виде одновитковой пружины могут применяться в показывающих приборах. В большинстве случаев это будет связано с тем, что в самопишущих приборах датчик должен иметь большое усилие, которого хватит для преодоления трения. В нашем разделе также есть статья о том, как работает тензодатчик.

Плоская гофрированная мембрана будет использоваться отдельно. При необходимости также можно применять плоскую прорезиненную ткань, которая будет плотно соединена с плоской калиброванной пружиной. Гармоникообразная мембрана отличается от других, так как имеет наибольшую чувствительность.

Сильфонные приборы предназначаются для измерения и записи избыточного давления в схемах автоматизации. Кроме этого, подобные устройства также можно использовать в качестве вторичных приборов к устройствам, которые имеют приспособление для пневматической передачи показаний на расстояние. Пружинные датчики давления в схемах позволяют преобразовывать механическое перемещение в электрический сигнал с помощью индуктивного или контактного датчика.

На рисунке выше представлена схема датчика давления типа МЭД. Здесь сначала давление будет восприниматься трубчатой манометрической пружиной. В дальнейшем оно будет преобразовываться в перемещение конца манометрической трубки. Это перемещение также может передаваться плунжеру трансформаторного датчика. Вторичным приборов в этой конструкции считается устройство типа ЭПИД.

Специалисты сообщают, что датчики расхода на сегодняшний день могут быть:

1. Механические.
2. Термические.
3. Ионизационные.
4. Индукционные.
5. Акустические.

Важно знать! Механические датчики расхода разделяются на датчики переменного и постоянного перепада. Также могут быть датчики со сливным отверстием.

Датчики расхода будут действовать по принципу возникновения перепада давления в сужающем устройстве. Перепад давления в этом случае является функцией расхода. Сужающее устройство считается воспринимающим органом датчика расхода. Датчики расхода постоянного перепада (ротаметры) используются для регулирования сечения с целью поддерживания постоянным перепада давления. Если будет интересно, тогда можете прочесть про принцип работы термопары.

На рисунке, который расположен выше вам предоставлена схема ротаметра с индуктивным датчиком. Ротаметр состоит из:

• Конической трубки.
• Поплавка.

Во время движения жидкости или газа в кольцевом зазоре между поплавком и трубками будет создаваться перепад давления, который в дальнейшем будет создавать силу, действующую навстречу силе веса поплавка, который здесь расположен. Ротаметры на сегодняшний день могут выполняться, как показывающие приборы и как датчики. Обмотка индуктивного датчика располагается на трубке сопла. Железный поплавок в свою очередь будет являться сердечником катушки индуктивного датчика. При изменении расхода поплавок может перемещаться и соответственно изменять индуктивность катушки.

Датчики уровня

В последнее время наиболее распространенными устройствами считаются поплавковые датчики. Поплавковый датчик будет состоять из: поплавка, промежуточного и выходного органа. Поплавок – это орган, который позволяет воспринимать уровень жидкости. Преобразующий орган позволяет механическое воздействие выходному органу.

Датчики уровня могут быть основаны на измерении веса и гидростатического давления, а также на использовании электрических свойств жидкости.

Отечественная промышленность старается выпускать датчики давления разнообразного типа. Теперь вы точно знаете, принцип работы датчиков давления, расхода и уровня. Надеемся, что эта информация была полезной и интересной.

электромагнитное реле.

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.

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), например, фирмы Endress+Hauser и пьезорезистивные сенсоры, например, фирмы Honeywell.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

В любом случае, пересчитать шкалу датчика из одних единиц измерения в другие можно воспользовавшись таблицей перевода.

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.

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.

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.

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

Где можно использовать датчик давления

Последние сто лет принесли миру много различных высокотехнологичных изобретений. И то, что мы ежедневно используем в быту, и не особенно обращаем внимания, каких-то 150 лет назад воспринималось, как волшебство. Но чем сложнее технология, тем более точные базовые условия для ее работы необходимо создавать. Так, вместе со сложными механизмами приходилось изобретать различные датчики, обеспечивающие корректное функционирование механизмов.

В этой статье мы поговорим об использовании датчиков давления.

Что такое датчик давления

 Датчик давления — это устройство, способное:

1. распознавать значения давления;
2. преобразовывать полученные данные в стандартизированный сигнал.

Довольно часто датчики давления путают с манометрами. Но это является грубой ошибкой, т.  к. манометры измеряют давление, а не преобразовывают его.
Датчики способны контролировать давление воды, воздуха, любых жидкостей и газов, а также хладагентов.

На данный момент человечество изобрело немало различных видов датчиков, определяющих давление. И их принято различать по типу чувствительного элемента.

Одними из самых надежных и простых в эксплуатации датчиков давления, являются пружинные и мембранные датчики. Их используют во многих областях, в первую очередь благодаря простоте конструкции, и демократичной стоимости.

Области применения датчиков давления

Как мы уже упоминали, датчики давления используются во многих областях. Но мы остановимся лишь на тех, которые могут повстречаться обывателю в обычной жизни. О датчиках давления — которые могут поспособствовать улучшению работы приборов, используемых нами практически ежедневно. 

• Датчики давления для отопительной системы. Если Ваш дом обогревается с помощью индивидуальной системы отопления, то установка датчиков давления воды поможет Вам наладить корректную работу всей системы. Не для кого не секрет, что давление воды подаваемое в систему коммунальными службами — далеко от идеала. Отопительная система способна справляться, как с низкими значениями, так и с высокими. Но при этом система испытывает определенные перегрузки, что в конечном итоге отражается на исправности прибора, и его долговечности.
• Датчики давления используемые для насосных станций. Эти приборы необходимы для правильной работы насосных систем, используемых в автономных системах подачи воды. Подобный датчик способен самостоятельно управлять насосной станцией.
• Датчики давления в системах кондиционирования. В отличие от описанных ранее, эти приборы измеряют давление воздуха, газа или пара. С помощью данных, полученных датчиками, можно корректировать работу системы кондиционирования и повышать ее продуктивность.

Датчики давления — незаменимое устройство, которое убережет систему отопления, кондиционирования и водоснабжения от ненужных перегрузок, поможет настроить их максимально эффективно, и сэкономить ресурсы и денежные средства.

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:

Датчик давления — ТеплоВики — энциклопедия отопления

Материал из ТеплоВики — энциклопедия отоплении

Датчики давления ТМ Danfoss

Датчик давления (преобразователь давления) — устройство, физические параметры которого изменяются в зависимости от давления измеряемой среды (жидкости, газы, пар). В датчиках давление измеряемой среды преобразуется в унифицированный пневматический, электрический сигналы или цифровой код.

Датчик давления состоит из первичного преобразователя давления, в составе которого чувствительный элемент и приемник давления, схемы вторичной обработки сигнала, различных по конструкции корпусных деталей и устройства вывода. Основным отличием одних приборов от других является точность регистрации давления, которая зависит от принципа преобразования давления в электрический сигнал: тензометрический, пьезорезистивный, емкостной, индуктивный, резонансный, ионизационный.

Класификация

Класификация по типу измеряемого давления

• Датчики 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;
• Датчики избыточного давления — предназначены для измерения величины избыточного давления жидких и газообразных сред. Опорное давление — атмосферное; таким образом, одна сторона мембраны соединена с атмосферой.
• Датчики дифференциального 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.
• Датчики гидростатического давления — 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.
• Датчики вакууметрического давления (разрежение) — 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.
• Датчики избыточного давления-разрежения — представляют собой сочетание датчиков избыточного и вакуумметрического давлений, т.е. измеряют как давление, так и разрежение.

Класификация по конструктивному исполнению

• Наружные датчики давления;
• Встроенные датчики давления.

Класификация по принципу действия

• Датчики прямого действия — преобразуют внешнее воздействие непосредственно в электрический сигнал, используя соответствующее физическое явление;
• Составные датчики давления — включают несколько преобразователей энергии.

Класификация по принципу преобразования давления в электрический сигнал

• Тензорезистивный датчик давления;
• Пьезорезистивный датчик давления;
• Ёмкостной датчик давления;
• Резонансный датчик давления;
• Индуктивный датчик давления;
• Ионизационный датчик давления;
• Пьезоэлектрический датчик давления

.

Тензорезистивный датчик давления

Упрощенный вид тезорезистивный датчика давления

В настоящее время основная масса датчиков давления выпускаются на основе чувствительных элементов, принципом которых является измерение деформации тензорезисторов, сформированных в эпитаксиальной пленке кремния на подложке из сапфира (КНС), припаянной твердым припоем к титановой мембране. Иногда вместо кремниевых тензорезисторов используют металлические: медные, никелевые, железные и др. Принцип действия тензопреобразователей основан на явлении тензоэффекта в материалах. Чувствительным элементом служит мембрана с тензорезисторами, соединенными в мостовую схему. Под действием давления измеряемой среды мембрана прогибается, тензорезисторы меняют свое сопротивление, что приводит к разбалансу моста Уитстона. Разбаланс линейно зависит от степени деформации резисторов и, следовательно, от приложенного давления. Следует отметить принципиальное ограничение КНС преобразователя – неустранимую временную нестабильность градуировочной характеристики и существенные гистерезисные эффекты от давления и температуры. Это обусловлено неоднородностью конструкции и жесткой связью мембраны с конструктивными элементами датчика. Поэтому, выбирая преобразователь на основе КНС, необходимо обратить внимание на величину основной погрешности с учетом гистерезиса и величину дополнительной погрешности.

К преимуществам можно отнести хорошую защищенность чувствительного элемента от воздействия любой агрессивной среды, налаженное серийное производство, низкую стоимость.

Пьезорезистивный датчик давления

Пьезорезистивный датчик давления

Практически все производители датчиков проявляют интерес к использованию интегральных чувствительных элементов на основе монокристаллического кремния. Это обусловлено тем, что кремниевые преобразователи имеют на порядок большую временную и температурную стабильности по сравнению с приборами на основе КНС структур. Кремниевый интегральный преобразователь давления (ИПД) представляет собой мембрану из монокристаллического кремния с диффузионными пьезорезисторами, подключенными в мост Уинстона. Чувствительным элементом служит кристалл ИПД, установленный на диэлектрическое основание с использованием легкоплавкого стекла или методом анодного сращивания. Принцип действия сенсора для пьезорезистивного датчика давления, как следует из названия, основан на пьезорезистивном эффекте – изменении сопротивления при наложении механического давления. Резисторы размещают на мембрае таким образом, чтобы продольные и поперечные коэффициенты тензочувствительности были разных знаков, тогда и изменения сопротивлений резисторов будут противоположными. Основным преимуществом пьезорезистивных дачткиков является более высокая стабильность характеристик, по сравнению с КНС преобразователями. ИПД на основе монокристаллического кремния устойчивы к воздействию ударных и знакопеременных нагрузок. Если не происходит механического разрушения чувствительного элемента, то после снятия нагрузки он возвращается к первоначальному состоянию, что объясняется использованием идеально-упругого материала.

Ёмкостной датчик давления

Емкостной преобразователь давления. В данном варианте роль подвижной обкладки конденсатора выполняет металлическая диафрагма

Емкостный датчик давления представляет собой конденсатор, составленный из двух пластин, разделенных диэлектриком. Емкостные преобразователи используют метод изменения емкости конденсатора при изменении расстояния между обкладками. Известны керамические или кремниевые емкостные первичные преобразователи давления и преобразователи, выполненные с использованием упругой металлической мембраны. При изменении давления мембрана с электродом деформируется и происходит изменение емкости. В элементе из керамики или кремния, пространство между обкладками обычно заполнено маслом или другой органической жидкостью.

Достоинством чувствительного емкостного элемента является простота конструкции, высокая точность и временная стабильность, возможность измерять низкие давления и слабый вакуум.

К недостатку можно отнести нелинейную зависимость емкости от приложенного давления.

Резонансный датчик давления

Упрощенный вид резонансного чувствительного элемента, выполненного на кварце

Резонансный принцип используется в датчиках давления на основе вибрирующего цилиндра, струнных датчиках, кварцевых датчиках, резонансных датчиках на кремнии. В основе метода лежат волновые процессы: акустические или электромагнитные. Это и объясняет высокую стабильность датчиков и высокие выходные характеристики прибора. Частным примером может служить кварцевый резонатор. При прогибе мембраны, происходит деформация кристалла кварца, подключенного в электрическую схему и его поляризация. В результате изменения давления частота колебаний кристалла меняется. Подобрав параметры резонансного контура, изменяя емкость конденсатора или индуктивность катушки, можно добиться того, что сопротивление кварца падает до нуля – частоты колебаний электрического сигнала и кристалла совпадают — наступает резонанс.

Преимуществом резонансных датчиков является высокая точность и стабильность характеристик, которая зависит от качества используемого материала.

К недостаткам можно отнести индивидуальную характеристику преобразования давления, значительное время отклика, не возможность проводить измерения в агрессивных средах без потери точности показаний прибора.

Индуктивный датчик давления

Принципиальная схема индукционного преобразователя давления

Индукционный способ основан на регистрации вихревых токов (токов Фуко). Чувствительный элемент состоит из двух катушек, изолированных между собой металлическим экраном. Преобразователь измеряет смещение мембраны при отсутствии механического контакта. В катушках генерируется электрический сигнал переменного тока таким образом, что заряд и разряд катушек происходит через одинаковые промежутки времени. При отклонении мембраны создается ток в фиксированной основной катушке, что приводит к изменению индуктивности системы. Смещение характеристик основной катушки дает возможность преобразовать давление в стандартизованный сигнал, по своим параметрам прямо пропорциональный приложенному давлению.

Преимуществом такой системы, является возможность измерения низких избыточных и дифференциальных давлений, достаточно высокая точность и незначительная температурная зависимость.

Однако датчик чувствителен к магнитным воздействиям, что объясняется наличием катушек, которые при прохождении переменного сигнала создают магнитное поле.

Ионизационный датчик давления

В основе работы датчика лежит принцип 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. Корпус лампы выполнен из высококачественного стекла. Преимуществом таких лам 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. Помимо прочего, ионизационные лампы должны оснащаться дополнительными приборами, поскольку зависимость сигнала от давления является логарифмической.

Достоинства и недостатки различных методов преобразования давления в электрический сигнал

Достоинства	Недостатки
Тензометрический метод (КНС-преобразователи)
Высокая степень защиты от агрессивной среды Высокий предел рабочей температуры Налажено серийное производство Низкая стоимость	Неустранимая нестабильность градуировочной характеристики Высокие гистерезисные эффекты от давления и температуры Низкая устойчивость при воздействии ударных нагрузок и вибраций
Пьезорезистивный метод (на монокристаллическом кремнии)
Высокая стабильность характеристик Устойчивость к ударным нагрузкам и вибрациям Низкие (практически отсутствуют) гистерезисные эффекты Высокая точность Низкая цена Возможность измерять давление различных агрессивных средств	Ограничение по температуре (до 150ºC)
Емкостной метод
Высокая точность Высокая стабильность характеристик Возможность измерять низкий вакуум Простота конструкции	Зачастую, нелинейная зависимость емкости от приложенного давления Необходимо дополнительное оборудование или электричекая схема для преобразования емкостной зависимости в один из стандартных выходных сигналов
Резонансный метод
Высокая стабильность характеристик Высокая точность измерения давления	При измерении давления агрессивных сред необходимо защитить чувствительный элемент, что приводит к потери точности измерения Высокая цена Длительное время отклика Индивидуальная характеристика преобразования давления в электрический сигнал
Индукционный метод
Возможность измерять дифференциальные давления с высокой точностью Незначительное влияние температуры на точность измерения	Сильное влияние магнитного поля Чувствительность к вибрациям и ударам
Ионнизационный метод
Возможность измерение высокого вакуума Высокая точность Стабильность выходных параметров	Нельзя использовать подобные приборы при высоком давлении (низкий вакуум является порогом) Нелинейная зависимость выходного сигнала от приложенного давления Высокая хрупкость Необходимо сочетать с другими датчиками давления

Выбор датчика давления

Различные сферы применений определяют свои требования к датчикам:

• для промышленности — надежность и стабильность характеристик;
• для лабораторных измерений и расходометрии – точность измерения давления и т.д.

Еще одним важным параметром является цена датчиков, которые используют тот или иной принцип преобразования давления. Поэтому при выборе преобразователя необходимо определить наиболее выгодный вариант – соотношение цены к возможностям прибора. Очевидно там, где требуется только какой-либо определенный параметр датчика (например, точность или возможность измерять вакуум) соотношение цены к предъявляемым требованиям высокое. В основном это касается резонансных, индукционных, емкостных и ионизационных датчиков.

Отличие от манометра

В отличие от датчика давления, манометр — прибор, предназначенный для измерения (а не преобразования) давления. В манометре от давления зависят показания прибора, которые могут быть считаны с его шкалы, дисплея или аналогичного устройства.

Производители датчиков давления

Торговые марки производители датчиков давления

Литература

• Преображенский В. П Теплотехнические измерения и приборы. — Москва: Энергия, 1978. — 704 с.
• Г. М. Иванова, Н. Д. Кузнецов, В. С. Чистяков Теплотехнические измерения и приборы. — Москва: МЭИ, 2005. — 460 с. — ISBN 5-7046-1046-3

Источники

Датчики давления

Определение 1

Датчик давления — устройство, физические параметры которого изменяются в зависимости от давления измеряемой среды (жидкости, газа, пара).

Из-за большого разнообразия условий, диапазонов и материалов, для которых давление должно быть измерено, существует много различных типов конструкций датчиков давления.

Датчик давления, как правило, выступает в качестве преобразователя; он генерирует сигнал как функцию от давления.

Замечание 1

Датчики используются для контроля и мониторинга тысяч повседневных задач. Датчики давления также могут быть использованы для косвенного измерения других переменных, таких как жидкость или поток газа, скорость, уровень воды, и высоты.

Существует также категория датчиков давления, которые предназначены для измерения в динамическом режиме для захвата очень высоких скоростей изменения давления. Можно привести примеры области применений для этого типа датчика: измерение давления сгорания в цилиндре двигателя или в газовой турбине. Эти датчики обычно изготавливаются из пьезоэлектрических материалов, таких как кварц.

Виды датчиков для измерения давления

Датчики давления могут быть классифицированы с точки зрения диапазонов давления, который они измеряют, температурных диапазонов работы, а самое главное типом давления, который они измеряют. Датчики давления по-разному названы в соответствии с их назначением, но та же самая технология может быть использована под разными названиями.

Приборы, сочетающие, в себе датчик давления и средство отображения значения давления и предназначенные для измерения избыточного давления называются манометрами, для измерения вакуумметрического давления (ниже атмосферного) — вакуумметрами или тягомерами, для одновременного измерения избыточного и вакуумметрического давления — мановакуумметрами или тягонапорометрами.

1. Датчик абсолютного давления

   Этот датчик измеряет относительное давление вакуума.

2. Датчик избыточного давления

   Этот датчик измеряет относительное атмосферное давления. Манометр является примером измерения манометрического давления; когда он показывает ноль, то давление его измерения является таким же, как давление окружающей среды.

   Манометры выполняют функцию локального контроля и во многих случаях из-за отсутствия удаленного доступа к их значениям не могут использоваться в современных средствах автоматизации. Эта функция возлагается на измерительные преобразователи давления.

3. Датчик перепада давления

   Этот датчик измеряет разность между двумя показаниями давлений. Датчики перепада давления используются для измерения многих свойств, таких, как, уровни жидкостей (путем сравнения давления выше и ниже уровня жидкости) или скорости потока (путем измерения изменения давления).

4. Герметичный датчик давления

   Этот датчик аналогичен датчику давления манометру за исключением того, что он измеряет давление относительно некоторого фиксированного значения давления, а не окружающего атмосферного давления (которое изменяется в зависимости от местоположения и погодных условий).

Классификация датчиков давления по принципу действия

• Емкостной датчик давления

  Емкость между двумя металлами пластин изменяется, если расстояние между этими двумя пластинами меняется. Эти датчики давления, как правило, очень стабильны и линейны, но чувствительны к воздействию высоких температур и более сложны в установке, чем большинство датчиков давления.

• Пьезоэлектрический датчик давления

  Пьезоэлектрический датчик давления использует электрические свойства природных кристаллов, таких как кварц. Эти кристаллы генерируют электрический заряд, когда они напряжены. Пьезоэлектрические датчики давления не требуют внешнего источника возбуждения и очень прочны. Датчики, однако, требуют схемы заряда усиления и очень чувствительны к ударам и вибрациям.

• Оптические

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

• Ртутные

  Работает по принципу сообщающихся сосудов.

Назначение и область применения датчиков давления. Виды датчиков давления, принцип действия и особенности конструкции

Датчик давления — это устройство, в котором выходные параметры зависят от давления исследуемой среды, будь то жидкость, газ или пар. Датчик давления состоит из первичного преобразователя давления, в составе которого чувствительный элемент — приемник давления, схемы вторичной обработки сигнала, различных по конструкции корпусных деталей, в том числе для герметичного соединения датчика с объектом и защиты от внешних воздействий и устройства вывода информационного сигнала.

Первичные преобразователи имеют чувствительный элемент преобразующий как правило давление в перемещение. В основе принципа действия лежит упругая деформациячувствительного элемента, который выполняется в виде гофрированных мембран, мембранных коробок, сильфонов, манометрических пружин и т.п.

Вторичные преобразователи строятся на основе различных физических явлений.

Резистивные(реостатные и тензорезистивные) 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. Реостатный представляет собой переменный резистор со скользящим контактом.

Ёмкостные преобразователи используют метод изменения ёмкости конденсатора при изменении расстояния между обкладками. При изменении давления мембрана с электродом деформируется и происходит изменение емкости.

Пьезоэлектрические. Главной особенностью пьезорезистивных датчиков является сам пьезорезистор. Он представляет собой полупроводник, сопротивление которого меняется при деформации или растяжении. В данном случае давление передаётся через заполняющую жидкость от диафрагмы к пьезорезистору. Далее это значение сопротивления поступает в электронный блок, который преобразует сигнал в электрический.

Индукционные датчики основаны на передаче магнитных полей от тела к другому телу, не контактирующим с первым. Иными словами – конструктивно индукционный датчик имеет железный сердечник, в проволочной обмотке, по которой проходит ток. Сердечник соединен с диафрагмой и при изменении давления меняется положение сердечника относительно самой обмотки, соответственно меняется индуктивность обмотки. Далее сигнал преобразовывается в электронном блоке.

Назовите назначение и область применения металлических и полупроводниковых термометров сопротивления. Объясните их принцип действия и особенности конструкции. Назовите достоинства, недостатки и основные характеристики.

Термо́метр сопротивле́ния — электронный прибор, предназначенный для измерения температуры и основанный на зависимости электрического сопротивления металлов, сплавов и полупроводниковых материалов от температуры. Термометр сопротивления применяют, например, для измерения температуры внутри газовых котлов на теплоэлектростанциях.

Металлический термометр сопротивленияпредставляет собой резистор, выполненный из металлической проволоки или плёнки и имеющий известную зависимость электрического сопротивления от температуры.

Широкое распространение получили Т. с. из чистых металлов, особенно платины и меди, которые конструктивно представляют собой металлическую проволоку или ленту, намотанную на жёсткий каркас (из кварца, фарфора, слюды), заключённый в защитную оболочку (из металла, кварца, фарфора, стекла) с головкой, через которую проходят 2, 3 или вывода, соединяющие Т. с. с измерительным прибором.

Полупроводниковые термометры сопротивления под названием термисторов широко применяют в технике. Термистор — полупроводниковый резистор, электрическое сопротивление которого зависит от температуры. С их помощью контролируют температуру в большом числе точек, причем показания ее могут быть получены на приборах, установленных в одном пункте. Т. с. из полупроводников широко применяются для измерения низких температур благодаря их высокой чувствительности. Т. с. этого вида представляют собой полупроводниковые пластинки (плёнки) различных габаритов и формы с приваренными металлическими выводами, помещаемые часто в защитную оболочку.

Преимущества термометров сопротивления

· Высокая точность измерений (обычно лучше ±1 °C), может доходить до 0,13м °C(0,00013).

· Возможноcть исключения влияния изменения сопротивления линий связи на результат измерения при использовании 3-х или 4-х проводной схемы измерений

· Практически линейная характеристика

Недостатки термометров сопротивления

· Малый диапазон измерений (по сравнению с термопарами)

· Более дорогой (по сравнению с термопарами), если это платиновый термометр сопротивления типа ТСП

· Требуется дополнительный источник питания для определения температуры