Датчики давления электронные

Датчики давления. Виды и работа. Как выбрать и применение

Датчики давления являются устройством, выдающим сигналы на выходе, зависящие от давления измеряемой среды. Сегодня не обходятся без точных датчиков определения давления. Они применяются в автоматизированных системах всех отраслей промышленности.

Многие датчики давления функционируют на преобразовании давления в движение механической части. Кроме механических элементов (трубчатые пружины, мембраны) для замеров используются тепловые и электрические системы. Электронные элементы дают возможность осуществить производство датчиков давления на электронных элементах.

Датчик давления состоит из:

• Первоначальный преобразователь вместе с чувствительным элементом.
• Корпус датчика, имеющий разные конструкции.
• Электрическая схема.

Классификация и принцип работы

Волоконно-оптические

Этот тип датчиков считается самым точным в работе, которая не имеет большой зависимости от изменений температуры. Элементом точной чувствительности действует оптический волновод. Давление в волоконно-оптических приборах определяется путем поляризации света, прошедшего по элементу чувствительности, и колебаниям амплитуды.

Оптоэлектронные датчики давления

Датчики давления состоит из нескольких слоев, через которые проходит свет. Один слой меняет свойства от величины давления среды. Меняются 2 параметра: величина преломления и размер слоя. Методы изображены на рисунках.

При изменении свойств будет изменяться характеристика света, проходящего через слои. Фотоэлемент производит регистрацию изменений. Преимуществом оптоэлектронных приборов стала высокая точность.

Датчики легко определяют давление, имеют повышенное разрешение, чувствительность, стабильны к действию температуры. Перспективность оптоэлектронных приборов обуславливается работой на интерференции света, использованием интерферометра для замера малых перемещений. Основные составляющие элементы датчика – кристалл оптического анализатора с диафрагмой, фотодиод и детектор. Детектор составляют три светодиода.

К 2-м фотодиодам прикреплены оптические фильтры, которые имеют отличия по толщине. Фильтры состоят из кремниевых зеркал, имеющих отражение от лицевой части поверхности, которые имеют слой оксида кремния. Поверхность напылена слоем алюминия малой толщины.

Световой преобразователь подобен емкостному датчику. Его диафрагма смоделирована способом травления, которая покрыта металлическим тонким слоем. Стеклянная пластина снизу покрыта металлическим слоем. Между подложкой и стеклом есть промежуток, образованный двумя прокладками.

Два металлических слоя образуют интерферометр с изменяемым воздушным промежутком. В его состав вошли: зеркало на стекле стационарного вида и меняющее положение зеркало на мембране.

На подобной основе изготавливают чувствительные датчики размером 0,55 мм. Они легко проходят через ушко иглы.

Оптическое волокно взаимосвязано с сенсором. В нем с помощью управления микропроцессора подключается монохроматический свет, который вводится в волокно. Делается замер интенсивности обратного света, по калибровке рассчитывается наружное давление и результат показывается на экране. Сенсоры используют в медицине для проверки давления внутри черепа, измерения кровяного давления в артериях легких. Другими методами в легкие добраться невозможно.

Магнитные

Магнитные датчики давления еще называют индуктивными. Элементом чувствительности служит Е-пластина, в центре расположена катушка, и проводящая мембрана. Она расположена на малом расстоянии от конца пластины. При подсоединении обмотки образуется магнитный поток, он идет через пластину, промежуток воздуха и мембрану.

Магнитная проницаемость воздуха в зазоре в 1000 раз слабее мембраны и пластины. Малое изменение параметра зазора приводит к значительному изменению индуктивности.

При воздействии давления мембрана изгибается, сопротивление катушки меняется. Преобразователь переводит изменение в сигнал тока. Измерительный рабочий элемент преобразователя сделан по схеме моста, обмотка включена в плечо. АЦП подает сигнал от элемента измерения в виде сигнала от давления.

Емкостные

Датчики давления самой простой конструкции, состоящий из плоских электродов (2 шт.) с зазором. Электрод сделан мембраной, на нее давит измеряемое давление. Меняется размер зазора. Такой вид датчика образует конденсатор с меняющимся зазором. Величина емкости конденсатора меняется при изменении промежутка от пластин или от электродов в данном случае.

Для определения очень небольших изменений давления приборы наиболее применимы и эффективны. Они дают возможность произвести замеры избыточного давления в различной среде. На предприятиях при выполнении технологических процессов, в которых задействованы системы воздушного и гидравлического оборудования, в насосах, компрессорах, на станках емкостные датчики нашли широкое применение. Датчик емкостного вида имеет конструкцию, которая имеет стойкость к вибрациям, скачкам температуры, защищена от химической и электромагнитной среды.

Ртутные

Также простая конструкция прибора. Действует по закону о сообщающихся сосудах. На одну емкость давит давление, которое нужно измерить. По величине другого сосуда – определяется давление.

Пьезоэлектрические

Элементом чувствительности в этом датчике служит пьезоэлемент. Это вещество, создающее электрический сигнал во время деформации. Такое свойство называется прямым пьезоэффектом. В измеряемой области находится пьезоэлемент, который образует ток, прямо зависящий от значения давления. Сигнал в датчике из пьезоматериала образуется только при деформации. При неизменном давлении нет деформации, поэтому датчик годен только для проведения замеров среды с быстро изменяемым давлением.

Если давление не будет изменяться, то не будет деформации, пьезоэлектрик не сгенерирует сигнал.

Пьезоэлектрики нашли использование в первичных преобразователях потока водяных вихревых счетчиков, и других сред. Их устанавливают парами в трубу с проходом в несколько сотен мм за предметом обтекания. Фиксируют вихри. Количество и частота вихрей прямо зависят от скорости потока и расхода по объему.

Пьезорезонансные датчики давления

В отличие от вышеописанного вида датчика здесь применяется обратный пьезоэффект, то есть, форма материала пьезоэлемента изменяется от тока подачи. Применяется резонатор в виде пластины из пьезоматериала. На пластину с двух сторон нанесены электроды. На них подключается по очереди напряжение питания с разным знаком, пластина производит изгиб в обе стороны в зависимости от полярности поданного напряжения и частоты.

Если воздействовать на пластину силой, чувствительной мембраной к давлению, то резонатор изменит частоту колебаний. Частота резонатора укажет значение давления на мембрану, которая оказывает давление на резонатор.

На рисунке изображен пьезорезонансный датчик с абсолютным давлением, который сделан герметичной камерой 1. Она достигается корпусом 2, основанием 6, мембраной 10. Мембрана крепится на электронную сварку к корпусу. Держатели закреплены на основании перемычками. Силочувствительный резонатор удерживает держатель.

Мембрана 10 давит на втулку 13 и шарик 6, который закреплен в держателе. Шарик давит на чувствительный резонатор 5. Проводка закреплена на основании 6, необходима для слияния резонаторов с генераторами. Сигнал на выходе абсолютного давления образуется по схеме путем разности генераторных частот. Датчик находится в активном термостате 18 с неизменной температурой 40 градусов. Давления для измерения поступает через штуцер 12.

Резистивные датчики давления

Другим названием этот датчик называется тензорезистор. Это элемент, который меняет собственное сопротивление при деформации. Такие тензорезисторы монтируют на мембрану, которая чувствительна к изменяющемуся давлению. В результате при приложении силы на мембрану происходит ее изгиб, из-за этого изгибаются тензорезисторы, которые на ней закреплены. На тензорезисторах меняется сопротивление и значение тока цепи.

Растяжение элементов из проводников на каждом тензорезисторе ведет к увеличению длины и снижению сечения. В итоге сопротивление повышается. При сжатии процесс происходит наоборот. Изменения сопротивления незначительные, поэтому для обработки сигнала применяются усилители. Деформация переделывается в изменение сопротивления проводника или полупроводника, а затем в сигнал тока.

Тензорезисторы выполнены в виде проводящего зигзагообразного элемента, или из полупроводника, который расположен на гибкой подложке, приклеенной к мембране. Подложка сделана из слюды, полимерной пленки или бумаги. Элемент проводника – из полупроводника, тонкой проволоки или фольги, напыленных на металл в вакуумном состоянии. Чувствительный элемент соединяют с цепью измерения выводами из проволоки или площадками контактов. Тензорезисторы чаще имеют размер площади до 10 мм2. Они более подходят для замера давления, веса, силы нажатия.

Советы по выбору и приобретению датчиков давления

• Тип давления. Важно определить, что вы будете измерять. Есть несколько типов давления: барометрическое, избыточное, вакуумное, относительное, абсолютное.
• Интервал разбега давления.
• Класс защиты датчика. Для разных условий работы определены свои степени защиты от пыли и влаги.
• Термокомпенсация. Эффекты температуры: например, расширение предметов, создают значительные помехи на результат измерения датчика. Если температура всегда изменяется в среде, то нужна термокомпенсация. Про границы температур тоже нельзя забывать.
• Вид материала. Свойства материала играют значительную роль для агрессивных условий.
• Тип сигнала выхода. Бывают цифровой вид и аналоговый. Нужно также учесть интервалы выхода сигнала, количество проводов.

Похожие темы:

Датчики давления

Продукция

• НОВИНКИ
• ИМПОРТОЗАМЕЩЕНИЕ

  (PDF-файл, 1.7 MБ)

• Датчики давления
• Арматура для датчиков давления
  • Чехлы, нагреватели
  • Мембранные разделители
  • Аксессуары для мембранных разделителей
  • Краны шаровые КШМ-15, КШМ-20
  • Клапанные блоки ЭЛЕМЕР-БК
  • Кронштейны для датчиков давления
  • Системы вентильные СВН-МЭ
  • Комплекты монтажных частей для датчиков давления
  • Гасители пульсаций, демпферные устройства
    • Гасители пульсаций
    • Демпферные устройства
  • Переходники
  • Отводы сифонные
  • Охладители
    • Охладители ОС100
    • Охладители тип CS
  • Линии импульсные, линии капиллярные
    • Линии импульсные
    • Линии капиллярные тип L
  • Диафрагмы, соединения фланцевые
  • Сосуды
• Электронные манометры
• Средства измерения температуры
• Арматура для датчиков температуры
• Регистраторы
  • Бумажные
    • РМТ 49D

      (1, 3 канала)

    • РМТ 39D

      (6 каналов)

  • Видеографические
    • РМТ 19

      (до 24 каналов, 5,7 дюйма)

    • РМТ 29/М1, РМТ 29/М2

      (до 15 каналов, 3.5 или 5,7 дюйма)

    • РМТ 49

      (1 или 3 канала, 5,7 дюйма)

    • РМТ 59

      (до 42 каналов, до 15 дюймов)

    • РМТ 59М

      (6/12 каналов, до 15 дюймов)

    • РМТ 59L

      (до 24 каналов, 8 дюймов)

    • РМТ 69

      (6 каналов, 7 дюймов)

    • РМТ 69L

      (6 каналов, 5,7 дюйма)

  • Технологические
    • КП-1Е, КП-140Е

      (1 канал, 4 реле)

    • КС-1Е, КС-2Е

      (1 или 3 канала)

• Функциональная аппаратура
  • Измерители-регуляторы
  • Измерители ПИД-регуляторы
    • ИРТ 5501

      (1, 2 канала)

    • ИРТ 5502

      (2 канала)

  • Блоки питания
  • Блоки питания и преобразования сигналов
  • Барьеры искрозащиты
  • Индикаторы-измерители
    • ИТЦ 420/М4-1, ИТЦ 420/М4-2
    • ИТЦ 420/М3
    • ИТЦ 420/М3-5
    • ИТЦ 420/М2-5
  • Модульные преобразователи
    • ИПМ 0499/М2-Н
    • ИПМ 0399/М0
    • ИПМ 0399/М0-H
    • ИПМ 0399/М2
    • ИПМ 0399/М3М
    • ИПМ 0104
  • Модули УСО ЭЛЕМЕР-EL-4000
  • Оборудование для защиты от ЭМП
  • Устройства защиты оборудования от импульсных перенапряжений
  • HART-модемы
  • Преобразователи интерфейса
    • ЭЛЕМЕР-EL-4020RS
    • МИГР-01, -02, -03, -04, -05U
    • ПИ 232/485
• Универсальные вычислители расхода
  • ЭЛЕМЕР-ВКМ-360А
  • ЭЛЕМЕР-ВКМ-360Б
• Метрологическое оборудование
  • Комплексные решения по оснащению метрологическими стендами
  • ЭЛЕМЕР-АКД-12К (-И)

    (автоматические калибраторы давления)

  • ЭЛЕМЕР-МЦЭ-040

    (манометры цифровые эталонные)

  • ЭЛЕМЕР-ПКД-260

    (калибраторы давления пневматические)

  • ЭЛЕМЕР-ПКД-160

    (калибраторы давления портативные)

  • ЭЛЕМЕР-КДМ-020 (-030)

    (калибраторы давления малогабаритные)

  • ЭЛЕМЕР-ИКСУ-2012ПК

    (поверочный комплекс)

  • ЭЛЕМЕР-ПКДС-210

    (поверочный комплекс давления и стандартных сигналов)

  • ИКСУ

    (калибраторы-измерители унифицированных сигналов)

    • ЭЛЕМЕР-ИКСУ-2012

      (лабораторный, портативный)

    • ИКСУ-260

      (портативный)

  • ПДЭ-020(Ex), ПДЭ-020И, ПДЭ-020ИEx

    (эталонные преобразователи давления)

  • Задатчики давления

    (помпы, прессы, компрессоры)

  • Компьютеризированные калибраторы температуры с измерительным модулем
  • Калибраторы температуры
  • Термостаты жидкостные
  • ЭТС, ПТСВ

    (эталонные ТС)

  • Ампулы для реализации реперных точек
  • ТЦЭ

    (термометры цифровые эталонные)

  • АСПТ

    (автоматизированная система поверки термопреобразователей)

• Расходомеры
• Уровнемеры, сигнализаторы уровня и потока

Датчики давления технологических процессов из Европы и России

Датчики давления предназначены для измерения уровня давления жидкости или газовых сред. Датчик измеряет давление среды и формирует рабочий выходной сигнал.

Датчик включает в себя устройство первичного преобразования, снабженное чувствительным элементом, и схему для вторичной обработки сигнала. Для подключения к рабочему оборудованию и защиты от вредных воздействий внешней среды датчики давления имеют различную конструкцию и дополнительные детали.

Модификации датчиков давления

Область применения датчиков контроля давления в промышленности

Датчики давления стали одним из наиболее распространенных видов измерительного оборудования. Давление газовых сред, жидкостей и пара – один из важнейших параметров ведения технологических процессов.

Чаще всего датчики давления применяются для таких отраслей и процессов:

• В атомной энергетике: контроль параметров и перепадов давления, статодинамических режимов пара и смеси воды и пара на реакторных установках;
• В энергетической отрасли: измерение давления теплоносителя при производстве и транспортировании энергии и тепла в рамках ТЭС, котельных, ГРЭС, контроль давления для аварийной защиты;
• В нефтегазовой отрасли: контроль давления высокотемпературных сред в стволах скважин, на выходе из скважин для добычи, в нагнетательных скважинах, измерение давления при сепарации нефти, контроль давления насосных агрегатов, крановых площадок, резервуарных парков, измерение давления при ведении коммерческого учета нефти, нефтепродуктов, газа;
• В металлургии: измерение давления при производстве металлов, контроль производства под давлением или вакуумом;
• В строительной отрасли: измерение давления при производстве стройматериалов, контроль строительства зданий и сооружений, аварийной просадки грунта;
• В химической промышленности: измерение давления различных жидких и газовых продуктов при производстве;
• В пищевой промышленности: экологическое измерение давления;
• В сфере ЖКХ, водоснабжении и водоотведении: измерение давления теплоэнергоносителей для обеспечения поставок и взаиморасчетов;
• Для судоходного и автотранспорта: измерение давления различных жидкостей и растворов, в том числе масла и гидравлических жидкостей, контроль уровня давления в цилиндрах двигателя, аварийная защита оборудования.

Кроме того, датчики давления применяются для работы с компрессорными и насосными установками, гидравлическим оборудованием, промышленными двигателями и другими видами машин и механизмов в рамках различных производственных процессов.

Виды датчиков давления и их назначение

Датчики для измерения давления представлены в нескольких модификациях, отличающихся техническими возможностями. В зависимости от модели датчики рассчитаны на работу с различными диапазонами давления и температуры рабочей среды. Стандартно для передачи выходных сигналов приборы имеют транзисторные или аналоговые выходы управления.

Отдельно выделяется группа устройств – датчики-реле давления, имеющие основной или дополнительный релейный выход управления. Реле давления отличаются универсальностью применения и более низкой стоимостью по сравнению с другими видами приборов.

Основным критерием выбора датчика является тип измеряемого давления, исходя из которого все приборы делятся на:

• датчики абсолютного давления для контроля показаний относительно абсолютного нуля,
• датчики дифференциального (относительного) давления для замеров показаний относительно заданного значения,
• датчики избыточного давления для измерения избыточных показаний относительно атмосферного давления,
• гидростатические датчики для замеров гидростатического давления среды контроля,
• датчики разряжения (вакуума) для измерения соответствующего вида давления.

Датчики давления выпускаются в виде отдельных приборов или могут быть интегрированы в состав многофункциональных устройств. Выбор датчика давления зависит от характеристик измеряемого вещества, условий рабочей среды, измеряемого диапазона, а также уровня чувствительности сенсора и точности измерений.

Электронные датчики давления: особенности конструкций и разновидности

На сегодняшний день используются в промышленности не барометры с ртутью, а вполне современные и надежные датчики. У них принцип работы отличается в зависимости от конструктивных особенностей. У всех имеются как достоинства, так и определенные недостатки. Благодаря развитию электроники можно реализовать датчики для измерения давления на полупроводниковых элементах.

Что такое электронные датчики?

Электронные датчики давления воды или любой другой жидкости – это такие приборы, которые позволяют осуществлять замер параметров и их обработку специальными блоками управления и индикации. Датчик давления – это такое устройство, у которого выходные параметры напрямую зависят от того, какое давление в измеряемом месте (емкость, трубы и т. д.). Причем можно с их помощью осуществить замер любого вещества в различных агрегатных состояниях – жидком, парообразном, газообразном.

Необходимость таких приборов вызвана тем, что практически вся промышленность построена на системах автоматического управления. Человек осуществляет только настройку, калибровку, обслуживание и запуск (остановку). Работа любой системы происходит в автоматическом режиме. Но еще такие приборы часто используются в медицине.

Любые датчики состоят из чувствительного элемента – именно с его помощью передается воздействие на преобразователь. Также в конструкции имеется схема для осуществления обработки сигнала и корпус. Можно выделить следующие разновидности датчиков давления:

1. Пьезоэлектрические.
2. Резистивные.
3. Емкостные.
4. Пьезорезонансные.
5. Магнитные (индуктивные).
6. Оптоэлектронные.

А теперь рассмотрим каждый вид прибора более детально.

Резистивные элементы

Это такие устройства, у которых чувствительный элемент под воздействием нагрузки меняет свое сопротивление. На чувствительной мембране производится установка тензорезистора. Мембрана под действием давления изгибается, тензорезисторы также начинают двигаться. При этом у них меняется сопротивление. В результате происходит изменение силы тока в цепи преобразователя.

При растяжении элементов тензорезисторов увеличивается длина и уменьшается площадь сечения. Как результат увеличение сопротивления. Обратный процесс наблюдается при сжатии элементов. Конечно, изменяется сопротивление на тысячные доли Ома, поэтому, чтобы уловить это, нужно ставить специальные усилители на полупроводниках.

Пьезоэлемент является основой конструкции прибора. Когда происходит деформация, пьезоэлемент начинает генерировать определенный сигнал. Устанавливается элемент в среду, давление которой нужно измерить. При работе сила тока в цепи окажется прямопропорциональна изменению давления.

Такие приборы обладают одной особенностью – они не позволяют отслеживать давление, если оно постоянно. Поэтому используется исключительно в случае, когда давление постоянно изменяется. При постоянном значении измеряемой величины генерация электрического импульса производиться не будет.

Пьезорезонансные элементы

Эти элементы работают несколько иначе. При подаче напряжения пьезоэлемент деформируется. Чем выше напряжение, тем сильнее деформация. Основа прибора – пластина-резонатор, изготовленная из пьезоэлектрика. На обеих сторонах у нее имеются электроды. Как только произойдет подача напряжения на них, материал начинает вибрировать. При этом пластина изгибается то в одну, то в другую сторону. Скорость вибрации зависит от частоты тока, который подается на электроды.

Но если сила извне подействует на пластину, то произойдет изменение частоты колебаний пластины. По такому принципу работает электронный датчик давления воздуха, используемый в автомобилях. Он позволяет оценивать абсолютное давление воздуха, подаваемого в топливную систему автомобиля.

Емкостные приборы

Эти устройства наиболее популярные, так как имеют простую конструкцию, работают стабильно и в обслуживании неприхотливы. Конструкция состоит из двух электродов, расположенных на определенном расстоянии друг от друга. Получается своеобразный конденсатор. Одна из его пластин – это мембрана, на нее действует давление (измеряемое). В результате меняется зазор между пластинами (пропорционально давлению). По школьному курсу физики вы знаете, что емкость конденсатора зависит от площади поверхности пластин и расстояния между ними.

При работе в датчике давления изменяется только расстояние между пластинами – этого вполне достаточно для того, чтобы осуществить замер параметров. Электронные датчики давления масла строятся именно по такой схеме. Преимущества у данного типа конструкций очевидны – они могут работать в любых средах, даже агрессивных. На них не действуют большие перепады температур, электромагнитные волны.

Индуктивные датчики

Принцип работы отдаленно похож на рассмотренные выше емкостные. Чувствительная к давлению токопроводящая мембрана устанавливается на определенном расстоянии от магнитопровода в форме буквы Ш (на него наматывается катушка индуктивности).

При подаче напряжения на катушку создается магнитный поток. Он проходит как по сердечнику, так и через зазор, токопроводящую мембрану. Поток замыкается, а так как у зазора проницаемость примерно в 1000 раз меньше, нежели у сердечника, то даже мизерное его изменение приводит к пропорциональным колебаниям значений индуктивности.

Оптоэлектронные датчики

Они просто детектируют давление, обладают высокой разрешающей способностью. У них высокая чувствительность и термостабильность. Работают на основе интерференции света, используют для измерения небольших перемещений интерферометр Фабри-Перо. Такие электронные датчики давления встречаются крайне редко, но являются достаточно перспективными.

Основные компоненты прибора:

1. Кристалл оптического преобразователя.
2. Диафрагма.
3. Светодиод.
4. Детектор (состоит из трех фотодиодов).

К двум фотодиодам пристраиваются оптические фильтры Фаби-Перо, у которых небольшая разница в толщине. Фильтры – это кремниевые зеркала с отражающей лицевой поверхностью. Они покрыты слоем оксида кремния, на поверхность наносится тонкий слой алюминия. Оптический преобразователь очень схож с емкостным датчиком давления.

---

Смотрите также

• 
  Смазка высокотемпературная медная
• 
  Мерседес вито 2019 обзор
• 
  Что такое комон
• 
  Сотрудник полиции имеет право
• 
  Как проверить шаровую
• 
  Дошиповка зимней резины
• 
  Как оживить аккумулятор автомобиля
• 
  Ремонт электрики авто
• 
  Нужно ли прогревать машину перед поездкой
• 
  Какие штрафы оплачиваются с 50 процентной скидкой
• 
  Как снять колесо