Что такое датчик давления, типы и технические характеристики

Содержание:

1. Что такое датчик давления
2. Типы датчиков
3. Технические характеристики и преимущества
4. Устройство датчика давления
5. Области применения
6. Как выбрать

Точные измерительные приборы – важная составляющая деятельности всех современных отраслей хозяйства. Они служат для своевременного учета расхода разных жидкостей, нужны в работе с газовыми смесями и паром.

Кроме классических расходомеров, обладающих различными принципами действия, часто применяются еще и электронные приборы, измеряющие давление. Подобные устройства – обязательный элемент большей части измерительных комплексов и теплосчетчиков. Они часто входят в состав систем, служащих для осуществления автоматического контроля.

Так называемые датчики давления востребованы на предприятиях энергетического комплекса, в производстве продуктов питания, нефтеперерабатывающей сфере и других отраслях, где требуется знать цифровое значение давления для обеспечения бесперебойной и безопасной работы оборудования.

Что такое датчик давления

Датчик давления – это прибор, предназначенный для мониторинга давления в жидкостной либо газообразной среде с передачей сигнала о полученных измерениях на соответствующее оборудование. Это необходимо для своевременной корректировки параметров различных технологических процессов.

Датчик для измерения давления является компактным устройством, представляющим собой жидкокристаллический дисплей в алюминиевом корпусе. В него входят специальные трубки, которые оценивают давление конкретной среды – жидкости, газа или пара, а затем преобразовывают его либо выводят на экран его числовое значение при помощи аналогового или цифрового сигнала.

Принцип осуществления деятельности данного прибора напрямую зависит от типа измеряемого давления:

• абсолютное – полное значение по отношению к принятому нулю (точке перехода вакуума в давление),
• дифференциальное – диапазон давления между двумя заданными точками,
• избыточное – значение по отношению к атмосферному давлению.

Типы датчиков

Датчики давления используются преимущественно в пищевом или же химическом производстве. Особенно интересным вариантом можно назвать практичный и современный интеллектуальный датчик, служащий для измерения абсолютного давления, а также реализующий измерение относительно величины абсолютного вакуума. Данное измерение наиболее часто применяется там, где необходимо произвести быстрый учет давления газа, пара или же тепловой энергии.

По конструкции элементов чувствительности датчики делятся на волоконно-оптические и оптоэлектронные. Первые включают оптический волновод и определяют давление в результате поляризации света. Вторые проводят свет через многослойную конструкцию, каждый слой которой меняет его свойства в зависимости от давления среды.

По виду измерений для датчиков давления принята следующая классификация:

1. Датчик дифференциального давления помогает удачно решать задачи по учету расходования замеряемой среды. Принцип его действия заключается в замере разностей давления между двумя находящимися рядом полостями – плюсовой и минусовой. Он применяется для успешного учета расходов. Узкое устройство в коммуникациях является местным сопротивлением. В процессе прохождения через него происходит изменение характера скорости потока. Перед данным сужающим устройством давление в атмосферах значительно возрастет, а после него – снижается. Чем более высокого коэффициента достигает разница, имеющаяся на входе, а далее и на выходе сужающего устройства, тем выше будет расход той среды, которая протекает по данной трубе. Подобный датчик без особых проблем позволит произвести учет объема данной жидкости не только в самой трубе, но и в данной емкости. Это можно осуществить при помощи измерения давления в столбе жидкости, которая воздействует на плюсовую мембрану. Кроме того, в некоторых случаях производится измерение результатов в минусовой полости давления, которая находится непосредственно под куполом данной емкости.

Это необходимо для того, чтобы надежно произвести исключение чрезмерного влияния большинства насыщенных паров. Этот способ называется гидростатическим.

2. Датчик избыточного давления нужен для успешной регулировки и дальнейшего управления всеми техническими процессами. Он может применяться в составе большинства водяных систем, используемых для дальнейшего теплоснабжения; входит в необходимую комплектацию узлов, служащих для коммерческого и полноценного технологического учета всех требуемых жидкостей, газов и пара.

3. Датчики абсолютного давления. Сюда относятся интеллектуальные преобразователи, способные справиться с непрерывным измерением величин абсолютного и избыточного давления. Такие приборы также являются незаменимыми помощниками в случаях, когда нужно одновременно узнать точное значение дифференциального или же гидростатического давления, определиться с величиной давления в разреженных, жидких или же газообразных средах, в которых находится насыщенный или перегретый пар.

Комплексное исполнение датчика давления позволяет использовать его по назначению. Такое устройство применяется в условиях низких и высоких температур, а также в наиболее агрессивных средах.

В каждой из отраслей хозяйства необходимость того или иного датчика определяется сугубо индивидуальным способом, а также реальной надобностью. Выбор прибора зависит от того, какие перед ним поставлены задачи, а также от текущих условий эксплуатации. Заказчик самостоятельно выбирает материал, требующийся для изготовления мембраны разделения, а также корпуса электронного блока.

Технические характеристики и преимущества

К ключевым техническим опциям интеллектуальных датчиков давления можно отнести следующие:

• измерение абсолютного, избыточного, дифференциального, гидростатического давления;
• универсальность использования – измеряемой средой может выступать морская вода, различные виды масел, дизельное топливо, керосин, газ, мазут;
• максимальная температура измеряемой среды — 120 градусов;
• диапазон температур окружающей среды – от -60 до +70;
• абсолютное давление – от 2,5 КПа до 16 МПа;
• избыточное давление – от 0,16 КПа до 100 МПа;
• погрешность измерения — от 0,1 до 0,5%;
• высокий уровень пыле- и влагозащищенности — IP54, IP67.
• межповерочный интервал составляет 5 лет;
• срок гарантии – 3 года.

Датчик давления имеет высокую точность измерений. Если осуществляется специальный заказ, погрешность не превышает 0,04%. Датчики хорошо показывают себя в широком диапазоне измерений, в процессе самодиагностики и перегрузки.

Интеллектуальный счётчик — это надежное средство измерения, которое отвечает заявленным метрологическим и технико-эксплуатационным параметрам, легко работает в агрессивной среде и при низких температурах. Дополнительные плюсы – высокий уровень визуализации, простота использования, комфортный вывод информации на дисплее. Своевременно узнав о превышении давления, можно спланировать действия для предотвращения серьезных проблем.

Устройство датчика давления

Датчик давления состоит из преобразующего элемента; элемента, воспринимающего давление; приемника давления; системы вторичной обработки цифрового сигнала и устройства вывода информации. Все это скрывается в общем корпусе, оснащенном цифровым дисплеем.

Методы измерения давления при помощи датчика:

• тензометрический – чувствительные комплектующие измеряют давление за счет чуткости элементов, которые жестко припаиваются к мембране;
• пьезорезистивный – основан на применении преобразователя давления (мембрана из монокристаллического кремния), находящегося в металло-стеклянном корпусе;
• емкостные преобразователи применяют метод изменения емкости конденсатора;
• резонансный – в основе лежат акустические или электромагнитные процессы;
• индуктивный – основан на постоянных вихревых потоках.

Области применения

Датчики можно использовать в следующих областях:

• медицинской сфере;
• пищевой промышленности;
• тепло- и водоснабжении;
• машиностроительном производстве, а также автомобильной промышленности;
• электронной промышленности, роботостроении.

Счетчики давления позволяют держать под контролем большинство производственных процессов, успешно применяются в важных социальных сферах. Без них невозможно представить нормальную жизнедеятельность.

Как выбрать

Для того чтобы избежать серьезных финансовых расходов и правильно подойти к выбору датчика давления, необходимо учесть несколько важных качественных характеристик:

• диапазон давления – для разных целей использования диапазоны могут резко отличаться друг от друга;
• точность осуществления измерений – в некоторых случаях требуется высочайший уровень точности, например, при разработке двигателей для гоночных автомобилей;
• температура является крайне важным и серьезным показателем, ведь приборы широко востребованы для тех устройств, которые используются в различных температурных диапазонах;
• качество выходного сигнала на данном приборе;
• принцип передачи информации о текущем давлении;
• удобство присоединения датчика давления к технологическому процессу;
• материал изготовления датчика – это существенно, если планируется использовать его в условиях высоких нагрузок;
• наличие сертификата качества, что делает применение датчика максимально безопасным;
• сроки доставки.

Учитывая соответствующие факторы, можно найти подходящий датчик давления, который прослужит максимально долгое время без поломок и прочих проблем. Важно лишь подобрать достойного производителя, имеющего нужную документацию и положительные отзывы, а также правильно произвести установку и начальную настройку.

Датчики давления компании Smartec

Датчики давления компании Smartec

Принцип работы

 

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

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

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

 

Принцип действия датчика давления	Емкостное измерение на основе тензометрического резистора на изгибающейся мембране

 

Изгиб мембраны (а также слоя) очень мал (

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

 

Типы датчиков давления

 

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

Вкратце:

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

 

 

Датчик относительного давления

 

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

 

Принцип работы датчика относительного давления

 

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

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

Типичное применение датчиков такого типа – измерение давления в шинах.

 

Датчики абсолютного давления

 

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

 

Принцип работы датчика абсолютного давления

 

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

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

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

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

 

Датчики дифференциального давления

 

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

 

Принцип работы датчика дифференциального давления.

 

 

Типы выходного сигнала

 

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

 

Мостовой выходной сигнал

 

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

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

 

Аналоговый выходной сигнал

 

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

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

 

Цифровой выходной сигнал

 

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

 

Важные понятия

 

Абсолютное давление — это давление относительно вакуума.

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

Относительное давление – это давление относительно атмосферного давления.

Дифференциальное давление – разность давлений между двумя точками.

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

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

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

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

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

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

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

 

Принципы работы и применение датчиков давления

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

Датчик давления является наиболее часто используемым датчиком в промышленном строительстве. Он используется в различных промышленных средах автоматического управления, включая водное хозяйство и гидроэнергетику, железнодорожный транспорт, интеллектуальные здания, автоматическое управление производством, аэрокосмическую, военную промышленность, нефтехимическую промышленность, нефтяные скважины, энергетику, корабли, станки, трубопровод и многие другие отрасли.

Каталог

 

I Принцип работы различных датчиков давления

1. Пьезоэлектрические датчики давления

Основным принципом работы пьезоэлектрического датчика давления является пьезоэлектрический эффект . Пьезоэлектрические материалы, в основном используемые в пьезоэлектрических датчиках, включают кварц, тартрат калия-натрия и дигидрофосфат. Среди них кварц/кремнезем является природным кристаллом. В этом кристалле обнаружен пьезоэлектрический эффект. В определенном диапазоне температур всегда существует пьезоэлектрическое свойство. После того, как температура превысит этот диапазон, пьезоэлектрическое свойство полностью исчезнет. Высокая температура – ​​это так называемая точка Кюри. Поскольку изменение электрического поля не является очевидным при изменении напряжения, кварц постепенно заменяется другими пьезоэлектрическими кристаллами. Пьезоэлектрический эффект применяется к поликристаллам, таким как пьезоэлектрическая керамика. Они включают пьезоэлектрическую керамику из титаната бария, PZT, пьезоэлектрическую керамику из ниобата, пьезоэлектрическую керамику из ниобата свинца и т. д. Пьезоэлектрические датчики в основном используются для измерения ускорения, давления и силы. Пьезоэлектрический датчик ускорения является широко используемым акселерометром. Он имеет характеристики простой конструкции, небольшого размера, легкого веса и длительного срока службы. Пьезоэлектрические датчики ускорения широко используются для измерения вибрации и ударов в самолетах, автомобилях, кораблях, мостах и ​​зданиях, особенно в авиации и космонавтике.

пьезоэлектрический эффект

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

2. Тензометрические датчики давления

Принцип работы металлического тензорезистора заключается в том, что сопротивление тензорезистора, адсорбированного на основном материале, изменяется при механической деформации. Этот эффект широко известен как эффект деформации сопротивления. Тензорезистор представляет собой чувствительное устройство, которое преобразует изменение деформации испытуемого образца в электрический сигнал. Это один из основных компонентов пьезорезистивного датчика деформации.

Металлический тензорезистор

Наиболее часто используемыми тензорезисторами являются металлические тензорезисторы и полупроводниковые тензорезисторы . Существует два вида металлических тензорезисторов: тензодатчики накаливания и тензорезисторы с металлической фольгой. Обычно тензометрические датчики плотно приклеиваются к подложке, создающей механические напряжения, с помощью специального клея. При изменении напряжения подложки тензорезисторы также деформируются вместе. Затем сопротивление тензорезисторов изменяется так, что меняется напряжение, подаваемое на резистор. Изменение сопротивления таких тензорезисторов при нагрузке обычно невелико. Как правило, эти тензорезисторы образуют тензометрический мост. И они усиливаются последующими инструментальными усилителями, а затем передаются на схему обработки (обычно аналого-цифровое преобразование и ЦП), дисплей или исполнительный механизм.

Внутренняя структура металлического тензорезистора: тензорезистор состоит из основного материала, металлической тензометрической проволоки или тензометрической фольги, изолирующего защитного листа и подводящего провода. В соответствии с различными вариантами использования значение сопротивления тензорезистора может быть рассчитано разработчиком. Однако следует учитывать диапазон значений сопротивления: значение сопротивления слишком мало, требуемый управляющий ток слишком велик. В этом случае сопротивление тензорезистора слишком сильно меняется в разных средах; происходит дрейф нуля на выходе, а схема регулировки нуля слишком сложна. Если сопротивление слишком велико, импеданс слишком высок и способность противостоять внешним электромагнитным помехам плохая. Как правило, это от десятков Ом до десятков тысяч Ом.

3. Керамические датчики давления

Давление воздействует на переднюю поверхность керамической диафрагмы, вызывая небольшую деформацию диафрагмы. Толстопленочный резистор напечатан на обратной стороне керамической диафрагмы и подключен к мосту Уитстона. Благодаря пьезорезистивному эффекту варистора мост генерирует линейный сигнал напряжения, пропорциональный давлению и напряжению возбуждения. Стандартный сигнал откалиброван на 2,0/3,0/3,3 мВ/В в соответствии с совместимостью диапазона давления. Благодаря лазерной калибровке датчик имеет высокотемпературную и временную стабильность. Датчик поставляется с температурной компенсацией 0 ~ 70 ℃ и может напрямую контактировать с большинством сред.

Керамический датчик давления

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

4. Сапфировые датчики давления

Первоначально работая с сопротивлением деформации , используя кремний-сапфир в качестве полупроводникового чувствительного элемента, сапфировый датчик давления имеет непревзойденные характеристики измерения. Цепь датчика может обеспечить питание цепи тензометрического моста. Он также может преобразовывать несбалансированный сигнал деформационного моста в унифицированный выходной электрический сигнал. В датчике абсолютного давления и преобразователе сапфировый лист соединен с припоем из керамического базового стекла, который действует как упругий элемент. Он преобразует измеренное давление в деформацию тензодатчика, чтобы достичь цели измерения давления. Поэтому полупроводниковые компоненты из кремний-сапфира не чувствительны к изменениям температуры. Они обладают очень хорошей работоспособностью даже в условиях высоких температур; сапфир обладает сильной радиационной стойкостью. Кроме того, кремний-сапфировые полупроводниковые чувствительные компоненты не имеют дрейфа PN.

конструкция сапфирового датчика давления

5. Датчики давления из диффузного кремния

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

II Применение датчиков давления

1. Датчики давления в системе взвешивания

В коммерческих системах взвешивания промышленных технологий контроля все чаще используется технология измерения давления. Во многих процессах управления давлением часто необходимо собирать сигналы давления и преобразовывать их в электрические сигналы, которыми можно управлять автоматически.

Устройства контроля давления с датчиками давления обычно называют электронными системами взвешивания. Электронные системы взвешивания становятся все более и более важными инструментами онлайн-управления потоком материалов в различных промышленных процессах. Электронная система взвешивания может не только оптимизировать производство в процессе производства продукта и улучшить качество продукции, но также собирать и передавать данные о движении материалов в процессе производства в центр обработки данных для онлайн-управления запасами и финансовых расчетов.

При автоматическом управлении процессом взвешивания датчик давления необходим для правильного восприятия сигнала гравитации . Кроме того, его динамический отклик должен быть хорошим, а защита от помех должна быть лучше. Сигнал, обеспечиваемый датчиком давления, может быть непосредственно отображен, записан, распечатан и сохранен системой обнаружения или использован для управления регулировкой с обратной связью.

Интеграция датчика давления и схемы измерения значительно уменьшает объем всего устройства. Кроме того, разработка технологии экранирования также улучшит противопомеховую способность датчика давления взвешивания и степень автоматического управления.

2. Датчики давления в нефтехимической промышленности

Датчик давления является одним из наиболее часто используемых измерительных устройств в автоматическом контроле в нефтехимической промышленности. В крупномасштабных химических проектах включены почти все области применения датчиков давления: дифференциальное давление, абсолютное давление, манометрическое давление, высокое давление, микроперепад давления, высокая температура, низкая температура и фланцевые датчики давления с удаленной передачей из различных материалов и специальной обработки. .

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

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

Микродатчик давления представляет собой датчик давления нового типа, изготовленный с использованием полупроводниковых материалов и технологии МЭМС. Он имеет преимущества высокой точности, высокой чувствительности, хороших динамических характеристик, небольшого размера, коррозионной стойкости и низкой стоимости. Материал чистого монокристаллического кремния имеет небольшую усталость. Датчик микродавления, изготовленный из этого материала, обладает хорошей долговременной стабильностью. В то же время датчик микродавления легко интегрируется с датчиком микротемпературы. Таким образом, это может улучшить точность температурной компенсации, температурные характеристики и точность измерения датчика.

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

3. Датчики давления в водоподготовке

В последние годы отрасль водоочистки для защиты окружающей среды быстро развивалась и имеет большое будущее. В водоснабжении и очистке сточных вод датчики давления обеспечивают важный контроль и мониторинг для защиты системы и обеспечения качества.

Датчик давления преобразует давление (обычно относится к давлению жидкости или газа) в выходной электрический сигнал. Электрический сигнал давления также можно использовать для измерения уровня статической жидкости, поэтому его можно использовать для измерения уровня жидкости. Чувствительные компоненты датчика давления в основном состоят из чувствительного элемента из силиконовой чашки, силиконового масла, изолирующей диафрагмы и воздуховода. Давление измеряемой среды передается на сторону силиконового чашечного элемента через изолирующую диафрагму и силиконовое масло. Эталонное атмосферное давление действует на другую сторону силиконового чашечного элемента через воздуховод. Силиконовая чашка представляет собой монокристаллическую кремниевую пластину чашеобразной формы с тонким дном. Под давлением нижняя диафрагма чашки производит упругую деформацию с минимальным смещением. Монокристаллический кремний является идеальным эластомером. Его деформация строго пропорциональна давлению, а его характеристики восстановления превосходны.

4. Датчики давления в смартфоне

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

(1)  Измерение высоты

Те, кто любит альпинизм, очень беспокоятся о своем росте. Существует два широко используемых метода измерения высоты: один — это глобальная система позиционирования GPS, а другой — измерение атмосферного давления с последующим вычислением высоты на основе значения давления. Из-за технических и других ограничений общая погрешность GPS-вычисления высоты составляет около десяти метров, а если он находится в лесу или под обрывом, иногда сигналы спутников GPS не принимаются. Метод давления воздуха можно выбирать в более широком диапазоне, а стоимость можно контролировать на относительно низком уровне. Кроме того, датчик давления мобильного телефона, такого как Galaxy Nexus, также включает в себя датчик температуры, который может регистрировать температуру для корректировки результата и повышения точности результата измерения. Поэтому добавление функции датчика давления на основе оригинального GPS смартфона может сделать трехмерное позиционирование более точным.

(2)  Вспомогательная навигация

Сейчас многие автомобилисты используют мобильные телефоны для навигации, но навигация по виадукам часто дает ошибки. Например, на виадуке GPS не может определить, находитесь ли вы на мосту или под мостом из-за неправильной навигации. Однако, если к мобильному телефону добавить датчик давления, его точность может составлять 1 метр, чтобы он мог помочь GPS в измерении высоты.

(3)  Позиционирование в помещении

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

5. Датчики давления в медицинской промышленности

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

Минимально инвазивная хирургия может не только уменьшить травматичность операционного поля, но и значительно уменьшить боль пациента. Чтобы удовлетворить такие требования, в дополнение к хирургическому опыту врача, но и с различным медицинским оборудованием для мониторинга. Многие медицинские устройства, используемые для этой операции, теперь крошечные, например, различные катетеры и устройства для абляции. Катетеры включают термодилюционные катетеры, уретральные катетеры, пищеводные катетеры, центральные венозные катетеры, сосуды внутричерепного давления и т. д.

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

6. Датчики давления MEMS

Датчик давления MEMS представляет собой тонкопленочный элемент , который деформируется под воздействием давления. Для измерения этой деформации можно использовать тензорезистор (пьезорезистивное измерение) или ее можно измерить по изменению расстояния между двумя поверхностями с помощью емкостного измерения.

МЭМС-датчик давления

Автомобильная промышленность остается крупнейшей областью применения МЭМС-датчиков давления, на долю которых приходится 72 % ее продаж, за ней следует медицинская электроника с 12 % и промышленные отрасли с 10 %. Бытовая электроника и военная авиация на оставшиеся 6% рынка.

В автомобильной сфере управление двигателем является его основным применением, включая датчики давления воздуха в коллекторе в бензиновых двигателях и датчики давления в общей топливной рампе в дизельных автомобилях. Чтобы улучшить ситуацию со сгоранием, некоторые организации также изучают датчики давления. Они могут работать в цилиндре, чтобы лучше измерять точное соотношение различных веществ, участвующих в химической реакции, и передавать данные обратно в систему управления двигателем.

Из-за суровых условий эксплуатации цена на автомобильные датчики намного выше, чем на бытовые датчики. Кроме того, автомобильным датчикам требуется длительное время для идентификации. Эти датчики должны надежно работать до 15 лет. Некоторые датчики, такие как тормоза или датчики давления в шинах, имеют решающее значение для безопасности автомобиля.

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

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

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

Датчик датчика давления | Как это работает

Что такое датчик давления? Какие существуют типы преобразователей давления и технологий измерения давления и как они работают при измерении давления?

Датчик давления

: Определение, принцип работы и типы. Ознакомьтесь с функциями и возможностями различных датчиков измерения давления в этом подробном руководстве.

Датчики давления

, изготовленные в США компанией FUTEK Advanced Sensor Technology (FUTEK), ведущим производителем датчиков, использующей одну из самых передовых технологий в сенсорной промышленности: технологию тензодатчиков с металлической фольгой. Датчик давления определяется как датчик, который преобразует входное механическое давление в электрический выходной сигнал (определение датчика давления). Существует несколько типов преобразователей давления в зависимости от размера, производительности, метода измерения, технологии измерения и требований к выходному сигналу.

Посетите наш магазин датчиков давления. Доступно более 60+ типов датчиков!

 

Что такое датчик давления?

Что делает датчик давления? Датчик давления — это преобразователь или прибор, который преобразует входное механическое давление в газах или жидкостях в электрический выходной сигнал. Датчик давления состоит из чувствительного к давлению элемента, который может измерять, обнаруживать или контролировать прикладываемое давление, и электронных компонентов для преобразования информации в электрический выходной сигнал.

Давление определяется как количество силы (приложенной к жидкости или газу), приложенной к единице «площади» (P=F/A), и общепринятыми единицами давления являются Паскаль (Па), Бар (бар), Н/мм2 или psi (фунты на квадратный дюйм). В преобразователях давления часто используется пьезорезистивная технология, поскольку пьезорезистивный элемент изменяет свое электрическое сопротивление пропорционально испытанному напряжению (давлению).

 

Как работает датчик давления?

Чтобы понять, как работает промышленный датчик давления и как измерять давление, во-первых, необходимо понять основы физики и материаловедения, лежащие в основе 9Принцип работы датчика давления 0007 и пьезорезистивный эффект , который измеряется тензодатчиком (иногда его называют тензодатчиком ). Тензорезистор из металлической фольги представляет собой преобразователь, электрическое сопротивление которого изменяется в зависимости от приложенного давления. Другими словами, он преобразует силу, давление, напряжение, сжатие, крутящий момент и вес (датчики веса) в изменение электрического сопротивления, которое затем можно измерить.

Тензорезисторы представляют собой электрические проводники, плотно прикрепленные к пленке в форме зигзага. Когда эту пленку тянут, она — и проводники — растягиваются и удлиняются. Когда его толкают, он сокращается и становится короче. Это изменение формы приводит к изменению сопротивления электрических проводников. Деформация, приложенная к датчику давления, может быть определена на основе этого принципа, поскольку сопротивление тензорезистора увеличивается с приложенной деформацией и уменьшается при сжатии.

Рис. 1: Тензодатчик из металлической фольги. Источник: ScienceDirect

 

 

 

Посетите наш магазин датчиков давления. Доступно более 60+ типов датчиков!

 

Конструктивно тензометрический датчик-преобразователь давления выполнен в виде металлического корпуса (также называемого изгибом), к которому приклеены металлическая фольга тензорезисторов . Корпус этих датчиков измерения давления обычно изготавливается из алюминия или нержавеющей стали, что придает датчику две важные характеристики: (1) обеспечивает прочность, выдерживающую высокое давление, и (2) обладает эластичностью, позволяющей минимально деформироваться и возвращаться к исходной форме при воздействии давления. давление снимается.

Датчик давления преобразует давление в электрический сигнал. Промышленные датчики давления FUTEK используют пьезорезистивный эффект, который состоит из тензодатчиков из металлической фольги, установленных на диафрагме. При изменении давления диафрагма меняет форму, вызывая изменение сопротивления в тензорезисторах, что позволяет измерять изменения давления электрическим способом. Наши датчики давления естественным образом производят электрический сигнал в милливольтах, который изменяется пропорционально давлению и напряжению возбуждения датчика (мВ/В — милливольт на вольт). Однако мы предлагаем датчики давления с внутренними аналоговыми усилителями. Датчики давления со встроенными усилителями генерируют сигналы переменного напряжения, т.е. ±10В, или переменного тока (т.е. выход датчика давления 4-20мА). Однако, если для вашего приложения требуется цифровой или USB-усилитель датчика давления, обратитесь к нашим инструментам датчиков давления и странице магазина усилителей.

Тензорезисторы расположены в так называемой схеме усилителя моста Уитстона (см. анимированную схему ниже). Это означает, что четыре тензорезистора соединены между собой в виде контура, и соответственно совмещена измерительная сетка измеряемого давления.

Мостовые тензометрические усилители обеспечивают регулируемое напряжение возбуждения и преобразуют выходной сигнал мВ/В в другую форму сигнала, более полезную для пользователя. Сигнал, генерируемый тензорезисторным мостом, имеет низкую мощность и может не работать с другими компонентами системы, такими как ПЛК, модули сбора данных (DAQ) или компьютеры. Таким образом, функции формирователя сигнала датчика давления включают в себя напряжение возбуждения, фильтрацию или ослабление шума, усиление сигнала и преобразование выходного сигнала.

Кроме того, изменение выходного сигнала усилителя датчика давления откалибровано, чтобы быть пропорциональным давлению, приложенному к изгибу, которое можно рассчитать с помощью уравнения цепи датчика давления.

Рис. 2. Цепь датчика измерения давления.

 

Посетите наш магазин датчиков давления. Поговорите с инженером сегодня!

 

Как измерить давление? Какие существуют типы датчиков давления и методы измерения?

Датчики давления можно классифицировать по типу измерения давления, который они измеряют, а также по технологии измерения давления, с которой работает датчик. В связи с этим существует три метода измерения давления: дифференциальный, абсолютный и манометрический.

Преобразователь дифференциального давления: Дифференциальное давление представляет собой измерение перепада давления между двумя значениями давления или двумя точками давления в системе , таким образом измеряя, насколько две точки отличаются друг от друга, а не их величину по отношению к атмосферному давлению. или к другому эталонному давлению, такому как абсолютный вакуум. Это отличается от датчика статического или абсолютного давления, который измеряет давление, используя только один порт, и, как правило, датчики перепада давления комплектуются двумя портами, к которым можно присоединить трубы и подключить их к системе в двух разных точках давления, откуда может быть перепад давления. быть измерены и рассчитаны.

Этот метод измерения давления обычно используется для измерения расхода жидкости или газа в трубах или воздуховодах.

 

Рис. 3. Как работает датчик дифференциального давления? Измерение уровня в резервуаре с помощью датчика измерения перепада давления.

 

 

Преобразователь абсолютного или вакуумного давления: Этот датчик измеряет абсолютное давление , которое определяется как давление, измеренное относительно идеального герметичного вакуума . Датчики абсолютного давления используются в приложениях, где требуется постоянная ссылка . Эти приложения требуют привязки к фиксированному давлению, поскольку они не могут быть просто привязаны к окружающему давлению. Например, этот метод используется в высокопроизводительных промышленных приложениях, таких как контроль вакуумных насосов, измерение давления жидкости, промышленная упаковка, управление промышленными процессами и аэрокосмическая и авиационная инспекция. Когда дело доходит до измерения атмосферного давления, особенно для таких приложений, как барометрические измерения погоды или высотомеры, предпочтительным устройством является датчик абсолютного давления.

 

Посетите наш магазин датчиков давления. Поговорите с нашим специалистом по приложениям сегодня!

 

Манометрическое или относительное давление Преобразователь : Манометрическое давление является просто частным случаем дифференциального давления с давлениями, измеряемыми дифференциально, но всегда относительно местного давления окружающей среды . В том же отношении абсолютное давление также можно рассматривать как дифференциальное давление, когда измеренное давление сравнивается с идеальным вакуумом. Изменения атмосферного давления из-за погодных условий или высоты напрямую влияют на выходной сигнал датчика избыточного давления. Манометрическое давление выше атмосферного давления называется положительным давлением. Если измеренное давление ниже атмосферного давления, оно называется отрицательным или вакуумметрическим давлением.

 

Рис. 4. Измерение давления с помощью датчика давления в системе водяного насоса

 

Типы технологий измерения давления или принципы работы

Существует множество технологий измерения давления или принципов измерения, способных преобразовывать давление в измеримый и стандартизированный электрический сигнал. В этой статье основное внимание будет уделено типам коллекторов силы, которые используют датчик силы (например, диафрагму) для измерения деформации (или отклонения) из-за приложенной силы на площади (давление).

Резистивный или пьезорезистивный эффект: Датчики измерения резистивного давления используют изменение электрического сопротивления тензорезистора, прикрепленного к диафрагме (также известной как гибкий элемент), которая подвергается воздействию среды под давлением.

Тензорезисторы часто состоят из металлического резистивного элемента на гибкой подложке, прикрепленного к диафрагме (например, тензорезистора из металлической фольги) или нанесенного непосредственно с помощью тонкопленочных процессов.

Обычно тензометрические датчики подключаются по мостовой схеме Уитстона, чтобы максимизировать выходной сигнал датчика и снизить чувствительность к ошибкам. Это наиболее часто используемая сенсорная технология для измерения давления общего назначения.

 

Видео на YouTube: Миниатюрный датчик давления (PFT510) | Мембранный преобразователь давления для скрытого монтажа.

 

 

Посетите наш магазин датчиков давления. Доступно более 60+ датчиков!

 

Емкостной: В емкостных датчиках давления используется диафрагма, которая отклоняется под действием приложенного давления, чтобы создать переменный конденсатор для обнаружения деформации, вызванной приложенным давлением. При приложении давления внешнее давление сжимает диафрагму, и значение емкости уменьшается. Когда давление сбрасывается, диафрагма возвращается к своей первоначальной форме, и за ней следует емкость. В обычных технологиях используются металлические, керамические и кремниевые диафрагмы. Емкость можно откалибровать, чтобы обеспечить точное считывание давления.

Емкостные датчики, отображающие изменение емкости при отклонении одной пластины под действием приложенного давления, могут быть очень чувствительными и выдерживать большие перегрузки. Однако ограничения на материалы, а также требования к соединению и герметизации могут ограничивать области применения.

Пьезоэлектрический эффект: Пьезоэлектрические датчики давления используют свойство пьезоэлектрических материалов, таких как керамика или металлизированный кварц, генерировать электрический потенциал на поверхности, когда материал подвергается механическому напряжению и деформации. Величина заряда пропорциональна приложенному давлению, а полярность определяется направлением давления. Электрический потенциал накапливается и быстро рассеивается при изменении давления, что позволяет измерять быстро меняющееся динамическое давление.

 

Каковы общие области применения преобразователя давления?

На странице приложений датчиков давления

FUTEK представлено несколько промышленных применений датчиков давления. Одним из распространенных применений является измерение давления в гидравлической системе крана.

 

Эталоны измерения давления

Давление обычно измеряется в единицах силы на единицу площади поверхности ( P = F / A). В физике символом давления является р, а единицей измерения давления в системе СИ является паскаль (символ: Па). Один паскаль — это сила в один ньютон на квадратный метр, действующая перпендикулярно поверхности. Другими часто используемыми единицами измерения давления для определения уровня давления являются фунты на квадратный дюйм (фунты на квадратный дюйм) и бар. Использование единиц давления зависит от региона и области применения: фунт на квадратный дюйм обычно используется в Соединенных Штатах, а бар — предпочтительная единица измерения в Европе.

	Паскаль	Бар	Стандартная атмосфера	Фунт на квадратный дюйм
	(Па)	(бар)	(атм)	(psi или фунт-сила/дюйм 2 )
1 Па	1	10 −5 бар	9,8692×10 −6 атм	1,45 x 10 −4
1 бар	100 000	1	0,98692	14,5038
1 атм	1013,25	1.01325	1	14,6959
1 psi или lbf/in 2	6 894,76	0,06894	0,06804	1

 

Почему важно калибровать датчик давления?

Калибровка датчика давления — это регулировка или набор поправок, которые выполняются на датчике , или инструмент (усилитель), чтобы убедиться, что датчик работает как точно или безошибочно, насколько это возможно.

Каждый датчик подвержен ошибкам измерения . Эти структурные погрешности представляют собой просто алгебраическую разницу между значением, отображаемым выходным сигналом датчика , и фактическим значением измеренной переменной или известным эталонным давлением. Ошибки измерения могут быть вызваны многими факторами:

Смещение нуля (или баланс нуля датчика давления): Смещение означает, что выходной сигнал датчика при нулевом давлении (истинный нуль) выше или ниже идеального выходного сигнала. Кроме того, стабильность нуля относится к степени, в которой преобразователь поддерживает баланс нуля при неизменности всех условий окружающей среды и других переменных.

Линейность (или нелинейность): Немногие датчики имеют полностью линейную характеристику, что означает, что выходная чувствительность (наклон) изменяется с разной скоростью во всем диапазоне измерения. Некоторые из них достаточно линейны в желаемом диапазоне и не отклоняются от прямой линии (теоретической), но некоторые датчики требуют более сложных вычислений для линеаризации выходного сигнала. Таким образом, нелинейность датчика давления представляет собой максимальное отклонение фактической калибровочной кривой от идеальной прямой линии, проведенной между выходными сигналами без давления и номинальным давлением, выраженное в процентах от номинального выходного сигнала.

Гистерезис: Максимальная разница между выходными показаниями датчика для одного и того же приложенного давления; одно показание получается за счет увеличения давления от нуля, а другое за счет снижения давления от номинального выхода. Обычно он измеряется при половинной номинальной мощности и выражается в процентах от номинальной мощности. Измерения следует проводить как можно быстрее, чтобы свести к минимуму ползучесть.

Повторяемость (или неповторяемость): Максимальная разница между выходными показаниями датчика для повторяющихся входных данных при одинаковом давлении и условиях окружающей среды. Это выражается в способности датчика поддерживать стабильный выходной сигнал при повторном приложении одинакового давления.

Температурный сдвиг Диапазон и ноль: Изменение выходного сигнала и нулевого баланса, соответственно, из-за изменения температуры преобразователя.

 

Рис. 5: Калибровочная кривая датчика давления.

Каждый датчик давления имеет «характеристическую кривую» или «калибровочную кривую», которая определяет реакцию датчика на ввод. Во время регулярной калибровки с использованием калибровочного станка датчика мы проверяем смещение нуля и линейность датчика, сравнивая выходной сигнал датчика с эталонными гирями и настраивая отклик датчика до идеального линейного выхода. Оборудование для калибровки датчиков давления также проверяет гистерезис, воспроизводимость и температурный сдвиг, когда заказчики запрашивают его для некоторых важных приложений измерения давления.

Для получения дополнительной информации о калибровке см. нашу страницу часто задаваемых вопросов о калибровке датчика.

Если у вас есть дополнительные вопросы о терминах и определениях калибровки, обратитесь к нашему Глоссарию терминов калибровки датчиков.