Устройство и принцип работы датчиков давления расхода и уровня

Принцип работы датчиков давления, расхода и уровня: объясняем во всех подробностях

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

Большинство датчиков давле­ния строятся на принципе преобразования давления в механическое перемещение. Кроме механических систем, в которые входят мем­браны и трубчатые пружины, для измерения давления применяются также электрические и тепловые системы.

Устройство и работа датчика давления.

К датчикам давления с механическими воспринимающими органами относятся:

• жидкостные датчики давления (U-образные системы);
• поршневые системы;
• пружинные системы: а) мембранные (плоские, гофрированные, мягкие); б) сильфоны; в) манометрические трубчатые пружины.

Рассмотрим устройство некоторых наиболее часто встречающихся датчиков давления.

Наиболее широко применяются пружинные датчики давления. Действие их основано на возникнове­нии упругой деформации пру­жины, являющейся чувстви­тельным элементом прибора. Деформация возникает при измене­нии давления внутри или снаружи пружины. Изменение формы элемента передается на подвижную часть прибора со стрелкой, перемещающейся по шкале, при снятии давления чувствительный элемент принимает первоначальную форму.

Рисунок 1. Виды пружинных датчиков давления.

В технических манометрах и вакуумметрах обычно применяются упругие пружины: одновитковые, многовитковые, плоские мембраны и сильфоны (гармониковые мембраны).

На рис. 1 показаны виды пружинных датчиков давления.

Одновитковая трубчатая пружина (а) согнута по дуге почти в форме окружности приблизительно на 270°. В сечении пружина имеет вид эллипса. Изготовляется она из латуни (или стали — для больших давлений). Один конец пружины запаян и является свободным. Второй конец пружины неподвижен, и к нему подводится измеряемое давление р. Давление вызывает деформацию пружины и переме­щение ее свободного конца.

Раскручивание пружины происходит по следующей причине. При увеличении внутреннего давления эллиптическое сечение стре­мится принять круглую форму, т. е. малая ось эллипса начинает увеличиваться, а большая — уменьшаться. В результате возникают напряжения, которые будут раскручивать трубчатую пружину. Свободный конец пружины при этом будет перемещаться пропор­ционально давлению внутри нее. Таким образом, измеряемое дав­ление преобразуется в механическое перемещение свободного конца пружины. Величина этого перемещения обычно составляет 5—7 мм.

Многовитковая трубчатая пружина (б) имеет 6-9 витков диаметром около 30 мм. Перемещение свободного конца пружины значительно больше (до 15 мм), чем у одновитковой пружины. Гораздо большим является здесь и тяговое усилие.

Рисунок 2. Схема датчика давления типа МЭД.

Обычно датчики в виде одновитковой трубчатой пружины применяются в показываю­щих приборах, а датчики в виде многовитковых трубчатых пружин — в самопишущих. Это объясняется тем, что в самопишущих при­борах датчик должен обладать большим усилием, достаточным для преодоления трения не только в сочленениях передаточно-множительного механизма, но и трения пера о бумагу.

Плоская гофрированная мембрана (в) используется или от­дельно, или в коробке из двух гофрированных мембран. Приме­няется также мягкая мембрана из плоской прорезиненной ткани, соединенной с плоской калиброванной пружиной.

Гармониковая мембрана — сильфон (г) представляет собой цилиндрическую коробку со стенками, имеющими равномерные поперечные складки (гофры). Измеряемое давление подается внутрь сильфона или снаружи его.

По сравнению с плоской мембраной и мембранной коробкой гармоникообразная мембрана обладает наибольшей чувствитель­ностью.

Рисунок 3. Схема ротаметра с индуктивным датчиком.

Сильфонные приборы предназначаются для измерения и записи избыточного давления и разрежения. Кроме того, эти приборы ис­пользуются в качестве вторичных приборов к устройствам, снаб­женным приспособлением для пневматической передачи показаний на расстояние.

Пружинные датчики давления в схемах автоматизации преобра­зуют механическое перемещение в электрический сигнал при по­мощи индуктивного, реостатного или контактного датчиков.

На рис. 2 приведена схема датчика давления типа МЭД. Давление, воспринимаемое трубчатой манометрической пружи­ной 1, преобразуется в перемещение конца манометрической труб­ки. Это перемещение передается плунжеру трансформаторного датчика 2. Вторичным прибором является прибор типа ЭПИД.

Датчики расхода бывают механические, термические, ионизационные, индукционные, акустические.

Механические датчики расхода разделяются на датчики пере­менного и постоянного перепада, а также датчики со сливным от­верстием.

Рисунок 4. Схема поплавкового дат­чика уровня с реостатным датчиком.

Датчики расхода переменного перепада действуют по принципу возникновения перепада давления в сужающем устройстве, которое устанавливается на пути движущейся среды. Пере­пад давления является здесь функцией расхода. Сужающее устройство является воспринимающим органом датчика расхода.

Датчики расхода постоянного перепада (ротаметры) используют сужающие органы для регулирования сечения с целью поддерживания постоянным пере­пада давления.

На рис. 3 приведена схема ротаметра с индуктивным датчиком. Ротаметр состоит из ко­нической трубки 1 и поплавка 2. При движении жидкости или газа в кольцевом зазоре между поплавком и стенками трубки создается перепад давления, который создает силу, действующую навстречу силе веса поплавка. Положение поплавка в конической трубке определяется величиной расхода.

Ротаметры выполняются как показывающие приборы и как дат­чики. Обмотка индуктивного датчика помещена снаружи на трубке сопла. Железный поплавок является сердечником катушки 3 индуктивного датчика. При изменении расхода поплавок переме­щается и изменяет индуктивность катушки, таким образом расход преобразуется в электрический сигнал.

Калькулятор

Сервис бесплатной оценки стоимости работы

1. Заполните заявку. Специалисты рассчитают стоимость вашей работы
2. Расчет стоимости придет на почту и по СМС

Номер вашей заявки

Прямо сейчас на почту придет автоматическое письмо-подтверждение с информацией о заявке.

Оформить еще одну заявку

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.

На какие параметры нужно обращать внимание при покупке датчиков давления

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

Производители и дилеры

В нашем каталоге представлены датчики давления, которые можно приобрести у следующих производителей и дилеров: Honeywell International, Компэл, Freescale Semiconductor, Inc, Omron Electronics LLC, ST Microelectronics, BD Sensors RUS.

Если вам понравилась статья нажмите на одну из кнопок ниже

Датчики давления. Типы, характеристики, особенности, подбор.

Введение

Давление необходимо учитывать при проектировании многих химических процессов. Давление определяется как сила действующая на единицу площади и измеряется в английских единицах — пси или в СИ единицах — Па.
Существуют три типа измеряемого давления:

1. Абсолютное давление — атмосферное давление плюс избыточное давление;
2. Избыточное давление — абсолютное давление минус атмосферное давление;
3. Дифференциальное давление — разность давлений между двумя точками.

Существуют различные типы датчиков давления, которые сегодня доступны на рынке для использования в промышленности. Каждый из них имеет преимущества в определенных ситуациях.

Критерии отбора датчика

Для того чтобы контролируемая давлением система работала правильно и эффективно, важно, чтобы используемый датчик давления мог давать точные показания по мере необходимости и в течение длительного периода времени без необходимости ремонта или замены в условиях работы системы. Существует несколько факторов, влияющих на пригодность конкретного датчика давления для конкретного процесса. Основные это:

• характеристики используемых веществ в среде которых будет использоваться устройство;
• условия окружающей среды;
• диапазон давлений;
• уровень точности и чувствительности, требуемые в процессе измерения.

Процесс

Чувствительный элемент (упругий элемент) будет подвергаться воздействию веществ, используемых в процессе, поэтому материалы датчика, которые могут реагировать с данными веществами или подвергаться воздействию агрессивных сред — непригодны для использования. Мембраны (диафрагмы) являются оптимальными даже для очень суровых условий использования.

Окружающая среда

Окружающая среда (в технологическом процессе — это среда создаваемая веществом, вибрация, температура и т.д.), в которой проводится технологический процесс, также должна быть учтена при выборе датчика давления. В агрессивных средах, при сильных вибрациях в трубопроводе, или при экстремальных температурах, датчики должны иметь дополнительный уровень защиты. Герметичные, прочные корпуса с заполнением материалом, содержащим глицерин или силикон — часто используются, для того, чтобы защитить внутренние компоненты датчика (кроме чувствительного элемента) от очень жестких, агрессивных сред и колебаний.

Диапазон давлений

Большинство процессов работают в определенном диапазоне давлений. Поскольку определенные датчики давления работают оптимально в определенных диапазонах давления, существует необходимость выбрать устройства, способные функционировать в диапазоне, установленном процессом.

Чувствительность

Различные процессы требуют различных уровней точности. В общем, чем точнее датчик, тем он дороже, таким образом, будет экономически выгодно выбрать датчики, которые способны максимально удовлетворить требуемую точность. Существует также компромисс между точностью и способностью быстро обнаруживать изменения давления. Следовательно, в процессах, в которых давление сильно варьируется в течение коротких периодов времени — нецелесообразно использовать датчики, которым требуется больше времени, чтобы дать точные показания давления, хотя они и могли бы дать более точные значения.

Методы измерения давления

Существует несколько наиболее часто используемых методов измерения давления. Эти методы включают в себя визуальный замер высоты жидкости в колонне, метод упругой деформации и электрические методы.

Высота жидкости в колонне

Давление можно выразить как высоту жидкости с известной плотностью в трубке. Используя уравнение P = ρ GH, можно легко вычислить значение давления. Данные типы измерительных приборов обычно называют манометрами. Для измерения высоты жидкости в колонне, может быть использована шкала с единицами измерения расстояния, также как и откалиброванная шкала давления. Обычно в качестве жидкости в этих колоннах используется вода или ртуть. Вода используется, когда вы хотите достичь более высокой чувствительности (плотность воды значительно меньше, чем плотность жидкой ртути, так что высота столба воды будет более сильно меняться при изменении давления). Ртуть же используется, когда вы хотите измерять более высокие значения давления, но с меньшей чувствительностью.

Упругая деформация

Этот метод измерения давления основан на принципе, который гласит, что степень деформации упругого материала прямо пропорциональна прикладываемому давлению. Для данного метода, в основном, используются три типа датчиков: трубки Бурдона, диафрагмы и сильфоны. (См. раздел «Типы датчиков»)

Электрические методы

Электрические методы, используемые для измерения давления основаны на принципе, основывающимся на том, что изменение размера влияет на электрическое сопротивление проводника. Устройства, использующие для измерения давления изменение сопротивления называют тензодатчиками. Также существуют и другие электрические датчики, например емкостные, индуктивные, магнетосопротивления (Холла), потенциометрические, пьезометрические и пьезорезистивные преобразователи. (См. раздел «Типы датчиков»)

Типы датчиков

Существует множество различных датчиков давления являющихся наиболее подходящими для конкретного процесса, но их обычно можно разделить на несколько категорий, а именно: упругие датчики, электрические преобразователи, датчики дифференциального давления и датчики давления вакуума. Ниже представлены категории, каждая из которых содержит уникальные внутренние компоненты более подходящие под использование в конкретной ситуации.

Упругие датчики

Большинство датчиков давления жидкости имеют упругую структуру, где жидкость заключена в небольшой отсек по меньшей мере с одной упругой стенкой. При использовании данного метода, показания давления определяются путем измерения отклонения этой эластичной стенки, представляя результат непосредственным отсчетом через соответствующие связи, либо через трансдуцированные электрические сигналы. Упругие датчики давления очень чувствительны, они довольно хрупкие и подвержены вибрации. Кроме того, они, как правило, значительно дороже, чем манометры, и поэтому в основном используются для передачи измеренных данных и измерения разности давлений. Теоретически можно использовать довольно широкий спектр упругих элементов для упругих датчиков давления. Однако большинство устройств используют ту или иную форму трубки Бурдона или диафрагмы.

Трубки Бурдона

Принцип, на котором основаны разного вида трубки Бурдона: Давление, подаваемое внутрь трубки, вызывает упругую деформацию эллиптического или овального сечения трубки в сторону круга, которая вызывает появление напряжений в продольном направлении, заставляющих трубку разгибаться, а свободный конец трубки перемещаться. Система рычагов и передач превращает это движение и возвращает стрелку, показывающую давление относительно круглой шкалы. Диапазон измерения такого манометра составляет — от 10 Па до 1000 МПа. Трубные материалы могут быть изменены соответствующим образом в соответствии с требуемым условием процесса. Также, трубки Бурдона — портативные и требуют минимального технического обслуживания, однако, они могут быть использованы только для статических измерений и имеют низкую точность.

Материалом для трубчатых пружин может служить сталь, бронза, латунь. В зависимости от конструктивного исполнения трубчатые пружины могут быть одно- и многовитковые (винтовые и спиральные), S-образные и т.п. Распространены одновитковые трубчатые пружины, используемые в манометрах, которые предназначены для измерения давления жидкостей и газов, а также в таких типах манометров как глубиномер. Датчики С-типа могут быть использованы в диапазонах давлений приближающихся к 700 МПа; они имеют минимальный рекомендованный диапазон давления — 30 кПа (т.е. они не достаточно чувствительны для измерения разности давлений меньше чем 30 кПа).

Сильфоны

Сильфоны имеют цилиндрическую форму и содержат много складок. Они могут деформироваться в осевом направлении при изменении давления (сжатие или расширение). Давление, которое должно быть измерено прикладывается к одной стороне сильфона (внутри или снаружи), тогда как на противоположную сторону действует атмосферное давление. Абсолютное давление может быть измерено путем откачки воздуха из внешнего или внутреннего пространства сильфона, а затем измерением давления на противоположной стороне. Сильфон может быть подключен только к включающим / выключающим переключателям или к потенциометру и используется при низких давлениях, H 2 (газ) + ZnCl 2 (жидк), вы производите один моль газообразного водорода в дополнение к существующему давлению воздуха в емкости. По мере протекания реакции, давление внутри сосуда будет существенно увеличиваться. Моделирование давления H 2 (газ) в идеальных условиях равно, Р = НЗТ / V

Точка отключения

Принимая во внимание быстрое увеличение давления, как оценено в пункте (2), и отказ клапана при 4 атм., точка выключения должно быть примерно равна 3 атм.

Тип датчика:

1. Учитывая типы датчиков, которые мы обсуждали, мы можем сразу отбросить вакуумные датчики, так как они работают при очень низких давлениях (почти вакууме, отсюда и название). Мы можем также отбросить дифференциальные датчики давления, поскольку мы не ищем перепада давления на резервуаре.
2. Поскольку мы хотим добиться высокой чувствительности, мы должны использовать электрические компоненты. Учитывая диапазон давлений (3 атм.; макс

0,3 МПа) оптимальным будет емкостной элемент, потому что он прочный и хорошо работает в системе низкого давления.

Так, в итоге, мы выбираем датчик, который будет использовать диафрагму в качестве упругого элемента, емкостной элемент качестве электрического компонента и антикоррозийный корпус.

Пример 2

Ваш руководитель сказал вам добавить датчик давления в очень дорогой и важной части оборудования. Вы знаете, что часть оборудования работает на 1 МПа и при очень высокой температуре. Какой датчик вы бы выбрали?

Решение

Поскольку часть оборудования, которое вы имеете дело очень дорогое, вам нужен датчик, который имеет высокую чувствительность. Электрический датчик был бы подходящим, потому что вы могли бы подключить его к компьютеру для быстрого и простого считывания показаний. Кроме того, вы должны выбрать датчик, который будет работать на 1 МПа и сможет выдерживать высокие температуры. Из информации представленной в этой статье вы знаете, что есть много датчиков, которые будут работать при давлении 1 МПа, так что вы должны решить, относительно других влияющих факторов. Одним из наиболее чувствительных электрических датчиков является датчик емкостного типа. Он имеет чувствительность 0.07 МПа. Емкостный датчик обычно имеет диафрагму в качестве упругого элемента. Мембраны имеют быстрое время отклика, очень точны и работают на 1 МПа.

Датчики давления

Принцип работы датчиков давления

Единицы измерения давления

• Паскаль
  1 Па = 1 Н/м 2
• Бар
  1 бар = 10 5 Па
• Физическая Атмосфера – атмосферное давление на уровне моря 1 атм = 101325 Па = 1,01325 бар = 10,33 м вод. ст.
• Метр водяного столба — гидростатическое давление столба воды высотой в 1 метр 1 м вод. ст. = 9806,65 Па = 9,80665×10 -2 бар = 0,096784 атм (напор в водопроводе удобно измерять в метрах водяного столба).

Классификация датчиков по типу измеряемого давления

• Датчики абсолютного давления
  (Absolute Pressure Sensor)
  Эти датчики измеряют давление относительно абсолютного вакуума.
  Применение: пищевые и химические производства.
• Датчики избыточного (относительного) давления, манометры
  (Gauge Pressure Sensor)
  Эти датчики измеряют давление относительно атмосферного давления в этом месте.
  Барометры измеряют атмосферное давление.
  Применение: водоснабжение и водоотведение.
• Датчики дифференциального (перепада) давления
  (Differential Pressure Sensor)
  Эти датчики измеряют перепад (разность) давления в двух точках.
  Применение: контроль загрязнения фильтров, измерение расхода и уровня жидкости (гидростатический метод).
• Вакуумные датчики, датчики разряжения
  (Vacuum Pressure Sensor)
  Измеряют давление, которое ниже атмосферного (вакуум).

Классификация датчиков давления по принципу действия

• Пьезорезистивные (Piezoresistive Strain Gage)
  Используется эффект изменения электрического сопротивления полупроводников под действием механической нагрузки.
• Пьезоэлектрические (Piezoelectric)
  Используется пьезоэлектрический эффект – способность некоторых кристаллов (кварца) и керамики генерировать электрическое поле или разность потенциалов пропорционально силе давления (сжатия).
• Тензометрические (Strain Gauge)
  Используется тензоэффект – изменение электрического сопротивления тензорезисторов при их деформации под воздействием нагрузки.
• Емкостные (Capacitive)
  Используется эффект зависимости ёмкости конденсатора от расстояния между обкладками.
• Резонансные (Resonant)
  Используется эффект зависимости частоты собственных колебаний (кварцевого резонатора) от давления.
• Индуктивные (Electromagnetic)
  Принцип действия основан на регистрации токов Фуко, возникающих в металлическом экране, расположенном между двумя катушками, одна из которых связана с измерительной мембраной — при её приближении или удалении от экрана изменяется индуктивность системы.
• Ионизационные (Ionization)
  Используется эффект зависимости плотности потока ионов от разряжения в катодно-анодной лампе.

Вентильные блоки

Позволяют отключать датчик от процесса, проводить профилактические работы, промывку и калибровку.

Разделители давления

Разделители давления служат для разнесения в пространстве преобразователя и среды измерения. Измеряемое давление передается с разделительной мембраны на наполнительную жидкость и дальше по капиллярной трубке или напрямую в измерительную камеру преобразователя.

• При использовании в пищевой и фармацевтической промышленности быстросъёмные мембранные разделители можно легко промывать
• Измеряемое вещество может закупорить или разъесть импульсные трубки
• Нестандартный температурный диапазон.

Как выбрать датчик давления

Измеряемое давление

• Абсолютное
• Избыточное (относительное)
• Дифференциальное (перепад)
• Вакуум (разрежение)
• Гидростатическое давление (уровень).

Измеряемая среда

• Измеряемая среда
• Диапазон рабочих температур измеряемой среды
• Максимальное статическое давление измеряемой среды.

Окружающая среда

• Температура окружающей среды
• Влажность
• Наличие агрессивных сред
• Взрывоопасная зона.

Метрологические характеристики

• Единицы измерения (градуировка)
• Погрешность измерений
• Перестраиваемый интервал измерений
• Влияние температуры окружающей среды
• Влияние статического давления
• Влияние питания
• Влияние вибрации
• Долговременный дрейф
• Межповерочный период
• Электромагнитная совместимость.

Подключение к процессу

• Штуцерное
• Фланцевое
• Ниппель
• Гигиеническая конструкция
• Разделитель давления
  • наполнитель.

Вентильный блок

• 2-х ходовой
• 3-х ходовой
• 5-ти ходовой.

Преобразователь

• Индикатор
• Диагностические функции
• Степень защиты корпуса
• Материал корпуса
• Питание
• Кабельный ввод
• Выходной сигнал:
  • токовый 4..20мА
  • HART
  • PROFIBUS PA
  • Foundation Fieldbus.

Электрические датчики давления

Сегодня для цели измерения давления в разных областях промышленности используют отнюдь не только ртутные барометры и анероиды, но и различные датчики, отличающиеся как принципом действия, так и достоинствами и недостатками, свойственными каждому типу таких датчиков. Современная электроника позволяет реализовывать датчики давления непосредственно на электрической, электронной базе.

Так что же мы понимаем под словосочетанием «электрический датчик давления»? Какие бывают электрические датчики давления? Как они устроены, и какими обладают особенностями? И наконец, какой датчик давления выбрать, чтобы он максимально подошел для той или иной цели? В этом и разберемся по ходу данной статьи.

Прежде всего определимся с самим термином. Датчиком давления называется устройство, выходные параметры которого зависят от измеряемого давления. В качестве исследуемой среды может выступать пар, жидкость или какой-нибудь газ, в зависимости от сферы применения конкретного датчика.

Современным системам необходимы точные приборы данного типа, как важные составные части систем автоматизации энергетической, нефтяной, газовой, пищевой и многих других промышленностей. Жизненно необходимы миниатюрные датчики давления в медицине.

Любой электрический датчик давления включает в себя: чувствительный элемент, служащий для передачи воздействия на первичный преобразователь, схему обработки сигнала и корпус. Принципиально электрические датчики давления подразделяются на:

Резистивный или тензорезистивный датчик давления — это устройство, чувствительный элемент которого изменяет свое электрическое сопротивление под действием деформирующей нагрузки. Тензорезисторы устанавливаются на чувствительную мембрану, которая под давлением изгибается, и изгибает прикрепленные к ней тензорезисторы. Сопротивление тензорезисторов меняется, и соответственно меняется величина тока цепи первичного преобразователя.

Растяжение проводящих элементов каждого тензорезистора приводит к росту длины и уменьшению поперечного сечения, в результате сопротивление растет. При сжатии — наоборот. Относительные изменения сопротивления измеряются тысячными долями, поэтому в схемах обработки сигнала используются прецизионные усилители с АЦП. Так деформация преобразуется в изменение электрического сопротивления полупроводника или проводника, и далее — в сигнал напряжения.

Тензорезисторы обычно представляют собой зигзагообразный проводящий или полупроводящий элемент, нанесенный на гибкую подложку, которая приклеивается к мембране. Подложка как правило — из слюды, бумаги или полимерной пленки, а проводящий элемент — из фольги, тонкой проволоки или полупроводника, напыленного в вакууме на металл. Соединение чувствительного элемента тензорезистора с измерительной цепью осуществляется при помощи контактных площадок или проволочных выводов. Сами тензорезисторы имеют обычно площадь от 2 до 10 кв.мм.

Тензорезистивые датчики отлично подойдут для оценки уровня давления, силы нажатия и измерения веса.

Следующий тип электрического датчика давления — пьезоэлектрический . В качестве чувствительного элемента здесь выступает пьезоэлемент. Пьезоэлемент на основе пьезоэлектрика генерирует электрический сигнал при деформации, это так называемый прямой пьезоэффект. Пьезоэлемент помещается в измеряемую среду, и тогда ток в цепи преобразователя будет по величине пропорционален изменению давления в этой среде.

Поскольку для возникновения пьезоэффекта требуется именно изменение давления, а не постоянное давление, то данный тип датчиков давления годится лишь для измерения давления в динамике. Если же давление будет постоянным, то процесса деформации пьезоэлемента не произойдет, и ток не будет пьезоэлектриком сгенерирован.

Применяются пьезоэлектрические датчики давления, например, в первичных преобразователях скорости потока вихревых счетчиков воды, пара, газа и других однородных сред. Такие датчики монтируют попарно в трубопровод с условным проходом от десятков до сотен миллиметров за телом обтекания и так регистрируют вихри, частота и количество которых оказываются пропорциональны объемному расходу и скорости потока.

Далее рассмотрим пьезорезонансные датчики давления . В пьезорезонансных датчиках давления работает обратный пьезоэффект, при котором пьезоэлектрик деформируется под действием подаваемого напряжения, и чем больше напряжение, тем сильнее деформация. В основе датчика — резонатор в форме пластины из пьезоэлектрика, с двух сторон которой нанесены электроды.

При подаче на электроды переменного напряжения, материал пластины вибрирует, изгибаясь то в одну, то в другую сторону, и частота вибрации равна частоте подаваемого напряжения. Однако если теперь пластину деформировать, подействовав на нее внешней силой, например посредством чувствительной к давлению мембраны, то частота свободных колебаний резонатора изменится.

Так, собственная частота резонатора отразит величину давления на мембрану, которая давит на резонатор, приводя к изменению частоты. В качестве примера можно рассмотреть датчик абсолютного давления на базе пьезорезонанса.

В камеру 1 через штуцер 12 передается измеряемое давление. Камера 1 отделена мембраной от чувствительной измерительной части прибора. Корпус 2, основание 6 и мембрана 10 соединены герметично между собой, образуя вторую герметичную камеру. Во второй герметичной камере на основании 6 закреплены держатели 9 и 4, второй из которых прикреплен к основанию 6 при помощи перемычки 3. Держатель 4 служит для фиксации чувствительного резонатора 5. Опорный резонатор 8 зафиксирован держателем 9.

Под действием измеряемого давления, мембрана 10 давит через втулку 13 на шарик 14, который также закреплен в держателе 4. Шарик 14 давит в свою очередь на чувствительный резонатор 5. Провода 7, закрепленные в основании 6, соединяют резонаторы 8 и 5 с генераторами 16 и 17 соответственно. Для формирования сигнала, пропорционального величине абсолютного давления служит схема 15, которая из разности частот резонаторов формирует выходной сигнал. Сам датчик размещен в активном термостате 18, в котором поддерживается постоянная температура 40 °C.

Одними из наиболее простых являются емкостные датчики давления . Два плоских электрода и зазор между ними образуют конденсатор. Один из электродов — мембрана, на которую действует измеряемое давление, что и приводит к изменению толщины зазора между, по сути, обкладками конденсатора. Общеизвестно, что емкость плоского конденсатора изменяется с изменением величины зазора при постоянной площади обкладок, поэтому для фиксации даже очень малых изменений давления емкостные датчики оказываются весьма и весьма эффективными.

Малогабаритные емкостные датчики давления позволяют измерять избыточное давление в жидкостях, газах, в паре. В различных технологических процессах с применением гидравлических и пневматических систем, в компрессорах, в насосах, на станках — во множестве промышленных задач оказываются полезными емкостные датчики давления. Конструкция датчика устойчива к перепадам температур и вибрациям, невосприимчива к электромагнитным помехам и агрессивным условиям среды.

Еще один тип электрических датчиков давления, отдаленно похожих на емкостные — индуктивные или магнитные датчики . Проводящая мембрана, чувствительная к давлению, расположена на некотором расстоянии от тонкого Ш — образного магнитопровода, на среднем керне которого намотана катушка. Между мембраной и магнитопроводом выставлен определенный воздушный зазор.

Когда на катушку подается напряжение, ток в ней создает магнитный поток, который проходит как через сам магнитопровод, так и через воздушный зазор и через мембрану, замыкаясь. Поскольку магнитная проницаемость в зазоре приблизительно в 1000 раз меньше, чем в магнитопроводе и в мембране, то даже небольшое изменение толщины зазора приводит к ощутимому изменению индуктивности цепи.

Под действием измеряемого давления чувствительная мембрана претерпевает изгиб, и комплексное сопротивление обмотки изменяется. Преобразователь конвертирует это изменение в электрический сигнал. Измерительная часть преобразователя выполнена по мостовой схеме, где в одно из плеч включена обмотка датчика. Посредством АЦП сигнал с измерительной части переводится в пропорциональный измеряемому давлению электрический сигнал.

Последний тип датчиков давления, который мы рассмотрим, — оптоэлектронные датчики . Они довольно просто детектируют давление, имеют высокую разрешающую способность, обладают высокой чувствительностью, и термостабильны. Работающие на основе интерференции света, использующие для измерения малых перемещений интерферометр Фабри-Перо, эти датчики особо перспективны. Кристалл оптического преобразователя с диафрагмой, светодиод, и детектор, состоящий из трех фотодиодов — вот основные части такого датчика.

К двум фотодиодам пристроены оптические фильтры Фаби-Перо, имеющие небольшую разницу в толщине. Эти фильтры представляют собой кремниевые зеркала с отражением от передней поверхности, покрытые слоем оксида кремния, на поверхность которой нанесен тонкий слой алюминия.

Оптический преобразователь похож на емкостной датчик давления, диафрагма, сформированная методом травления в подложке из монокристаллического кремния, покрыта тонким слоем металла. На нижнюю сторону стеклянной пластины также нанесено металлическое покрытие. Между стеклянной пластиной и кремниевой подложкой существует зазор шириной w, получаемый при помощи двух прокладок.

Два слоя металла формируют интерферометр Фабии-Перо с переменным воздушным зазором w, в состав которого входят: подвижное зеркало, расположенное на мембране, меняющее свое положение при изменении давления, и параллельное ему стационарное полупрозрачное зеркало на стеклянной пластине.

Примерно на этой основе фирма FISO Technologies производит микроскопические чувствительные датчики давления, диаметром всего 0,55 мм, легко проходящие сквозь игольное ушко. При помощи катетера мини-датчик вводится в исследуемый объем, внутри которого и измеряется давление.

Оптическое волокно связано с интеллектуальным сенсором, в котором под управлением микропроцессора включается источник монохроматического света, вводимого в волокно, измеряется интенсивность обратно отраженного светового потока, по калибровочным данным вычисляется внешнее давление на датчик и выводится на дисплей. В медицине, например, такие сенсоры применяют для контроля внутричерепного давления, для измерений давления крови в легочных артериях, куда иным способом невозможно добраться.

Онлайн журнал электрика

Статьи по электроремонту и электромонтажу

• Справочник электрика
  • Бытовые электроприборы
  • Библиотека электрика
  • Инструмент электрика
  • Квалификационные характеристики
  • Книги электрика
  • Полезные советы электрику
  • Электричество для чайников
• Справочник электромонтажника
  • КИП и А
  • Полезная информация
  • Полезные советы
  • Пусконаладочные работы
• Основы электротехники
  • Провода и кабели
  • Программа профессионального обучения
  • Ремонт в доме
  • Экономия электроэнергии
  • Учёт электроэнергии
  • Электрика на производстве
• Ремонт электрооборудования
  • Трансформаторы и электрические машины
  • Уроки электротехники
  • Электрические аппараты
  • Эксплуатация электрооборудования
• Электромонтажные работы
  • Электрические схемы
  • Электрические измерения
  • Электрическое освещение
  • Электробезопасность
  • Электроснабжение
  • Электротехнические материалы
  • Электротехнические устройства
  • Электротехнологические установки

Датчики давления, расхода и уровня, устройство и принцип работы

Датчики давления. Большая часть датчиков давле­ния строятся на принципе преобразования давления в механическое перемещение. Не считая механических систем, в которые входят мем­браны и трубчатые пружины, для измерения давления применяются также электронные и термические системы.

К датчикам давления с механическими воспринимающими органами относятся:

1) жидкостные датчики давления (U-образные системы),

2) поршневые системы,

3) пружинные системы: а) мембранные (плоские, бугристые, мягенькие); б) сильфоны; в) манометрические трубчатые пружины.

Разглядим устройство неких более нередко встречающихся датчиков давления.

Более обширно используются пружинные датчики давления. Действие их основано на возникнове­нии упругой деформации пру­жины, являющейся чувстви­тельным элементом прибора. Деформация появляется при измене­нии давления снутри либо снаружи пружины. Изменение формы элемента передается на подвижную часть прибора со стрелкой, перемещающейся по шкале, при снятии давления чувствительный элемент воспринимает первоначальную форму.

В технических манометрах и вакуумметрах обычно применяются упругие пружины: одновитковые, многовитковые, плоские мембраны и сильфоны (гармониковые мембраны).

На рис. 1 показаны виды пружинных датчиков давления.

Одновитковая трубчатая пружина (а) согнута по дуге практически в форме окружности примерно на 270°. В сечении пружина имеет вид эллипса. Изготовляется она из латуни (либо стали – для огромных давлений). Один конец пружины запаян и является свободным. 2-ой конец пружины неподвижен и к нему подводится измеряемое давление р. Давление вызывает деформацию пружины и переме­щение ее свободного конца.

Раскручивание пружины происходит по последующей причине. При увеличении внутреннего давления эллиптическое сечение стре­мится принять круглую форму, т. е. малая ось эллипса начинает возрастать, а большая уменьшаться. В итоге появляются напряжения, которые будут раскручивать трубчатую пружину. Свободный конец пружины при всем этом будет передвигаться пропор­ционально давлению снутри ее. Таким макаром, измеряемое дав­ление преобразуется в механическое перемещение свободного конца пружины. Величина этого перемещения обычно составляет 5—7 мм.

Многовитковая трубчатая пружина (б) имеет 6-9 витков поперечником около 30 мм. Перемещение свободного конца пружины существенно больше (до 15 мм), чем у одновитковой пружины. Еще огромным является тут и тяговое усилие. Обычно датчики в виде одновитковой трубчатой пружины используются в показываю­щих устройствах, а датчики в виде многовитковых трубчатых пружин – в самопишущих. Это разъясняется тем, что в самопишущих при­борах датчик должен владеть огромным усилием, достаточным для преодоления трения не только лишь в сочленениях передаточно-множительного механизма, да и трения пера о бумагу.

Плоская гофрированная мембрана (в) употребляется либо в от­дельности, либо в коробке из 2-ух гофрированных мембран. Приме­няется также мягенькая мембрана из плоской прорезиненной ткани, соединенной с плоской калиброванной пружиной.

Гармониковая мембрана — сильфон (г) представляет собой цилиндрическую коробку со стенами, имеющими равномерные поперечные складки (гофры). Измеряемое давление подается вовнутрь сильфона либо снаружи его.

По сопоставлению с плоской мембраной и мембранной коробкой гармоникообразная мембрана обладает большей чувствитель­ностью.

Сильфонные приборы предназначаются для измерения и записи лишнего давления и разрежения. Не считая того, эти приборы ис­пользуются в качестве вторичных устройств к устройствам, снаб­женным приспособлением для пневматической передачи показаний на расстояние.

Пружинные датчики давления в схемах автоматизации преобра­зуют механическое перемещение в электронный сигнал при по­мощи индуктивного, реостатного либо контактного датчиков.

На рис. 2 приведена схема датчика давления типа МЭД. Давление, воспринимаемое трубчатой манометрической пружи­ной 1, преобразуется в перемещение конца манометрической труб­ки. Это перемещение передается плунжеру трансформаторного датчика 2. Вторичным прибором является прибор типа ЭПИД.

Датчики расхода бывают механические, тепловые, ионизационные, индукционные, акустические.

Механические датчики расхода делятся на датчики пере­менного и неизменного перепада, также датчики со сливным от­верстием.

Датчики расхода переменного перепада действуют по принципу появления перепада давления в сужающем устройстве, которое устанавливается на пути передвигающейся среды. Пере­пад давления является тут функцией расхода. Сужающее устройство является воспринимающим органом датчика расхода.

Датчики расхода неизменного перепада (ротаметры) употребляют сужающие органы для регулирования сечения с целью поддерживать неизменным пере­пад давления.

На рис. 3 приведена схема ротаметра с индуктивным датчиком. Ротаметр состоит из ко­нической трубки 1 и поплавка 2. При движении воды либо газа в кольцевом зазоре меж поплавком и стенами трубки создается перепад давления, который делает силу, действующую навстречу силе веса поплавка. Положение поплавка в конической трубке определяется величиной расхода.

Ротаметры производятся как показывающие приборы и как дат­чики. Обмотка индуктивного датчика помещена снаружи на трубке сопла. Металлический поплавок является сердечником катушки 3 индуктивного датчика. При изменении расхода поплавок переме­щается и изменяет индуктивность катушки, таким макаром, расход преобразуется в электронный сигнал.

Датчики уровня. Очень всераспространенными являются поплавковые датчики. Поплавковый датчик состоит из поплавка – органа, воспринимающего уровень воды; проме­жуточного органа – механической связи, модифицирующей и пере­дающей механическое воздействие выходному органу, представ­ляющему собой датчик перемещения.

Датчики уровня могут быть основаны на измерении веса и гидростатического давления воды, на использовании электронных параметров воды (конфигурации сопротивления, ем­кости, индуктивности).

Придется покопаться в памяти и вспомнить: как отыскать диагональ параллелепипеда.

Российская индустрия выпускает датчики уровня раз­личных типов.

На рис. 4 приведена схема поплавкового дат­чика уровня с реостатным датчиком R на выходе. По свидетельствам милливольтметра mV судят об уровне воды Н в сосуде.

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 мм 2 . Они более подходят для замера давления, веса, силы нажатия.

Датчик измерения давления: принцип работы

В современной промышленности различной направленности широко применяются датчики измерения давления. Служат они для максимально точного измерения показаний в разных средах и дальнейшего получения данных в электрической или цифровой форме. Основные датчики делятся на оптические, резистивные, магнитные, пьезоэлектрические, ёмкостные, ртутные пьезорезонансные

• Устройство датчика
• Классификация приборов по принципу действия
• Виды датчиков
• Отличие от манометра

Устройство датчика

У этого прибора параметры могут изменяться в зависимости от изменения параметров в измеряемой среде, например, жидкости, газа, или пара. В датчике, характеристики измеряемой среды преобразуется в унифицированный код для вывода показателей на указательный прибор.

Датчик состоит из первичного преобразователя, который включает в себя чувствительный элемент — получатель давления, схемы второстепенной обработки сигнала, и различные части корпуса. В некоторых случаях оборудуется деталями герметизации для условий работы во влажных и агрессивных средах.

Классификация приборов по принципу действия

От принципа действия или метода, используемого при преобразовании входного сигнала в электрический выходной, датчики измерения классифицируют:

• Тензометрический метод. Чувствительные детали производят измерение сопротивления при воздействии на тензорезистор, прикреплённый к упругому элементу, который при воздействии давления деформируется.
• Пьезорезистивный метод. Работает на основе интегральных чувствительных деталей из кремния. Преобразователи из кремния обладают высокой чувствительностью благодаря возможности изменения сопротивления полупроводника. Для измерения характеристик в неагрессивных средах используется Low cost — метод исполнения оборудования, когда чувствительный элемент не оборудован какими-либо степенями защиты. В случае работы в среде где, возможно, оказания на датчик агрессивного вещества, чувствительный элемент оборудуется герметичным корпусом с разделяющей диафрагмой из стали, которая передаёт давление посредством кремниевой жидкости.
• Ёмкостный метод. Главной частью датчика, работающего по такому методу является ёмкостная ячейка. Её работа заключается в изменении электрической ёмкости между укладкой конденсатора и измерительной мембраны в зависимости. Главным плюсом можно отметить защиту от деформации, при отсутствии давления мембрана восстанавливает свою форму, при этом калибровка такого датчика не требуется. А также высокая стабильность характеристик обусловлена малым влиянием погрешности температуры за счёт небольшого объёма жидкости, которая заполняет внутренний объем ячейки.
• Резонансный метод. За основу работы по такому принципу взято изменение частоты резонансы колеблющегося элемента при его деформации. Из недостатков можно выделить большое время отклика, и невозможность работы в агрессивных средах без потери измерительной точности.
• Индуктивный метод. Основывается на регистрации вихревых оков. Измерительный элемент состоит из двух изолированных катушек металлическим экраном. Преобразователь проводит измерение смещения мембраны при отсутствии фактического контакта между двумя поверхностями. Электрический ток генерируется в катушках таким образом, что заряд и разряд катушки происходит на равных отрезках временного промежутка. При изменении положения мембраны создаётся ток в зафиксированной катушке, после чего следует изменение индуктивности системы. Смещение данных основной катушки даёт возможность о преобразовании данных в стандартный сигнал, который по своим параметрам пропорционален оказанному давлению.
• Ионизационный метод. Работает по принципу регистрации поток ионизированных частиц, как ламповый диод. Лампа оборудуется двумя электродами, катодом, анодом, и нагревателем в некоторых случаях. Преимуществом является возможность регистрировать данные в средах с низким давлением, в том числе и вакуума, но при атмосферном давлении такое оборудование эксплуатировать нельзя.
• Пьезоэлектрический метод. Задумка основывается на основе пьезоэлектрического эффекта, в котором пьезоэлемент создаёт электрический сигнал, пропорционально воздействию измеряемой среды на него. Используется для измерения постоянно изменяющихся акустических и импульсных сред. Обладает широким диапазоном динамического и частного измерения данных. Обладает небольшой массой, габаритами и высокой надёжностью при эксплуатации в тяжёлых условиях.

Виды датчиков

Ёмкостный. Обладает самой простой конструкцией, которая включает в себя два плоских электрода с зазором между ними. Один из них выполнен в виде мембраны на которую, оказывается влияние измеряемой среды, в результате чего изменяется зазор между электродами. По сути, этот тип похож на конденсатор с изменяемым зазором. Такой датчик в силах зафиксировать даже маленькое изменение показаний.

Пьезоэлектрический. Основным конструктивным элементом является пьезоэлемент, материал который выводит сигнал при оказании на него измеряемых характеристик. Находится он в измеряемой среде, и выделяет ток в зависимости от величины изменения давления. Но по причине того, что этот элемент изменяет свои выводимые данные только при изменении среды, то при постоянных параметрах он никакие данные показывать не будет, и пригоден для работы только в среде где давление периодически изменяется.

Оптический.

Устройство работы таких датчиков может заключаться на основе двух принципов работы:

• Волоконно-оптическом. Является наиболее точным и работа по измерению не зависит от изменения температурного режима. Основной частью для измерения приходится оптический волновод. О величине измерения давления у такого рода приборах делают заключение по изменению амплитуды и полярности проходящего света через чувствительную часть.
• Оптоэлектронном. Состоит из многослойной прозрачной структуры, чрез которую проходит свет. При этом один из этих слоёв может изменять показатель преломления и толщину слоя в зависимости от оказываемого давления.

На иллюстрации ниже схематично изображены оба метода работы. Рисунок, А — изменение преломления, рисунок Б — изменение слоя в толщине.

Ртутный.

Элементарный и технически простой датчик. Работает на основе двух сообщающихся сосудов, на один из который, оказывается давление, а на второй аналоговым способом выводятся данные, и определяется по параллельно совмещённой измерительной шкале.

Магнитный.

Работает на основе индуктивного метода. Чувствительная часть заключается в Е-образной планке, посередине которой расположена катушка, и чувствительная мембрана, по ней передаются измеряемые параметры. Располагается мембрана около пластины, на небольшом расстоянии от края. Катушка при включении, создаёт магнитный поток, который в свою очередь, следует через планку, зазор и мембрану. Проницаемость магнитного зазора в несколько сотен раз меньше проницаемости планки и мембраны, поэтому изменение индуктивности происходит даже при небольшом изменении величины зазора.

Пьезорезонансный.

Работает на основе пьезоэффекта, но с одним отличием — в этом случае используется обратный эффект пьезоэлемента, основанный на изменение формы материала в зависимости от поступающего тока. В этом датчике применяется резонатор, на котором расположены два электрода по разные стороны, на них попеременно подаётся ток разной полярности, и вследствие этого пластина выгибается в различные стороны с учётом поступаемой частоты.

Отличие от манометра

Главным отличие такого рода датчиков, от манометра — то что это прибор, предназначающийся для измерения характеристик без его преобразования. В манометре от измеряемых характеристик зависит показание прибора, которые выводятся на его аналоговый прибор или дисплей.

Датчики давления

Датчик давления является измерительным прибором, на исходящие параметры которого влияет давление исследуемого пространства (парового, газового или жидкостного). В современных инженерных системах использование датчиков давления является обязательным. Без них не могут существовать автоматические системы, используемые в энергетической, нефтяной, газовой, пищевой и других важных отраслях.

Датчик давления состоит из:

1. Первичного преобразователя давления, имеющего чувствительный элемент.
2. Корпусных элементов, имеющих разную конструкцию.
3. Схем, позволяющих повторно обрабатывать сигнал.

В зависимости от принципа функционирования датчики давления могут быть:

• оптическими;
• волоконно-оптическими;
• оптоэлектронными;
• магнитными;
• емкостными;
• ртутными;
• пьезоэлектрическими;
• пьезорезонансными;
• резистивными.

Оптические датчики

Для оптических датчиков давления существует оптоэлектронный и волоконно-оптический измерительные принципы.

Оптические датчики давления

Оптоэлектронные датчики

В состав таких датчиков входят прозрачные структуры, уложенные в несколько слоев. Эта структура является проводником светового излучения. Давление пространства оказывает влияние на изменение характеристик одного из слоев. Так, изменение касается толщины слоя и показателя преломления.

Изменяющиеся характеристики напрямую влияют на изменение параметров транспортируемых световых слоев. Для регистрации подобных изменений служит фотоэлемент. Преимуществом оптоэлектронных датчиков является очень высокая точность.

Волоконно-оптические датчики

Отметим максимальную точность показаний волоконно-оптических датчиков. Их функционирование не подвержено температурным изменениям. За чувствительность данных приборов отвечает оптический волновод. Волоконно-оптические устройства измеряют давление на основании амплитудных колебаний и поляризации транспортируемого посредством чувствительного элемента светового потока.

Магнитные датчики

Магнитные датчики также называют индуктивными. В основе чувствительного компонента устройства заложена пластина Е-образной формы, центральная часть которой оснащена катушкой. Также в состав датчика входит проводящая мембрана, которая чувствительна к изменениям давления. Расположение мембраны предусмотрено почти в крайней части пластины. Подключение катушки является причиной создания магнитного потока, транспортируемого посредством пластины, мембраны и воздушного зазора. Величина магнитной проницаемости мембраны и пластины почти в тысячу раз превышает величину проницаемости зазора. В связи с этим индуктивность существенно изменяется в результате незначительного изменения величины зазора.

Магнитные датчики давления

Ртутные датчики

Ртутный датчик также является простым измерительным прибором. Его принцип функционирования связан с сообщающимися сосудами. Один из сосудов находится под давлением измеряемой величины. Единицей измерения в данном случае выступает ртутный столбец.

Ртутные датчики давления

Емкостные датчики

Емкостной датчик отличается очень простой конструкцией. В его состав заложены два плоских электрода с межэлектродным зазором. Один электрод исполнен в виде мембраны, находящейся под воздействием измеряемой величины. Это приводит к изменению величины зазора. Таким образом, емкостные датчики являются конденсаторами, которые характеризуются изменяющимся размером зазора. Соответственно величина зазора связана с емкостью конденсатора. Особенность емкостных датчиков заключается в фиксации незначительных колебаний давления.

Резистивные датчики

Резистивные устройства также позиционируются как тензорезистивные. Понятие тензорезистора связано с элементом, сопротивление которого изменяется под воздействием деформации. Местом размещения тензорезисторов является мембрана, которая чувствительна к перепадам давления. Давление на мембрану приводит к ее изгибанию и следственному изгибанию расположенных на ней тензорезисторов. В результате происходит изменение сопротивления тензорезисторов, способствующее изменению значения силы электрического тока.

Резистивный датчик давления

Пьезоэлектрические датчики

Подобные устройства базируются на чувствительном элементе, который называется пьезоэлементом. Последний является материалом, который, находясь под деформацией, способен выделять электрический сигнал. Такое явление называется прямым пьезоэффектом. Находясь в измеряемом пространстве, пьезоэлемент становится источником образования электрического тока, пропорционального изменению давления. В связи с тем что предпосылкой для выделения электрического сигнала в пьезоэлементе является деформация, а также учитывая, что постоянное давление не приводит к деформации, пьезоэлектрические датчики могут измерять только стремительно изменяющееся давление.

Пьезоэлектрические датчики давления

Пьезорезонансные датчики

Данные приборы также основываются на пьезоэффекте, однако, по сравнению с пьезоэлектрическими датчиками, в них заложено явление обратного пьезоэффекта, которое заключается в изменении формы пьезоэлемента под воздействием электрического тока. Пьезорезонансные датчики оснащены резонатором (к примеру, пластиной) из пьезоматериала, который двустороннее оснащен электродами. Последние находятся под последовательным воздействием меняющегося напряжения. Это приводит к разностороннему изгибанию пластины с учетом частоты транспортируемого электричества. Однако если пластину подвергнуть силе, к примеру, поступающей от чувствительной к давлению мембраны, это приведет к изменению частоты колебаний резонатора. Частота резонатора демонстрирует величину давления на мембрану. Последняя, со своей стороны, оказывает давление на резонатор.

Пьезорезонансный датчик давления

Что нужно знать о параметрах датчиков давления во время их приобретения

Тип давления

Важным является понимание типа давления, которое является предметом измерений. Так, давление может быть абсолютным, относительным, избыточным, вакуумным или барометрическим.

Термическая компенсация

Из-за температурных эффектов, одним из которых является физическое расширение, можно столкнуться с довольно-таки сильными погрешностями исходящего сигнала прибора. В случае наблюдения постоянных температурных колебаний окружающей среды необходимо прибегнуть к термической компенсации. Помимо этого, требуется учет температурного коридора.

Тип исходящего сигнала

Следует определиться с необходимым типом сигнала. Напомним, что он может быть цифровым или аналоговым. При выборе аналогового исходящего сигнала необходимо учитывать границы такого сигнала и количество проводов. К примеру, границами могут быть значения от четырех до двадцати миллиампер.

Уровень защиты датчика

Безопасность эксплуатации датчика давления зависит от сферы его применения. В некоторых случаях устройство должно быть пыле- и влагозащитным.

Материал изготовления прибора

В случае использования датчика в агрессивной среде потребуется выбор прочного материала его изготовления. Как результат, такое устройство должно иметь высокую коррозионную устойчивость.

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.