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.
Промышленные датчики давления. Устройство и типы
В качестве сенсора могут использоваться два типа мембран – тензометрические и пьезометрические.
Мембрана, установленная в сенсоре, может либо изменить своё электрическое сопротивление, либо вырабатывает электрический ток под давлением.
Поскольку на мембрану оказывается длительное давление, пьезорезистор постоянно вырабатывает слабый ток, передающийся на расположенный за ней блок электроники, обрабатывающий сигнал с мембраны и передающий его далее на преобразователь. Преобразователь в свою очередь конвертирует полученные данные в унифицированный цифровой сигнал.
Чтобы защитить мембрану сенсора от повреждений, ставят дополнительную высокопрочную мембрану, а пространство между ними заполняют несжимаемой жидкостью, обычно маслом.
Масло может быть техническим (обычно так и бывает), но кроме этого может использоваться и пищевое. Как правило, это является требованием пищевых производств, чтобы в случае повреждения защитной мембраны или корпуса изделия техническое масло не могло попасть в рабочую среду.
В общем можно разделить все промышленные датчики давления на два типа.
Преобразователи относительного давления обычно имеют в области мембраны сенсора связь с атмосферой. Таким образом измерения всегда производятся с поправкой на атмосферу, то есть давление измеряется относительно неё.
Датчик абсолютного давления ТД-10.101b
Преобразователи абсолютного давления герметичны и с атмосферой никак не связаны, таким образом они измеряют прямое давление на мембрану.
Список применений весьма обширен у обоих типов преобразователей, всё зависит от конкретных запросов отдельного производства.
Всё же отметим несколько вариантов. Преобразователи относительного давления являются незаменимыми в области расчёта гидростатического давления, оказываемого столбом жидкости в некой ёмкости.
Если столб жидкости в ёмкости связан с атмосферой, то преобразователь абсолютного давления измерит давление и столба жидкости, и атмосферы, то есть произведёт неадекватные измерения. В таких случаях применяются только относительные преобразователи.
Справка. Иногда датчики относительного давления погружного типа могут назвать датчиком уровня. Это не верно, такие преобразователи называются датчиками гидростатического давления.
Преобразователь дифференциального давления может устанавливаться в герметичных ёмкостях, где к нему подводятся два трубопровода, заполненных несжимаемой жидкостью, обычно маслом.
датчик дифференциального давления ТД-12.104b
Трубопроводы отсечены от пространства ёмкости мембранами, на одну из которых давит воздух, на другую жидкость.
Почему нельзя позволить датчику контактировать непосредственно с жидкостью? Разделители необходимы для компенсации резких скачков напряжения мембраны при наполнении или заборе жидкости из ёмкости. Масло обладает достаточной инерцией и позволяет получить более сглаженную характеристику измерений. Не стоит забывать и о банальной защите сложного оборудования от внешней среды.
Конечно, это может порождать и сложности. Например, для монтажа мембранного разделителя придется отправить само устройство на производство таких мембран.
Резистивные элементы
Это такие устройства, у которых чувствительный элемент под воздействием нагрузки меняет свое сопротивление. На чувствительной мембране производится установка тензорезистора. Мембрана под действием давления изгибается, тензорезисторы также начинают двигаться. При этом у них меняется сопротивление. В результате происходит изменение силы тока в цепи преобразователя.
При растяжении элементов тензорезисторов увеличивается длина и уменьшается площадь сечения. Как результат увеличение сопротивления. Обратный процесс наблюдается при сжатии элементов. Конечно, изменяется сопротивление на тысячные доли Ома, поэтому, чтобы уловить это, нужно ставить специальные усилители на полупроводниках.
Области применения
Существует большое количество различных применений, использующих специальные типы мембран. Например, мембрана общепромышленного сенсора может быть утоплена в корпус, внешне такой сенсор может иметь резьбу и канал, ведущий к ней. Иногда в него могут устанавливать демпфер для дополнительной амортизации (характерно для измерения давления сжатого воздуха).
Датчик давления общепромышленный ТД-10.107b
Для пищевой и фармацевтической промышленности не годятся такие конструкции, т.к. они легко и быстро забиваются, нарушая работу прибора. В таких случаях используют промышленные датчики давления с плоской мембраной, как правило из более плотного материала, чем обычно (хотя конструкция остаётся крайне чувствительной, так что не стоит трогать мембрану руками).
В качестве материала для мембран, как и для корпуса, обычно используется нержавеющая сталь. Могут быть использованы и другие материалы, например, керамика – более дешёвый материал, но не обеспечивающий исключительной точности.
Датчик давления с плоской мембраной ТД-13.102b
Наиболее распространённая точность датчиков давления – 0.5% и 0.25%. К высокоточным изделиям можно относить приборы с точностью 0.1% и 0.05%, иногда могут встретиться 0.03%. Как правило, любая точность в технических характеристиках прибора даётся при температуре + 25 C. То есть любой преобразователь имеет определённую температурную зависимость.
Для изделий проводится температурная компенсация, проходящая в диапазоне температур от +5 до +80 C. Благодаря такой настройке температурный сдвиг измерений будет не так сильно сказываться. Для некоторых применений характерна компенсация вплоть до 125 C, чтобы повысить эффективность измерений при высоких температурах.
Высокотемпературный датчик давления ТД-10.130b
Промышленные датчики давления имеют ещё один очень важный показатель – долговременная стабильность датчика. Данный показатель измеряется в % от ВПИ (верхнего предела измерений) и характеризует отклонение точности измерений от нулевой точки в процессе эксплуатации изделия. Это естественный процесс, избежать его невозможно, а порождаемые им проблемы решаются посредством периодической калибровки изделия.
Промышленные датчики давления также можно разделить по диапазону измерений, то есть ВПИ.
Верхний предел измерений – предельное давление для мембраны преобразователя, исчисляемое в барах.
Конечно, есть и нижний предел измерений, характеризующий минимальное давление для отклика. Как правило он находится в пределах от -1 (вакуум) до 1 бара, но для некоторых редких применений могут производиться изделия с иным НПИ, например, в 10 бар. Такое может понадобится, если на предприятии необходимо измерять очень узкий диапазон давлений.
НПИ -1 бар характерен для вакууметрических сенсоров, служащих для измерения разрежения.
Датчик высокого давления ТД-10133
Диапазоны делятся по типовым решениям и представляют собой заранее устоявшиеся шаблоны. Например, после 10 кПа может идти 30 кПа, и найти 20, даже если они необходимы, будет непростой задачей.
Стандартной линейкой ВПИ у большинства производителей являются 6, 10, 16, 25 и 100 бар.
Справка. Не все предприятия используют именно бары или атмосферы. На некоторых производствах используют кПа (килопаскали). Это может быть важной деталью, так как конкретный ПЛК может использовать определённые единицы измерений и при их несоответствии может понадобится корректировка.
Классификация
Датчики давления классифицируют по нескольким признакам. Первый из них — измеряемая характеристика:
- Абсолютное давление — показатель в измеряемой среде относительно абсолютного нуля (вакуума).
- Избыточное давление — уровень увеличения давления в среде относительно барометрического (в земной атмосфере).
- Разрежения — степень уменьшения давления относительно барометрического.
- Давления/разрежения: можно измерять как увеличение, так и уменьшение относительно показателей атмосферного давления.
- Разности давлений (дифференциальные): замеряют, насколько различаются показатели в двух разных средах или в 2 удаленных точках процесса.
- Гидростатического: измеряют разность между полным и динамическим давлением, используются для трубопроводов.
Еще одна классификация — по методу измерения давления:
- Высота жидкости в колонне. По такому принципу работают манометры с откалиброванной шкалой, заполненные водой или ртутью. Водные считаются более чувствительными и точными.
- Упругая деформация. Метод основан на таком соответствии: степень деформации упругого материала прямо пропорциональна прикладываемому усилию (давлению).
- Электрические методы. По такому принципу работают тензодатчики: изменение размера сказывается на электрическом сопротивлении проводника.
В зависимости от всех этих характеристик выделяют следующие типы датчиков:
- Упругие датчики зачастую используются для измерения давления жидкости. Представляют собой прибор с жидкостью в отсеке с одной упругой стенкой. эта эластичная “мембрана” отклоняется при изменении показаний, и на основании этих отклонений высчитывается величина. Такие приборы чувствительные и хрупкие, сбиваются при воздействии вибраций.
- Трубки Бурдона: внутрь трубки подается давление, что вызывает ее упругую деформацию (эллипс или овал в сечении стремится принять форму круга, а свободный конец трубки перемещается). Чаще всего по такому принципу работают манометры со стрелочным циферблатом. Это — портативные модели, нетребовательные в обслуживании, но работающие с низкой точностью и подходящие только для статических измерений.
- Сильфоны: устройства цилиндрической формы со складками, деформируются при сжатии и расширении. Такие приборы подключаются к переключателям и могут использоваться только при давлениях ниже 200 Па.
- Мембраны и диафрагмы представляют собой резиновые, металлические, пластиковые или кожаные диски. Отличаются чувствительностью к резким изменениям давления, а также подходят для измерения низких величин, менее 2-7Па. Также могут применяться в агрессивных средах.
- Электрические датчики устанавливаются наравне с упругими, увеличивая точность измерения и обеспечивая передачу электрического сигнала на контрольный пункт.
- Емкостные, состоящие из параллельных пластин-конденсаторов, соединенных с металлической диафрагмой. также в конструкции есть электроды, запитанные от высокочастотного генератора. Подходят для измерения в пределах 2,5-70 МПа.
- Индуктивные, с ферромагнитным сердечником, обмотками и упругим элементом. Сердечник перемещается при изменении давления, и напряжение между обмотками тоже меняется. В зависимости от степени калибровки напряжения и типа упругого элемента диапазон измеряемых значений может колебаться в пределах 250Па — 70 МПа.
- С магнетосопротивлением. Представляют собой конструкцию с ферромагнитным сердечником, пластиной и гибким элементов. При их перемещении изменяется магнитный поток цепи. Чувствительность измерений в этом случае составляет 0,35 МПа.
- Пьезоэлектрические с датчиком-кристаллом, который формирует электрический заряд в тот момент, когда воспринимает давление. Есть прямая зависимость между изменением этих величин, поэтому устройство получается чувствительное, с быстрым срабатыванием (низким временем отклика). Чувствительность в этом случае тоже на уровне, в пределах 0,1МПа, а верхний предел измерений — 100 МПа.
- Потенциометрические оснащаются рычагом, прикрепленным к упругому датчику. Когда упругий элемент деформируется, рычаг перемещается по потенциометру, и тем самым обеспечивается измерение сопротивления. Такие датчики работают с низкой чувствительностью и не подходят для постоянного использования в ответственных процессах.
- Тензометрический: изменения давления определяются путем расчета колебаний сопротивления мостовой схемы Уитстона. Чувствительность датчиков остается высокой только в случае стабильной температуры процессов. Диапазон измерений — до 1400 МПа с чувствительностью 1,4-3.5 МПа.
- Вибрационные (с виброэлементом). В этом случае измеряются изменения резонансной частоты вибрирующих элементов, а сам датчик расположен в изолированном цилиндре под вакуумом. Такие устройства подходят для измерения стабильных величин без резких скачков и практически не подвержены воздействию температур. Допустимый диапазон измерений — до 0,3 МПа.
- Дифференциального давления: измеряется разность давления, и эта величина преобразуется в передаваемый сигнал. Используется в паре с емкостным элементом или с диафрагмой, считается минимально инвазивным. Чувствительность измерений и их диапазон зависит от того, какие именно электрические и упругие элементы используются в конструкции. Чаще всего такие устройства используются для измерения перепадов величин.
- Вакуумные или вакуумметры работают при давлении ниже атмосферного, в вакууме или при чрезвычайно низких величинах.
- Тепловые, работают по принципу вакуумметров, когда газовая теплопроводность изменяется из-за давления. Принцип используемый в данном типе датчиков заключается в изменении газовой теплопроводности под действием давления. Такие чувствительные элементы работают только при низких давлениях.
- Приборы ионизации могут быть с горячим либо с холодным катодом (отличаются по принципу испускания электронов). Такие устройства считаются очень чувствительными и подходят для измерения дробных долей.
Также выпускаются приборы с разной степенью чувствительности. Некоторые работают с минимальной погрешностью, но требуют больше времени для проведения измерений. Их целесообразно использовать там, где показатели давления в системе стабильны. Если же эта величина сильно изменяется за короткий промежуток времени, то решают “пожертвовать” точностью в пользу скорости проведения измерений.
Присоединение датчиков давления
Здесь нельзя сказать, что есть прочно устоявшиеся типовые соединения, на разных производствах они могут отличаться.
В основном используется резьбовое присоединение.
Для присоединения при помощи газовой резьбы (G) характерны диаметры обычно 1.4 или 1.5 дюйма.
Для метрической резьбы характерны М20×1,5 и М12×1,5.
Для рефрижераторных систем характерны необычные стандарты резьбы. Что делать в случае неподходящего диаметра? Для преобразователей давления выпускается достаточно большое количество переходников из различных материалов. Обычно используется нержавеющая сталь, но может встретиться латунь и другие материалы.
Присоединение к процессу
Присоединением датчика давления к процессу называется способ монтажа устройства для осуществления измерений — к трубопроводу, импульсной линии и т.д. По типу механического присоединения различают датчики:
- С резьбовыми присоединениями.
- С фланцевыми присоединениями.
- Гигиеническими присоединениями.
- Погружные.
Общепромышленные исполнения датчиков давления наиболее часто монтируются с использованием резьбовых соединений G1/2″ DIN 16288 и M20x1,5.
Выходные сигналы
В большинстве случаев промышленные датчики давления используют выходной сигнал 4 ..20 мА или 0 – 10 В, являющиеся наиболее распространённым.
В некоторых случаях могут производится приборы с ратиометрическим выходом.
Такой сигнал отличается зависимостью значения от напряжения питания. Как правило это сигнал в диапазоне 0,5…4,5 В. По сути «0,5…4,5 В» таковы только при стабильном напряжении в 5 В. Если значение напряжения питания изменится, то пропорционально изменится и выходной сигнал.
Электрическое присоединение использует стандарт DIN 650 и DIN 43, встречаются также miniDIN.
Интересно подключение измерителей давления к ПЛК (программируемый логический контроллер), происходящее через замкнутую токовую петлю. Дело в том, что промышленные датчики давления имеют только один положительный аналоговый выход, подключающийся к положительному аналоговому входу ПЛК, после чего положительный выход питания сенсора подключается к питанию.
Токовая петля
Таким образом промышленные датчики давления запитываются от своего же выходного сигнала. Данная схема весьма экономична и удобна, но имеет ограничение по мощности в 20 мА.
Иногда в подобную схему устанавливается гальваническая изоляция, представляющая собой модули, разделяющие блок питания для ПЛК и для датчика, что позволяет защитить оборудование от скачков напряжения.
Диапазон измерений
Диапазон измерений датчика давления — это максимальные и минимальные значения, при подаче которых устройство будет осуществлять измерения и преобразование в выходной сигнал. Поэтому необходимо выбирать датчик, диапазон измерений которого соответствует диапазону давления предполагаемых измерений. При этом нужно учитывать как нормальные условия применения, так и случайные колебания давления.
Выделяют датчики высокого и сверхвысокого давления, датчики низкого и сверхнизкого давления, и преобразователи среднего давления.
| DMP 334 датчики высокого и сверхвысокого давления | DPS+ датчики особо низких давлений |
Промышленные преобразователи давления на крупных предприятиях
На крупных промышленных предприятиях можно встретить и иные варианты преобразователей давления. Они более массивные, имеют куда большее разнообразие подключений и иногда поддерживают беспроводную связь и цифровые решения.
Датчик давления VegaBar 38
Хорошим примером подобной продукции является компания VEGA, разрабатывающая большое количество решений для наиболее крупных предприятий. На нашем сайте есть статья с подробным описанием продукции этой компании. Вы также можете заказать поставку оборудования VEGA в Россию.
Критерии выбора
При подборе подходящего устройства обязательно учитывают:
- место установки, тип технологического процесса и оборудования;
- диапазон измерений;
- тип и температура транспортируемой среды;
- тип унифицированного выходного сигнала;
- необходимая точность проведения измерений (чем ответственнее технологический процесс, тем выше нужна точность).
предлагает наиболее востребованные датчики, задатчики, регистраторы, сенсоры и преобразователи давления с высокой точностью. Также здесь можно приобрести цифровые манометры.
Все это — продукция швейцарской компании KELLER. Такое оборудование высокой точностью, стабильностью, надежностью электрических разъемов и технологических присоединений. Для подбора подходящего измерительного устройства в соответствии с требованиями технологического процесса и оборудования достаточно оставить онлайн-заявку или заказать обратный звонок.
