Как устроен датчик давления

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.

Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

1.4.4. Датчики давления

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

В системах ТГиВ наибольшее распространение нашли преобразователи (датчики) давления типа «Сапфир-22» [3]. Преобразователи этого типа служат: для измерения абсолютного давления «Сапфир-22ДА», причем различные модели имеют верхние пределы измерений от 2,5 кПа до 16 МПа; измерения избыточного давления «Сапфир-22ДИ» с верхними пределами измерений от 0,25 до 100 МПа; измерения вакуума «Сапфир 22ДВ» с верхними пределами измерений от 0,25 до 100 кПа и др.

Для примера рассмотрим схему преобразователя «Сапфир-22ДИ» (рис. 1.10), предназначенного для измерения избыточного давления. Преобразователь состоит из измерительного блока и электронного устройства.

Рис. 1.10. Преобразователь «Сапфир-22ДИ»

Чувствительным элементом (ЧЭ) преобразовательного блока является мембранный полупроводниковый преобразователь 3, размещенный внутри основания 9. ЧЭ выполняется на основе пластины из монокристаллического сапфира с кремниевыми пленочными тензорезисторами (структура КНС – кремний на сапфире), прочно соединенной с металлической мембраной. Внутренняя полость 4 тензопреобразователя заполнена кремнийорганической жидкостью и отделена от измеряемой среды металлической гофрированной мембраной 6, приваренной по наружному контуру к основанию 9. Измеряемое давление подается в камеру фланца 5. Между основанием 9 и фланцем помещена уплотняющая прокладка 8. Полость 10 сообщена с окружающей атмосферой.

Измеряемое давление воздействует на мембрану 6 и через жидкость передается на мембрану тензопреобразователя 3, вызывая ее прогиб и соответствующее изменение сопротивления тензорезисторов, соединенных в мостовую схему. Электрический сигнал по проводам через герметический вывод 2 поступает в электронный блок 1, который содержит корректоры для плавной подстройки диапазона и нуля выходного сигнала. При измерении абсолютного давления полость 10 откачивается и герметизируется. Как при измерении избыточного давления, так и абсолютного давления в данной конструкции измеряемое давление воздействует через жидкость непосредственно на мембрану тензопреобразователя.

Выходной сигнал преобразователей аналоговый и может быть в диапазонах 0 – 5, 0 – 20, 4 – 20 мА. Предел допускаемой основной погрешности преобразователей составляет 0,25 и 0,5 %.

В 1992 году компанией «Метран» г. Челябинск был создан датчик давления нового поколения «Метран–45», а в 2001 году – первый серийный интеллектуальный микропроцессорный датчик Метран –100 [4].

Датчики давления Метран-100 предназначены для работы в системах автоматического контроля, регулирования и управления технологическими процессами. Они обеспечивают непрерывное преобразование измеряемых величин – давления избыточного, абсолютного, разрежения, давления – разрежения, разности давлений, гидростатического давления нейтральных и агрессивных сред в унифицированный токовый выходной сигнал дистанционной передачи, цифровой сигнал на базе HART-протокола, цифровой сигнал на базе интерфейса RS-485 с протоколами обмена ICP или Modbus [5].

Датчики моделей 1110 – 1173 охватывают максимальный верхний предел измерения от 0,04 кПа до 100 МПа.

Для примера на рис. 1.11 представлена конструкция датчиков избыточного давления моделей 1131, 1141, датчиков разрежения моделей 1231, 1241, датчиков давления-разрежения моделей 1331, 1341.

Сенсорный блок датчика состоит из корпуса 1, рычажного тензопреобразователя 2, измерительной мембраны 3, жесткого центра со штоком 4, электронного преобразователя 5, штуцера 6.

В датчиках моделей 1131, 1141 измеряемое избыточное давление Р воздействует на мембрану 3 и преобразуется в усилие на жестком центре, которое через шток 4 передается на рычаг тензопреобразователя 2. Перемещение конца рычага вызывает деформацию измерительной мембраны тензопреобразователя. На измерительной мембране размещены тензорезисторы. Тензорезисторы соединены в мостовую схему. Деформация измерительной мембраны вызывает изменение сопротивления тензорезисторов и разбаланс мостовой схемы.

Рис. 1.11. Датчик Метран 100: модели 1131, 1141;

1231, 1241; 1331, 1341

Электрический сигнал, образующийся при разбалансе мостовой схемы, подается в электронный преобразователь 5, который преобразует электрический сигнал от тензопреобразователя в стандартный токовый выходной сигнал.

В датчиках разрежения (модели 1231, 1241) давление разрежения перемещает мембрану 3 в противоположную сторону.

Датчики с HART-протоколом могут передать информацию об измеряемой величине в цифровом виде по двухпроводной линии связи вместе с сигналом постоянного тока 4-20 мА. Этот цифровой сигнал может приниматься и обрабатываться любым устройством, поддерживающим протокол HART.

Таким образом, по двухпроводной связи передается два типа сигналов – аналоговый сигнал 4-20 мА и цифровой сигнал на базе протокола HART, который накладывается на аналоговый выходной сигнал датчика, не оказывая на него влияния.

В 2007 г. на рынок было выведено новое поколение датчиков давления – Метран-150. Во многом этому способствовало тесное сотрудничество Промышленной Группы “Метран” с компанией Emerson Process Management – крупнейшим мировым производителем средств автоматизации. Для датчика Метран-150 Инженерным центром были разработаны новые преобразователи давления с чувствительными элементами на основе емкостной ячейки (для фланцевых моделей) и пьезорезистивного сенсора кремний-на-кремнии (для штуцерных моделей).

Интеллектуальные датчики давления серии Метран-150 [6] предназначены для непрерывного преобразования в унифицированный токовый выходной сигнал и/или цифровой сигнал в стандарте протокола HART входных измеряемых величин: избыточного давления; абсолютного давления; разности давлений; давления–разрежения; гидростатического давления (уровня).

Диапазоны измеряемых давлений: минимальный 0–0,025 кПа; максимальный 0–68 МПа.

Выходные сигналы: 0–5 мА; 4-20 мА с HART– протоколом.

Основная приведенная погрешность до ± 0,075 %; опции до ± 0,2 %; ± 0,5 %

В зависимости от измеряемого давления датчики имеют следующие коды исполнения: A – абсолютное; G – избыточное; D – разность давлений.

Схема измерительного блока датчиков Метран-150 фланцевого исполнения (CD, CG), копланарного исполнения (CDR, CGR, L) представлена на рис. 1.12а.

Измерительный блок датчиков этих моделей состоит из корпуса 1 и емкостной измерительной ячейки Rosemount 2. Емкостная ячейка изолирована механически, электрически и термически от измеряемой и окружающей сред. Измеряемое давление передается через разделительные мембраны 3 и разделительную жидкость 4 к измерительной мембране 5, расположенной в центре емкостной ячейки. Воздействие давления вызывает изменение положения измерительной мембраны 5, что приводит к появлению разности емкостей между измерительной мембраной и пластинами конденсатора 6, расположенным по обеим сторонам от измерительной мембраны. Разность емкостей измеряется АЦП и преобразуется электронным преобразователем в выходной сигнал.

Рис. 1.12. Схема измерительного блока датчик Метран-150: а – фланцевое, копланарное и гидростатическое исполнение; б – штуцерное исполнение

Датчики Метран-150 штуцерного исполнения представлены на рис. 1.12б. В измерительных блоках моделей TG, TGR, TA , ТАR используется тензорезистивный тензомодуль на кремниевой подложке. Чувствительным элементом тензомодуля является пластина 1 из кремния с пленочными тензорезисторами (структура КНК – кремний на кремнии). Давление через разделительную мембрану 3 и разделительную жидкость 2 передается на чувствительный элемент тензомодуля.

Воздействие давления вызывает изменение положения чувствительного элемента, при этом изменяется электрическое сопротивление его тензорезисторов, что приводит к разбалансу мостовой схемы. Электрический сигнал, образующийся при разбалансе мостовой схемы, измеряется АЦП и подается в электронный преобразователь, который преобразует это изменение в выходной сигнал. В моделях 150ТА и 150ТАR полость над чувствительным элементом вакууммирована и герметизирована.

Применение в датчиках Метран-150 новых чувствительных элементов позволило установить основную приведенную погрешность не более ± 0,075 % в пределах перенастройки до 10:1 и длительную стабильность “нуля”. Существенно, по сравнению с датчиками Метран-100, повышен предел перегрузки для низкопредельных моделей.

HART-протокол использует принцип частотной модуляции для обмена данными на скорости 1200 Бод. Схема, поясняющая работу приборов по HART-протоколу, представлена на рис.1.13. Для передачи логической «1» HART использует один полный период частоты 1200 Гц, а для передачи логического «0» – два неполных периода 2200 Гц.

Из рис. 1.13 видно, что HART составляющая накладывается на токовую петлю 4-20 мА аналогового сигнала. Так как среднее значение синусоиды за период равно «0», то HART сигнал никак не влияет на аналоговый сигнал 4-20 мА.

HART-протокол построен по принципу «главный – подчиненный», то есть полевое устройство отвечает по запросу системы.

Протокол допускает наличие двух управляющих устройств (управляющая система и коммуникатор).

Существует два режима работы датчиков, поддерживающих обмен данными по HART-протоколу.

Режим передачи цифровой информации одновременно с аналоговым сигналом. В этом режиме датчик работает в аналоговых АСУ ТП, а обмен по HART-протоколу осуществляется посредством HART коммуникатора или компьютера. При этом можно на расстоянии до 3000 м осуществлять полную настройку и конфигурирование датчика. Теперь оператору нет необходимости обходить все датчики на предприятии, он может их настроить непосредственно со своего рабочего места.

Рис. 1.13. Принцип обмена данными по HART-протоколу

В многоточечном режиме датчик передает и получает информацию только в цифровом виде. Аналоговый выход автоматически фиксируется на минимальном значении (питание устройства – 4 мА) и не содержит информации об измеряемой величине. Информация о переменных процесса считывается по HART – про-токолу.

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

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

Датчик давления состоит из первичного преобразователя давления, в составе которого чувствительный элемент – приемник давления, схемы вторичной обработки сигнала, различных по конструкции корпусных деталей, в том числе для герметичного соединения датчика с объектом и защиты от внешних воздействий и устройства вывода информационного сигнала. Основными отличиями одних приборов от других являются пределы измерений, динамические и частотные диапазоны, точность регистрации давления, допустимые условия эксплуатации, массогабаритные характеристики, которые зависят от принципа преобразования давления в электрический сигнал: тензометрический, пьезорезистивный, ёмкостный, индуктивный, резонансный, ионизационный, пьезоэлектрический и другие. Электрические датчики принимают данные полученные механическое воздействие от упругого датчика и включают в себя электрический компонент, таким образом, усиливая чувствительность и увеличивая сферы применения датчиков.

Выбор типа датчика зависит от величины измеряемого давления, заданной точности и условий эксплуатации датчика.

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.

Механические 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.

Давление, подаваемое внутрь трубки Бурдона, 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. 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).

• портативность;
• низкие эксплуатационные расходы.

• применимы только для статических измерений;
• низкая точность.

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, меньше 200 Па с чувствительностью 1,2 Па.

• может быть использован на низких давлениях.

• может быть подсоединен только к двухпозиционному переключателю или к потенциометру.

Мембраны изготовлены из круглых металлических дисков или гибких элементов, таких как резина, пластик или кожа. Материал, из которого изготовлена мембрана зависит от того используется ли свойства упругости этого материала или ему должен противостоять другой элемент (например – пружина). Мембраны, изготовленные из металлических дисков, используют упругие характеристики, а тем, которым противостоят другие упругие элементы, изготовлены из гибких элементов. Мембраны очень чувствительны к резким изменениям давления. Мембраной изготовленной из металла можно измерить максимальное давление равное примерно 7 МПа, а мембраной использующей упругий тип материала можно измерять чрезвычайно низкие давления (0,1 кПа –2,2 МПа) при подключении к емкостным преобразователям или к датчикам перепада давления. Диафрагмы бывают плоские, гофрированные и капсульного типа. Как отмечалось ранее, мембраны очень чувствительны (0,01 МПа). Они могут измерять дробные разности давления на очень маленьком диапазоне (скажем, давления нескольких дюймов воды) (эластичный тип) или большие перепады давления (приближаясь к максимальному диапазону в 207 кПа) (металлический тип). Металлические мембраны обладают большой жесткостью, малым гистерезисом, и поэтому способны полностью восстанавливать первоначальную форму после снятия давления. Неметаллические мембраны свойствами самовосстановления формы не обладают, поэтому в них дополнительно вводят пружины и прилегающие к мембране металлические шайбы. Пружина действует через шайбу на мембрану и обеспечивает ей необходимые восстанавливающие свойства.

Примеры упругих элементов датчиков давления приведены на рисунке 2.41.

Мембраны очень универсальны – они обычно используются в очень агрессивных средах или в ситуациях с экстремальными избыточными давлениями.

• быстрое время отклика;
• высокая точность;
• хорошая линейность;
• высокая коррозийная стойкость

• высокая стоимость

Емкостные датчики

Емкостной датчик (см. рисунок 2.42) состоит из параллельных пластин – конденсаторов, соединенных с диафрагмой, которая обычно металлическая и подвергается давлению сил, участвующих в процессе с одной стороны, и опорным давлением на другой стороне. Электроды прикреплены к мембране и получают питание от генератора высокой частоты. Электроды ощущают любое перемещение диафрагмы и это влияет на изменение емкости пластин –конденсаторов. Изменение емкости обнаруживается подсоединенной электрической цепью, которая выводит напряжение в соответствии с изменением давления. Данный тип датчика может работать в диапазоне от 2,5 Па – 70 МПа с чувствительностью 0,07 МПа.

• используются для измерения низких давлений и вакуума;
• высокая стабильность характеристик;
• возможность измерять низкий вакуум;
• стойкость к перегрузкам;
• простота конструкции.

• емкостные пластины могут слипаться в процессе эксплуатации.
• высокие требования к экранировке деталей;
• нелинейная зависимость емкости от приложенного давления;
• необходимость работы на высоких частотах;
• требуют наличия внешнего источника переменного тока.

Индуктивные датчики

Индуктивные датчики давления в сочетании с диафрагмой или трубкой Бурдона. Ферромагнитный сердечник прикреплен к упругому элементу и имеет первичную и две вторичные обмотки. Ток подается на первичную обмотку. Когда сердечник по центру то же напряжение будет индуцироваться к двум вторичными обмотками. Когда сердечник перемещается под влиянием давления, отношение напряжения между двумя вторичными обмотками изменяется. Разность напряжений пропорциональна изменению давления.

На рисунке 2.43 показан пример индуктивного датчика давления с использованием диафрагмы. Для этого вида датчика давления, принимая камеру 1 в качестве эталонной камеры с опорным давлением Р₁ подающегося и катушку заряжаемую эталонным током. Когда давление в других камерах изменяется, диафрагма движется и индуцирует ток в другой катушке, который измеряется и выражает измеренное значение тока в единицах давления.

Такие датчики могут быть использованы с любым упругим элементом (хотя, как правило, используются в сочетании с диафрагмой или трубкой Бурдона). Чтение значения создаваемого давления, будет определяться калибровкой напряжения. Таким образом, диапазон давления, в котором может быть использован этот датчик, определяется относительно упругого элемента, но лежит в диапазоне от 250 Па – 70 МПа.

• высокая чувствительность;
• возможность измерять дифференциальные давления;
• незначительное влияние температуры на точность измерения.

• ограничены упругими элементами;
• сильное влияние магнитного поля;
• чувствительность к вибрациям и ударам;
• более грубые по сравнению с датчиками магнетосопротивления.

Датчики давления, основанные на принципе магнетосопротивления

Датчики давления, основанные на принципе магнетосопротивления, также имеют ферромагнитный сердечник (см. рисунок 2.44).

При изменении давления, гибкий элемент перемещает ферромагнитную пластину, что приводит к изменению магнитного потока цепи, которое может быть измерено. Ситуации, в которых можно было бы использовать электрический элемент – это ситуация, в которой индуктивный датчик не генерирует достаточно точное измерение. Диапазон давления для данного метода составляет от 250 Па до 70 МПа с чувствительностью 0,35 МПа.

• высокая чувствительность.

• требуют наличия внешнего источника переменного тока.

Пьезоэлектрические датчики

Пьезоэлектрические датчики используют датчик – кристалл. Когда давление прикладывается к кристаллу, он деформируется и создается небольшой электрический заряд (см. рисунок 2.45). Измерение электрического заряда пропорционально изменению давления. Этот тип датчика имеет очень быстрое время отклика на постоянные изменения давления. Подобно датчику давления основанного на принципе измерения магнетосопротивления, пьезоэлектрический элемент очень чувствителен, но реагирует гораздо быстрее. Таким образом, если время имеет существенное значение, пьезоэлектрический датчик будет приоритетный к использованию. Диапазон давления датчиков такого типа составляет 0,021 – 100 МПа с чувствительностью 0,1 МПа.

• очень быстрое время отклика;
• высокая стабильность характеристик;
• устойчивость к ударным нагрузкам и вибрациям;
• низкие (практически отсутствуют) гистерезисные эффекты;
• возможность измерять давление различных агрессивных средств;
• высокая чувствительность.

• требуют наличия внешнего источника переменного тока;
• ограничение по температуре (до 150 °C);
• малое сопротивление на выводах.

Потенциометрические датчики

Потенциометрические датчики имеют рычаг, механически прикрепленный к упругому датчику давления (см. рисунок 2.46). При изменении давления, деформируется упругий элемент, в результате чего заставляет рычаг двигаться вперед или назад по потенциометру и таким образом снимаются показания сопротивления. Эти чувствительные элементы принадлежат оптимальному рабочему диапазону, но ограничены многими факторами. Таким образом, они являются датчиками нижнего уровня, которые не используются слишком часто. При низкой чувствительности и рабочем диапазоне, они могут, лучше всего подойти в качестве дешевого детектора давая грубую оценку. Диапазон давления 0,035 – 70 МПа с чувствительностью 0,07 –0,35 МПа.

• могут иметь очень маленькие размеры.

• невысокая чувствительность;
• наличие подвижных контактов;
• малый рабочий диапазон.

Тензометрический датчик

Тензометрические датчики представляет собой конструкцию из тензорезистора, имеющего контакт на панели. Она соприкасается с телом для измерения. Принципиальная схема действия датчика заключается в действии на чувствительный элемент исследуемой детали. Для подключения датчика к питанию используются электроотводы, соединенные с чувствительной пластиной.

В контактах существует постоянное напряжение. На тензодатчик кладется деталь через подложку. Вес детали разрывает цепь путем деформации. Деформация видоизменяется в сигнал тока.

Мост измерения тензодатчика дает возможность измерить минимальные нагрузки, расширяя этим применяемость прибора. Схема подключения мостом датчика основывается на законе Ома. Если сопротивления равны, то проходящий ток будет одинаковым. В общем, эта схема используется для определения неизвестного электрического сопротивления, уравновешивая две секции мостовой схемы, так что бы отношение сопротивлений в одной секции было таким же, как и в другой секции, возвращая ноль, в гальванометре в центральной ветви. Одна из секций содержит неизвестный компонент, сопротивление которого должно быть определено, тогда, как другая секция содержит резистор с известным сопротивлением, которое можно регулировать.

Тензодатчик помещает чувствительные элементы на каждом из резисторов и измеряет изменение сопротивления каждого резистора под действием изменения давления. Сопротивление определяется уравнением:

где ρ – удельное сопротивление проводника, L –длина проводника, и S – площадь поперечного сечения проводника. Изменение давления будет либо удлинять, либо сжимать проводник, следовательно, датчик сжатия необходимо на одном резисторе, а датчик удлинения на другом. Чтобы контролировать воздействие температуры (проволока будет также либо удлиняться, либо сжиматься из-за изменения температуры), свободный датчик нужно разместить на остальных двух резисторах. Эти датчики часто являются одним из типов полупроводника (n-тип или р-тип). Таким образом, чувствительность таких датчиков значительно больше, чем чувствительность их металлических аналогов, однако с большей чувствительностью приходит более узкий функциональный диапазон: температура должна оставаться постоянной, чтобы получить действительное значение. Эти датчики сильно зависят от изменений температуры (в отличие от других типов электрических компонентов). Диапазон давления 0 – 1400 МПа с чувствительностью 1,4 – 3.5 МПа.

Пример несвязанного тензодатчика показан на рисунке 2.47. Данный тип датчиков использует чувствительные к натяжению провода, один конец которого закреплен на неподвижной раме, а другой конец прикреплен к подвижному элементу, который движется с изменением давления.

Пример связанного тензодатчика можно увидеть ниже. Данный тип размещается в верхней части диафрагмы, которая деформируясь при изменении давления, натягивает провода, прикрепленные к диафрагме.

• сочетаются с измерениями напряжений, не имеют искажений данных измерения. Это удобство незаменимо при применении датчиков на транспорте или в критических ситуациях и условиях;
• малые размеры дают возможность применять их в любых измерениях.
• очень высокая чувствительность.

• чрезвычайно медленное время отклика;
• слабый выходной сигнал.

Вибрационные датчики

Вибрационные датчики давления функционируют посредством измерения изменения резонансной частоты вибрирующих элементов (рисунок 2.48). Ток проходит через провода, индуцируя электродвижущую силу в проводе. Затем усилие увеличивается, что вызывает колебание проволоки. Давление влияет на этот механизм, с помощью влияния на сам провод: повышение давления уменьшает напряжение в проводе и, таким образом снижает угловую частоту колебаний провода. При измерении абсолютных давлений, датчик размещен в цилиндре под вакуумом. Эти датчики измерения абсолютного давления являются очень эффективными: они производят повторяемые результаты и слабо подвержены влиянию температуры. Им не хватает чувствительности в процессе измерения, тем не менее, таким образом, они не очень подходят для процесса, в котором необходимо отслеживать кратковременные изменения давления. Диапазон давления: 0,0035 – 0,3 МПа.

• высокоточные;
• не подвержены изменениям температуры.

• не могут быть использованы на больших давлениях.

Датчики дифференциального давления

Датчики дифференциального давления используются с различными видами датчиков, в которых измерение давления является результатом разности давлений, в частности таких датчиков как диафрагмы, сопла подачи или Вентури–метров. Датчик перепада давления преобразует разность давлений в передаваемый сигнал, где размещение датчика перепада давления (DP) зависит от характера потока текучей среды, которая измеряется. Типичный датчик дифференциального давления минимально инвазивный (внешний компонент присоединен через точки измерения); он обычно используется с емкостным элементом в паре с диафрагмой, которая позволяет емкостному телу двигаться вместе или отдельно, генерируя сигнал (через изменение емкости), который может быть интерпретирован к падению давления. Они часто используются для обнаружения небольших различий в больших перепадах давления. Его размещение похоже на присоединение вольтметра параллельно с резистором, чтобы измерить «падение» его напряжения (аналогично падению давления).

Диапазон измеряемого давления и чувствительность датчика дифференциального давления зависит от электрических и упругих компонентов, используемых в самом датчике. Это отличный датчик, используемый при измерении перепада давления, однако, для всех остальных приложений, он довольно бесполезен.

• используются для измерения перепада давления.

• измеряются только для измерения перепада давления.

Оптические датчики

Оптические датчики подразделяются на волоконно-оптические и оптоэлектронные.

Волоконно-оптические датчики давления являются наиболее точными, их работа не сильно зависит от колебания температуры. Чувствительным элементом является оптический волновод. Об измеряемой величине давления в таких приборах обычно судят по изменению амплитуды и поляризации проходящего через чувствительный элемент света.

Оптоэлектронные датчики состоят из многослойных прозрачных структур. Через эту структуру пропускают свет. Один из прозрачных слоев может изменять свои параметры в зависимости от давления среды. Есть два параметра, которые могут изменяться: первый это показатель преломления, второй это толщина слоя. На рисунке 2.49 представлены методы, на которых основано измерение давление оптическим способом.

• очень высокая точность;
• высокое разрешение и чувствительность;
• стабильны к действию температуры.

• невозможно измерить давление непрозрачной среды;
• сложная калибровка;
• чувствительность к вибрациям.

Тепловые вакуумметры

Принцип, используемый в данном типе датчиков, заключается в изменении газовой теплопроводности под действием давления. Однако из-за отклонения от идеального поведения газа, в котором связь между этими двумя свойствами линейна, датчики такого рода, которые также называются датчиками Пирани, могут быть использованы только при низких давлениях, в диапазоне (0,4E–3 до 1,3E–3) МПа.

В этих датчиках спиральная нить проводит ток нагревающий катушку. Изменение давления изменяет скорость теплопередачи от нити накала, тем самым заставляя варьироваться её температуру. Эти изменения в температуре могут быть обнаружены с помощью термопар, которые также подключены к нитям накала – частям мостовой схемы.

• высокая точность;
• высокая чувствительность;
• способны измерять вакуум.

• измерения линейны только на низких давлениях.

Приборы ионизации

Существует две категории для этих типов датчиков: С горячим катодом и с холодным катодом. Для датчиков с горячим катодом, электроны испускаются нагретыми нитями, в то время как для датчиков с холодным катодом электроны освобождаются от катода в результате столкновения ионов. Электроны ударяют молекулы газа, поступающего в датчик, формируя положительные ионы, которые собираются и вызывают течение ионного тока. Количество образований катиона связано с плотностью газа и, следовательно, пропорционально измеряемому давлению, а также, так как используется постоянный ток электронов, следовательно, ионный ток является мерой давления газа. Оба типа датчиков являются высокочувствительными устройствами, и наиболее подходит для измерения дробных долей давления. Датчики с горячим катодом еще более чувствительны, чем датчики с холодным катодом и способны измерять давление около 10 –8 Па.

• высокая чувствительность;
• способны измерять вакуум.

• не могут быть использованы на больших давлениях.

Литература

Элементы и функциональные устройства судовой автоматики — Авдеев Б.А. [2018]