Категории раздела
Измерение температуры
Измерение давления
Измерение расхода
Измерение уровня
Другие измерения
Наши рекомендации

АзбукаКИП

Форма входа
Поиск по сайту

Опрос
Ваше образование?

Всего ответов: 853


Яндекс.Метрика
Здравствуйте, Гость | Регистрация | Вход

Новая статья на сайте
от 06.12.2016

Главная » Статьи » Теплотехнические измерения » Измерение давления

Датчики давления с аналоговым выходом

Для непрерывного измерения давления и передачи его значения в системы учета и контроля применяются датчики давления со стандартными выходными сигналами тока или (существенно реже) напряжения. Датчики могут измерять избыточное или абсолютное давление, а также разряжение. Это зависит от конструкции датчика. Абсолютное давление это сумма избыточного и атмосферного давлений.


Рабсолютное = Ризбыточное + Ратмосферное 


Датчик давления состоит из сенсора, модуля преобразования сигнала сенсора, дисплея и корпуса. В настоящее время наиболее распространены тензометрические сенсоры с металлической мембраной. Все более широкое применение находят емкостные сенсоры с мембраной из сверхчистой керамики (99,9% Al2O3), например, фирмы Endress+Hauser и пьезорезистивные сенсоры, например, фирмы Honeywell.

Датчик давления

Принцип действия тензосенсоров с металлической мембраной основан на измерении деформации тензорезисторов, сформированных в тонкой пленке кремния на сапфировой подложке (КНС), припаянной твердым припоем к титановой мембране. Иногда вместо кремниевых тензорезисторов используют металлические: медные, никелевые и др. Принцип действия тензорезисторов основан на явлении тензоэффекта в материалах, который выражается в том, что при линейном удлинении проводника его электрическое сопротивление увеличивается. Тензорезисторы соединены в мост Уитсона. Под действием давления измеряемой среды мембрана прогибается, тензорезисторы деформируются. Их сопротивление меняется, что приводит к разбалансу моста. Разбаланс имеет линейную зависимость от степени деформации резисторов и, следовательно, от приложенного к мембране давления.  Разбаланс моста преобразуется электроникой датчика в выходной аналоговый сигнал и в цифровой код для вывода данных на  дисплей. Мембрана и корпус сенсора образуют герметичную конструкцию, заполненную внутри кремнийорганической жидкостью.


Мембрана тензосенсора



Несмотря на множество достоинств, таких как: высокая степень защиты от воздействия агрессивных сред, высокая предельная  температуры измеряемой среды, низкая стоимость, отлаженное серийное производство датчики давления с тензосенсорами и металлической мембраной имеют ряд недостатков. В частности, неустранимую временную нестабильность передаточной характеристики (давление-ток) и существенные гистерезисные эффекты от воздействия давления и температуры. Это обусловлено неоднородностью конструкции и жесткой связью мембраны с корпусом сенсора. При эксплуатации датчиков с сенсорами данного типа практически всегда наблюдается эффект прямого и обратного хода. Например, если на датчик со шкалой 0-10 Bar и выходным сигналом 4-20 mA подать давление 5 Bar, плавно увеличивая его с 0 значения то установиться, допустим, выходной ток 11,5 mA. Если же, на тот же датчик подать давление 5 Bar, но теперь  плавно уменьшая с 10 Bar, то выходной сигнал будет уже 12,5 mA. Этот эффект связан с упругими свойствами металлической мембраны.



Конструкция тензосенсора


Работа емкостных сенсоров датчиков давления основана на зависимости емкости конденсатора от расстояния между его обкладками. Чем меньше расстояние, тем больше емкость. Роль одной обкладки (подвижной) выполняет металлизация внутренней стороны мембраны, роль второй обкладки (неподвижной) – металлизация основания сенсора. Подвижная мембрана изготавливается из сверхчистой керамики, кремния или упругого металла. При изменении давления процесса (рабочей среды) мембрана с обкладкой деформируется, расстояние между ней и основанием сенсора изменяется и происходит изменение емкости.



Конструкция емкостного сенсора


Достоинством емкостного сенсора из сверхчистой керамики является простота конструкции, высокая точность и временная стабильность показаний, возможность измерять низкие давления и слабый вакуум благодаря отсутствию заполняющего масла. Керамическая мембрана обладает коррозионной стойкостью к химически-агрессивным средам и стойкостью к истиранию. Кроме того у емкостных керамических сенсоров отсутствует эффект прямого и обратного хода. Они в меньшей степени подвержены воздействию гидравлических ударов, так как мембрана в этом случае просто прижимается к основанию сенсора.

К недостаткам емкостных сенсоров можно отнести нелинейную зависимость емкости от приложенного давления, но эта нелинейность компенсируется электроникой датчика. Так, например, к керамическим емкостным сенсорам датчиков давления Cerabar фирмы Endress+Hauser прилагается специальный паспорт, в котором производитель указывает настроечные коэффициенты. При замене сенсора эти коэффициенты должны быть занесены во внутреннюю энергонезависимую память датчика с помощью HART-коммуникатора. В противном случае погрешность измерения давления существенно возрастает, возрастает и нелинейность измерения.

Достаточно широко в настоящее время распространены датчики с чувствительными элементами на основе монокристаллического кремния. Несмотря на схожую конструкцию с приборами на основе КНС структур они имеют на порядок большую временную и температурную стабильности, более устойчивы к воздействию ударных и знакопеременных нагрузок. Эффект прямого – обратного хода также отсутствует, что объясняется использованием идеально-упругого материала.



Конструкция пьезосенсора


Данный тип сенсора (интегральный преобразователь давления), представляет собой мембрану из монокристаллического кремния с размещенными на ней методом диффузии пьезорезисторами. Пьезорезисторы соединены в мост Уинстона. Кристалл ИПД прикрепляется к диэлектрическому основанию легкоплавким стеклом или методом анодного сращивания. Для измерения давления чистых неагрессивных сред применяются, так называемые, Low cost – решения. Чувствительные элементы в датчиках данного типа либо не имеют защиты вовсе, либо защищены лишь слоем силиконового геля. При измерении агрессивных сред чувствительный элемент размещается в герметичном металлическом корпусе, с разделительной диафрагмой из нержавеющей стали, передающей давление измеряемой среды на ИПД посредством кремнийорганической жидкости.

Недостатком датчиков с пьезорезистивными сенсорами является их сравнительно невысокая предельная рабочая температура измеряемой среды – не более 150 °С.


Разделительная мембрана


Не зависимо от типа, сенсор является самой уязвимой частью датчика давления. Для защиты сенсора от повреждений применяют различные защитные устройства. Для предотвращения коррозии или загрязнения мембраны сенсора при измерении давления вязких, агрессивных или сильно загрязненных сред применяют разделительные мембраны или колонки. Разделительная мембрана монтируется непосредственно перед датчиком и служит для передачи давления без контакта сенсора с измеряемой жидкостью. Давление измеряемой жидкости подается в одну полость разделительной мембраны и деформирует мембрану. Датчик давления подсоединен ко второй полости, заполненной инертной жидкостью, например, силиконовым маслом, и воспринимает деформацию мембраны. Разделительные колонки чаще всего применяют для измерения давления горячего мазута. Нижнюю часть колонки и датчик заполняют водой, после этого открывают вентиль на мазутопроводе. Мазут заполняет верхнюю часть колонки, и остается сверху, так как имеет плотность чуть меньше чем находящаяся снизу вода и не растворяется в ней.


Датчик с охладителем



Для защиты сенсора от чрезмерного давления среды применяют специальные пружинные вентили, которые автоматически закрываются, перекрывая подачу давления на датчик при скачках давления или гидроударе. Еще одним эффективным способом защиты сенсора датчика от гидроударов является глушитель ударов давления TTR производства компании "BD Sensors Rus", работающий на многокамерном принципе. Они обладают способностью эффективно демпфировать гидроудары длительностью от 20 миллисекунд и амплитудой до 70 МПа. При пульсации давления длительностью до 100 миллисекунд, глушитель ударов давления позволяет датчику давления выдерживать четырехкратную перегрузку.


Глушитель ударов давления


Для измерения давлений рабочих сред с температурой до 300 °С применяют радиатор-охладитель. Как правило, он изготавливается из нержавеющей стали, например, 12Х18Н10Т. Радиатор-охладитель и разделительная мембрана могут быть изготовлены и смонтированы как самостоятельные изделия или быть частью конструкции датчика, например, как в датчике S-11 фирмы WIKA.

Датчики давления могут подключаться к вторичным приборам по двух-, трех- или четырехпроводной схеме. По двухпроводной схеме подключаются только датчики, имеющие выходной сигнал 4-20 мА. Это объясняется тем, что в цепи питания (являющейся одновременно и цепью передачи выходного сигнала) всегда должен протекать небольшой ток, обеспечивающий питание электронной «начинки» датчика. В данном случае этот минимальный ток равен 4 мА. Понятно, что датчики с выходным сигналом 0-5 мА или 0-20 мА при включении по двухпроводной схеме работать не будут, так как при нулевом давлении ток в цепи также должен равняться нулю. Соответственно, в этом случае электроника датчика останется без электропитания и перестанет работать.

Если выходной токовый сигнал датчика нестабилен при стабильном входном давлении, то, как правило, это связано с наличием сильных электромагнитных помех. Уменьшить влияние помех можно установкой конденсаторов между заземленным корпусом датчика и контактом питания (и/или контактом выходного сигнала) на контактной колодке датчика. Выводы конденсаторов должны иметь минимальную длину. Для подавления высокочастотных помех достаточно высокочастотного конденсатора емкостью 300…500 пф., для подавления низкочастотной помехи - конденсатора типа К73-17 емкостью 1…2 мкф.

Некоторые датчики давления, например DS200 производства BD Sensors помимо токового выхода имеют встроенные реле с настраиваемыми порогами срабатывания. С их помощью можно реализовывать различные системы автоматики, например, АВР насосной установки и одновременно контролировать текущее значение давления среды.

Во время эксплуатации датчиков давления часто возникает необходимость изменить значение шкалы измерения или выполнить подстройку нуля. Не все датчики (в том числе и самые современные) позволяют сделать это. Как правило, бюджетные приборы являются однопредельными, то есть не перенастраиваемыми.  В лучшем случае имеется возможность подстройки нуля и шкалы в небольшом диапазоне. Более дорогие модели позволяют осуществлять корректировку нулевых показаний и шкалы в больших пределах, устанавливать нестандартные значения «нуля» и шкалы и даже инвертировать выходной сигнал (в этом случае нулевому давлению будет соответствовать максимальный выходной ток датчика 20 мА, который будет уменьшаться с ростом давления).

Подстройку шкалы в многопредельных датчиках давления выполняют либо для увеличения точности представления измеренной величины, либо для расширения диапазона измерения, либо для согласования с вторичным прибором, имеющим определенные настройки. Подстройку шкалы для увеличения точности представления осуществляют в том случае, если максимальное значение шкалы датчика существенно превышает давление среды. В этом случае целесообразно уменьшить шкалу датчика, при этом увеличиться точность представления, так как на единицу измеряемого давления будет приходиться большее изменение выходного токового сигнала.


Влияние столба жидкости на показания датчика давления


Корректировать ноль датчиков давления (особенно датчиков перепада давления) приходиться довольно часто. Это связано с тем, что у многих датчиков ноль «уходит» если пространственное положение датчика изменить относительно той ориентации, при которой была выполнена настройка нуля (например, наклонить).  Либо, если датчик давления соединяется с трубопроводом импульсной трассой и место подсоединения импульсной трассы к трубопроводу находиться выше места соединения датчика с импульсной трассой. В результате этого, если измеряемой средой является пар, вода или другая жидкость, столб этой жидкости создает дополнительное давление на мембрану датчика, вызывая отклонение его показаний от нулевых значений. Чем больше столб жидкости, тем больше отклонение, которое необходимо скорректировать иначе показания во всем диапазоне измерений будет завышены. Давление столба жидкости рассчитывается по формуле:


Pстолба жидкости = ρgh


Таким образом, измеренное датчиком значение давления будет равно сумме избыточного давления жидкости в трубопроводе плюс давление столба жидкости в импульсной трассе:


Ризмеренное = Ризбыточное + Рстолба жидкости


Отбор давления рекомендуется осуществлять в тех местах трубопровода, где скорость движения потока наименьшая и завихрения минимальны, то есть  на прямолинейных участках трубопроводов, на максимальном расстоянии от запорных устройств, колен, сужений, компенсаторов и других гидравлических соединений.

На измерении давления столба жидкости основан принцип косвенного измерения уровня жидкости в резервуарах, расширительных баках и т.п. Датчик давления крепят к днищу резервуара или на боковой стенке вблизи дна. Чаще всего для измерения уровня применяют датчики давления с открытой мембраной, так как они менее подвержены засорению и более чувствительны к малым изменениям уровня ввиду больших размеров мембраны. Датчики давления с открытой мембраной довольно часто имеют шкалу непосредственно в единицах измерения уровня - миллиметрах (метрах) водяного столба.


Датчик давления с открытой мембраной



В любом случае, пересчитать шкалу датчика из одних единиц измерения в другие можно воспользовавшись таблицей перевода.

Как правило, импульсные трассы применяют для того чтобы персоналу было удобно обслуживать датчики давления или по конструктивным соображениям. При определенной конфигурации импульсные трассы выполняют также роль демпфирующих устройств, сглаживая скачки давления. Но импульсные трассы имеют и ряд существенных недостатков. При большой длине и множестве изгибов они легко засоряются. В холодное время года они часто замерзают, если проложены в не отапливаемом помещении и отсутствует теплоизоляция и обогрев. Наиболее часто применяется электрообогрев с помощью специального нагревательного шнура. Он обвивается вокруг импульсной трассы на всем ее протяжении, затем трасса обматывается теплоизоляционным материалом. Иногда для обогрева используют так называемый спутник – трубу с циркулирующей горячей водой или паром. Кроме того из-за большой протяженности импульсной трассы и ее малого поперечного сечения (как правило используются трубки диаметром 14…16 мм) возникают задержки передачи давления.

К трубе или импульсной трассе датчик давления чаще всего подключается через вентильный блок. Вентильные блоки перекрывают подачу рабочей среды к мембране датчика, что позволяет, при необходимости, демонтировать его не останавливая процесс. При этом утечки рабочей среды также сводятся к минимуму. Вентильные блоки имеют различную конструкцию: от самых простых игольчатых до сложных комбинированных вентилей, сочетающих в себе функции отключения и продувки датчика на свечу или в окружающую среду.


Вентильный блок


C вентильным блоком датчик соединяется посредством резьбы. Самыми распространенными резьбами датчиков давления являются метрическая М20х1,5 и дюймовая G ½’’резьбы. Для уплотнения резьбовых соединений достаточно редко используют льняную прядь или фум ленту. Чаще применяют торцевые кольцевые прокладки из паронита, фторопласта или обожженной меди. Прокладки из обожженной меди и фторопласта имеют высокую температурную и химическую стойкость, но обладают одним существенным недостатком – они являются одноразовыми.    Прокладки из паронита обладают худшей стойкостью, но допускают несколько циклов установки – демонтажа датчика, обеспечивая при этом герметичное уплотнение. В пищевой промышленности, где попадание в измеряемую среду частиц уплотнительных материалов недопустимо применяют датчики с фланцевым или «рюмочным» креплением.


Калибратор давления DPI 620


Калибровку датчиков давления производят с помощью калибраторов давления или масляных колонок. Калибраторы давления, например, DPI фирмы Druck, позволяют генерировать и плавно регулировать давление сжатого воздуха в широких пределах. Проверять работоспособность датчиков давления нажатием твердым предметом или пальцем на мембрану сенсора для имитации давления не рекомендуется - это может привести к повреждению сенсора.


Дополнительную информацию вы можете найти в разделе "Вопрос-ответ".

Посмотреть другие статьи в том числе про измерение давления.



Опубликовано 11.11.2010 | Просмотров: 38609 | Рейтинг: 4.5/2
Всего комментариев: 0
Добавлять комментарии могут только зарегистрированные пользователи.
[ Регистрация | Вход ]
КИПиА от А до Я
© 2010-2017