для чего нужны преобразователи давления
Как правильно выбрать преобразователь давления
Давление, эта важнейшая после температуры физическая величина, является определяющей во многих технологических процессах.
Преобразователи давления предназначены для измерений и непрерывного преобразования давления в унифицированный выходной сигнал постоянного тока, напряжения или в цифровой сигнал.
Используются датчики в регуляторах и других устройствах автоматики в системах автоматического контроля, регулирования и управления технологическими процессами в системах водообработки, отопления, вентиляции и кондиционирования; гидравлических системах, холодильной технике, расходомерах и счетчиках; дизельных двигателях; тормозных системах; уровнемерах, в испытательных стендах и т.д.
Индустриальные измерения и контрольно-измерительная аппаратура применяются во всех областях промышленности — от атомной до пищевой и фармакологической; соответственно, везде нужны и преобразователи давления и преобразователи уровня.
Принцип действия датчиков основан на упругой деформации чувствительного элемента (сенсора), на который нанесены полупроводниковые тензорезисторы, включенные по схеме моста Уинстона. Измеряемое давление подводится через штуцер в рабочую полость датчика и вызывает деформацию диафрагмы. Это приводит к изменению геометрии резисторов, находящихся с ней в тесной механической связи и изменению их сопротивления. Происходит преобразование приложенного давления (механический вход) в изменение сопротивления (электрический выход).
Мы предлагаем следующий алгоритм, чтобы правильно подобрать датчик для Вашего применения:
1. Тип измеряемого давления
Преобразователи давления измеряют разность двух давлений, воздействующих на измерительную мембрану (чувствительный элемент) датчика. Одно из этих давлений — измеряемое, второе — опорное, то есть то давление, относительно которого происходит отсчет измеряемого. В зависимости от вида опорного давления все датчики разделяются на следующие виды:
Практически все наши преобразователи давления имеют модификации для измерения как абсолютного так и избыточного (в том числе разряжения) давлений. Подробнее Вы можете ознакомиться в разделе продукция/преобразователи давления.
Преобразователи абсолютного давления
Предназначены для измерения величины абсолютного давления жидких и газообразных сред. Опорное давление — вакуум. Воздух из внутренней полости чувствительного элемента датчика откачан. Например, барометр –частный случай датчика абсолютного давления.
Преобразователи избыточного (относительного) давления
Предназначены для измерения величины избыточного давления жидких и газообразных сред. Опорное давление — атмосферное; таким образом, одна сторона мембраны соединена с атмосферой.
Преобразователи дифференциального (разности, перепада) давления
Предназначены для измерения разности давления среды и используются для измерения расхода жидкостей, газа, пара, уровня жидкости. Давление подается на обе стороны мембраны, а выходной сигнал зависит от разности давлений.
В нашей линейке предствалены датчики
Преобразователи гидростатического давления (преобразователи уровня)
Предназначены для преобразования гидростатического давления контролируемой среды в сигнал постоянного тока. Измеряют давление столба жидкости, зависящее только от его высоты и от плотности самой жидкости. Изменение атмосферного давления компенсируется при помощи капиллярной (дыхательной трубки)
Преобразователи вакууметрического давления (разряжения)
Предназначены для измерения величины вакуумметрического давления жидких и газообразных сред. Опорное давление в этих датчиках также атмосферное. Однако, в отличие от датчиков избыточного давления, измеряемое давление меньше атмосферного, т.е. существует разрежение относительно атмосферы.
2. Среда использования датчика
Для надежной работы датчиков необходимо выбирать материалы элементов, контактирующих с измеряемой средой (мембран, фланцев, кабеля и уплотнительных колец) химически стойкими к этим средам. Например, для различных сред эксплуатации материалом мембран сенсоров может быть нержавеющая сталь, титан, титановый сплав, хастеллой, керамика, Kynar и др. Материал кабеля особенно актуален для погружных гидростатических датчиков давления. Для питьевой воды идеально подойдет полиэтиленовый PE кабель, для не агрессивных промышленных сред полиуретановый PUR. Если же Вы собираетесь использовать датчик в топливе или агрессивной жидкости, то оптимальным решением будет термопластичный эластомер (Hytrel) или тефлон (PTFE). Все эти материалы мы используем и предлагаем в своих модификациях датчиков Келлер.
3. Климатическое исполнение
4. Выходной сигнал
Рассмотрим основные типы:
Тип выходного сигнала прежде всего зависит от уже имеющегося оборудования и стоящей перед Вами задачи. Для этого необходимо изучить входы, которые имеют используемые контроллеры, приборы, машины или регуляторы. Все перечисленные сигналы мы используем в наших датчиках давления, а также и многие другие.
Для автономных приборов мы бы посоветовали использовать датчики с цифровым интерфейсом I2C с данными датчиками Вы можете ознакомиться здесь. Если же Вам не удобно работать с цифровым выходом, то лучше использовать датчики с минимальным напряжением питания например 3,5V — это датчики 33X или 5V — это датчики 21Y.
5. Точность измерений
Преобразователи давления имеют различные метрологические характеристики (классы точности) – обычно от 0,05% до 0,5%. Особо точные датчики используются на важных объектах в различных отраслях промышленности. Опционально датчики серии 33x могут иметь основную погрешность до 0,01% ВПИ (доступно только для диапазонов >10 бар).
На рисунке представлен датчик без температурной компенсации и с температурной компенсацией осуществляемой по специальным алгоритмам микропроцессором в преобразователях давления Келлер.
Особое внимание следует уделять стабильности датчиков давления. Ведь даже очень точный датчик спустя нескольких часов работы при температурных циклах в широком диапазоне начинает давать дополнительную погрешность более 0,5%ВПИ. Что говорить, если эти циклы будут продолжаться месяцами и даже годами!
Некоторые виды датчиков давления имеют взрывозащищенное исполнение. Эти модели могут успешно использоваться для определения давления на взрывоопасных объектах с присутствием взрывчатых и легко воспламеняющихся газов и жидкостей. В линейке Келлер представлены как преобразователи с искробезопасной цепью, так и преобразователи со взрывонепроницаемой оболочкой.
Преобразователи давления относятся к измерительной технике и должны проходить обязательные сертификационные испытания. После этого они утверждаются и вносятся в Госреестр средств измерений.
Надеемся, что данный материал поможет Вам лучше ориентироваться при выборе преобразователей давления.
Все о датчиках давления
Точные измерительные приборы – важная составляющая деятельности всех современных отраслей хозяйства. Они служат для своевременного учета расхода разных жидкостей, нужны в работе с газовыми смесями и паром.
Кроме классических расходомеров, обладающих различными принципами действия, часто применяются еще и электронные приборы, измеряющие давление. Подобные устройства – обязательный элемент большей части измерительных комплексов и теплосчетчиков. Они часто входят в состав систем, служащих для осуществления автоматического контроля.
Так называемые датчики давления востребованы на предприятиях энергетического комплекса, в производстве продуктов питания, нефтеперерабатывающей сфере и других отраслях, где требуется знать цифровое значение давления для обеспечения бесперебойной и безопасной работы оборудования.
Что такое датчик давления
Датчик давления – это прибор, предназначенный для мониторинга давления в жидкостной либо газообразной среде с передачей сигнала о полученных измерениях на соответствующее оборудование. Это необходимо для своевременной корректировки параметров различных технологических процессов.
Датчик для измерения давления является компактным устройством, представляющим собой жидкокристаллический дисплей в алюминиевом корпусе. В него входят специальные трубки, которые оценивают давление конкретной среды – жидкости, газа или пара, а затем преобразовывают его либо выводят на экран его числовое значение при помощи аналогового или цифрового сигнала.
Принцип осуществления деятельности данного прибора напрямую зависит от типа измеряемого давления:
Типы датчиков
Датчики давления используются преимущественно в пищевом или же химическом производстве. Особенно интересным вариантом можно назвать практичный и современный интеллектуальный датчик, служащий для измерения абсолютного давления, а также реализующий измерение относительно величины абсолютного вакуума. Данное измерение наиболее часто применяется там, где необходимо произвести быстрый учет давления газа, пара или же тепловой энергии.
По конструкции элементов чувствительности датчики делятся на волоконно-оптические и оптоэлектронные. Первые включают оптический волновод и определяют давление в результате поляризации света. Вторые проводят свет через многослойную конструкцию, каждый слой которой меняет его свойства в зависимости от давления среды.
По виду измерений для датчиков давления принята следующая классификация:
1. Датчик дифференциального давления помогает удачно решать задачи по учету расходования замеряемой среды. Принцип его действия заключается в замере разностей давления между двумя находящимися рядом полостями – плюсовой и минусовой. Он применяется для успешного учета расходов. Узкое устройство в коммуникациях является местным сопротивлением. В процессе прохождения через него происходит изменение характера скорости потока. Перед данным сужающим устройством давление в атмосферах значительно возрастет, а после него – снижается. Чем более высокого коэффициента достигает разница, имеющаяся на входе, а далее и на выходе сужающего устройства, тем выше будет расход той среды, которая протекает по данной трубе. Подобный датчик без особых проблем позволит произвести учет объема данной жидкости не только в самой трубе, но и в данной емкости. Это можно осуществить при помощи измерения давления в столбе жидкости, которая воздействует на плюсовую мембрану. Кроме того, в некоторых случаях производится измерение результатов в минусовой полости давления, которая находится непосредственно под куполом данной емкости. Это необходимо для того, чтобы надежно произвести исключение чрезмерного влияния большинства насыщенных паров. Этот способ называется гидростатическим.
2. Датчик избыточного давления нужен для успешной регулировки и дальнейшего управления всеми техническими процессами. Он может применяться в составе большинства водяных систем, используемых для дальнейшего теплоснабжения; входит в необходимую комплектацию узлов, служащих для коммерческого и полноценного технологического учета всех требуемых жидкостей, газов и пара.
Комплексное исполнение датчика давления позволяет использовать его по назначению. Такое устройство применяется в условиях низких и высоких температур, а также в наиболее агрессивных средах.
В каждой из отраслей хозяйства необходимость того или иного датчика определяется сугубо индивидуальным способом, а также реальной надобностью. Выбор прибора зависит от того, какие перед ним поставлены задачи, а также от текущих условий эксплуатации. Заказчик самостоятельно выбирает материал, требующийся для изготовления мембраны разделения, а также корпуса электронного блока.
Технические характеристики и преимущества
К ключевым техническим опциям интеллектуальных датчиков давления можно отнести следующие:
Датчик давления имеет высокую точность измерений. Если осуществляется специальный заказ, погрешность не превышает 0,04%. Датчики хорошо показывают себя в широком диапазоне измерений, в процессе самодиагностики и перегрузки.
Устройство датчика давления
Датчик давления состоит из преобразующего элемента; элемента, воспринимающего давление; приемника давления; системы вторичной обработки цифрового сигнала и устройства вывода информации. Все это скрывается в общем корпусе, оснащенном цифровым дисплеем.
Методы измерения давления при помощи датчика:
Области применения
Датчики можно использовать в следующих областях:
Счетчики давления позволяют держать под контролем большинство производственных процессов, успешно применяются в важных социальных сферах. Без них невозможно представить нормальную жизнедеятельность.
Как выбрать
Для того чтобы избежать серьезных финансовых расходов и правильно подойти к выбору датчика давления, необходимо учесть несколько важных качественных характеристик:
Учитывая соответствующие факторы, можно найти подходящий датчик давления, который прослужит максимально долгое время без поломок и прочих проблем. Важно лишь подобрать достойного производителя, имеющего нужную документацию и положительные отзывы, а также правильно произвести установку и начальную настройку.
Преобразователь (датчик) избыточного давления
Преобразователи или датчики избыточного давления необходимы во многих отраслях промышленности. Они позволяют контролировать большинства технологических процессов. Сложно представить современную теплоэнергетику и водоснабжение без таких измерительных приборов.
Физическая сущность давления
Распределенная сила, с которой одно тело воздействует на другое, находящееся с ним в контакте. Для жидкости или газа оно является одним из основных параметров состояния. Единицами измерения давления являются:
• килограмм∙сил/см2 или килограмм сил/м2;
• pound-force per square inch (фунт-сила на квадратный дюйм).
Для лабораторных расчетов чаще всего используются Па, КПа или МПа, тогда как килограмм∙сил/см2 или атмосферы (технические) можно увидеть в производстве. Дюймы-силы на квадратный дюйм используются странами с английской метрической системой, поэтому цифровые приборы, произведенные ими часто имеют шкалу измерения в psi.
Виды преобразователей
Устройство преобразователей давления разнообразно, выделяют пять основных видов приборов:
2. с преобразователем дифференциально-трансформаторного типа;
3. с компенсацией магнитными потоками;
4. с силовой компенсацией;
Механические
Когда говорят о механических измерителях давления, чаще всего подразумевают деформационные манометры. Рабочая среда или среды, в случае измерения разности давлений, воздействуют непосредственно на чувствительный элемент, по изменению характеристик которого и определяется измеряемая величина.
По элементу, который подвергается воздействию среды с избыточным давлением, различают следующие виды манометров:
Благодаря простоте устройства и дешевизне они получили широкое распространения, особенно как манометры прямого действия, независящие от подачи электроэнергии.
Устанавливаемые на трубопроводы и сосуды высокого давления, пружинные манометры основаны на изменении размера трубчатой пружины. Стрелка на дисковой шкале показывает значение давления рабочей среды. Существуют модификации данной конструкции. Дополнительные стрелки с электрическими контактами позволяют устройству сигнализировать о выходе измеряемой величины из рабочего диапазона.
В сильфонных преобразователях чувствительным элементом является кремнеорганическая жидкость в специальном закрытом чувствительном элементе. К нему подводятся две трубки, связанные уравнительный линией, это позволяет измерять не только избыточное давление, но и разницу. Перемещение штока под действием гидравлической жидкости и используется для передачи информации о величине измеряемого параметра. При этом сильфонный манометр может комплектоваться различными передающими и отображающими устройствами, как прямыми шкалами, так и цифровыми.
Преобразователь давления с мембранным чувствительным элементом используется для измерения напора. Чаще всего в теплоэнергетике применяются устройства с мембранными коробками. Ими измеряют, например, избыточное давление воздуха, подающегося дутьевыми вентиляторами в топки котлов. Для отображения значение измеряемой величины может быть использовано как механическое, так и цифровое устройство.
Электрические преобразователи
Дифференциально-трансформаторные преобразователи используются для передачи сигнала от чувствительного элемента к регистрирующему прибору. Они давно известны и зарекомендовали себя как простые и надежные устройства. По этой причине они повсеместно распространены.
Чувствительный элемент передает изменения давления ферромагнитному сердечнику, который создает электрическое напряжение в двух вторичных обмотках. Его можно передать на достаточно большое расстояние к вторичному прибору. В нем расположен подобный преобразователь, который позволяет отслеживать давление.
В пьезоэлектрических приборах, а также в тензопреобразователях используется принцип зависимости электрических свойств чувствительного элемента от давления рабочей среды. Особым образом изготовленные пластинки из кристаллов кремния при действии на него давления вырабатывает электрическое напряжение. При этом, при действии статического давления, это напряжение рассеивается, поэтому пьезоэлектрические преобразователи используются только для измерения на двигателях и насосах.
В тензопреобразователях чувствительным элементом является мембрана с размещенными на ней резисторами, сопротивления которых меняется при приложении к мембране избыточного давления. Цифровой блок интерпретирует изменения электрических параметров чувствительного элемента и определяет значение избыточного давления с высокой точностью. Недостатком этого вида устройств является наличие значительного температурного коэффициента. Электрическая схема прибора включает специальный терморезистор, сопротивление которого зависит от температуры и не зависит от давления.
Для работы в интеллектуальных системах управления производственными процессами электрические преобразователи комплектуются микропроцессорными преобразователями аналогового сигнала. Цифровой сигнал такого преобразователя позволяет построить схему дистанционного управления, например, на электростанции.
Точное измерения избыточного давления обеспечивает емкостной преобразователь. Рабочая среда воздействует на разделительные мембраны, между которыми находится заполненная нейтральной жидкостью полость с чувствительной мембраной. Она является подвижной обкладкой дифференциального конденсатора, изменение размеров которого позволяет измерить изменение давления рабочей среды.
Подобный механизм преобразования демонстрируют также манометры, построенные на базе кристаллического резонатора или манганиновой проволочной катушки, чьи электрические характеристики изменяются под действием приложенной к ней силе.
Промышленное применение датчиков давления
Для измерения избыточного давления рабочей среды в трубопроводах используются механические приборы, которые надежны и не зависят от наличия электрического тока. По ним определяют характеристики рабочей среды «по месту». Более совершенные электрические приборы используются для построения мнемосхем и дистанционного управления трубопроводной арматурой или агрегатами. Обычно они работают в паре с механическими.
Без надежных преобразователей давления эксплуатация сетей тепло и водоснабжения невозможна.
Преобразователь давления. Общая информация
Преобразователь давления — измерительный прибор, предназначенный для непрерывного измерения давления различных сред и последующего преобразования измеренного значения в унифицированный выходной сигнал по току или напряжению. Преобразователи давления часто называют датчиками давления. Давление определяется как единица силы создаваемая на единицу площади поверхности. В системе СИ единицей измерения давления является Паскаль (Па). Один Паскаль равен силе в один Ньютон, приложенной на площадь в один квадратный метр (Па = Н / м²).
В зависимости от вида измеряемого давления, преобразователи давления делятся на несколько видов.
Преобразователи избыточного давления
Данные преобразователи измеряют давление, создаваемое какой-либо средой относительно атмосферного давления. Этот тип преобразователей давления является самым распространенным и применяется практически во всех отраслях промышленности: ЖКХ, энергетика, водоподготовка, водоочистка, системы отопления, кондиционирования и вентиляции, пищевая промышленность, химия и др.
Для измерения избыточного давления воды, пара, нейтральных жидкостей и газов ООО «КИП-Сервис» предлагает датчик давления общепромышленного назначения PTE5000. Данные датчики широко применяются российскими предприятиями для измерения давления воды в системах котельной автоматики, системах водоснабжения и водоотведения, ЖКХ и других системах, где на первом плане стоит невысокая стоимость оборудования.
Преобразователи абсолютного давления
Данные преобразователи измеряют давление, создаваемое какой—либо средой относительно абсолютного разряжения (вакуума). Эти датчики давления не так широко распространены, и используются в основном в химической промышленности. В ассортименте датчиков ООО «КИП-Сервис» преобразователи абсолютного давления представлены серией преобразователей давления CER-8000 и CER-2000 голландской фирмы KLAY-INSTRUMENTS BV, выполненные в корпусе из нержавеющей стали, что актуально именно для химической промышленности. Следует отметить, что данные серии датчиков давления, в зависимости от модификации, могут применяться для измерения и других видов давления.
Преобразователи вакууметрического давления (разряжения)
Эти датчики измеряют уровень разряжения (вакуума) относительно атмосферного давления. На сегодняшний день вакуумные процессы находят широкое применение в таких отраслях, как пищевая промышленность (вакуумная упаковка, вакуумный транспорт), металлургическая промышленность и производство РТИ (литье под вакуумом), автомобилестроение и др.
Преобразователи гидростатического давления (гидростатические уровнемеры)
Данные преобразователи представляют собой разновидность датчиков избыточного давления, в том случае, когда последние применяются для измерения гидростатического уровня жидкостей. Преобразователь фактически измеряет давление столба жидкости над ним. Для применения в водоканалах и системах водоочистки в номенклатуре ООО «КИП-Сервис» представлены погружные гидростатические датчики уровня Hydrobar производства фирмы KLAY-INSTRUMENTS BV.
Как было сказано выше, единицей измерения давления в системе СИ является «Паскаль» (Па). На практике в промышленности широко применяются и другие единицы измерения, кроме «Па» наиболее распространенными являются «bar» (бар), «м.в.с.» (метр водяного столба) и «кгс/см²» (килограмм-сила на сантиметр квадратный), а также производные этих единиц: «мбар» (миллибар), «кПа» (килопаскаль), «МПа» (мегапаскаль).
| Единицы | Па | кПа | МПа | кгс/см² | мм рт.ст. | мм вод.ст. | бар |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 Па | 1 | 10 –3 | 10 –6 | 10,197 16 х 10 –6 | 0,007 500 62 | 0,101 971 6 | 0,000 01 |
| 1 кПа | 1 000 | 1 | 10 –3 | 0,010 197 16 | 7,500 62 | 101,971 6 | 0,01 |
| 1 МПа | 1 000 000 | 1 000 | 1 | 10,197 16 | 7 500,62 | 101 971,6 | 10 |
| 1 кгс/м 2 | 9,806 65 | 9,806 65 х 10 –3 | 9,806 65 х 10 –6 | 0,000 1 | 0,073 555 9 | 1 | 98,066 5 х 10 –6 |
| 1 кгс/см 2 | 98 066,5 | 98,066 5 | 0,098 066 5 | 1 | 735,559 | 10 000 | 0,980 665 |
| 1 мм рт.ст. (при 0 °C) | 133,322 4 | 0,133 322 4 | 0,000 133 322 4 | 0,001 359 51 | 1 | 13,595 1 | 0,001 332 24 |
| 1 мм вод.ст. (при 0 °C) | 9,806 65 | 9,807 750 х 10 –3 | 9,806 65 х 10 –6 | 0,000 1 | 0,073 555 9 | 1 | 98,066 5 х 10 –6 |
| 1 бар | 100 000 | 100 | 0,1 | 1,019 716 | 750,062 | 10 197,16 | 1 |
Конструкция преобразователей давления
На рисунке снизу приведена общая схема конструкции преобразователей давления. В зависимости от типа датчика, производителя прибора и особенностей применения, конструкция может меняться. Данная схема предназначена для ознакомления с основными элементами типового измерительного преобразователя давления.
На рынке существует 4 основных типа сенсоров, основанных на тензорезистивном методе преобразования, которые используют все существующие производители преобразователей давления. Рассмотрим каждый тип отдельно.
Типы сенсоров
1. Толстопленочные сенсоры на металлической/керамической мембране
Данный тип тензорезистивных сенсоров является самых дешевым, и, как следствие, широко используется для производства недорогих преобразователей давления неагрессивных сред (вода, воздух, пар).
Толстопленочные сенсоры обладают следующими особенностями:
2. Тонкопленочные сенсоры на стальной мембране
Тонкопленочные сенсоры на стальной мембране были разработаны специально для применения в составе преобразователей высокого (более 100 бар) давления. Они обеспечивают хорошую линейность и повторяемость при работе с высокими значениями давления.
Особенности тонкопленочных сенсоров:
3. Керамические тензорезистивные сенсоры
Данный вид сенсоров используется для высокоточного измерения давления сред, не агрессивных к материалу керамики (как правило Al2O3), кроме пищевых продуктов (т. к. необходимо использование уплотнителя сенсора) и вязких сред. Данный тип сенсоров используют практически все ведущие производители преобразователей давления.
4. Кремниевые тензорезистивные сенсоры
Кремниевые тензорезистивные сенсоры широко применяются всеми ведущими производителями преобразователей давления в сочетании с защитной разделительной мембраной из нержавеющей стали (или других химически стойких сплавов) для высокоточного измерения давления различных сред. Использование сварной разделительной мембраны из нерж. стали позволяет применять данный тип сенсоров в пищевой промышленности и для вязких сред.
Руководитель отдела маркетинга ООО «КИП-Сервис»
Стариков И.И.