Датчик избыточного давления

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

К датчикам давления с механическими воспринимающими органами относятся:

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

2) поршневые системы,

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

Разглядим устройство неких более нередко встречающихся датчиков давления.

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

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

На рис. 1 показаны виды пружинных датчиков давления.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Российская индустрия выпускает датчики уровня раз­личных типов.

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

 

Класифікація

Ці прилади класифікуються за видом тиску, що вимірюється і типом вихідного сигналу. Вимірювальні перетворювачі тиску розрізняються також, по одиницях вимірювання та за низкою основних технічних характеристик (ГОСТ 22520-85).

За принципом роботи чи способом перетворення вимірюваного тиску у вихідний сигнал датчики тиску поділяються на:

• деформаційні (деформаційні переміщення пружного чутливого елемента (мембрани, сильфони, трубка Бурдона) трансформуються за посередництвом проміжних механізмів і перетворювачів в електричний чи електромагнітний сигнал);
• електричні (вимірюваний тиск, впливаючи на чутливий елемент, змінює його власні електричні параметри: електричний опір, електричну ємність або електричний заряд, котрі стають мірою цього тиску).

В останні роки набули поширення і інші принципи створення вимірювальних перетворювачів тиску: волоконно-оптичні, гальваномагнітні, об’ємного стиску, акустичні, дифузійні та ін.

За видом вимірюваного тиску датчики тиску поділяються на:

• перетворювачі абсолютного тиску;
• перетворювачі надлишкового тиску;
• перетворювачі вакуумметричного тиску;
• перетворювачі надлишкового/вакуумметричного тисків;
• перетворювачі різниці тисків;
• перетворювачі гідростатичного тиску.

За видом вихідного сигналу датчики тиску поділяються на:

• аналогові (вимірюваний тиск перетворюється в аналоговий уніфікований пневматичний чи електричний сигнал);
• цифрові.

Основні діючі давачі тиску належать до аналогових з уніфікованим струмовим сигналом 0…5, 0…20 або 4…20 мА. Останніми роками спостерігається перехід до цифрових датчиків тиску (у тому числі поширення набуває цифровий протокол HART). Бурхливо розвивається системна інтеграція перетворювачів тиску з використанням окремих різновидностей промислових мереж (Modbus, Profibus та ін.). При цьому використовується цифровий протокол обміну інформацією між давачем тиску та системою керування, що суттєво спрощує взаємозамінність приладів різних виробників.

Методы измерения давления

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

Высота жидкости в колонне

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

Упругая деформация

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

Электрические методы

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

Типы датчиков

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

Упругие датчики

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

Трубки Бурдона

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

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

Сильфоны

Сильфоны имеют цилиндрическую форму и содержат много складок. Они могут деформироваться в осевом направлении при изменении давления (сжатие или расширение). Давление, которое должно быть измерено прикладывается к одной стороне сильфона (внутри или снаружи), тогда как на противоположную сторону действует атмосферное давление. Абсолютное давление может быть измерено путем откачки воздуха из внешнего или внутреннего пространства сильфона, а затем измерением давления на противоположной стороне. Сильфон может быть подключен только к включающим / выключающим переключателям или к потенциометру и используется при низких давлениях, <200 Па с чувствительностью 1,2 Па.

Мембраны (Диафрагмы)

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).

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

Примеры упругих элементов датчиков давления показаны ниже:

Электрические датчики

Сегодня датчики не только обязательно подключаются к стрелочным указателям, для отображения давления, но также могут служить для преобразования давления в электрический или пневматический сигнал, который может быть передан в диспетчерскую в которой производится считывание и определение давления. 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. Существуют такие типы датчиков давления: емкостной, индуктивный, датчик магнетосопротивления (датчик Холла), пьезоэлектрический, тензодатчик, виброэлемент, и потенциометрический тип датчика.

Емкостные датчики

Емкостной датчик 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.

Пример емкостного датчика давления:

Индуктивный датчик давления

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 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.

Ниже показан пример индуктивного датчика давления с использованием диафрагмы. Для этого вида датчика давления, принимая камеру 1 в качестве эталонной камеры с опорным давлением Р 1 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.

Датчики давления, основанные на принципе магнетосопротивления

Датчики давления, основанные на принципе магнетосопротивления, также имеют ферромагнитный сердечник. 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.

Пример датчика давления на основе измерения магнетосопротивления можно увидеть ниже:

Пьезоэлектрические датчики

Пьезоэлектрические датчики используют датчик — кристалл. Когда давление прикладывается к кристаллу, он деформируется и создается небольшой электрический заряд. 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.

Ниже показан пример пьезоэлектрического датчика давления:

Потенциометрические датчики

Потенциометрические датчики имеют рычаг, механически прикрепленный к упругому датчику давления. 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.

Пример потенциометрического датчика давления показан ниже:

Тензометрический датчик

Тензометрический датчик обнаруживает изменения давления путем измерения изменения сопротивления мостовой схемы Уитстона. 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. Схема моста Уитстона показана ниже:

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 A = 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 ниже. 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.

Виброэлемент

Вибрационные датчики давления функционируют посредством измерения изменения резонансной частоты вибрирующих элементов. 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 с чувствительностью 1E-5 МПа.

Ниже показан вибрационный датчик давления:

Вибрационный датчик давления в цилиндре (для абсолютного давления), показан ниже:

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.

Вакуумные датчики

Такие датчики могут измерять чрезвычайно низкие давления или вакуум, ссылаясь на давления ниже атмосферного. Кроме диафрагмы и электрических датчиков, предназначенных для измерения низких давлений, есть также тепловые датчики проводимости и датчики ионизации.

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. Это чрезвычайно чувствительные элементы. Они могут обнаруживать изменения давления в 6E-13 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 Уитстона.

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. Их диапазон чувствительности колеблется от 1E-16 до 1E-13 МПа

Выводы:

Тип элемента	Диапазон давления	Чувствительность	Преимущество	Недостатки
Трубка Бурдона	0,1…700 МПа	0,03 МПа	Портативность; Низкие эксплуатационные расходы.	Статические измерения; Низкая точность.
Сильфоны	<0,2 МПа	0,0012 МПа	Может быть использован на низких давлениях.	Может быть подсоединен только к двухпозиционному переключателю или к потенциометру.
Диафрагмы	0,1…2,2 МПа	0,01 МПа	Быстрое время отклика; Высокая точность; Хорошая линейность; Может быть использован в коррозионных средах.	Очень дорогой.
Емкостные	2,5 Па – 70 МПа	0,07 МПа	Используются для измерения низких давлений и вакуума; Прочная конструкция.	Полностью электронный; Емкостные пластины могут слипаться в процессе эксплуатации.
Индуктивные	250 Па – 70 МПа	0,35 МПа	Высокая чувствительность.	Ограничены упругими элементами; Более грубые по сравнению с датчиками магнетосопротивления.
Магнетосопротивления	250 Па – 70 МПа	0,35 МПа	Высокая чувствительность.	Требуют наличия внешнего источника переменного тока.
Пьезоэлектрические	0,021…100 МПа	0,1 МПа	Очень быстрое время отклика.	Подвергается влиянию высоких температур и статических сил.
Потенцоиметрические	0,03…70 МПа	0,07 – 0,35 МПа	Могут иметь очень маленькие размеры.	Маленькая чувствительность и рабочий диапазон.
Измерения натяжения	0…14000 МПа	1,4 – 3,5 МПа	Очень высокая чувствительность; Могут быть использованы на мобильных частях.	Чрезвычайно медленное время отклика; Слабый выходной сигнал.
Дифференциальные	Зависит от других элементов устройства	Зависит от других элементов устройства	Используются для измерения перепада давления.	Измеряются только для измерения перепада давления.
Теплопроводности	0,4Е-3…1,3Е-3 МПа	6Е-13 МПа	Способны измерять вакуум.	Измерения линейны только на низких давлениях.
Ионизации	1,3Е-13…1,3Е-8 МПа	1Е-13…1Е-16 МПа	Высокая чувствительность; Могут измерять глубокий и сверхглубокий вакуум.	Ограничены фотоэлектрическим эффектом.
Вибрации	0,0035…0,3 МПа	1Е-5 МПа	Очень точные; Не подвержены изменениям температуры.	Не могут быть использованы на больших давлениях.

Задачи и примеры на подбор датчика определенного типа

Проблема полупериодического реактора

Предположим, что имеется полунепрерывный реактор емкостью 1000 л с 50 кг цинка внутри под давлением 1 атм. и температурой равной 25°С. 6М хлористоводородной кислоты течет в реактор со скоростью 1 л / мин и вступая в реакцию с цинком производит хлорид цинка для использования в другом процессе.

А) Какие факторы следует учитывать?

Б) Скажите, если клапан выйдет из строя при рабочем давлении 4 атм. (т.е. он не закроется и реактор будет залит HCl) На какое давление вы можете безопасно установить точку останова?

С) Какой тип датчика должен быть использован?

Решение:

Факторы, которые следует учитывать:

1. Процесс
   1. Соляная кислота очень и очень едкая (особенно с такой высокой молярностью), и, таким образом любой датчик, который бы вы ни выбрали, должен быть в состоянии выдержать коррозионную природу процесса.
2. Диапазон давления
   1. Изначально реактор находится под давлением в 1 атм. Учитывая реакцию 2 HCl (жидк.) + Zn (металл.) -> H 2 (газ) + ZnCl 2 (жидк), вы производите один моль газообразного водорода в дополнение к существующему давлению воздуха в емкости. По мере протекания реакции, давление внутри сосуда будет существенно увеличиваться. Моделирование давления H 2 (газ) в идеальных условиях равно, Р = НЗТ / V
   2. 
   3. Примерно через 1 час, давление H 2 (газ) увеличится до 4,38 атм, создав общее давление в сосуде на 5,38 атм.
3. Окружающая среда
   1. Здесь нет опасности от высоких температур и сильной вибрации из-за высокого расхода и скорости реакции.
4. Чувствительность
   1. Так как это умеренно опасный процесс, мы должны иметь выход датчика подключаемый к компьютеру. Так, инженер может безопасно наблюдать за процессом. Мы предполагаем, что датчик будет сигнализировать клапан HCl, чтобы закрыть его после того, как рабочее давление станет равным 3 атм., однако устройства иногда дают ошибку. Мы также должны иметь высокую чувствительность, поэтому предпочтительными будут электрические компоненты (т.е. мы не хотим, чтобы процесс отклонялся от нормального режима, хотя это потенциально возможно, если бы датчик был не очень чувствителен к постепенным изменениям).

Точка отключения

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

Тип датчика:

1. Учитывая типы датчиков, которые мы обсуждали, мы можем сразу отбросить вакуумные датчики, так как они работают при очень низких давлениях (почти вакууме, отсюда и название). Мы можем также отбросить дифференциальные датчики давления, поскольку мы не ищем перепада давления на резервуаре.
2. Поскольку мы хотим добиться высокой чувствительности, мы должны использовать электрические компоненты. Учитывая диапазон давлений (3 атм.; макс ~ 0,3 МПа) оптимальным будет емкостной элемент, потому что он прочный и хорошо работает в системе низкого давления.
3. Принимая во внимание коррозионную активность в системе с содержанием HCl , в качестве упругого элемента может быть использована мембрана. Мембраны также довольно прочны и обеспечивают быстрое время отклика.
4. Эта комбинация, вероятно, будет заключена в прочном, заполненном, глицерином / силиконом корпусе, чтобы защитить датчик от деградации.

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

Пример 2

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

Решение

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

Для чего нужен датчик абсолютного давления

У этого прибора два названия, первое вы уже знаете, а второе – MAP-сенсор. Но теперь — о том, для чего же нужны все те измерения, которые были описаны в предыдущем разделе. Стоит оговориться, что в инжекторных системах впрыска измерение количества воздуха проводится слишком сложными способами. Потому что простых вариантов нет для проведения таких измерений.

Стоит отметить, что используется всего две конструкции устройств. Существует датчик абсолютного давления («Ланос» и отечественные «Приоры» работают на них), имеются также дифференциальные (на японских и американских автомобилях).

Для чего же необходимо знать блоку управления, сколько воздуха потребляет мотор? Все очень просто – в камеры сгорания подается не чистый бензин, а в смеси с воздухом (пропорция 14 к 1). Следовательно, необходимо не только приготовить такую смесь, но и заставить мотор работать идеально на ней. MAP-сенсор позволяет высчитать количество потребляемого воздуха и четко сформулировать импульсы для управления форсунками впрыска.

Поломки датчиков

Многое зависит от того, какое программное обеспечение (прошивка) используется электронным блоком управления. Если датчик абсолютного давления коллектора вышел из строя, то самый благоприятный исход – это переключение ЭБУ в экстренный режим. Двигатель начинает работать на усредненных параметрах, которые, конечно же, нельзя назвать идеальными. Расход бензина станет выше, даже может наблюдаться небольшая детонация.

Но самый печальный исход – это полное нарушение работы, невозможность запуска мотора. Стоит отметить, что датчик абсолютного давления во впускном коллекторе – это очень надежное устройство, которое довольно редко ломается. Чаще всего разрушается гибкий шланг, который соединяет штуцер и впускной коллектор. Вариантов два: трубка либо рвется, либо же забивается. В первом случае поможет замена, а во втором можно просто очистить ее.

Но вот если что-то произошло с начинкой датчика, не стоит даже пытаться произвести его ремонт. Дело в том, что это устройство очень сложное по своей конструкции, и вмешательство приведет к разрушению. Намного проще приобрести новый элемент и установить его. Впрочем, в современных автомобилях большая часть устройств – неразборного типа, поэтому при выходе из строя остается только заменять их полностью.