Датчики тиску. Типи, характеристики, особливості, підбір.

20.09.2015

Датчики тиску. Типи, характеристики, особливості, підбір.
Введення

Тиск необхідно враховувати при проектуванні багатьох хімічних процесів. Тиск визначається як сила діє на одиницю площі і вимірюється в англійських одиницях — псі або в одиницях СІ — Па.

Існують три типу вимірюваного тиску:

  1. Абсолютне тиск — атмосферний тиск плюс надлишковий тиск;
  2. Надлишковий тиск — абсолютне тиск мінус атмосферний тиск;
  3. Диференціальний тиск — різниця тисків між двома точками.

Існують різні типи датчиків тиску. які сьогодні доступні на ринку для використання в промисловості. Кожен з них має переваги у певних ситуаціях.

Критерії відбору датчика

Для того щоб контрольована тиском система працювала правильно і ефективно, важливо, щоб використовується датчик тиску міг давати точні показання по мірі необхідності і протягом тривалого періоду часу без необхідності ремонту або заміни в умовах роботи системи. Існує кілька факторів, що впливають на придатність конкретного датчика тиску для конкретного процесу. Основні це:

  • характеристики використовуваних речовин у середовищі яких буде використовуватися пристрій;
  • умови навколишнього середовища;
  • діапазон тисків;
  • рівень точності і чутливості, необхідні в процесі вимірювання.

Процес

Чутливий елемент (пружний елемент) буде піддаватися впливу речовин, використовуваних у процесі, тому матеріали датчика, які можуть реагувати з даними речовинами або піддаватися впливу агресивних середовищ — непридатні для використання. Мембрани (діафрагми) є оптимальними навіть для дуже суворих умов використання.

Навколишнє середовище

Навколишнє середовище (в технологічному процесі — це середовище створюване речовиною, вібрація, температура тощо), в якій проводиться технологічний процес, також повинна бути врахована при виборі датчика тиску. В агресивних середовищах, при сильних вібраціях в трубопроводі, або при екстремальних температурах, датчики повинні мати додатковий рівень захисту. Герметичні, міцні корпусу з заповненням матеріалом, що містить гліцерин або силікон — часто використовуються, для того, щоб захистити внутрішні компоненти датчика (крім чутливого елемента) від дуже жорстких, агресивних середовищ і коливань.

Діапазон тисків

Більшість процесів працюють у певному діапазоні тисків. Оскільки певні датчики тиску працюють оптимально в певних діапазонах тиску, існує необхідність вибрати пристрої, здатні функціонувати в діапазоні, встановленому процесом.

Чутливість

Різні процеси вимагають різних рівнів точності. Загалом, чим точніше датчик, тим він дорожче, таким чином, буде економічно вигідно вибрати датчики, які здатні максимально задовольнити необхідну точність. Існує також компроміс між точністю і здатністю швидко виявляти зміни тиску. Отже, в процесах, у яких тиск сильно варіюється протягом коротких періодів часу — недоцільно використовувати датчики, яким потрібно більше часу, щоб дати точні свідчення тиску, хоча вони й могли б дати більш точні значення.

Методи вимірювання тиску

Існує декілька найбільш часто використовуваних методів вимірювання тиску. Ці методи включають в себе візуальний вимір висоти рідини в колоні, метод пружної деформації та електричні методи.

Висота рідини в колоні

Тиск можна виразити як висоту рідини з відомою густиною в трубці. Використовуючи рівняння P = ? GH, можна легко обчислити значення тиску. Дані типи вимірювальних приладів зазвичай називають манометрами. Для вимірювання висоти рідини в колоні, може бути використана шкала з одиницями вимірювання відстані, також як і откалиброванная шкала тиску. Зазвичай в якості рідини в цих колонах використовується вода або ртуть. Вода використовується, коли ви хочете досягти більш високої чутливості (щільність води значно менше, ніж щільність рідкої ртуті, так що висота стовпа води буде більш сильно змінюватися при зміні тиску). Ртуть використовується, коли ви хочете вимірювати більш високі значення тиску, але з меншою чутливістю.

Пружна деформація

Цей метод вимірювання тиску заснований на принципі, який говорить, що ступінь деформації пружного матеріалу прямо пропорційна прикладываемому тиску. Для даного методу, в основному, використовуються три типи датчиків: трубки Бурдона, діафрагми і сильфони. (Див. розділ «Типи датчиків»)

Електричні методи

Електричні методи, використовувані для вимірювання тиску засновані на принципі, що засновується на тому, що зміна розміру впливає на електричний опір провідника. Пристрої, що використовують для вимірювання тиску зміна опору називають тензодатчиками. Також існують і інші електричні датчики, наприклад ємнісні, індуктивні, магнітоопору (Холу), потенціометричні, п’єзометричні і пьезорезистивные перетворювачі. (Див. розділ «Типи датчиків»)

Типи датчиків

Існує безліч різних датчиків тиску є найбільш придатними для конкретного процесу, але їх зазвичай можна розділити на кілька категорій, а саме: пружні датчики, електричні перетворювачі, датчики диференціального тиску і датчики тиску вакууму. Нижче представлені категорії, кожна з яких містить унікальні внутрішні компоненти більш підходящі під використання в конкретній ситуації.

Пружні датчики

Більшість датчиків тиску рідини мають пружну структуру, де рідина укладена в невеликий відсік щонайменше з одного пружною стінкою. При використанні даного методу, показання тиску визначаються шляхом вимірювання відхилення цієї еластичної стінки, представляючи результат безпосереднім відліком через відповідні зв’язки, або через трансдуцированные електричні сигнали. Пружні датчики тиску дуже чутливі, вони досить крихкі і піддаються вібрації. Крім того, вони, як правило, значно дорожче, ніж манометри, і тому в основному використовуються для передачі виміряних даних і вимірювання різниці тисків. Теоретично можна використовувати досить широкий спектр пружних елементів для пружних датчиків тиску. Однак більшість пристроїв використовують ту чи іншу форму трубки Бурдона або діафрагми.

Трубки Бурдона

Принцип, на якому засновані різного виду трубки Бурдона: Тиск, що подається всередину трубки, викликає пружну деформацію еліптичного або овального перерізу трубки в бік кола, яка викликає появу напруг в поздовжньому напрямку, змушують трубку розгинатися, а вільний кінець трубки переміщатися. Система важелів і передач перетворює це рух і повертає стрілку, що показує тиск щодо круглої шкали. Діапазон вимірювання такого манометра становить — від 10 Па до 1000 МПа. Трубні матеріали можуть бути змінені відповідним чином у відповідності з необхідним умовою процесу. Також, трубки Бурдона — портативні і вимагають мінімального технічного обслуговування, однак, вони можуть бути використані тільки для статичних вимірювань і мають низьку точність.

Матеріалом для трубчастих пружин може служити сталь, бронза, латунь. В залежності від конструктивного виконання трубчасті пружини можуть бути одно — і багато виткові (гвинтові і спіральні), S-образні і т. п. Поширені одновіткові трубчасті пружини, використовувані в манометрах, які призначені для вимірювання тиску рідин і газів, а також у таких типах манометрів як глибиномір. Датчики З-типу можуть бути використані в діапазонах тисків наближаються до 700 МПа; вони мають мінімальний рекомендований діапазон тиску — 30 кПа (т.тобто вони не достатньо чутливі для вимірювання різниці тисків менше ніж 30 кПа).

Сильфони

Сильфони мають циліндричну форму і містять багато складок. Вони можуть деформуватися в осьовому напрямку при зміні тиску (стискання або розширення). Тиск, який має бути виміряно прикладається до однієї сторони сильфона (всередині або зовні), тоді як на протилежну сторону діє атмосферний тиск. Абсолютна тиск може бути виміряна шляхом відкачування повітря з зовнішнього або внутрішнього простору сильфона, а потім вимірюванням тиску на протилежній стороні. Сільфон може бути підключений тільки до включає / вимикає перемикачів або до потенциометру і використовується при низьких тисках, <200 Па з чутливістю 1,2 Па.

Мембрани (Діафрагми)

Мембрани виготовлені з круглих металевих дисків або гнучких елементів, таких як гума, пластик або шкіра. Матеріал, з якого виготовлена ??мембрана залежить від того чи використовується властивості пружності матеріалу або йому повинен протистояти інший елемент (наприклад — пружина). Мембрани виготовлені з металевих дисків використовують пружні характеристики, а тим, яким протистоять інші пружні елементи, виготовлені з гнучких елементів. Мембрани дуже чутливі до різких змін тиску. Мембраною виготовленої з металу можна виміряти максимальний тиск дорівнює приблизно 7 МПа, а мембраною використовує пружний тип матеріалу можна вимірювати надзвичайно низькі тиску (0,1 кПа — 2,2 МПа) при підключенні до ємнісним перетворювачів або до датчиків перепаду тиску. Діафрагми бувають плоскі, гофровані і капсульного типу. Як зазначалося раніше, мембрани дуже чутливі (0,01 МПа). Вони можуть вимірювати дробові різниці тиску на дуже маленькому діапазоні (скажімо, тиску декількох дюймів води) (еластичний тип) або великі перепади тиску (наближаючись до максимального діапазону в 207 кПа) (металевий тип).

Мембрани дуже універсальні — вони зазвичай використовуються в дуже агресивних середовищах або в ситуаціях з екстремальними надлишковими тисками.

Приклади пружних елементів датчиків тиску показано нижче:

Датчики тиску. Типи, характеристики, особливості, підбір.

Електричні датчики

Сьогодні датчики не тільки обов’язково підключаються до стрілочних покажчиків, для відображення тиску, але також можуть служити для перетворення тиску в електричний або пневматичний сигнал, який може бути переданий в диспетчерську в якій проводиться зчитування та визначення тиску. Електричні датчики приймають дані отримані механічний вплив від пружного датчика і включають в себе електричний компонент, таким чином, посилюючи чутливість і збільшуючи сфери застосування датчиків. Існують такі типи датчиків тиску: ємнісний і індуктивний, датчик магнітоопору (датчик Холла), п’єзоелектричний, тензодатчик, виброэлемент, і потенціометричний тип датчика.

Ємнісні датчики

Ємнісний датчик складається з паралельних пластин — конденсаторів, з’єднаних з діафрагмою, яка зазвичай металева і піддається тиску сил, що беруть участь у процесі, з одного боку, і опорним тиском на іншій стороні. Електроди прикріплені до мембрани і отримують живлення від генератора високої частоти. Електроди відчувають будь-яке переміщення діафрагми і це впливає на зміну ємності пластин-конденсаторів. Зміна ємності виявляється приєднаною електричною ланцюгом, який виводить напругу в відповідності з зміною тиску. Даний тип датчика може працювати в діапазоні від 2,5 Па — 70 МПа з чутливістю 0,07 МПа.

Приклад ємнісного датчика тиску:

Датчики тиску. Типи, характеристики, особливості, підбір.

Індуктивний датчик тиску

Індуктивні датчики тиску в поєднанні з діафрагмою або трубкою Бурдона. Феромагнітний сердечник прикріплений до пружному елементу і має первинну і дві вторинні обмотки. Струм подається на первинну обмотку. Коли сердечник по центру то ж напруга буде індукуватися до двох вторинними обмотками. Коли сердечник переміщається під впливом тиску, відношення напруги між двома вторинними обмотками змінюється. Різниця напруг пропорційна зміні тиску.

Нижче показаний приклад індуктивного датчика тиску з використанням діафрагми. Для цього виду датчика тиску, приймаючи камеру 1 в якості еталонної камери з опорним тиском Р 1 подається і котушку заряжаемую еталонним струмом. Коли тиск в інших камерах змінюється, діафрагма рухається і індукує струм в інший котушці, який вимірюється і висловлює виміряне значення струму в одиницях тиску.

Такі датчики можуть бути використані з будь-яким пружним елементом (хоча, як правило, використовуються в поєднанні з діафрагмою або трубкою Бурдона). Читання значення створюваного тиску, буде визначатися калібруванням напруги. Таким чином, діапазон тиску, в якому може бути використаний цей датчик визначається щодо пружного елемента, але лежить в діапазоні від 250 Па — 70 МПа.

Датчики тиску. Типи, характеристики, особливості, підбір.

Датчики тиску, засновані на принципі магнітоопору

Датчики тиску. засновані на принципі магнітоопору, також мають феромагнітний сердечник. При зміні тиску, гнучкий елемент переміщує феромагнітну пластину, що призводить до зміни магнітного потоку ланцюга, яка може бути виміряна. Ситуації, в яких можна було б використовувати електричний елемент це ситуація, в якій індуктивний датчик генерує досить точне вимірювання. Діапазон тиску для даного методу становить від 250 Па до 70 МПа з чутливістю 0,35 МПа.

Приклад датчика тиску на основі вимірювання магнітоопору можна побачити нижче:

Датчики тиску. Типи, характеристики, особливості, підбір.

П’єзоелектричні датчики

П’єзоелектричні датчики використовують датчик — кристал. Коли тиск прикладається до кристалу, він деформується і створюється невеликий електричний заряд. Вимірювання електричного заряду пропорційно зміні тиску. Цей тип датчика має дуже швидкий час відгуку на постійні зміни тиску. Подібно датчику тиску заснованого на принципі вимірювання магнітоопору, п’єзоелектричний елемент дуже чутливий, але реагує набагато швидше. Таким чином, якщо час має суттєве значення, п’єзоелектричний датчик буде пріоритетний до використання. Діапазон тиску датчиків такого типу складає 0,021 — 100 МПа з чутливістю 0,1 МПа.

Нижче показаний приклад п’єзоелектричного датчика тиску:

Датчики тиску. Типи, характеристики, особливості, підбір.

Потенціометричні датчики

Потенціометричні датчики мають важіль, механічно прикріплений до пружному датчику тиску. При зміні тиску, деформується пружний елемент, в результаті чого змушує важіль рухатися вперед або назад по потенциометру і таким чином знімаються показання опору. Ці чутливі елементи належать оптимальному робочому діапазону, але обмежені багатьма факторами. Таким чином, вони є датчиками нижнього рівня, які не використовуються дуже часто. При низькій чутливості і робочому діапазоні, вони можуть краще всього підійти в якості дешевого детектора даючи грубу оцінку. Діапазон тиску 0,035 — 70 МПа з чутливістю 0,07 -0,35 МПа.

Приклад потенціометричного датчика тиску показано нижче:

Датчики тиску. Типи, характеристики, особливості, підбір.

Тензометричний датчик

Тензометричний датчик виявляє зміни тиску шляхом вимірювання зміни опору мостової схеми Уїтстона. Загалом, ця схема використовується для визначення невідомого електричного опору, врівноважуючи дві секції мостової схеми, так що б відношення опорів в одній секції (Датчики тиску. Типи, характеристики, особливості, підбір.
) було таким же, як і в іншій секції (Датчики тиску. Типи, характеристики, особливості, підбір.
), повертаючи нуль, у гальванометрі в центральній гілки. Одна з секцій містить невідомий компонент, опір якого має бути визначено, тоді як інша секція містить резистор з відомим опором, який можна регулювати. Схема моста Уїтстона показана нижче:

Датчики тиску. Типи, характеристики, особливості, підбір.

Тензодатчик поміщає чутливі елементи на кожному з резисторів і вимірює зміна опору кожного резистора під дією зміни тиску. Опір визначається рівнянням Датчики тиску. Типи, характеристики, особливості, підбір.
, де ? = питомий опір провідника, L = довжина провідника, і A = площа поперечного перерізу провідника. Зміна тиску або подовжувати, або стискати провідник, отже, датчик стиснення необхідно на одному резисторі, а датчик подовження на іншому. Щоб контролювати вплив температури (дріт буде також збільшуватися, або стискатися з-за зміни температури), вільний датчик потрібно розмістити на інших двох резисторах. Ці датчики часто є одним з типів напівпровідника (N-тип, або p-тип). Таким чином, чутливість таких датчиків значно більше, ніж їх чутливість металевих аналогів, однак з більшою чутливістю приходить більш вузький функціональний діапазон: температура повинна залишатися постійної, щоб отримати дійсне значення. Ці датчики сильно залежать від змін температури (на відміну від інших типів електричних компонентів). Діапазон тиску 0 — 1400 МПа з чутливістю 1,4 — 3.5 МПа.

Приклад незв’язаного тензодатчика показаний нижче. Даний тип датчиків використовують чутливі до натягнення дроту, один кінець якого закріплений на нерухомій рамі, а інший кінець прикріплений до рухомого елементу, який рухається зі зміною тиску.

Датчики тиску. Типи, характеристики, особливості, підбір.

Приклад пов’язаного тензодатчика можна побачити нижче. Даний тип розміщується у верхній частині діафрагми, яка деформуючись при зміні тиску, натягує проводи, приєднані до діафрагми.

Датчики тиску. Типи, характеристики, особливості, підбір.

Виброэлемент

Вібраційні датчики тиску функціонують шляхом вимірювання зміни резонансної частоти вібруючих елементів. Струм проходить через дроти, індукуючи електрорушійну силу у проводі. Потім зусилля збільшується, що викликає коливання дроту. Тиск впливає на цей механізм, з допомогою впливу на сам провід: підвищення тиску зменшує напругу в проводі і, таким чином знижує кутову частоту коливань дроту. При вимірюванні абсолютних тисків, датчик розміщений у циліндрі під вакуумом. Ці датчики вимірювання абсолютного тиску є дуже ефективними: вони виробляють повторювані результати і слабо піддаються впливу температури. Їм не вистачає чутливості в процесі вимірювання, тим не менше, таким чином, вони не дуже підходять для процесу, в якому необхідно відстежувати короткочасні зміни тиску. Діапазон тиску: 0,0035 — 0,3 МПа з чутливістю 1E-5 МПа.

Нижче показаний вібраційний датчик тиску:

Датчики тиску. Типи, характеристики, особливості, підбір.

Вібраційний датчик тиску в циліндрі (для абсолютного тиску), показаний нижче:

Датчики тиску. Типи, характеристики, особливості, підбір.

Датчики диференціального тиску

Датчики диференціального тиску використовуються з різними видами датчиків, в яких вимірювання тиску є результатом різниці тисків, зокрема таких датчиків як діафрагми, сопла подачі або Вентурі-метрів. Датчик перепаду тиску перетворює різниця тисків в передаваний сигнал. Де розміщення датчика перепаду тиску (DP) залежить від характеру потоку текучого середовища, яка вимірюється. Типовий датчик диференціального тиску мінімально інвазивний (зовнішній компонент приєднаний через точки вимірювання); він зазвичай використовується з ємнісним елементом в парі з діафрагмою, яка дозволяє ємкісному тілу рухатися разом або окремо, генеруючи сигнал (через зміну ємності), який може бути інтерпретований до падіння тиску. Вони часто використовуються для виявлення невеликих відмінностей у великих перепадах тиску. Його розміщення схоже на приєднання вольтметра паралельно з резистором, щоб виміряти «падіння» його напруги (аналогічно падіння тиску).

Діапазон вимірюваного тиску і чутливість датчика диференціального тиску залежить від електричних і пружних компонентів, використовуваних в самому датчику. Це відмінний датчик, що використовується при вимірюванні перепаду тиску, однак, для всіх інших додатків, він досить марний.

Вакуумні датчики

Такі датчики можуть вимірювати надзвичайно низькі тиск або вакуум, посилаючись на тиску нижче атмосферного. Крім діафрагми та електричних датчиків, призначених для вимірювання низьких тисків, є також теплові датчики провідності і датчики іонізації.

Теплові вакуумметри

Принцип використовується в даному типі датчиків полягає в зміні теплопровідності газової під дією тиску. Однак з-за відхилення від ідеального поведінки газу, в якому зв’язок між цими двома властивостями лінійна, датчики такого роду, які також називаються датчиками Пірані, можуть бути використані тільки при низьких тисках, в діапазоні (0.4E-3 до 1.3 E-3) МПа. Це надзвичайно чутливі елементи. Вони можуть виявляти зміни тиску в 6E-13 МПа.

У цих датчиках спіральна нитка проводить струм нагріває котушку. Зміна тиску змінює швидкість теплопередачі від нитки розжарення, тим самим змушуючи змінюватись її температуру. Ці зміни в температурі можуть бути виявлені за допомогою термопар, які також підключені до ниток розжарення — частинам мостової схеми Уїтстона.

Прилади іонізації

Існує дві категорії для цих типів датчиків: З гарячим катодом і з холодним катодом. Для датчиків з гарячим катодом, електрони випускаються нагрітими нитками, в той час як для датчиків з холодним катодом електрони звільняються від катода в результаті зіткнення іонів. Електрони вдаряють молекули газу, що надходить в датчик, формуючи позитивні іони, які збираються і викликають протягом іонного струму. Кількість утворень катіона пов’язано з щільністю газу і, отже, пропорційно вимірюваному тиску, а також, так як використовується постійний струм електронів, отже, іонний струм є мірою тиску газу. Обидва типи датчиків є високочутливими пристроями і найбільш підходить для вимірювання дробових часток тиску. Датчики з гарячим катодом ще більш чутливі, ніж датчики з холодним катодом і здатні вимірювати тиск близько 10 -8 Па. Їх діапазон чутливості коливається від 1E-16 до 1E-13 МПа

Короткий опис статті: прилади для вимірювання тиску Дана стаття розповідає про різні типи датчиків тиску, які сьогодні доступні на ринку для використання в промисловості. Кожен з них має переваги у певних ситуаціях. Також представлені вирішення практичних завдань з підбору датчи датчик тиску, тиск, сильфон, датчик Холла, магнетосопротивление, діафрагма, мембрана, вимірювання тиску, завдання Квп,

Джерело: Датчики тиску. Типи, характеристики, особливості, підбір.

Датчики тиску. Типи, характеристики, особливості, підбір. Введення Тиск необхідно враховувати при проектуванні багатьох хімічних процесів. Тиск визначається як сила діє на одиницю площі і вимірюється в англійських одиницях — псі або в одиницях СІ — Па.

Також ви можете прочитати