Датчики дифференциального давления принцип измерения

Датчики дифференциального (перепада) давления

Датчики дифференциального (перепада) давления применяются для преобразования перепада давления (разности давлений) в унифицированный выходной сигнал напряжения, тока или индуктивности. Наиболее популярными являются датчики с унифицированным токовым выходом (0-5 мА, 0-20 мА, 4-20 мА).

ИД-Р-ЦС-Ex датчик разности давлений

Чувствительными элементами приборов являются мембраны и тензорезисторы. Сопротивление измеряется следующим образом. К измерительной мембране крепятся тензодатчики, она изолирована от рабочей среды. Давление среды принимают на себя мембранные разделители. Пространство между измерительной и разделительными мембранами заполнено специальной жидкостью. Под воздействием давления происходит деформирование мембран разделителей, которые в свою очередь деформируют измерительную мембрану, а за ней тензорезисторы. Тензорезисторы преобразуют степень деформации в тот или иной выходной сигнал. На дифференциальный датчик давление действует с двух сторон, поэтому корпус прибора имеет два соединительных штуцера: плюсовой и минусовой. Как правило, штуцеры располагаются параллельно, но бывают модели с соосным расположением штуцеров. Датчик показывает разницу давления со знаком соответствующим штуцеру.

МИДА-ДД-15-Ех датчик разности давлений с соосным расположением штуцеров

Датчики дифференциального давления рассчитаны на измерение относительно небольших значений давления среды. Эти значения варьируются от нескольких миллиметров водяного столба до нескольких сотен килопаскаль (1 мм. вод. ст. = 0.009807 кПа). Датчики перепада соединяются с первичными преобразователями посредством импульсных трубок.

Импульсная трубка

Импульсные трубки используются для подключения различных приборов измерения давления, являются самым экономичным вариантом. Предназначение трубок – защита датчиков от чрезмерного нагрева и пульсации измеряемой среды. При монтаже импульсных трубок необходимо учесть, что импульсная линия должна быть максимально короткой, так как с ее увеличением возрастает задержка распространения импульса давления, что довольно критично для контуров регулирования интенсивно протекающих процессов.

Датчики перепада давления применяются в системах теплоснабжения, водоснабжения, вентиляции, машиностроения и иных системах требующих постоянной балансировки за счет обеспечения и поддержания перепада.

Источник

Принципы измерения, применяемые в датчиках давления

ЕМКОСТНЫЙ ПРИНЦИП ИЗМЕРЕНИЯ:

В 60-х годах XX в. были разработаны первые аналоговые электронные датчики давления, в которых использовался емкостный принцип измерения.

Атмосферное для датчиков избыточного давления и вакуум для датчиков абсолютного давления.

Емкостный сенсор в его современном варианте представляет собой конденсатор, образованный диэлектрической оболочкой сенсора, помещенной внутри прочного металлического корпуса, измерительными электродами, выполняющими функцию обкладок конденсатора, и упругой металлической или керамической мембраной. Пространство между мембраной и электродами заполнено силиконовым маслом, служащим для передачи давления на мембрану и одновременно для увеличения емкости конденсатора. При подаче разности давлений на сенсор мембрана деформируется, и емкость между обкладками изменяется. Измерение емкости производится электронным модулем датчика, подключенным к обкладкам сенсора. Кроме того, сенсор обычно содержит еще термопреобразователь (на рисунке не показан).

Преимущества емкостного принципа измерения:
• сравнительно простая конструкция сенсора;
• достаточно высокая чувствительность (∆C/C = 15. 20%);
• большой практический опыт разработки датчиков с емкостными сенсорами, накопленный к настоящему времени.

Недостатки и ограничения емкостных сенсоров, вытекающие из базовых законов физики и до конца неустранимые за счет совершенствования конструкции, материалов и технологии изготовления:
• нелинейный выходной сигнал сенсора;
• значительный гистерезис (из-за неидеальных упругих свойств мембраны);
• сильное влияние статического давления (за счет изменения диэлектрической проницаемости заполняющей жидкости);
• существенное влияние температуры (за счет температурного расширения элементов сенсора и изменения диэлектрической проницаемости);
• недостаточная стабильность (из-за «усталости» материала мембраны);
• чувствительность к вибрации (резонансная частота колебаний мембраны находится в пределах спектра промышленных вибраций).

Часть этих недостатков (нелинейность, влияние температуры и отчасти давления) до определенной степени компенсируется в современных серийных датчиках путем так называемой «характеризации», т. е. калибровки датчиков на заводе-изготовителе при различных температурах и давлениях с дальнейшим расчетом и «прошивкой» таблицы поправочных коэффициентов в память микропроцессорного электронного модуля. Это весьма трудоемкая и дорогостоящая проце­дура, требующая специального высокоточного оборудования, что сказывается на стоимости датчиков.

Другие недостатки (гистерезис, дрейф нуля, остаточное влияние статического давления, чувствительность к вибрации) не могут быть скомпенсированы характеризацией. Чтобы уменьшить эти недостатки, изготовители применяют современные прогрессивные материалы для центральной мембраны сенсора, а также различные, все более изощренные варианты конструкции сенсора. Определенный прогресс в данном вопросе имеется, однако, кардинальные решения, устраняющие указанные недостатки, невозможны в принципе, поскольку эти недостатки заложены в самом емкостном принципе измерения. А каждое следующее небольшое улучшение характеристик значительно усложняет конструкцию и технологию изготовления датчика, что ведет к его удорожанию и не способствует повышению надежности.

ТЕНЗО- ИЛИ ПЬЕЗОРЕЗИСТИВНЫЙ ПРИНЦИП ИЗМЕРЕНИЯ:

Тензо- или пьезорезистивный принцип измерения давления основан на изменении удельного сопротивления вещества при деформации (тензорезистивный эффект).

Термин «тензорезистивный» употребляется, как правило, по отношению к сенсорам, в которых используются тонкопленочные тензопреобразователи, либо структуры КНС (кремний на сапфире). В таких сенсорах упругим элементом является металлическая или керамическая мембрана, на которую наклеивается полупроводниковый тензопреобразователь.

«Пьезорезистивными» обычно называют монокристаллические кремниевые сенсоры с диффузионными пьезорезисторами, в которых упругим элементом служит сама кремниевая мембрана.

Конструкция тензорезистивного сенсора:
типичный тензорезистивный сенсор давления на основе структуры КНС состоит из упругой металлической мембраны, к которой припаян тензопреобразователь, представляющий собой подложку из сапфира, на которой методом гетероэпитаксиального наращивания сформирован измерительный мост Уитстона из кремниевых тензорезисторов. Кроме тензомоста, на подложке сформирована схема температурной компенсации (на рисунке не показана). Мембрана по технологическим соображениям делается достаточно толстой, поскольку поверхность, на которую припаивается КНС, должна быть отполирована с высокой чистотой.

Достоинства тензорезистивного принципа измерения давления:
• сравнительная простота в изготовлении;
• невысокая стоимость;
• потенциально широкий диапазон рабочих температур.

Недостатки тензорезистивных сенсоров :
• низкая ч увствительность (в пределах 1%);
• значительные гистерезисные явления и нестабильность (из-за неоднородности конструкции и «усталости» металла мембраны);
• сильное влияние температуры (за счет различия коэффициентов температурного расширения элементов сенсора и изменения электропроводности кремния);
• сильное влияние статического давления (из-за различия упругих свойств элементов конструкции);
• наличие н елинейности.

Так же, как и емкостные, современные тензорезистивные датчики подвергаются при выпуске характеризации.

Данный тип сенсора нашел применение в аналоговых однопредельных датчиках избыточного и абсолютного давления, требования к которым существенно менее жесткие, чем к многопредельным датчикам давления. Ведущими мировыми производителями тензорезистивные многопредельные датчики давления сейчас практически не выпускаются.

Конструкция пьезорезистивного сенсора:

Пьезорезистивный сенсор, как и тензорезистивный, содержит упругую мембрану, закрепленную на стеклянном основании, на которой имеется мост Уитстона, преобразующий деформацию мембраны в электрический сигнал. Однако в данном случае мембрана изготавливается из монокристаллического кремния, а вместо тензорезисторов используются сформированные методом диффузии пьезорезисторы. Поскольку жесткость кремниевой мембраны значительно ниже, чем металлической, разность давлений передается от наружных разделительных мембран через силиконовое масло непосредственно на сенсор без использования рычагов, тяг и т. п.

Достоинства пьезорезистивных сенсоров:
• малый гистерезис,
• стойкость к вибрации
• однородность упругой мембраны.

Недостатки в основном те же, что у тензорезистивных, но выражены в меньшей степени:
• низкая чувствительность (2. 5%);
• сильное влияние температуры (за счет изменения удельного сопротивления пьезорезисторов);
• существенное влияние статического давления;
• недостаточная стабильность (фактором дрейфа является загрязненность примесями);
• наличие нелинейности.

При применении емкостных, тензо- и пьезорезистивных сенсоров в многопредельных перенастраиваемых датчиках давления имеет значение еще один их недостаток – аналоговый выходной сигнал, который необходимо усиливать и оцифровывать для обработки микропроцессором электронного модуля.

Обобщенная функциональная схема датчика давления с аналоговым сигналом сенсора представлена на рисунке. Несмотря на наличие микропроцессора, такой датчик не может полностью реализовать все преимущества цифровой схемотехники, поскольку аналоговые цепи измерительного усилителя и АЦП являются потенциальным источником шумов, нелинейности и дрейфа. Кроме того, в этой схеме при перенастройке шкалы для максимального использования разрядности АЦП изменяется коэффициент усиления сигнала с сенсора. Это приводит к необходимости проверки и подстройки нуля после перенастройки шкалы (для лучших датчиков такого типа) и даже к многократной итерационной подстройке нуля и шкалы с использованием калибратора давления и тока (для менее совершенных датчиков). Использование цифровых коммуникационных протоколов (типа HART и других) не избавляет от этой процедуры, просто подстройка производится с клавиатуры коммуникатора, а не с помощью потенциометров и кнопок.

РЕЗОНАНСНЫЙ ПРИНЦИП ИЗМЕРЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ:

Резонансный принцип измерения давления основан на преобразовании резонатора деформации в частоту колебаний.

Конструкция и схема подключения резонансного сенсора представлены на рисунке. Сенсор представляет собой монокристаллическую кремниевую мембрану специальной конструкции, на которой методом эпитаксиального наращивания сформированы два резонатора Н-образной формы. Мембрана закреплена на стеклянной подложке, разность давлений от внешних разделительных мембран датчика передается на сенсор через силиконовое масло. Резонаторы находятся в поле постоянного магнита, и каждый из них подключен в качестве частотно-задающего элемента в цепь обратной связи генератора переменного напряжения. За счет пьезоэлектрического эффекта, которым обладает кремний, напряжение на одной паре контактов резонатора преобразуется в его деформацию, а затем обратно в напряжение на другой паре контактов. В результате в цепи генерируется синусоидальное переменное напряжение на собственной частоте резонатора, поскольку он обладает очень высокой добротностью. Кварцевые резонаторы более простой конструкции повсеместно используются в электронике в качестве высокостабильных частотнозадающих элементов. Хорошо известно, что собственная частота такого резонатора определяется только тремя параметрами: его массой, геометрическими размерами и модулем Юнга.

При приложении к сенсору разности давлений мембрана изгибается, в результате ее деформации собственные частоты резонаторов изменяются пропорционально приложенному давлению. Сенсор спроектирован таким образом, что один резонатор при этом растягивается, а другой сжимается. Соответственно частота первого резонатора уменьшается, а второго увеличивается. Разность этих частот, прямо пропорциональная разности давлений, измеряется электронным модулем датчика и по ней вычисляется разность давлений.

Преимущества резонансного принципа измерения:
Дифференциально-резонансный принцип измерения и конструкция кремниевого резонансного сенсора обладают целым рядом очень важных преимуществ и обеспечивают разработчикам практически неограниченные возможности для совершенствования датчиков давления.

1. Резонансный сенсор благодаря абсолютным упругим свойствам монокристаллического кремния не имеет гистерезиса ( 0, то f1 > f2;
если ∆P 4. Частотный выходной сигнал с сенсора не требует аналого-цифрового преобразования. Резонансные частоты измеряются непосредственно цифровыми счетчиками с очень высокой точностью (

Это позволяет сделать датчик в полном смысле слова цифровым, устранить такие традиционные проблемы, как временную и температурную нестабильность аналоговых цепей измерительного усилителя и АЦП, необходимость подстройки нуля и калибровки датчика после перенастройки шкалы (у цифрового датчика перенастройка сводится к изменению коэффициентов, используемых микропроцессором для пересчета результатов измерения в аналоговый выходной сигнал). При передаче результатов измерений по цифровым протоколам перенастройка шкалы такому датчику вообще не требуется.

Наглядным примером, демонстрирующим возможности резонансного сенсора, является его применение в цифровых калибраторах давления MT210/МТ220 с классом точности 0,01. Разумеется, рабочие средства измерения давления на резонансном принципе имеют более низкую точность, но не из-за конструктивных ограничений, а по причине сложности поверки высокоточных датчиков (при основной приведенной погрешности менее ±0,04% шкалы поверка должна производиться на рабочем эталоне давления) и недостаточной точности передачи результатов измерений через стандартный аналоговый выходной сигнал 4. 20 мА.
Разработка резонансного принципа измерения стала настоящим прорывом в процессе совершенствования датчиков разности давлений. Она позволила добиться недостижимых прежде технических и метрологических характеристик датчиков, причем не путем усложнения их конструкции и технологии изготовления (различные компенсационные схемы, характеризация и т. д.), а за счет самого принципа измерений и конструкции сенсора.

Источник

Датчики давления. Типы, характеристики, особенности, подбор.

Введение

Давление необходимо учитывать при проектировании многих химических процессов. Давление определяется как сила действующая на единицу площади и измеряется в английских единицах — пси или в СИ единицах — Па.
Существуют три типа измеряемого давления:

1. Абсолютное давление — атмосферное давление плюс избыточное давление;
2. Избыточное давление — абсолютное давление минус атмосферное давление;
3. Дифференциальное давление — разность давлений между двумя точками.

Существуют различные типы датчиков давления, которые сегодня доступны на рынке для использования в промышленности. Каждый из них имеет преимущества в определенных ситуациях.

Критерии отбора датчика

Для того чтобы контролируемая давлением система работала правильно и эффективно, важно, чтобы используемый датчик давления мог давать точные показания по мере необходимости и в течение длительного периода времени без необходимости ремонта или замены в условиях работы системы. Существует несколько факторов, влияющих на пригодность конкретного датчика давления для конкретного процесса. Основные это:

• характеристики используемых веществ в среде которых будет использоваться устройство;
• условия окружающей среды;
• диапазон давлений;
• уровень точности и чувствительности, требуемые в процессе измерения.

Процесс

Чувствительный элемент (упругий элемент) будет подвергаться воздействию веществ, используемых в процессе, поэтому материалы датчика, которые могут реагировать с данными веществами или подвергаться воздействию агрессивных сред — непригодны для использования. Мембраны (диафрагмы) являются оптимальными даже для очень суровых условий использования.

Окружающая среда

Окружающая среда (в технологическом процессе — это среда создаваемая веществом, вибрация, температура и т.д.), в которой проводится технологический процесс, также должна быть учтена при выборе датчика давления. В агрессивных средах, при сильных вибрациях в трубопроводе, или при экстремальных температурах, датчики должны иметь дополнительный уровень защиты. Герметичные, прочные корпуса с заполнением материалом, содержащим глицерин или силикон — часто используются, для того, чтобы защитить внутренние компоненты датчика (кроме чувствительного элемента) от очень жестких, агрессивных сред и колебаний.

Диапазон давлений

Большинство процессов работают в определенном диапазоне давлений. Поскольку определенные датчики давления работают оптимально в определенных диапазонах давления, существует необходимость выбрать устройства, способные функционировать в диапазоне, установленном процессом.

Чувствительность

Различные процессы требуют различных уровней точности. В общем, чем точнее датчик, тем он дороже, таким образом, будет экономически выгодно выбрать датчики, которые способны максимально удовлетворить требуемую точность. Существует также компромисс между точностью и способностью быстро обнаруживать изменения давления. Следовательно, в процессах, в которых давление сильно варьируется в течение коротких периодов времени — нецелесообразно использовать датчики, которым требуется больше времени, чтобы дать точные показания давления, хотя они и могли бы дать более точные значения.

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, 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

Примерно через 1 час, давление H 2 (газ) увеличится до 4,38 атм, создав общее давление в сосуде на 5,38 атм.

Окружающая среда

1. Здесь нет опасности от высоких температур и сильной вибрации из-за высокого расхода и скорости реакции.

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.

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.

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.

Источник