Электронный датчик измерения атмосферного давления

Разновидности датчиков давления

Эксплуатация многих промышленных и бытовых приборов нуждается в контроле состояния находящейся внутри них рабочей среды. Этой средой могут быть жидкие (вода, моторное или компрессорное масло, химические продукты) либо газообразные вещества (воздух, водяной пар, природный газ, кислород и иные технические среды). Чтобы устройство исполняло свои функции, оно должно как-то измерять рабочие параметры и реагировать на них заданным образом. Для этого предназначены датчики контроля давления и температуры.

Что такое датчик давления

Датчиком давления называют контрольное оборудование, отвечающее непосредственно за измерение указанного показателя.

Области его применения бывают разнообразными:

  • нефтедобывающая, газодобывающая, перерабатывающая отрасль;
  • химическая промышленность;
  • энергетика;
  • пищевое производство;
  • множество других направлений.

В быту самый очевидный пример — это сенсоры давления для насосной станции в системе автономного водоснабжения жилого дома (дачи, коттеджа).

Схематическое изображение, где находится датчик давления в водопроводе:

На схеме можно найти два измерителя, управляющие включением основного и дополнительного насосов. Они обеспечивают равномерную подачу воды независимо от ее потребления конечными пользователями.

Иногда такие устройства называют манометрами. Это не совсем верно, поскольку манометр — это готовый прибор, визуально показывающий величину давления в удобном для человеческого восприятия виде. Датчик же лишь элемент системы измерения, непосредственно воспринимающий физическую величину и передающий измерительный сигнал для дальнейшей обработки.

Устройство и типы сенсоров

Принцип работы датчиков давления основан на фиксации изменения состояния среды чувствительным элементом (приемником). Электронный каскад вторичной обработки преобразует выходной сигнал до принятых стандартных параметров.

По типу чувствительного элемента существует несколько решений.

Емкостные

Данный вариант использует эффект изменения электрической емкости элемента, в котором гибкая мембрана является одной из обкладок конденсатора совместно с неподвижным корпусом. Преимущества в прямом измерении электрических характеристик без промежуточных преобразований; защищенности сенсора от перегрузок и импульсного удара; стабильности показаний. Именно такие датчики давления чаще применяют в промышленном оборудовании. Например, в компрессорах, воздушных и гидравлических насосах, диагностической аппаратуре.

Особый интерес представляет возможность изготовить именно такой датчик давления своими руками. Ведь из всех прочих разновидностей только емкостные сенсоры не требуют для производства точной механики или особого оборудования. Две токопроводящие пластины несложно соединить через прокладку из упругого диэлектрика, а настраивать самодельный датчик давления можно, используя в качестве эталона надежный проверенный манометр.

Индуктивные

Регистрируют токи в катушках с переменным полем, одна из которых располагается на упругой мембране. Небольшое перемещение магнита относительно воздушного зазора, приводит к сильному изменению индуктивности. Благодаря этому достигают высокой чувствительности сенсора.

Электронные

Кроме перечисленных, электронный датчик давления воздуха может быть реализован и на других физических принципах: изменении теплопроводности, ионизации газа. Такие сенсоры требуют точной настройки и используются в сложной аппаратуре и научных приборах. Их достоинство в способности измерять сверхнизкие давления, включая глубокий вакуум.

Тензометрические

Используется изменение электрического сопротивления при деформации тензорезистора, который расположен на упругом элементе. Сам тензорезистор изготовлен в виде тонких проводников на слюдяной или бумажной подложке площадью 2–10 квадратных мм.

По-другому этот тип сенсоров называется резистивным.

Механические

Группа устройств, в которых давление внутри системы приводит к механическому движению частей сенсора относительно неподвижного основания. Это перемещение регистрируется прибором.

Достоинством измерителей данной группы служит их очень высокая чувствительность в некоторых диапазонах, где другие конструкции недостаточно эффективны. Так датчик низкого давления в вакуумной системе должен реагировать на изменения порядка 0.01 Мпа. Этого можно добиться, применяя чувствительную мембрану. Другой тип механического измерителя — трубка Бурдона. Используется в приборах, в которых нет электроники, непосредственно воздействуя на стрелку. По этому принципу действуют механические манометры, а также глубиномеры (включая наручные для водолазов).

Похожий принцип реализован в знакомых многим автомобильных указателях моторного масла. Упругий элемент реагирует на сжатие, через толкатель перемещая подвижный контакт по обмотке реостата. Электрическое сопротивление изменяется, что и регистрирует прибор.

Различия по использованию

По характеру измеряемого параметра различают следующие разновидности датчиков:

  • абсолютного давления;
  • избыточного давления;
  • дифференциальные.

Измерение давления чаще всего требуется для задания общих режимов работы оборудования: включения или выключения подающих насосов, системы подогрева и множества других управляемых автоматикой процессов. Простые по конструкции устройства прошлых лет измеряли перепад показателя по отношению к атмосферному, что не всегда удовлетворяло требованиям точности. Это связано с тем, что величина, с которой атмосфера давит на поверхность, может ощутимо меняться (в истории зафиксированы измерения от 641 до 816 мм ртутного столба).

Датчик абсолютного давления

Чтобы избежать ошибок из-за влияния погоды, более современные приборы способны отсекать влияние атмосферы. Они регистрируют измеряемую величину по отношению к глубокому вакууму. Такой сенсор называют абсолютным. Полученные от него показания чаще всего применяют для последующей цифровой обработки, чтобы расчетным путем привести характеристику давления к стандартным условиям. Это необходимо для правильной фиксации расхода тепловой энергии или газа в системах учета.

Датчик избыточного давления

Более простые в устройстве датчики избыточного давления учитывают суммарный показатель абсолютного и атмосферного. Без них не обойтись в коммунальном хозяйстве, в производственных или коммерческих устройствах, регистрирующих расход жидкости или газа. Другая область применения простых и надежных измерителей избыточного давления — устройства аварийной сигнализации о превышении допустимого уровня.

Дифференциальный датчик

Датчик дифференциального типа определяет разницу давлений в двух раздельных полостях. Обычно такие приборы установлены в приборе, который постоянно контролирует расход вещества, протекающего по трубе, без использования вращающихся деталей. Его принцип действия основан на эффекте увеличения давления потока перед сужением диаметра и уменьшения после него. Чем такая разница выше, тем больше и протекающий по трубе поток.

Одна из возможных схем подключения этих устройств приведена на рисунке.

Диапазон измеряемой величины

Поскольку интервал показателя давления весьма широк, то инженерам требуются сенсоры, способные качественно измерять параметры в интересующем диапазоне. Изготовить прибор, одинаково хорошо и с удовлетворительной чувствительностью применимый как в глубоком вакууме, так и на промышленном компрессоре высокого уровня сжатия, на практике невозможно. Поэтому существуют отдельные датчики: вакуумные, низкого и высокого давления. В числовом выражении:

  • вакуумные датчики — для измерения низкого (1 мм. рт. ст.) или высокого (105 мм. рт. ст.) вакуума;
  • датчики низкого давления — от атмосферного до величин порядка 10 Па (встречается также другое название: форвакуумные);
  • датчики высокого давления — измеряют параметр выше 1 атм., также делятся на диапазоны по возрастанию компрессии.

Датчики низкого давления широко применяют в научном и лабораторном оборудовании, в медицине, в промышленности, производящей электронные компоненты и сверхчистые вещества.

По типу контролируемой среды

Потребность узнать степень сжатия или разрежения рабочей среды может возникнуть для самых разных веществ или агрегатных состояний. Чтобы обеспечить долгий срок службы и достаточную точность показаний, регистрирующие приборы также делают с учетом условий, в которых им предстоит работать.

  • датчики давления воздуха — замеряют показатель сжатия газообразной среды в широком интервале величин;
  • топливные — устанавливают в системе питания двигателей, например, в топливной рампе инжекторного мотора с целью оптимизировать состав и количество горючей смеси в цилиндрах;
  • водяные — для трубопроводов и магистралей в коммунальном хозяйстве, для установки на насосной станции;
  • для агрессивных сред — в защищенном исполнении используют в химическом производстве, при перекачке нефти и газа.

Проверка и настройка

Как проверить датчик давления, если возникли подозрения в его работоспособности? Проверка разделяется на два этапа. Сперва нужно прозвонить электрическую цепь измерителя, чтобы убедиться в отсутствии обрыва или короткого замыкания. Методика проверки мультиметром аналогична работе с другими электроприборами.

Если такая диагностика не выявила проблемы, то следующий шаг — проконтролировать регулировки сенсора на соответствие реальной величине давления. Для этого не обойтись без эталона, в показаниях которого нет сомнений. Для этого выполняют подключение датчика давления к испытательной емкости, оборудованной прошедшим метрологическую поверку манометром. Поскольку настраивать сам сенсор обычно невозможно, регулируют воспринимающий его сигнал прибор так, чтобы его показания не расходились с эталоном.

Рассмотрим несколько примеров тестирования устройств, с которыми многие сталкиваются в жизни.

Регулировка реле насосной станции

Для примера рассмотрим, как настроить нормальную работу устройства, включающего и выключающего насос на установке автономного водоснабжения. Его схема содержит датчик давления и две пружины с регулировочными гайками, воздействующие на электрический контакт. Они находятся под защитной пластмассовой крышкой реле, закрепленного возле двигателя насоса.

Изменяя затяжку пружин вращением гаек, наблюдают за показанием штатного манометра и добиваются требуемой величины сжатия воздуха в гидроаккумуляторе системы по нижнему и верхнему пределам.

Автомобильный датчик абсолютного давления

Этот сенсор находится на впускном коллекторе двигателей, оборудованных впрыском топлива. Он известен также под названием MAP (Manifold Absolute Pressure) или русской аббревиатурой ДАД. Его задача — направлять в электронный блок управления двигателем сигнал о степени сжатия воздуха на впуске, что необходимо учитывать для оптимизации состава топливной смеси. При отказе ДАД форсунки впрыскивают в цилиндры больше бензина, чем нужно двигателю для оптимальной работы, отчего вырастает его расход, падает мощность, обороты становятся нестабильными.

Тестирование выполняется подключением датчика давления к мультиметру и замером электрического сопротивления в разных режимах. Роль эталонного прибора здесь играет бортовой компьютер автомобиля, в котором хранятся стандартные параметры. При отклонении от них деталь признается негодной и выбраковывается, поскольку возможности ее регулировок не предусмотрены.

Видео по теме

Источник

Разновидности датчиков давления воздуха и способы их установки

В настоящее время, на современном рынке существует конструктивное многообразие измерительных устройств – датчиков давления воздуха, отвечающих за изменение такого параметра, как давление воздуха в системе. Они представляют собой элемент, физические свойства которого, показывают разное значение при изменении давления среды, которую измеряет датчик (в нашем случае воздух). Среди линейки видов данных устройств, порой сложно правильно выбрать нужную модель. Попробуем помочь разобраться с этим вопросом.

Описание и назначение

Датчики давления воздуха могут измерять изменение атмосферного давления и давление в конструктивной схеме какой — либо установки. Устройства контроля давления воздуха предназначены для непрерывного измерения и преобразования давления воздушной среды в выходной сигнал в виде напряжения или тока.

Для замеров могут использоваться механические, тепловые и электронные рабочие элементы. Последние дают более точные показания и, все чаще, находят применение в современных реалиях.

Сферы применения

Одной из сфер применения датчиков является измерение колебаний атмосферного давления. Эти данные необходимы для метеорологических служб, в медицинских целях, при наблюдении за метеозависимыми больными. Замеры атмосферного давления метеорологами позволяют установить направление ветров и движение циклонных областей. Атмосферные датчики отличаются по виду рабочего элемента – ртутные и электронные.

Также, широкое применение данные устройства получили для замера давления воздуха и других газов в автомобилестроении, строительстве, химической и легкой промышленности. Любой автоматизированный промышленный процесс, зачастую, не обходится без датчиков давления.

Классификация, конструкция и принцип действия

В конструкцию любого датчика давления входят такие составляющие:

  • Преобразователь физической величины (давления) с рабочим элементом.
  • Электронная схема для обработки и усиления выходного сигнала.
  • Защитное покрытие (корпус).

Рассмотрим классификацию датчиков по принципу действия.

Волоконно-оптический

Представляет собой устройство, рабочим элементом которого служит нить из прозрачного материала, являющаяся переносчиком световых волн методом их отражения от стенок волокна. Данный тип устройств дает довольно точные измерения давления и не имеет зависимости от температуры окружающей среды. Диэлектрический корпус устраняет влияние электромагнитных полей на работу преобразователя. Современные оптические волокна изготавливаются из кварца.

Работа датчика основана на изменении амплитуды и направления электромагнитного поля (поляризации) световой волны, которая движется по рабочему элементу. При изменении давления, действующего на рабочий элемент, его диаметр уменьшается, а длина увеличивается на величину, измеряемую в нанометрах (нм). Деформация приводит к изменению свойств светового луча, проходящего по оптоволокну, что дает разницу в показаниях до и после приложения силы к чувствительному элементу.

Сигнал от волокно-оптического устройства поступает в специальный усилитель, который может принимать сигналы от нескольких датчиков и находиться на расстоянии от них.

Данные устройства обладают преимуществами перед другими видами:

  • Возможность работы на расстоянии от объекта измерения.
  • Передача по одному каналу большего количества информации за больший промежуток времени (мультиплексирование).
  • Отсутствие воздействия электромагнитных помех.
  • Нет необходимости в подаче электричества в зону замеров.
  • Большой срок службы в стабильном состоянии.

К датчикам, применяющим в своей работе световые волны, можно отнести и оптоэлектронные системы. В них используются прозрачные многослойные плоскости, изменяющие свойства света под действием давления. Световая волна фиксируется фотоэлементом, который передает сигнал на электронную схему.

Магнитный

Устройство состоит из Е- образной плоскости с индуктивной катушкой и проводящей мембраны, на которую воздействует давление. Работа датчика основана на изменении электромагнитной индукции катушки при изменении зазора между плоскостью и мембраной.

Недостатки данных преобразователей:

  • Функционирование на переменном токе.
  • Зависимость точности показаний от равномерности частоты напряжения питания.
  • Погрешность показаний при изменении температуры.
  • Влияние электромагнитных полей на показания.
  • Погрешность при изнашивании (старении) рабочих элементов.

Магнитные датчики производятся в двух исполнениях – по одинарной и дифференциальной схеме. Последняя имеет преимущества. В дифференциальном способе применяются 2 контура, которые фиксируют изменение величины электромагнитной индукции с противоположным знаком полярности. Во второй конструкции рабочий элемент с катушкой может иметь разную форму (Е- образную и цилиндрическую).

Емкостной

Данное устройство преобразует давление в изменение емкости конденсатора, выступающего в роли рабочего элемента. Специальная развязка (мультивибратор с компаратором) преобразует изменение величины емкости на рабочем элементе в выходной сигнал.

Емкостные устройства изготавливают с одним и двумя конденсаторами. Первые более подвержены воздействию окружающей среды (влажность и температура воздуха), вторые немного сложнее в конструкции, однако делают более точные замеры.

Преобразователи имеют конструкцию с одним либо двумя электродами, расположенными в корпусе и, изолированными от него. Между камерами с электродами расположена тонкая металлическая пластина, которая, совместно с электродами, дает емкость переменного значения, подключенную в схему измерения физического параметра. При подаче воздуха с одной стороны датчика, пластина смещается, изменяется значение емкости и устройство показывает величину избыточного давления.

Ртутный

Одним из простейших способов измерения давления воздуха либо другого газа является ртутный датчик, напоминающий формой английскую букву U. Принцип его действия основан на всем известном свойстве сообщающихся сосудов.

Через трубку вышеуказанной формы протягивается проводник, подключенный в мостовую схему, не выдающую сигнала при равнозначных сопротивлениях на обеих ветвях проводника, подключенных в схему. Половина трубки заполняется ртутью. При увеличении давления на одну из сторон трубки, с этой стороны ртуть опускается, а с обратной – поднимается. После данного физического воздействия ртутью появляется разность сопротивлений провода в одной и другой ветви, что провоцирует включение мостовой схемы и выходного сигнала.

К недостаткам данного устройства относится плохая защита от механических воздействий и большие габариты.

Еще один вид ртутного датчика – чашечный барометр. Состоит из запаянной трубки, присоединенной к емкости со ртутью. При изменении атмосферного давления, увеличивается или уменьшается давление на емкость и столбик ртути в трубке.

Пьезоэлектрический

Название устройства говорит о том, что его работа основана на преобразовании энергии механического воздействия в электрическую при помощи кристаллических материалов. При давлении на такой материал, между его сторонами появляется разность потенциалов. Этот способ измерения давления удобен только при быстром изменении его величины, так как при длительном приложении постоянной силы к пьезоэлектрику, его выходной сигнал постепенно гаснет.

К достоинствам устройства относятся:

  • Простота конструкции.
  • Дешевизна.
  • Отсутствие необходимости в подаче питания.

Датчик состоит из двух пластин из пьезоматериала, между которыми находится металлический электрод, соединенный с выходной проводкой. Пластины изолированы от корпуса, служащего «массой». Гайка из диэлектрического материала отделяет выходной провод от корпуса.

Пьезорезонансный

Принцип действия похож на предыдущий, но в качестве рабочего элемента применяются кристаллы кварца. Кристалл крепится к рабочей пластине, передающей давление. При деформации плоскости, изменяется частота колебаний кристалла. Данные свойства дают несомненные преимущества этому виду преобразователей:

  • Точность измерений.
  • Долговечность.
  • Работа с широкой разницей температур.
  • Возможность управления сигналом микропроцессором.

Пьезорезонансные элементы получили большую популярность для точной калибровки измеряемой физической величины, применяются в газовых скважинах, барометрах.

Резистивный

Эти преобразователи недорогие и простые по конструкции. Недостатком таких датчиков служит пониженная точность измерения давления. Принцип действия заключается в изменении сопротивления резистора при надавливании на рабочий элемент.

В его состав входит пленка из полупроводникового материала, проводник со связанными электродами, пластина, создающая пространство между проводником и полупроводником, слои из диэлектриков.

При приложении силы на полупроводниковую пленку, она начинает контактировать с электродами проводника через пластину, сохраняющую зазор, датчик начинает выдавать сигнал. Эти приборы не точные, их можно применять скорее для регистрации давления, но не для его измерения.

Советы по выбору и применению

При выборе датчика для своих потребностей нужно учитывать такие факторы:

  • Наличие воздействий на оборудование извне (электромагнитные поля, вибрации, агрессивная среда).
  • Диапазон измеряемой величины.
  • Температурные показатели измеряемого воздуха и окружающей среды.
  • Точность требуемых замеров.
  • Целесообразный тип выходного сигнала.
  • Влажность помещения, где будет установлен прибор.

Также, необходимо учесть вид измеряемого давления, его разброс, класс защиты прибора и материал корпуса.

Источник

Поделиться с друзьями
Моя стройка
Adblock
detector