Преобразователи давления - классификация и принципы работы
Преобразователи давления играют ключевую роль в каждом аспекте промышленного и коммерческого мира, поскольку каждая система гидравлической энергии (основанная на газе или жидкости) зависит от точного мониторинга и контроля давления.
Основные определения
Преобразователи давления, как правило, меньше описаны по сравнению с другими типами промышленных изделий. Для большей наглядности полезно сравнить датчики давления с чрезвычайно похожими, но не идентичными, устройствами.
Термин «датчик давления» часто используется как синоним «преобразователь давления». Однако между этими двумя терминами существуют различия, которые следует отметить. С технической точки зрения датчик - это устройство, которое обнаруживает физические явления или изменения и реагирует на них. С другой стороны, преобразователь не только воспринимает физические явления, но и переводит (или преобразовывает) информацию, которую он принимает, в другой, более легко интерпретируемый формат. Манометры, возможно, являются лучшим примером устройства, которое функционирует как датчик, не обязательно дублируя его в качестве преобразователя. Аналоговые манометры, в частности, воспринимают механическую силу и реагируют на нее без необходимости перенастраивать ее в немеханические форматы. Преобразователи, по определению, должны всегда выполнять преобразование в дополнение к считыванию. Практически, приравнивание этих двух терминов обычно работает, поскольку подавляющее большинство датчиков давления также являются преобразователями давления. По-прежнему полезно учитывать техническое различие между ними.
Также следует провести различие между датчиками давления и тензодатчиками. Границы между датчиками давления и тензодатчиками в значительной степени размыты. Тензодатчики обычно определяются как датчики давления, которые преобразуют механическую силу в значимый электрический выход. На выходе тензодатчика появляется напряжение, из этого следует, что большинство датчиков давления также можно рассматривать как тензодатчики. Ключевой момент, о котором следует помнить, заключается в том, что не каждый тип датчика давления обязательно является тензодатчиком. Например, есть датчики давления, которые производят оптический (а не электрический) выходной сигнал. Кроме того, датчики давления часто специально измеряют давление, которое определяется как сила, действующая на прикладываемую область или поверхность (измеряемая в паскалях, барах, фунтах на кв. дюйм и т.д.). Датчики нагрузки, в основном, просто и непосредственно измеряют силу, измеряемую в ньютонах.
Производство
В настоящее время высокоточные датчики давления изготавливаются с использованием различных материалов. Основные части датчиков выполнены из нержавеющей стали, меди, керамики, титана, углерода и многих других. Материалы (части преобразователя, которые вступают в контакт со средой/жидкостью под давлением) могут быть изготовлены из несколько другого диапазона материалов, который включает не только ранее упомянутые металлы (например, нержавеющую сталь), но также бронзу, пластики, стекло и даже кремний. Датчики давления могут сильно различаться как по размеру, так и по материалу конструкции. Среднее давление, измеряемое датчиками - около одного кубического дюйма. Однако они изготавливаются и менее 1/100 кубического дюйма.
Как они работают
Несмотря на то, что существует множество типов датчиков давления, все они работают в соответствии с одними и теми же основными принципами. В частности, датчики преобразуют механическое давление в значимые электрические сигналы путем отклонения в них чувствительного, измерительного элемента. Этот чувствительный элемент может принимать форму трубки Бурдона, сильфона или диафрагмы. Отклонение и соответствующие деформации в этих чувствительных элементах производят пропорциональные электрические изменения - например, изменения электрического удельного сопротивления - которые затем могут быть интерпретированы и коррелированы для того, чтобы сделать вывод о существовании и изменениях механического давления.
Нагрузочные элементы представляют собой чувствительные элементы (изготовленные из таких материалов, как кремний, поликремниевая пленка, металлическая фольга и т.д.), которые изменяют электрическое сопротивление по мере того, как механическое давление деформирует их. Как правило, датчик деформируется на вторичной стадии процесса, так как давление изначально деформирует первичный чувствительный элемент (например, диафрагму), к которому подключен датчик. Кроме того, элементы нагрузки обычно подключаются в конфигурации, хорошо известной, как схема моста Уитстона, которая усиливает и максимизирует выходной сигнал датчика. Датчики давления, использующие этот тип технологии, обычно имеют форму банок и идеально подходят для применения под высоким давлением.
Другие преобразователи давления выводят изменение давления из уменьшения электрической емкости (т.е. способности накапливать электрический заряд) при деформации диафрагмы. Соответственно, такие преобразователи известны как емкостные преобразователи давления. В целом, они используются для применения низкого давления (например, около 40 бар).
Преобразователи давления, которые не зависят от отклонения датчика, чтобы измерить и преобразовать давление, действительно существуют. Резонансные преобразователи давления получили свое название из-за коррелирующих изменений давления с изменениями резонансной частоты чувствительного механизма. Иногда резонирующий элемент непосредственно подвергается воздействию измеряемой среды, делая резонансную частоту зависимой от плотности среды. Другим примером преобразователя давления без отклонения является датчик теплового давления (такой как датчик Пирани), который вычисляет изменение давления на основе изменений теплопроводности газа.
Типы
Датчики давления могут быть классифицированы несколькими способами, в том числе по типу измеряемого ими давления, диапазону измеряемого давления и диапазону рабочих температур. Ниже приводится обзор некоторых различных подходов к классификации.
Классификация по типам выходных данных
Для работы преобразователей давления обычно требуется подключение электроэнергии от источника (в отличие от аналоговых счетчиков). Как упоминалось ранее, они в основном характеризуются их способностью генерировать электрические выходные сигналы на основе обнаружения давления. Такой электрический выход может принимать форму напряжения (например, мВ или В), тока (например, мА) или частоты.
Преобразователи, генерирующие милливольты, часто не превышают 30 мВ и очень чувствительны к изменениям возбуждения. С другой стороны, преобразователи, генерирующие вольты, способны производить более высокую электрическую мощность благодаря наличию интегральной обработки сигнала. В отличие от мВ преобразователей, их мощность прямо не пропорциональна изменениям в возбуждении. Преобразователи, генерирующие ток, также известны как датчики давления.
Как упоминалось выше, некоторые из преобразователей давления вообще не генерируют выходные электрические сигналы. Наиболее распространенной альтернативой выходу электрического сигнала является выход оптического сигнала. Многие преобразователи давления для измерения механической деформации и соответствующих изменений давления основаны на оптическом выходе и зависят от физических изменений в оптическом волокне. Аналогично, другие преобразователи давления используют слоистую эластичную пленку для вывода изменений давления по изменению отраженных оптических длин волн.
Классификация по различным стандартам измерения
Один подход к классификации датчиков давления вращается вокруг стандарта, который они используют для работы. С этой точки зрения все датчики давления можно разделить на пять основных категорий: датчики герметичного давления, датчики избыточного давления, вакуумные датчики давления, датчики абсолютного давления и датчики перепада давления.
Датчики избыточного давления измеряют давление относительно атмосферного (или барометрического) давления. Атмосферное давление создается из веса воздуха в атмосфере Земли.
Герметичные датчики давления измеряют давление относительно заданного фиксированного давления (которое может коррелировать или не коррелировать с окружающим атмосферным давлением).
Для измерения давления ниже атмосферного используются вакуумные датчики давления. Они идеально подходят для демонстрации разности между указанным низким давлением и атмосферным давлением.
Датчики абсолютного давления, которые вычисляют давление относительно идеального вакуума (состояние, в котором нет частиц). В отличие от датчиков избыточного давления, датчики абсолютного давления включают атмосферное давление в свои расчеты общего давления.
Датчики перепада давления измеряют разность между двумя или более давлениями, обнаруживаемыми в различных точках датчика. Они используются для оценки расхода и перепадов давления внутри сосудов под давлением или закрытых сосудов.
Категоризация по измеряемым параметрам
Иногда датчики давления просто классифицируются по конкретным параметрам, которые они используют для измерения (например, датчик артериального давления). Одна из основных групп датчиков давления состоит из сенсоров давления воздуха. Сенсоры давления воздуха обычно используются с пневматическими инструментами или воздушными компрессорами для определения давления воздушного потока и предоставления удобоваримого считывания этого измерения наблюдателям. Одним из важных типов датчиков давления воздуха являются сенсоры атмосферного (или барометрического) давления, которые используются для измерения и обеспечения показаний атмосферного давления в метеорологических целях. В целом, сенсоры давления воздуха, как правило, являются датчиками абсолютного давления или датчиками перепада давления.
Категоризация для конкретного приложения
Часто датчики давления просто классифицируются по многим типам приложений, для которых они используются. Примеры таких датчиков давления включают датчики, устанавливаемые на плате ПК, датчики давления для тяжелых условий эксплуатации/промышленные датчики давления и датчики давления при высоких температурах. В целом, датчики давления могут быть адаптированы или настроены для множества различных применений, включая измерение высоты (полезно для аэрокосмических и навигационных приложений), измерение расхода, тестирование на герметичность и измерение давления (необходимо для метеорологических приборов, функционирования автомобилей, эксплуатации самолетов и химической обработки).
Категоризация по размеру
Тип датчика давления, который главным образом определяется его размером, представляет собой миниатюрный преобразователь давления. Эти очень маленькие датчики предназначены для применения в критических процедурах, таких как биологические и медицинские процедуры, когда инструменты должны быть максимально «ненавязчивыми». Большинство миниатюрных датчиков имеют погрешность менее одного процента. Их точность обеспечивается с помощью соответствующих систем калибровки и резервного копирования.
Аксессуары
Для получения дополнительных результатов операторы часто используют дополнительные устройства и механизмы в сочетании с датчиками давления, такими как регуляторы давления, калибраторы давления, датчики уровня, датчики крутящего момента, датчики температуры и интегральные схемы.
Регуляторы давления обеспечивают большее наблюдение и управление величиной давления, проходящего через систему, и обычно программируются; если давление превышает порог безопасности, обозначенный запрограммированной точкой, регулятор предупредит операторов. Регуляторы давления особенно полезны в сочетании с мВ преобразователями.
Калибраторы давления вычисляют давление, расход и уровень определенных приборов системы и сообщают о них с целью обеспечения безопасной и эффективной работы. Подключенные к установленной системе, они получают от нее входные данные, которые затем могут сравниваться с входными данными датчика системы. Это сравнение помогает операторам быстро определить, правильно ли работает их датчик.
Датчики уровня измеряют уровни таких переменных, как твердые частицы, суспензии или жидкости в данном пространстве. Как правило, датчики уровня сигнализируют или активируют выключение, если увеличение слишком велико для безопасной работы.
Как датчики крутящего момента, так и датчики температуры расширяют возможности датчиков давления путем измерения вращательного движения и теплосодержания (соответственно). Датчики крутящего момента (также называемые сенсорами крутящего момента или преобразователями крутящего момента) получают свои показания путем измерения как статического, так и динамического скручивания во вращающейся системе. Температурные преобразователи могут либо делать выводы дистанционно, либо непосредственно (основываясь на своих показаниях на тепловом излучении по первому сценарию или буквально погружаясь в вещество).
Интегральная схема (ИС) также известна как кремниевая микросхема или микрочип. Это, по сути, миниатюрная электронная схема. Интегральные чипы все чаще используются датчиками давления для связи с другим оборудованием и поддержания уровня точности.
Рекомендации
При выборе датчика давления разумно определить приоритеты в Вашем специализированном применении и соответственно выбрать устройство. Например, милливольтовые преобразователи популярны, потому что они очень экономичны. С другой стороны, они очень уязвимы для электрических шумов или помех. Если вы будете использовать датчик давления в промышленной среде, выбор датчика с более высоким выходным напряжением может быть более разумным. Если датчик давления должен работать на большом расстоянии, датчик, генерирующий напряжение в любой форме волн переменного тока, может быть вовсе не идеальным решением. Лучше всего выбрать передатчик давления, который наиболее устойчив к электрическим помехам и может иметь подводящие провода длиной более тысячи футов.
Одним из важных аспектов выбора датчика давления является учет физических угроз для датчика. Как и большинство промышленных изделий, датчики давления являются сложными, но уязвимыми элементами оборудования, с которыми следует обращаться осторожно, чтобы максимизировать их использование. Хотя датчики давления предназначены для работы в различных условиях, их использование в условиях, для которых они специально не предназначены, является простым способом вывести их из строя.
Избыточное давление представляет собой особенно опасную угрозу для датчиков давления (одним из наиболее распространенных показателей того, что датчик давления был перегружен, является сдвиг вверх от нулевого значения.) Одним из лучших способов борьбы с избыточным давлением является принятие упреждающей стратегии во время первоначального процесса отбора. Многие производители или поставщики датчиков давления рекомендуют выбирать датчики давления с максимальными диапазонами давления, которые значительно превышают ожидаемые рабочие диапазоны, чтобы получить запас прочности от неожиданных скачков давления и избыточного давления. Вообще говоря, ожидаемые рабочие диапазоны должны составлять 50-60% от максимального рабочего давления датчика давления. Также от избыточного давления могут быть приняты другие меры безопасности для продления срока службы и повышения эффективности датчиков. Одной из распространенных стратегий является использование компенсаторов, отверстий, которые устанавливаются в трубопроводах для защиты преобразователя от скачков давления. Экстремальные колебания температуры являются еще одной серьезной угрозой для работоспособности датчиков давления. Несмотря на то, что преобразователи предназначены для работы независимо от переменных, не зависящих от давления, экстремальная температура оказывает влияние на них, поскольку преобразователи часто состоят из нескольких различных материалов. Опять же, принятие упреждающей стратегии при выборе преобразователя помогает смягчить эту угрозу. Если вы знаете, что будете использовать датчик при высокой температуре, следует использовать только датчики давления при высокой температуре.
Рекомендации по выбору поставщика датчика давления
При выборе поставщика датчика давления применяются некоторые стандартные соображения. Ищите поставщика, который имеет большой опыт, широкий ассортимент продукции и т.д. Как и в случае самого термина «датчик давления», многие жаргоны и многие стандарты публикации в области датчиков не определены строго. Чтобы привести единственный пример, опубликование стандартов разрешения (минимальное изменение давления, которое может обнаружить данный преобразователь), как правило, является очень противоречивым среди производителей; одни, публикуют максимальные значения разрешения, а другие - средние значения разрешения. Задавая целевые вопросы по таким темам, вы обнаружите уровень компетентности поставщика, а также его обязательства по обслуживанию клиентов, что позволит вам принять обоснованное решение.
