Распространенные типы датчиков давления
Датчики давления - это устройства, которые преобразуют величину физического давления, оказываемого на датчик, в выходной сигнал, который можно использовать для определения количественного значения давления. Существует множество различных типов датчиков давления, которые функционируют аналогично, но полагаются на различные базовые технологии для преобразования давления в выходной сигнал. В этой статье будут рассмотрены наиболее распространенные типы датчиков давления, описаны принципы работы датчиков давления, рассмотрены общие спецификации, связанные с датчиками давления, и представлены примеры приложений.
Следует отметитьб что датчики давления отличаются от манометров. Манометры по своей конструкции обеспечивают прямое считывание значения давления, называемого манометрическим давлением. Это может быть аналоговый (механический) дисплей с использованием стрелки и градуированной шкалы или прямой цифровой дисплей показаний давления. Датчики давления, с другой стороны, напрямую не обеспечивают считываемый выходной сигнал давления, а вместо этого генерируют значение выходного сигнала, которое пропорционально показанию давления, но которое сначала необходимо подготовить и обработать, чтобы преобразовать уровень выходного сигнала в калиброванное считывание давления.
Датчики давления и преобразователи давления
Есть несколько общих терминов, связанных с устройствами для измерения давления, которые часто используются как взаимозаменяемые. Эти термины - датчики давления и преобразователи давления. Производители и поставщики этих устройств могут использовать один или несколько из этих терминов для описания своих продуктовых предложений. Как правило, основное различие между этими терминами связано с генерируемым электрическим выходным сигналом и выходным интерфейсом устройства. Имейте в виду, что у разных поставщиков есть различия в том, как классифицируются их устройства.
Один из способов понять разницу между датчиками давления и преобразователями давления состоит в том, что в датчики давления не встроена электроника, обеспечивающая согласование сигнала и усиленный выходной сигнал, в отличие от двух других.
Датчики давления, хотя и используются как общий термин для всех этих типов устройств, обычно вырабатывают выходной сигнал в милливольтах. Относительно низкое выходное напряжение в сочетании с потерями сопротивления, которые происходят с проводкой, подразумевает, что длина проводов должна быть небольшой, что ограничивает использование устройств примерно 10-20 футами от электроники, прежде чем возникнут слишком большие потери сигнала. Выходной сигнал будет пропорционален напряжению питания, используемому с датчиком. Так, например, датчик, который генерирует выходной сигнал 10 мВ / В, используемый с источником питания 5 В постоянного тока, будет генерировать выходной сигнал в диапазоне от 0 до 50 мВ по величине. Милливольтные выходы позволяют инженеру спроектировать преобразование сигнала в соответствии с требованиями приложения и помогают снизить как стоимость, так и размер корпуса датчика. Ограничения этих устройств заключаются в том, что необходимо использовать регулируемые источники питания, поскольку выходная мощность на полномасштабном уровне пропорциональна напряжению питания. Кроме того, низкий выходной сигнал означает, что эти устройства менее подходят для использования в электрически зашумленной среде. Иллюстрация полумостовой схемы с выходом в милливольтах показана на рисунке ниже.
Рисунок 1: Датчик давления тензодатчика с использованием моста Уитстона
Датчики давления генерируют более высокий уровень выходного напряжения или частоты за счет наличия дополнительных встроенных возможностей усиления сигнала для повышения амплитуды выходного сигнала, скажем, до 5 В или 10 В, и частотного выхода до 1-6 кГц. Повышенная мощность сигнала позволяет использовать датчики давления на большем расстоянии от электроники, скажем, в 20 футах. Эти устройства используют более высокий уровень напряжения питания, например 8–28 В постоянного тока. Более высокое выходное напряжение снижает потребление тока, что позволяет использовать датчики давления в условиях, где оборудование работает от батарей.
В то время как датчики давления и преобразователи давления генерируют выходной сигнал напряжения, устройства мониторинга давления выдают выходной ток с низким сопротивлением, обычно используемый в качестве аналоговых сигналов 4–20 мА в 2-проводной или 4-проводной конфигурации. Такие устройства обладают хорошей устойчивостью к электрическим помехам (EMI / RFI) и поэтому подходят для условий, где необходимо передавать сигналы на большие расстояния.
Для простоты, в дальнейшем в этой статье мы будем использовать общий термин "датчики давления".
Терминология
В этом разделе представлена основная терминология, относящаяся к датчикам давления.
- Избыточное давление - это измерение давления относительно давления окружающей среды. Типичным примером этого является использование манометра для измерения давления воздуха в автомобильной шине. Если манометр показывает 35 фунтов на квадратный дюйм, это означает, что давление в шинах на 35 фунтов на квадратный дюйм выше местного давления окружающей среды.
- Абсолютное давление - это измерение, производимое относительно чистого вакуума, такого как космический вакуум. Этот тип измерения давления важен в аэрокосмической технике, поскольку давление воздуха изменяется с высотой.
- Дифференциальное давление - это измерение разности давлений между двумя значениями давления, следовательно, измерение того, насколько они отличаются друг от друга, а не их величины относительно атмосферного давления или другого эталонного давления.
- Вакуумное давление - это измерение давления, значения которого находятся в отрицательном направлении по отношению к атмосферному давлению.
На рисунке ниже эти термины показаны на диаграмме, показывающей относительные отношения между каждым из них.
Рисунок 2: Взаимосвязь различных измерений давления
Технологии измерения давления
Для измерения давления используются шесть технологий первичных датчиков давления. Это:
- Потенциометрические датчики давления
- Индуктивные датчики давления
- Емкостные датчики давления
- Пьезоэлектрические датчики давления
- Датчики тензометрического давления
- Датчики давления с переменным сопротивлением
Потенциометрические датчики давления используют трубку Бурдона, капсулу или сильфон, которые приводят в движение рычаг стеклоочистителя, обеспечивая относительно нормальные измерения давления.
Индуктивные датчики давления используют линейный регулируемый дифференциальный трансформатор (LVDT) для изменения степени индуктивной связи, которая возникает между первичной и вторичной обмотками трансформатора.
В емкостных датчиках давления используется диафрагма, которая отклоняется под действием приложенного давления, что приводит к изменению значения емкости, которая затем может быть откалибрована для получения показаний давления.
Пьезоэлектрические датчики давления основаны на способности таких материалов, как керамика или металлизированный кварц, генерировать электрический потенциал, когда материал подвергается механической нагрузке.
Датчики давления с тензометрическим датчиком основаны на измерении изменения сопротивления, которое происходит в таком материале, как кремний, когда он подвергается механическому воздействию, известному как пьезорезистивный эффект.
В датчиках давления с переменным сопротивлением используется диафрагма, заключенная в магнитную цепь. Когда к датчику прикладывается давление, отклонение диафрагмы вызывает изменение сопротивления контура, и это изменение можно измерить и использовать в качестве индикатора приложенного давления.
Типы датчиков давления
С помощью датчика давления можно проводить измерения давления для определения диапазона различных значений и различных типов давления в зависимости от того, выполняется ли измерение давления относительно атмосферы, условий вакуума или других эталонных уровней давления. Датчики давления - это инструменты, которые могут быть спроектированы и настроены для определения давления по этим переменным. Датчики абсолютного давления предназначены для измерения давления относительно вакуума, и в них используется эталонный вакуум, заключенный внутри самого датчика. Эти датчики также могут измерять атмосферное давление. Точно так же датчик избыточного давления определяет значения, относящиеся к атмосферному давлению, и часть устройства обычно находится в условиях окружающей среды. Это устройство можно использовать для измерения артериального давления.
Важным аспектом процессов определения промышленного давления является сравнение нескольких уровней давления. Датчики перепада давления используются для этих приложений, которые могут быть сложными из-за наличия как минимум двух различных давлений на одной механической конструкции. Датчики перепада давления имеют относительно сложную конструкцию, поскольку они часто необходимы для измерения мельчайших перепадов давления при больших статических давлениях. Принципы трансдукции и механического измерения давления являются общими для большинства стандартных датчиков давления, независимо от их категории как приборы дифференциального, абсолютного или манометрического давления. Ниже мы рассмотрим наиболее распространенный тип датчиков давления.
Датчики анероидного барометра
Барометр-анероид состоит из полого металлического корпуса с гибкими поверхностями сверху и снизу. Каков принцип работы датчика атмосферного давления? Изменения атмосферного давления заставляют этот металлический корпус изменять форму, а механические рычаги усиливают деформацию, чтобы обеспечить более заметные результаты. Уровень деформации также можно повысить, изготовив датчик в сильфонной конструкции. Рычаги обычно прикреплены к циферблату со стрелкой, который переводит деформацию под давлением в масштабированные измерения или на барограф, который регистрирует изменение давления во времени. Датчики-анероидные барометры компактны и долговечны, в их работе не используется жидкость. Однако масса элементов измерения давления ограничивает скорость отклика устройства, что делает его менее эффективным для проектов измерения динамического давления.
Датчики манометра
Манометр - это датчик давления жидкости, имеющий относительно простую конструкцию и более высокий уровень точности, чем у большинства анероидных барометров. Он выполняет измерения, регистрируя влияние давления на столб жидкости. Наиболее распространенной формой манометра является U-образная модель, в которой давление прикладывается к одной стороне трубки, вытесняя жидкость и вызывая падение уровня жидкости на одном конце и соответствующее повышение на другом. Уровень давления обозначается разницей в высоте между двумя концами трубки, и измерение производится по шкале, встроенной в устройство.
Точность считывания можно повысить, наклонив одну из ножек манометра. Также можно прикрепить резервуар для жидкости, чтобы сделать уменьшение высоты одной из ножек незначительным. Манометры могут быть эффективными в качестве манометрических датчиков, если одна ветка U-образной трубки выходит в атмосферу, и они могут функционировать как дифференциальные датчики, когда давление прикладывается к обеим ногам. Однако они эффективны только в определенном диапазоне давления и, как и барометры-анероиды, имеют низкую скорость отклика, что неадекватно для измерения динамического давления.
Датчики давления с трубкой Бурдона
Хотя они работают в соответствии с теми же основными принципами, что и анероидные барометры, в трубках Бурдона вместо полой капсулы используется спиральный или С-образный чувствительный элемент. Один конец трубки Бурдона зафиксирован в соединении с давлением, а другой конец закрыт. Каждая трубка имеет эллиптическое поперечное сечение, которое заставляет трубку выпрямляться при приложении большего давления. Инструмент будет продолжать выпрямляться до тех пор, пока давление жидкости не сравняется с упругим сопротивлением трубки. По этой причине разные материалы трубок связаны с разными диапазонами давления. Зубчатый механизм прикреплен к закрытому концу трубки и перемещает указатель по шкале с градуировкой для получения показаний. Устройства с трубкой Бурдона обычно используются в качестве датчиков избыточного давления и дифференциальных датчиков, когда две трубки соединены с одним указателем.
Датчики давления вакуума
Давление вакуума ниже атмосферного, и его может быть сложно обнаружить механическими методами. Датчики Пирани обычно используются для измерений в диапазоне низкого вакуума. Эти датчики основаны на нагретом проводе, электрическое сопротивление которого зависит от температуры. Когда вакуумное давление увеличивается, конвекция уменьшается, а температура проволоки повышается. Электрическое сопротивление увеличивается пропорционально и калибруется по давлению, чтобы обеспечить эффективное измерение вакуума.
Ионные датчики или датчики с холодным катодом обычно используются для приложений с более высоким вакуумом. Эти инструменты основаны на нити накала, которая генерирует эмиссию электронов. Электроны переходят на сетку, где они могут сталкиваться с молекулами газа, тем самым вызывая их ионизацию. Устройство для сбора заряженных частиц притягивает заряженные ионы, и количество накапливаемых им ионов напрямую соответствует количеству молекул в вакууме, что обеспечивает точное считывание давления в вакууме.
Герметичные датчики давления
Герметичные датчики давления используются, когда требуется получить измерение давления относительно эталонного значения (например, атмосферного давления на уровне моря), но когда невозможно открыть датчик непосредственно для этого эталонного давления. Например, на подводных транспортных средствах герметичный датчик давления может использоваться для определения глубины транспортного средства путем измерения давления окружающей среды и сравнения его с атмосферным давлением, имеющимся в герметичном устройстве.
Технические характеристики датчика давления
Датчики давления обычно имеют размер и определяются несколькими общими параметрами, которые показаны ниже. Обратите внимание, что спецификации для этих устройств могут отличаться от производителя к производителю, а также обратите внимание, что характеристики могут отличаться в зависимости от конкретного типа датчика давления, полученного от источника. Базовое понимание этих спецификаций упростит процесс поиска или определения одного из этих датчиков.
- Тип датчика - отражает тип давления, на которое рассчитан датчик. Это может включать абсолютное давление, сложное давление, дифференциальное давление, манометрическое давление или вакуумное давление.
- Диапазон рабочего давления - обеспечивает диапазон давлений, в котором датчик может работать и генерировать выходной сигнал.
- Максимальное давление - абсолютное максимальное значение давления, при котором устройство может надежно работать без повреждения датчика. Превышение максимального давления может привести к отказу устройства или неточному выходному сигналу.
- Полная шкала - это разница между максимальным давлением, которое может измерить датчик, и нулевым давлением.
- Тип выхода - описывает общий характер характеристик выходного сигнала датчика давления. Примеры включают аналоговый ток, аналоговое напряжение, частоту или другие форматы.
- Выходной уровень - диапазон выходного сигнала, например, 0-25 мВ, связанный с датчиком давления в пределах его рабочего диапазона. Для выходных электрических сигналов это обычно будет диапазон милливольт или вольт, или диапазон выходного тока в миллиамперах.
- Точность - мера отклонения в измерениях между уровнем давления, определяемым выходным сигналом датчика, и истинным значением давления. Точность часто выражается в виде диапазона единиц давления +/- (например, фунт / кв. Дюйм или миллибар) или ошибки +/- в процентах. Точность датчиков давления обычно определяется по прямой, наилучшим образом подходящей для значений выходных сигналов, по отношению к различным показаниям приложенного давления.
- Разрешение - представляет собой наименьшую разницу выходного сигнала, которую может различить датчик.
- Дрейф - мера постепенного изменения откалиброванного состояния датчика с течением времени.
- Напряжение питания - величина источника напряжения, необходимого для питания датчика давления, измеряется в вольтах, чаще всего выражается как допустимый диапазон входного напряжения.
- Диапазон рабочих температур - крайние значения температуры (высокие и низкие), при которых датчик рассчитан на надежную работу и выдачу выходного сигнала.
Применение датчиков давления
Датчики давления находят широкое применение в целом ряде рынков, включая медицину, общепромышленность, автомобилестроение, HVAC (отопление/вентиляция/кондиционер), и энергетику, и это лишь некоторые из них. Важно понимать, что, хотя эти устройства измеряют давление, их можно использовать для выполнения других важных измерений, поскольку существует взаимосвязь между зарегистрированным давлением и значениями этих других параметров.
Ниже приведены некоторые примеры использования датчика давления:
- В автомобильных тормозных системах датчики давления могут использоваться для обнаружения неисправностей в гидравлических тормозах, которые могут повлиять на их работоспособность.
- В автомобильных двигателях используются датчики давления для оптимизации топливовоздушной смеси при изменении условий движения и для контроля уровня давления масла в работающем двигателе.
- Датчики давления в автомобилях могут использоваться для обнаружения столкновений и активации устройств безопасности, таких как подушки безопасности.
- В аппаратах ИВЛ (искусственной вентиляции легких) датчики давления используются для контроля давления кислорода и для помощи в управлении смесью воздуха и кислорода, подаваемой пациенту.
- В гипербарических камерах используются датчики давления для отслеживания и контроля давления, применяемого в процессе лечения.
- Датчики давления используются в устройствах спирометрии, которые измеряют емкость легких пациентов.
- В автоматизированных системах доставки лекарств, которые вводят лекарство пациенту в виде внутривенных жидкостей, используются датчики давления для доставки нужной дозировки в нужное время суток.
- В системах HVAC датчики давления могут использоваться для контроля состояния воздушных фильтров. Поскольку фильтры забиваются твердыми частицами, перепад давления на фильтре возрастает и может быть обнаружен.
- Скорость воздушного потока можно контролировать с помощью датчиков давления, поскольку скорость воздушного потока пропорциональна разности давлений.
- В промышленных процессах датчики давления могут обнаруживать засорение фильтра в технологическом потоке, оценивая разницу между давлением на входе и выходе.
- Уровни жидкости в баке можно эффективно контролировать с помощью датчиков давления, размещенных на дне бака. По мере того, как уровень жидкости в резервуаре уменьшается, давление напора (вызванное весом объема жидкости над датчиком) также уменьшается. Это измерение является прямым индикатором количества жидкости в резервуаре и не зависит от формы резервуара, а зависит исключительно от высоты жидкости. Здесь датчики давления представляют собой альтернативу другим формам датчиков уровня жидкости.
- Улучшенное местоположение GPS обеспечивается датчиками давления. Измерение высоты может быть сделано путем определения барометрического давления из-за взаимосвязи между барометрическим давлением и высотой в атмосфере.
- В высокоэффективных стиральных машинах могут использоваться датчики давления для определения объема воды, который следует добавить для очистки партии грязной одежды, что позволяет наилучшим образом использовать природные ресурсы.
- Датчики давления используются в носимых устройствах для наблюдения за пациентами и пожилыми людьми в условиях проживания с обслуживанием, определения того, когда могло произойти падение, и уведомления персонала или члена семьи. Измеряя небольшие изменения давления воздуха порядка 2 миллибар, эти датчики могут обнаруживать изменение высоты на расстоянии порядка 10 см.
