Как правильно подобрать преобразователь (датчик) давления?

Одной из наиболее важных физических величин после температуры является давление. Именно эта физическая величина во многих технологических процессах является определяющей. Преобразователи давления используются для выполнения измерений и постоянного преобразования давления в унифицированный выходной сигнал напряжения, постоянного тока или в цифровой сигнал.
Применяются датчики давления в различных регуляторах и других автоматических устройствах в системах автоматического регулирования, контроля и управления технологическими процессами в системах отопления, водообработки, кондиционирования и вентиляции; холодильной технике, гидравлических системах, счетчиках и расходомерах; тормозных системах; дизельных двигателях; уровнемерах, в разнообразных испытательных стендах и т.д.
Индустриальные измерения и контрольно-измерительное оборудование используются в очень большом числе сфер промышленности - от фармакологической отрасли и до атомной сферы, а также и в пищевой промышленности. Отсюда следует вывод, что везде необходимы и преобразователи уровня, и преобразователи давления.
Принцип работы датчиков давления основан на упругой деформации чувствительного элемента - сенсора. Именно на этот чувствительный элемент и нанесены полупроводниковые тензорезисторы, которые включены по схеме моста Уинстона. Давление, которое требуется измерить, подводят в рабочую полость датчика через штуцер. Это и вызывает деформирование диафрагмы. Таким образом, происходит изменение геометрии резисторов, которые находятся с диафрагмой в достаточно тесной механической связи, а, соответственно, и к изменению сопротивления резисторов. Таким образом, приложенное давления, то есть механический вход, преобразуется в изменение сопротивления, то есть электрический выход.
В данной статье предлагается нижеописанный алгоритм, который поможет правильно выбрать датчик давления для определенного его использования:
Тип давления, которое требуется измерить
Преобразователи давления выполняют измерения разности двух видов давлений, которые воздействуют на измерительную мембрану, то есть чувствительный элемент, датчика давления. Одно из этих двух давлений - это давление, которое измеряется, а второе давление - опорное, иными словами то давление, относительно которого выполняется отсчет измеряемого давления. В соответствии с видом опорного давления все датчики давления можно подразделить на описанные ниже типы.
Подавляющее большинство преобразователей давления имеют специальные модификации для выполнения измерения как избыточного, так и абсолютного давлений, в том числе давления разряжения.
Преобразователи абсолютного давления
Этот тип преобразователей предназначен для выполнения измерений величины абсолютного давления газообразных и жидких сред. В роли опорного давления выступает вакуум. Воздух, который находится во внутренней полости чувствительного элемента датчика, откачивается. К примеру, барометр является частным случаем датчика абсолютного давления.
Преобразователи относительного или избыточного давления
Этот тип преобразователей давления предназначены для выполнения измерений величины избыточного давления газообразных и жидких сред. Опорное давление, по сути, является тем же атмосферным давлением; таким образом, одна из сторон мембраны соединяется с атмосферной средой.
Преобразователи перепада или разности давления или дифференциального давления
Этот тип преобразователей предназначен для выполнения измерений разности давления среды и применяется для выполнения измерений расхода пара, газа, жидкостей и их уровня. Давление подается на одну и другую стороны мембраны, и именно от разности давления зависит сигнал, который получается на выходе.
Преобразователи гидростатического давления или, как их еще называют, преобразователи уровня
Этот тип преобразователей предназначен для выполнения преобразований гидростатического давления среды, которую контролируют, в сигналы постоянного тока. Проводят измерения давления столба жидкости, которое зависит только от высоты этого столба жидкости и от плотности самой данной жидкости. Дыхательная или, иными словами, капиллярная трубка компенсирует изменения атмосферного давления.
Преобразователи вакууметрического давления или преобразователи разряжения
Этот тип преобразователей предназначен для выполнения измерений величины вакуумметрического давления газообразных и жидких сред. Опорное давление в данных датчиках также является атмосферным. Но следует знать, что в отличие от датчиков избыточного давления, измеряемое давление здесь меньше атмосферного, то есть существует разряжение относительно атмосферы.
Преобразователи избыточного давления-разряжения
Этот тип преобразователей представляют собой сочетание датчиков вакуумметрического и избыточного давлений, то есть измеряют как разряжение, так и давление, к примеру, -1…6 бар.
Среда, в которой будет использоваться датчик
Для того, чтобы работа датчика была надежной, требуется выбирать такие материалы элементов, которые контактируют с средой измерения, например, кабеля, фланцев, мембран и уплотнительных колец, которые являются химически устойчивыми к этим средам. К примеру, для разнообразных сред эксплуатации материалом для мембран сенсоров может служить керамика, титановый сплав, чистый титан, нержавеющая сталь, хастеллой и другие разнообразные материалы. Материал кабеля наиболее важен для датчиков давления, которые классифицируются как погружные гидростатические. Например, для питьевой воды отличным вариантом будет выступать полиэтиленовый PE кабель, для неагрессивных же сред в промышленности отлично подойдет полиуретановый PUR кабель. Если же пользователь собирается применять датчик давления в агрессивной среде или в топливе, то наиболее правильным решением будет являться термопластичный эластомер или тефлон.
Климатическое исполнение
Преобразователи, кроме всего вышесказанного, также имеют отличия и по характеристике климатического исполнения. Требуется обращать особое внимание на климатические условия, а именно влажность, температура окружающей среды, прямое попадание солнечных лучей и воды непосредственно в месте, где установлен датчик. Все перечисленные нюансы климатических условий должны полностью соответствовать тем условиям, на которые рассчитан данный датчик. При этом необходимо обратить особое внимание на различие двух температур, которые непосредственного могут оказать влияние на работоспособность датчика: температуру среды, которая измеряется, и температуру окружающей среды. Итак, преобразователи давления могут функционировать в условиях измеряемой и окружающей среды от -55 ˚С и до 150 ˚С. Специализированные исполнения преобразователей давления способны сохранять свою работоспособность при температурах среды до +300 ˚С.
Выходной сигнал
Ниже будут рассмотрены главные типы:
Аналоговый сигнал на выходе. В виде выходного сигнала датчика давления выступает непрерывный сигнал линейного типа по напряжению или по току. Данный сигнал можно регистрировать наиболее простыми приборами, например, самым обычным бытовым тестером. Сигнал в диапазоне от 4 mA до 20 mA является наиболее распространенным выходным сигналом для датчиков давления во всем мире. Кроме этого в категорию популярных аналоговых сигналов входят сигналы, которые находятся в диапазоне от 0 В до 10 В, от 0,5 В до 4,5 В и некоторые другие.
Цифровой сигнал на выходе. В последнее время имеется огромное разнообразие различных цифровых сигналов. Но, наиболее широко применяемым можно назвать интерфейс RS485 протокол MODBUS. Он является открытым протоколом, с помощью которого становится возможным объединить в одну систему до 128 устройств с расстоянием между ними, которое максимально может достигать 1300 м.
Ратиометрический сигнал на выходе. Данный сигнал применяется на сегодняшний день пока еще достаточно редко, особенно в России, но с каждым годом популярность его использования становится все больше и больше. Главной особенностью ратиометрического сигнала, который формируется на выходе, является зависимость его значения от питающего напряжения. То есть можно говорить, что данный сигнал является безразмерным и, по сути, представляет собой процентное отношение сигнала питания. Как правило, про датчики давления с ратиометрическим сигналом на выходе говорят 0,5…4,5 В ратиометрический. Но следует обратить особое внимание, что на самом деле при этом "0,5…4,5 В" имеется в виду только при условии стабильного напряжения питания в 5 В. По этой причине с физической точки зрения правильнее будет говорить: от 0,5 В/5 В до 4,5 В/5 В. В ситуации же, когда значение питающего напряжения изменится, то пропорционально ему произойдут изменения и в выходном сигнале.
Итак, подытожим, вид используемого сигнала на выходе в первую очередь зависит от оборудования, которое уже имеется в наличии, и от задачи, которая стоит перед пользователем. Для этого требуется в полной мере изучить входы, которыми оснащены имеющееся оборудование: машины, приборы, регуляторы или контроллеры.
Точность измерений
Преобразователи давления обладают различными метрологическими характеристиками, то есть классами точности. Обычно эти показатели лавируют от 0,05 % и до 0,5 %. Наиболее точные датчики давления применяются на самых важных объектах в разнообразных промышленных отраслях.
Особое внимание необходимо посвятить вопросу стабильности работы датчиков давления. Следует помнить, что даже датчик с очень высоким показателем точности после нескольких часов беспрерывной работы при температурных циклах с широким диапазоном изменения температур начнет давать дополнительную погрешность, которая будет более 0,5% от верхнего предела диапазона измерения (ВПИ).
Некоторые типы датчиков давления выполнены во взрывозащищенном исполнение. Эти модификации могут успешно применяться для определения давления на различных взрывоопасных объектах, на которых присутствуют легко воспламеняющиеся и взрывчатые жидкости и газы. http://chastotnik.com.ua/optionsfor/;1/