Электронные датчики давления: особенности конструкций и разновидности

Точные измерительные приборы – важная составляющая деятельности всех современных отраслей хозяйства. Они служат для своевременного учета расхода разных жидкостей, нужны в работе с газовыми смесями и паром.

Кроме классических расходомеров, обладающих различными принципами действия, часто применяются еще и электронные приборы, измеряющие давление. Подобные устройства – обязательный элемент большей части измерительных комплексов и теплосчетчиков. Они часто входят в состав систем, служащих для осуществления автоматического контроля.

Так называемые датчики давления востребованы на предприятиях энергетического комплекса, в производстве продуктов питания, нефтеперерабатывающей сфере и других отраслях, где требуется знать цифровое значение давления для обеспечения бесперебойной и безопасной работы оборудования.

Что такое электронные датчики?

Электронные датчики давления воды или любой другой жидкости – это такие приборы, которые позволяют осуществлять замер параметров и их обработку специальными блоками управления и индикации. Датчик давления – это такое устройство, у которого выходные параметры напрямую зависят от того, какое давление в измеряемом месте (емкость, трубы и т. д.). Причем можно с их помощью осуществить замер любого вещества в различных агрегатных состояниях – жидком, парообразном, газообразном.

Необходимость таких приборов вызвана тем, что практически вся промышленность построена на системах автоматического управления. Человек осуществляет только настройку, калибровку, обслуживание и запуск (остановку). Работа любой системы происходит в автоматическом режиме. Но еще такие приборы часто используются в медицине.

Области применения

Датчики давления как устройства, преобразующие измеряемую величину в унифицированный цифровой сигнал, могут использоваться в сфере ЖКХ, на производстве (химическом, пищевом, нефтехимическом, в машиностроении, металлургии, судостроении, энергетике) и для проведения лабораторных экспериментов.

В жилищно-коммунальных хозяйствах и в быту такие устройства монтируются в системы теплового учета и автоматического контроля инженерных сетей. Большинство моделей универсальны и рассчитаны на использование в жидких, газообразных и химически агрессивных средах. В системах контроля за технологическими процессами (в фильтрах, насосах, открытых и закрытых емкостях) часто используются датчики дифференциального давления, а приборы, измеряющие разность давления, широко применяются на предприятиях энергетической отрасли.

Особенности конструкции элементов

Любые датчики состоят из чувствительного элемента – именно с его помощью передается воздействие на преобразователь. Также в конструкции имеется схема для осуществления обработки сигнала и корпус. Можно выделить следующие разновидности датчиков давления:

1. Пьезоэлектрические.
2. Резистивные.
3. Емкостные.
4. Пьезорезонансные.
5. Магнитные (индуктивные).
6. Оптоэлектронные.

А теперь рассмотрим каждый вид прибора более детально.

Как выбрать датчик давления

В первую очередь, необходимо определить, какой тип давления требуется измерять (вакуумное, относительное, абсолютное, избыточное). Далее следует выбрать диапазон измерения давления, учесть условия использования (тип и агрессивность рабочей среды), материал корпуса прибора, класс защиты, определить необходимость наличия аналогового или цифрового выходного сигнала и термокомпенсации (термометра).

Для удобства выбора в каталоге нашего интернет-магазина представлены общепромышленные и высокоточные датчики во взрывозащитной оболочке с коммуникационным стандартом HART. У нас вы можете приобрести датчики относительного, абсолютного и дифференциального давления проверенного российского производителя BD Sensors Rus по доступным ценам.

Резистивные элементы

Это такие устройства, у которых чувствительный элемент под воздействием нагрузки меняет свое сопротивление. На чувствительной мембране производится установка тензорезистора. Мембрана под действием давления изгибается, тензорезисторы также начинают двигаться. При этом у них меняется сопротивление. В результате происходит изменение силы тока в цепи преобразователя.

При растяжении элементов тензорезисторов увеличивается длина и уменьшается площадь сечения. Как результат увеличение сопротивления. Обратный процесс наблюдается при сжатии элементов. Конечно, изменяется сопротивление на тысячные доли Ома, поэтому, чтобы уловить это, нужно ставить специальные усилители на полупроводниках.

Пьезоэлектрические датчики

Пьезоэлемент является основой конструкции прибора. Когда происходит деформация, пьезоэлемент начинает генерировать определенный сигнал. Устанавливается элемент в среду, давление которой нужно измерить. При работе сила тока в цепи окажется прямопропорциональна изменению давления.

Такие приборы обладают одной особенностью – они не позволяют отслеживать давление, если оно постоянно. Поэтому используется исключительно в случае, когда давление постоянно изменяется. При постоянном значении измеряемой величины генерация электрического импульса производиться не будет.

Пьезорезонансные элементы

Эти элементы работают несколько иначе. При подаче напряжения пьезоэлемент деформируется. Чем выше напряжение, тем сильнее деформация. Основа прибора – пластина-резонатор, изготовленная из пьезоэлектрика. На обеих сторонах у нее имеются электроды. Как только произойдет подача напряжения на них, материал начинает вибрировать. При этом пластина изгибается то в одну, то в другую сторону. Скорость вибрации зависит от частоты тока, который подается на электроды.

Но если сила извне подействует на пластину, то произойдет изменение частоты колебаний пластины. По такому принципу работает электронный датчик давления воздуха, используемый в автомобилях. Он позволяет оценивать абсолютное давление воздуха, подаваемого в топливную систему автомобиля.

Выходные сигналы

В большинстве случаев промышленные датчики давления используют выходной сигнал 4 ..20 мА или 0 – 10 В, являющиеся наиболее распространённым.

В некоторых случаях могут производится приборы с ратиометрическим выходом.

Такой сигнал отличается зависимостью значения от напряжения питания. Как правило это сигнал в диапазоне 0,5…4,5 В. По сути «0,5…4,5 В» таковы только при стабильном напряжении в 5 В. Если значение напряжения питания изменится, то пропорционально изменится и выходной сигнал.

Электрическое присоединение использует стандарт DIN 650 и DIN 43, встречаются также miniDIN.

Интересно подключение измерителей давления к ПЛК (программируемый логический контроллер), происходящее через замкнутую токовую петлю. Дело в том, что промышленные датчики давления имеют только один положительный аналоговый выход, подключающийся к положительному аналоговому входу ПЛК, после чего положительный выход питания сенсора подключается к питанию.

Таким образом промышленные датчики давления запитываются от своего же выходного сигнала. Данная схема весьма экономична и удобна, но имеет ограничение по мощности в 20 мА.

Иногда в подобную схему устанавливается гальваническая изоляция, представляющая собой модули, разделяющие блок питания для ПЛК и для датчика, что позволяет защитить оборудование от скачков напряжения.

Емкостные приборы

Эти устройства наиболее популярные, так как имеют простую конструкцию, работают стабильно и в обслуживании неприхотливы. Конструкция состоит из двух электродов, расположенных на определенном расстоянии друг от друга. Получается своеобразный конденсатор. Одна из его пластин – это мембрана, на нее действует давление (измеряемое). В результате меняется зазор между пластинами (пропорционально давлению). По школьному курсу физики вы знаете, что емкость конденсатора зависит от площади поверхности пластин и расстояния между ними.

При работе в датчике давления изменяется только расстояние между пластинами – этого вполне достаточно для того, чтобы осуществить замер параметров. Электронные датчики давления масла строятся именно по такой схеме. Преимущества у данного типа конструкций очевидны – они могут работать в любых средах, даже агрессивных. На них не действуют большие перепады температур, электромагнитные волны.

Продуктовая линейка «ЭМИС-БАР»

В конце 2022 года в продуктовой линейке появились интеллектуальные датчики давления «ЭМИС» — БАР». Они способны осуществлять непрерывное измерение абсолютного, избыточного, дифференциального и гидростатического давления, определять разрежение жидких и газообразных сред, насыщенного и перегретого пара.

Несколько вариантов исполнения позволяет сделать оптимальный выбор, в зависимости от поставленных задач и условий эксплуатации, в том числе при работе на низкотемпературных, высокотемпературных и агрессивных средах.

Стоит отметить, что у заказчика имеется возможность выбора материалов изготовления разделительной мембраны и корпуса электронного блока, типа, материала и размера фланца, типа и материала кронштейна. Также на выбор представлены несколько вариантов длины погружной части разделительной мембраны плюсовой полости. Остановимся более подробно на технических характеристиках и модификациях.

Устройство прибора

• 1. Корпус;
• 2. Крышки корпуса, передняя крышка чаще всего служит экраном дисплея;
• 3. RFI- и EMI-фильтры– служат для гашения электромагнитных и радиопомех;
• 4. Электронный блок – модуль процессора;
• 5. Модуль дисплея – может отсутствовать;
• 6. Приемник давления – имеет различный внешний вид, в зависимости от типа;
• 7. Фланцы и метизы – для фланцевого исполнения;
• 8. Клеммная колодка;
• 9. Кнопки настройки.

В качестве сенсора используется монокристаллическая кремниевая мембрана с расположенными на ней пьезорезисторами. При этом мембрана, подложка и резистор выполнены из одного материала – кремния. Для защиты сенсора возможно исполнение с разделительной мембраной и заполняющей жидкостью.

Устройство сенсорного модуля

Сенсорный модуль состоит из:

• штуцера;
• разделительной мембраны;
• сенсора;
• камеры;

Сигнал с сенсора по гермовводам передается в модуль электроники. Имеется внутреннее программное обеспечение с возможностью самодиагностики. Настройка основных параметров может осуществляться с помощью кнопок ввода, расположенных на устройстве. Также настройка всех параметров возможна через протокол HART. При этом цифровой HART-сигнал накладывается на аналоговый, не оказывая влияния на его постоянную составляющую.
Функции меню:

• настройка шкалы измерения с подачей опорного давления;
• настройка времени демпфирования;
• настройка шкалы измерения без подачи опорного давления;
• установка нуля;
• установка фиксированного значения тока выходного сигнала;
• установка аварийных значений тока;
• блокировка управления с кнопок;
• функция корнеизвлечения для преобразователей дифференциального давления;
• выбор единиц измерения.

Приборы «ЭМИС» — БАР» внесены в Госреестр средств измерения (№2219), имеют сертификат соответствия ТР ТС 012/2011 «О безопасности оборудования для работы во взрывоопасных средах», всю необходимую разрешительную документацию, а также дополнительные сертификаты:

• Сертификат соответствия ТР ТС 032/2013 «О безопасности оборудования, работающего под избыточным давлением».
• Декларация о соответствии ТР ТС 032/2013 «О безопасности машин и оборудования».
• Декларация о соответствии ТР ТС 020/2011 «Электромагнитная совместимость технических средств».
• Сертификат соответствия «Применение в средах, содержащих сероводород».
• Экспертное заключение по результатам санитарно-эпидемиологической экспертизы.
• Право интеллектуальной собственности разработчика защищено патентом РФ № 186107.

Выпускаются с возможностью фланцевого и штуцерного соединения. На выбор заказчика есть несколько материалов мембраны, полости камеры и корпуса электронного блока, а также типа заполняющей жидкости.

Узнать подробнее

Имеют несколько вариантов исполнения:
• с фланцевым присоединением
• со штуцерным присоединением
• с открытой мембраной
• с выносной разделительной мембраной

Узнать подробнее

Данные спецификации представлены с фланцевым креплением и с выносными разделительными мембранами. Модели 186,187, 188 являются преобразователями разрежения.

Узнать подробнее

Узнать подробнее

Индуктивные датчики

Принцип работы отдаленно похож на рассмотренные выше емкостные. Чувствительная к давлению токопроводящая мембрана устанавливается на определенном расстоянии от магнитопровода в форме буквы Ш (на него наматывается катушка индуктивности).

При подаче напряжения на катушку создается магнитный поток. Он проходит как по сердечнику, так и через зазор, токопроводящую мембрану. Поток замыкается, а так как у зазора проницаемость примерно в 1000 раз меньше, нежели у сердечника, то даже мизерное его изменение приводит к пропорциональным колебаниям значений индуктивности.

Оптоэлектронные датчики

Они просто детектируют давление, обладают высокой разрешающей способностью. У них высокая чувствительность и термостабильность. Работают на основе интерференции света, используют для измерения небольших перемещений интерферометр Фабри-Перо. Такие электронные датчики давления встречаются крайне редко, но являются достаточно перспективными.

Основные компоненты прибора:

1. Кристалл оптического преобразователя.
2. Диафрагма.
3. Светодиод.
4. Детектор (состоит из трех фотодиодов).

К двум фотодиодам пристраиваются оптические фильтры Фаби-Перо, у которых небольшая разница в толщине. Фильтры – это кремниевые зеркала с отражающей лицевой поверхностью. Они покрыты слоем оксида кремния, на поверхность наносится тонкий слой алюминия. Оптический преобразователь очень схож с емкостным датчиком давления.

Материалы и инструменты

Чтобы изготовить схему датчика давления своими руками потребуется запастись следующими деталями и инструментами:

• Паяльник подходящей мощности.
• Пластина стеклотекстолита с нарезанными на медной пленке дорожками (их примерный вид – на фото справа).
• Соединительные провода.
• Мультиметр (он необходим для тестирования датчика).

В отсутствии готовой пластины с медными дорожками (она обычно приобретается через Али Экспресс) такой элемент может быть изготовлен самостоятельно. Для этого следует достать кусок стеклотекстолита и вырезать его по форме указной на фото справа заготовки. После этого на ней лаком нужно нанести рисунок из спиралевидных дрожек, а затем протравить в растворе хлористого натрия. Получившийся аналог фирменного резистивного элемента вполне пригоден для заявленных целей.Также можно сделать датчик давления из резистора своими руками.