Типы датчиков давления

Простая самостоятельная установка датчика давления

Датчик давления, выходной сигнал которого является стандартным, представляет собой прибор, который принимает переменную давления и преобразует ее в стандартный выходной сигнал. Он может преобразовывать физические параметры давления газа, жидкости и т. д., воспринимаемые датчиком нагрузки, в стандартные электрические сигналы (например, 4-20 мА постоянного тока и т. д.) для обеспечения работы вспомогательных приборов, таких как сигнализация, регистраторы, регуляторы и т. д., для измерения, индикации и регулирования технологических процессов.

Классификация датчиков давления

Обычно рассматриваемые нами датчики давления делятся по принципу действия:
Для высокочастотных измерений используются емкостные, резистивные, индуктивные, полупроводниковые и пьезоэлектрические датчики давления. Среди них наиболее распространены резистивные датчики давления. В качестве представителя высококачественных изделий можно привести емкостной датчик давления Rosemount 3051S.

Датчики давления можно разделить на металлические, керамические, диффузионно-кремниевые, монокристаллические кремниевые, сапфировые, пленочные и другие в зависимости от типа чувствительных к давлению компонентов.

• Металлический датчик давления обладает низкой точностью, но практически не подвержен влиянию температуры и подходит для зон с широким диапазоном температур и низкими требованиями к точности.
• Керамические датчики давления обладают большей точностью, но в большей степени подвержены влиянию температуры. Кроме того, керамика имеет преимущества в ударопрочности и коррозионной стойкости, что позволяет использовать её в области реагирования на чрезвычайные ситуации.
• Точность передачи давления в диффузионном кремнии очень высока, но и температурный дрейф велик, поэтому перед его использованием обычно требуется температурная компенсация. Более того, даже после температурной компенсации измерение давления выше 125 °C невозможно. Однако при комнатной температуре коэффициент чувствительности диффузионного кремния в 5 раз выше, чем у керамики, поэтому он обычно используется в области высокоточных измерений.
• Датчик давления на основе монокристаллического кремния является самым точным датчиком в промышленной практике. Это усовершенствованная версия датчика на основе диффузионного кремния. Конечно, цена также выросла. В настоящее время японская компания Yokogawa является представителем в области датчиков давления на основе монокристаллического кремния.
• Сапфировый датчик давления нечувствителен к изменениям температуры и обладает хорошими рабочими характеристиками даже в условиях высоких температур; сапфир обладает чрезвычайно высокой радиационной стойкостью; отсутствует дрейф p-n; он может нормально работать в самых неблагоприятных условиях и отличается высокой надежностью. Высокая производительность, хорошая точность, минимальная температурная погрешность и высокая общая стоимость.
• Датчик давления на основе тонкой пленки, полученной методом магнетронного распыления, не содержит клея и демонстрирует более высокую долговременную стабильность и надежность, чем тензометрический датчик с клейкой основой; он менее подвержен влиянию температуры: при изменении температуры на 100 ℃ дрейф нуля составляет всего 0,5%. Его температурные характеристики значительно превосходят характеристики диффузионного кремниевого датчика давления; кроме того, он может напрямую контактировать с обычными агрессивными средами.

Принципы работы различных типов датчиков давления

• Принцип работы емкостного датчика давления

Когда давление непосредственно воздействует на поверхность измерительной диафрагмы, диафрагма деформируется. Высокоточная схема на измерительной диафрагме преобразует эту небольшую деформацию в высоколинейный сигнал напряжения, пропорциональный давлению и напряжению возбуждения, а затем с помощью специализированного чипа преобразует этот сигнал напряжения в стандартный для отрасли сигнал тока 4-20 мА или сигнал напряжения 1-5 В.

• Принцип работы диффузионного кремниевого датчика давления

Давление измеряемой среды непосредственно воздействует на диафрагму датчика (обычно это диафрагма из стали 316L), вызывая микросмещение диафрагмы, пропорциональное давлению среды, изменение значения сопротивления датчика. Это изменение регистрируется с помощью схемы Уитстона, после чего преобразуется и выдается стандартный измерительный сигнал, соответствующий данному давлению.

• Принцип работы датчика давления на основе монокристаллического кремния.

Пьезорезистивные датчики давления создаются с использованием пьезорезистивного эффекта монокристаллического кремния. В качестве упругого элемента используется монокристаллическая кремниевая пластина. При изменении давления монокристаллический кремний деформируется, так что сопротивление деформации, непосредственно распространяющееся по нему, вызывает изменение, пропорциональное измеряемому давлению, а затем соответствующий выходной сигнал напряжения получается с помощью мостовой схемы.

• Принцип работы керамического датчика давления

Давление воздействует непосредственно на переднюю поверхность керамической диафрагмы, вызывая её небольшую деформацию. Толстопленочный резистор напечатан на обратной стороне керамической диафрагмы и соединен с мостом Уитстона (закрытым мостом) благодаря пьезорезистивному эффекту варистора. Мост генерирует высоколинейный сигнал напряжения, пропорциональный давлению и напряжению возбуждения. Обычно используется для измерения давления в воздушных компрессорах, чаще всего применяются керамические варисторы.

• Принцип работы тензометрического датчика давления

Наиболее распространенными тензометрическими датчиками давления являются металлические резистивные тензодатчики и полупроводниковые тензодатчики. Металлический резистивный тензодатчик — это чувствительное устройство, преобразующее изменение деформации образца в электрический сигнал. Существуют два типа тензодатчиков: проволочные и из металлической фольги. Обычно тензодатчик прочно приклеивается к матрице механической деформации с помощью специального клея. Когда матрица подвергается изменению напряжения, резистивный тензодатчик также деформируется, в результате чего изменяется значение сопротивления тензодатчика, а следовательно, изменяется и напряжение, подаваемое на резистор. Тензометрические датчики давления относительно редки на рынке.

• Сапфировый датчик давления

Датчик давления на основе сапфира использует принцип работы, основанный на сопротивлении деформации, применяет высокоточные чувствительные компоненты из кремния и сапфира и преобразует сигнал давления в стандартный электрический сигнал с помощью специальной схемы усилителя.

• Датчик давления для напыляемой пленки

Чувствительный к давлению элемент, полученный методом магнетронного распыления, изготавливается с использованием микроэлектронных технологий и образует прочный и стабильный мост Уитстона на поверхности упругой диафрагмы из нержавеющей стали. Когда давление измеряемой среды воздействует на упругую диафрагму из нержавеющей стали, мост Уитстона на другой стороне генерирует электрический выходной сигнал, пропорциональный давлению. Благодаря своей хорошей ударопрочности, пленки, полученные методом магнетронного распыления, часто используются в условиях частых ударных воздействий, например, в гидравлическом оборудовании.

Меры предосторожности при выборе датчика давления

• Выбор значения диапазона давления преобразователя:

Сначала определите максимальное значение измеряемого давления в системе. Как правило, необходимо выбрать датчик давления с диапазоном измерения, примерно в 1,5 раза превышающим максимальное значение, или же выбрать датчик, диапазон которого соответствует нормальному давлению. Распространенный метод – выбор диапазона, составляющего 1/3–2/3 от нормального диапазона.

• Какой тип среды, создающей давление:

Вязкие жидкости и грязи могут заблокировать порты измерения давления. Разрушат ли растворители или коррозионные вещества материалы датчика, находящиеся в непосредственном контакте с этими средами?
Материал, из которого изготовлен обычный датчик давления, контактирующий со средой, — нержавеющая сталь марки 316. Если среда не вызывает коррозию нержавеющей стали 316, то практически все датчики давления подходят для измерения давления данной среды.
Если рабочая среда вызывает коррозию нержавеющей стали марки 316, следует использовать химическое уплотнение и применять косвенный метод измерения. Использование капиллярной трубки, заполненной силиконовым маслом, для регулирования давления может предотвратить коррозию датчика давления и продлить срок его службы.

• Какой уровень точности необходим передатчику:

Точность определяется следующими факторами: нелинейностью, гистерезисом, невоспроизводимостью, температурой, смещением нулевой шкалы и температурой. Чем выше точность, тем выше цена. Как правило, точность датчика давления на основе диффузионного кремния составляет 0,5 или 0,25, а точность датчика давления на основе емкостного или монокристаллического кремния — 0,1 или даже 0,075.

• Технологическое подключение передатчика:

Как правило, датчики давления устанавливаются на трубах или резервуарах. Конечно, небольшая их часть устанавливается и используется совместно с расходомерами . Обычно существует три способа установки датчиков давления: резьбовой, фланцевый и зажимной. Поэтому перед выбором датчика давления необходимо также учитывать тип технологического соединения. Если соединение резьбовое, необходимо определить спецификацию резьбы. Для фланцевых соединений необходимо учитывать спецификацию номинального диаметра фланца.

Введение в индустрию датчиков давления

Около 40 стран мира занимаются исследованиями и производством датчиков, при этом США, Япония и Германия являются регионами с наибольшим объемом производства датчиков. На эти три страны вместе приходится более 50% мирового рынка датчиков.

В настоящее время рынок датчиков давления в моей стране является зрелым рынком с высокой концентрацией. Однако доминирующее положение занимают зарубежные страны, представленные такими компаниями, как Emerson, Yokogawa, Siemens и др. На долю брендовой продукции приходится около 70% рынка, и она обладает абсолютным преимуществом в крупных и средних инженерных проектах.

Это связано с последствиями преждевременного внедрения в моей стране стратегии «рынок технологий», которая сильно ударила по государственным предприятиям и в своё время находилась в состоянии краха, но в то же время некоторые производители, представленные частными предприятиями Китая, незаметно появились и укрепили свои позиции. Будущий рынок датчиков давления в Китае полон новых неопределённостей.

Дополнительная информация: Как работает датчик давления?