Преобразователь давления для чего нужен
Преобразователь давления — это измерительный прибор, который предназначается для непрерывного измерения давления различных жидких и газообразных сред, а также последующего преобразования полученных значений измерения в унифицированный выходной сигнал по току или напряжению. Полученный в результате измерения сигнал используется в качестве входного сигнала для аппаратуры систем автоматического регулирования, управления и контроля технологических процессов.
Тензорезисторные преобразователи силы и давления получили широкое распространение как миниатюрные компактные устройства, которые способны измерять силу и давление в диапазоне от нескольких Па до нескольких МПа. Невозможно автоматизировать производство, на котором используются жидкости, пастообразные смеси, газы под давлением без использования приборов измерения и преобразования давления и силы.
Приборы для измерения давления в промышленности, также известные как датчики давления, применяются на участках диспетчеризации, энергосбережения, учета и контроля распределения газа, тепла и нефтепродуктов. Преобразователи давления установлены на предприятиях энергетики, газо- нефтепереработки, легкой и тяжелой промышленности, на объектах коммунальных служб и т.д.
Давление можно определить как единицу силы создаваемую на единицу площади поверхности. В системе СИ в качестве единицы измерения давления используется Паскаль (Па). Один Па равняется силе в один Ньютон (Н), приложенной на площадь в один метр квадратный (Па = Н / м2).
На практике широко распространены и другие единицы измерения. Помимо «Па» наиболее известны: «bar» (бар), «кгс/см2» (килограмм-сила на квадратный сантиметр) и «м.в.с.» (метры водяного столба), а также производные от них: «мбар» (миллибар), «кПа» (килопаскаль), «МПа» (мегапаскаль).
Приборы для измерения давления в промышленности, в зависимости от вида измеряемого давления, подразделяют на следующие группы:
Конструктивные особенности
На рисунке ниже изображена общая схема конструктивного строения прибора для измерения давления. Конструкция может изменяться в зависимости от производителя прибора, типа использованного датчика, а также особенностей применения.
Конструктивное строение прибора для измерения давления
Рассмотрим основные элементы более подробно:
2. Клеммы – используются для подключения электрических проводов непосредственно к датчику. Большинство приборов для измерения давления имеют для подключения 2-х проводную схему с выходным сигналом от 4 до 20 мА.
3. Плата питания / искрозащиты – данная плата распределяет электрическую энергию между всеми электронными компонентами датчика. Устройства во взрывобезопасном исполнении при помощи данной платы реализуют функцию искрозащиты. В недорогих датчиках давления преобразовательная плата и плата питания, как правило, совмещены.
4. Корпус электроники – элемент датчика давления, в которой располагаются плата питания и преобразовательная плата.
6. Корпус датчика – это основная механическая часть, которая представляет собой «тело» прибора.
9. Сенсор давления, также называемый первичным преобразователем — это один из основных элементов любого устройства измерения давления. Сенсор давления осуществляет преобразование действующего на него давления в электрический сигнал, чтобы затем унифицировать его на преобразовательной плате. Существует несколько способов преобразования давления в электрический сигнал. В промышленности используются емкостный, индуктивный и тензорезистивный методы преобразования. Однако, самым распространенным, на сегодняшний день, является тензорезистивный метод преобразования давления.
Тензорезистивный метод основан на таком явлении, как тензоэффект в металлах и полупроводниках. Тензорезисторы соединенные в мостовую схему Уитстона изменяют свое сопротивление под действием давления, что приводит к разбалансированию моста. Разбаланс прямо пропорционально зависит от степени деформации резисторов и, соответственно, от приложенного давления.
На рынке существует 4 основных типа сенсоров, принцип действия которых основан на тензорезистивном методе преобразования:
3. Керамические тензорезистивные сенсоры – данный вид сенсоров применяется для высокоточного измерения давления сред, не агрессивных по отношению к материалу керамики, исключая пищевые продукты и вязкие среды. Самый распространенный тип датчиков давления.
4. Кремниевые тензорезистивные сенсоры – обычно применяются совместно с защитной разделительной мембраной из нержавеющей стали. Обладают высокой точностью измерения давления различных сред. Использование в данном типе сенсоров сварной разделительной мембраны из нержавеющей стали позволяет применять их в пищевой промышленности и для вязких сред.
Что такое преобразователь давления?
Преобразователь давления – измерительный прибор, необходимый для непрерывного измерения физической величины, возникающего в различных средах. После получения прибором данных происходит их преобразование в выходной сигнал по току или напряжению. В дальнейшем он используется в качестве входного сигнала для аппаратуры систем автоматического регулирования и контроля. Само по себе давление определяется в качестве единицы силы, которая создается на единицу площади поверхности.
Сфера применения
Используются преобразователи на участках диспетчеризации, энергосбережения, учета и контроля распределения газа, нефтепродуктов и тепла. Часто оборудование применяют в энергетике, легкой и тяжелой промышленности, коммунальном хозяйстве, в транспорте и другом оборудовании. Необходимо сказать, что без этих аппаратов невозможна даже работа гидравлических насосов, компрессоров и промышленных двигателей. Преобразователь давления устанавливают и в системах вентиляции, кондиционирования и отопления. Некоторые виды, например, Сапфир 22М применяются в атомной энергетике и позволяют преобразовывать пропорционально непрерывное давление, разрежение жидкости, газов, нейтральных и агрессивных сред.
Принцип работы
В состав любого аппарата входят несколько основных элементов:
Кроме этого, обязательно есть кабельный провод, клеммы, атмосферная трубка и многое другое. Основным отличием между существующих датчиков является точность регистрации давления, которая зависит непосредственно от принципа преобразования давления в электросигнал. Нужно учитывать, что сигналы с преобразователей являются медленноменяющимися. Это значит, что их спектр лежит в области сверхнизких частот. Чтобы оцифровать такой сигнал, необходимо подавить высокочастотную часть спектра, которая полностью состоит из помех. Это особенно популярно в промышленных условиях.
Виды преобразователей давления
Преобразователь избыточного давления измеряет показания, которые создаются какой-либо средой по отношению к атмосферному давлению. Этот вид является самым популярным и применяется во многих сферах.
Преобразователь абсолютной величины позволяет получить данные среды абсолютного разряжения. Используются в основном в химической промышленности.
Оборудование вакуумметрического давления измеряет уровень вакуума относительно атмосферных показателей. Часто используется в пищевой и металлургической промышленности. Таким образом, преобразователи применяются для измерения гидростатического уровня жидкостей.
Преобразователь (датчик) избыточного давления
Преобразователи или датчики избыточного давления необходимы во многих отраслях промышленности. Они позволяют контролировать большинства технологических процессов. Сложно представить современную теплоэнергетику и водоснабжение без таких измерительных приборов.
Физическая сущность давления
Распределенная сила, с которой одно тело воздействует на другое, находящееся с ним в контакте. Для жидкости или газа оно является одним из основных параметров состояния. Единицами измерения давления являются:
• килограмм∙сил/см2 или килограмм сил/м2;
• pound-force per square inch (фунт-сила на квадратный дюйм).
Для лабораторных расчетов чаще всего используются Па, КПа или МПа, тогда как килограмм∙сил/см2 или атмосферы (технические) можно увидеть в производстве. Дюймы-силы на квадратный дюйм используются странами с английской метрической системой, поэтому цифровые приборы, произведенные ими часто имеют шкалу измерения в psi.
Виды преобразователей
Устройство преобразователей давления разнообразно, выделяют пять основных видов приборов:
2. с преобразователем дифференциально-трансформаторного типа;
3. с компенсацией магнитными потоками;
4. с силовой компенсацией;
Механические
Когда говорят о механических измерителях давления, чаще всего подразумевают деформационные манометры. Рабочая среда или среды, в случае измерения разности давлений, воздействуют непосредственно на чувствительный элемент, по изменению характеристик которого и определяется измеряемая величина.
По элементу, который подвергается воздействию среды с избыточным давлением, различают следующие виды манометров:
Благодаря простоте устройства и дешевизне они получили широкое распространения, особенно как манометры прямого действия, независящие от подачи электроэнергии.
Устанавливаемые на трубопроводы и сосуды высокого давления, пружинные манометры основаны на изменении размера трубчатой пружины. Стрелка на дисковой шкале показывает значение давления рабочей среды. Существуют модификации данной конструкции. Дополнительные стрелки с электрическими контактами позволяют устройству сигнализировать о выходе измеряемой величины из рабочего диапазона.
В сильфонных преобразователях чувствительным элементом является кремнеорганическая жидкость в специальном закрытом чувствительном элементе. К нему подводятся две трубки, связанные уравнительный линией, это позволяет измерять не только избыточное давление, но и разницу. Перемещение штока под действием гидравлической жидкости и используется для передачи информации о величине измеряемого параметра. При этом сильфонный манометр может комплектоваться различными передающими и отображающими устройствами, как прямыми шкалами, так и цифровыми.
Преобразователь давления с мембранным чувствительным элементом используется для измерения напора. Чаще всего в теплоэнергетике применяются устройства с мембранными коробками. Ими измеряют, например, избыточное давление воздуха, подающегося дутьевыми вентиляторами в топки котлов. Для отображения значение измеряемой величины может быть использовано как механическое, так и цифровое устройство.
Электрические преобразователи
Дифференциально-трансформаторные преобразователи используются для передачи сигнала от чувствительного элемента к регистрирующему прибору. Они давно известны и зарекомендовали себя как простые и надежные устройства. По этой причине они повсеместно распространены.
Чувствительный элемент передает изменения давления ферромагнитному сердечнику, который создает электрическое напряжение в двух вторичных обмотках. Его можно передать на достаточно большое расстояние к вторичному прибору. В нем расположен подобный преобразователь, который позволяет отслеживать давление.
В пьезоэлектрических приборах, а также в тензопреобразователях используется принцип зависимости электрических свойств чувствительного элемента от давления рабочей среды. Особым образом изготовленные пластинки из кристаллов кремния при действии на него давления вырабатывает электрическое напряжение. При этом, при действии статического давления, это напряжение рассеивается, поэтому пьезоэлектрические преобразователи используются только для измерения на двигателях и насосах.
В тензопреобразователях чувствительным элементом является мембрана с размещенными на ней резисторами, сопротивления которых меняется при приложении к мембране избыточного давления. Цифровой блок интерпретирует изменения электрических параметров чувствительного элемента и определяет значение избыточного давления с высокой точностью. Недостатком этого вида устройств является наличие значительного температурного коэффициента. Электрическая схема прибора включает специальный терморезистор, сопротивление которого зависит от температуры и не зависит от давления.
Для работы в интеллектуальных системах управления производственными процессами электрические преобразователи комплектуются микропроцессорными преобразователями аналогового сигнала. Цифровой сигнал такого преобразователя позволяет построить схему дистанционного управления, например, на электростанции.
Точное измерения избыточного давления обеспечивает емкостной преобразователь. Рабочая среда воздействует на разделительные мембраны, между которыми находится заполненная нейтральной жидкостью полость с чувствительной мембраной. Она является подвижной обкладкой дифференциального конденсатора, изменение размеров которого позволяет измерить изменение давления рабочей среды.
Подобный механизм преобразования демонстрируют также манометры, построенные на базе кристаллического резонатора или манганиновой проволочной катушки, чьи электрические характеристики изменяются под действием приложенной к ней силе.
Промышленное применение датчиков давления
Для измерения избыточного давления рабочей среды в трубопроводах используются механические приборы, которые надежны и не зависят от наличия электрического тока. По ним определяют характеристики рабочей среды «по месту». Более совершенные электрические приборы используются для построения мнемосхем и дистанционного управления трубопроводной арматурой или агрегатами. Обычно они работают в паре с механическими.
Без надежных преобразователей давления эксплуатация сетей тепло и водоснабжения невозможна.
Преобразователь давления. Общая информация
Преобразователь давления — измерительный прибор, предназначенный для непрерывного измерения давления различных сред и последующего преобразования измеренного значения в унифицированный выходной сигнал по току или напряжению. Преобразователи давления часто называют датчиками давления. Давление определяется как единица силы создаваемая на единицу площади поверхности. В системе СИ единицей измерения давления является Паскаль (Па). Один Паскаль равен силе в один Ньютон, приложенной на площадь в один квадратный метр (Па = Н / м²).
В зависимости от вида измеряемого давления, преобразователи давления делятся на несколько видов.
Преобразователи избыточного давления
Данные преобразователи измеряют давление, создаваемое какой-либо средой относительно атмосферного давления. Этот тип преобразователей давления является самым распространенным и применяется практически во всех отраслях промышленности: ЖКХ, энергетика, водоподготовка, водоочистка, системы отопления, кондиционирования и вентиляции, пищевая промышленность, химия и др.
Для измерения избыточного давления воды, пара, нейтральных жидкостей и газов ООО «КИП-Сервис» предлагает датчик давления общепромышленного назначения PTE5000. Данные датчики широко применяются российскими предприятиями для измерения давления воды в системах котельной автоматики, системах водоснабжения и водоотведения, ЖКХ и других системах, где на первом плане стоит невысокая стоимость оборудования.
Преобразователи абсолютного давления
Данные преобразователи измеряют давление, создаваемое какой—либо средой относительно абсолютного разряжения (вакуума). Эти датчики давления не так широко распространены, и используются в основном в химической промышленности. В ассортименте датчиков ООО «КИП-Сервис» преобразователи абсолютного давления представлены серией преобразователей давления CER-8000 и CER-2000 голландской фирмы KLAY-INSTRUMENTS BV, выполненные в корпусе из нержавеющей стали, что актуально именно для химической промышленности. Следует отметить, что данные серии датчиков давления, в зависимости от модификации, могут применяться для измерения и других видов давления.
Преобразователи вакууметрического давления (разряжения)
Эти датчики измеряют уровень разряжения (вакуума) относительно атмосферного давления. На сегодняшний день вакуумные процессы находят широкое применение в таких отраслях, как пищевая промышленность (вакуумная упаковка, вакуумный транспорт), металлургическая промышленность и производство РТИ (литье под вакуумом), автомобилестроение и др.
Преобразователи гидростатического давления (гидростатические уровнемеры)
Данные преобразователи представляют собой разновидность датчиков избыточного давления, в том случае, когда последние применяются для измерения гидростатического уровня жидкостей. Преобразователь фактически измеряет давление столба жидкости над ним. Для применения в водоканалах и системах водоочистки в номенклатуре ООО «КИП-Сервис» представлены погружные гидростатические датчики уровня Hydrobar производства фирмы KLAY-INSTRUMENTS BV.
Как было сказано выше, единицей измерения давления в системе СИ является «Паскаль» (Па). На практике в промышленности широко применяются и другие единицы измерения, кроме «Па» наиболее распространенными являются «bar» (бар), «м.в.с.» (метр водяного столба) и «кгс/см²» (килограмм-сила на сантиметр квадратный), а также производные этих единиц: «мбар» (миллибар), «кПа» (килопаскаль), «МПа» (мегапаскаль).
| Единицы | Па | кПа | МПа | кгс/см² | мм рт.ст. | мм вод.ст. | бар |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 Па | 1 | 10 –3 | 10 –6 | 10,197 16 х 10 –6 | 0,007 500 62 | 0,101 971 6 | 0,000 01 |
| 1 кПа | 1 000 | 1 | 10 –3 | 0,010 197 16 | 7,500 62 | 101,971 6 | 0,01 |
| 1 МПа | 1 000 000 | 1 000 | 1 | 10,197 16 | 7 500,62 | 101 971,6 | 10 |
| 1 кгс/м 2 | 9,806 65 | 9,806 65 х 10 –3 | 9,806 65 х 10 –6 | 0,000 1 | 0,073 555 9 | 1 | 98,066 5 х 10 –6 |
| 1 кгс/см 2 | 98 066,5 | 98,066 5 | 0,098 066 5 | 1 | 735,559 | 10 000 | 0,980 665 |
| 1 мм рт.ст. (при 0 °C) | 133,322 4 | 0,133 322 4 | 0,000 133 322 4 | 0,001 359 51 | 1 | 13,595 1 | 0,001 332 24 |
| 1 мм вод.ст. (при 0 °C) | 9,806 65 | 9,807 750 х 10 –3 | 9,806 65 х 10 –6 | 0,000 1 | 0,073 555 9 | 1 | 98,066 5 х 10 –6 |
| 1 бар | 100 000 | 100 | 0,1 | 1,019 716 | 750,062 | 10 197,16 | 1 |
Конструкция преобразователей давления
На рисунке снизу приведена общая схема конструкции преобразователей давления. В зависимости от типа датчика, производителя прибора и особенностей применения, конструкция может меняться. Данная схема предназначена для ознакомления с основными элементами типового измерительного преобразователя давления.
На рынке существует 4 основных типа сенсоров, основанных на тензорезистивном методе преобразования, которые используют все существующие производители преобразователей давления. Рассмотрим каждый тип отдельно.
Типы сенсоров
1. Толстопленочные сенсоры на металлической/керамической мембране
Данный тип тензорезистивных сенсоров является самых дешевым, и, как следствие, широко используется для производства недорогих преобразователей давления неагрессивных сред (вода, воздух, пар).
Толстопленочные сенсоры обладают следующими особенностями:
2. Тонкопленочные сенсоры на стальной мембране
Тонкопленочные сенсоры на стальной мембране были разработаны специально для применения в составе преобразователей высокого (более 100 бар) давления. Они обеспечивают хорошую линейность и повторяемость при работе с высокими значениями давления.
Особенности тонкопленочных сенсоров:
3. Керамические тензорезистивные сенсоры
Данный вид сенсоров используется для высокоточного измерения давления сред, не агрессивных к материалу керамики (как правило Al2O3), кроме пищевых продуктов (т. к. необходимо использование уплотнителя сенсора) и вязких сред. Данный тип сенсоров используют практически все ведущие производители преобразователей давления.
4. Кремниевые тензорезистивные сенсоры
Кремниевые тензорезистивные сенсоры широко применяются всеми ведущими производителями преобразователей давления в сочетании с защитной разделительной мембраной из нержавеющей стали (или других химически стойких сплавов) для высокоточного измерения давления различных сред. Использование сварной разделительной мембраны из нерж. стали позволяет применять данный тип сенсоров в пищевой промышленности и для вязких сред.
Руководитель отдела маркетинга ООО «КИП-Сервис»
Стариков И.И.
Все о датчиках давления
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 датчик давления
Датчик давления – это прибор, предназначенный для мониторинга давления в жидкостной либо газообразной среде с передачей сигнала о полученных измерениях на соответствующее оборудование. Это необходимо для своевременной корректировки параметров различных технологических процессов.
Датчик для измерения давления является компактным устройством, представляющим собой жидкокристаллический дисплей в алюминиевом корпусе. В него входят специальные трубки, которые оценивают давление конкретной среды – жидкости, газа или пара, а затем преобразовывают его либо выводят на экран его числовое значение при помощи аналогового или цифрового сигнала.
Принцип осуществления деятельности данного прибора напрямую зависит от типа измеряемого давления:
Типы датчиков
Датчики давления используются преимущественно в пищевом или же химическом производстве. Особенно интересным вариантом можно назвать практичный и современный интеллектуальный датчик, служащий для измерения абсолютного давления, а также реализующий измерение относительно величины абсолютного вакуума. Данное измерение наиболее часто применяется там, где необходимо произвести быстрый учет давления газа, пара или же тепловой энергии.
По конструкции элементов чувствительности датчики делятся на волоконно-оптические и оптоэлектронные. Первые включают оптический волновод и определяют давление в результате поляризации света. Вторые проводят свет через многослойную конструкцию, каждый слой которой меняет его свойства в зависимости от давления среды.
По виду измерений для датчиков давления принята следующая классификация:
1. Датчик дифференциального давления помогает удачно решать задачи по учету расходования замеряемой среды. Принцип его действия заключается в замере разностей давления между двумя находящимися рядом полостями – плюсовой и минусовой. Он применяется для успешного учета расходов. Узкое устройство в коммуникациях является местным сопротивлением. В процессе прохождения через него происходит изменение характера скорости потока. Перед данным сужающим устройством давление в атмосферах значительно возрастет, а после него – снижается. Чем более высокого коэффициента достигает разница, имеющаяся на входе, а далее и на выходе сужающего устройства, тем выше будет расход той среды, которая протекает по данной трубе. Подобный датчик без особых проблем позволит произвести учет объема данной жидкости не только в самой трубе, но и в данной емкости. Это можно осуществить при помощи измерения давления в столбе жидкости, которая воздействует на плюсовую мембрану. Кроме того, в некоторых случаях производится измерение результатов в минусовой полости давления, которая находится непосредственно под куполом данной емкости. Это необходимо для того, чтобы надежно произвести исключение чрезмерного влияния большинства насыщенных паров. Этот способ называется гидростатическим.
2. Датчик избыточного давления нужен для успешной регулировки и дальнейшего управления всеми техническими процессами. Он может применяться в составе большинства водяных систем, используемых для дальнейшего теплоснабжения; входит в необходимую комплектацию узлов, служащих для коммерческого и полноценного технологического учета всех требуемых жидкостей, газов и пара.
Комплексное исполнение датчика давления позволяет использовать его по назначению. Такое устройство применяется в условиях низких и высоких температур, а также в наиболее агрессивных средах.
В каждой из отраслей хозяйства необходимость того или иного датчика определяется сугубо индивидуальным способом, а также реальной надобностью. Выбор прибора зависит от того, какие перед ним поставлены задачи, а также от текущих условий эксплуатации. Заказчик самостоятельно выбирает материал, требующийся для изготовления мембраны разделения, а также корпуса электронного блока.
Технические характеристики и преимущества
К ключевым техническим опциям интеллектуальных датчиков давления можно отнести следующие:
Датчик давления имеет высокую точность измерений. Если осуществляется специальный заказ, погрешность не превышает 0,04%. Датчики хорошо показывают себя в широком диапазоне измерений, в процессе самодиагностики и перегрузки.
Устройство датчика давления
Датчик давления состоит из преобразующего элемента; элемента, воспринимающего давление; приемника давления; системы вторичной обработки цифрового сигнала и устройства вывода информации. Все это скрывается в общем корпусе, оснащенном цифровым дисплеем.
Методы измерения давления при помощи датчика:
Области применения
Датчики можно использовать в следующих областях:
Счетчики давления позволяют держать под контролем большинство производственных процессов, успешно применяются в важных социальных сферах. Без них невозможно представить нормальную жизнедеятельность.
Как выбрать
Для того чтобы избежать серьезных финансовых расходов и правильно подойти к выбору датчика давления, необходимо учесть несколько важных качественных характеристик:
Учитывая соответствующие факторы, можно найти подходящий датчик давления, который прослужит максимально долгое время без поломок и прочих проблем. Важно лишь подобрать достойного производителя, имеющего нужную документацию и положительные отзывы, а также правильно произвести установку и начальную настройку.