Датчик давления — это устройство, которое измеряет давление жидкости, показывая силу, с которой жидкость действует на поверхности, находящиеся в контакте с ней. Преобразователи давления используются во многих приложениях управления и контроля, таких как расход, скорость воздуха, уровень, насосные системы или высота над уровнем моря.
Для расчета давления датчик давления содержит чувствительный элемент, такой как гибкая диафрагма, которая деформируется под давлением, и элемент преобразования, который преобразует эту деформацию в электрический сигнал. Форма и методы преобразования оптимизированы в соответствии с требованиями измеряемого процесса.
Конструкция датчика давления
Наиболее распространенные конструкции датчиков давления включают чувствительный элемент, такой как гибкая диафрагма, и элемент преобразования, который использует зависимый резистивный, емкостный или индуктивный метод для генерации электрического сигнала. Тип используемого электрического устройства будет определять компоненты, используемые для создания датчика давления.
Что измеряет датчик давления?
Датчик давления измеряет давление. В нем используется датчик, способный преобразовывать действующее на него давление в электрические сигналы. Затем эти электрические сигналы передаются на контроллеры, где они затем обрабатываются и записываются.
Датчики давления используют тензометрические датчики для измерения силы, действующей на них. Тензорезисторы подвергаются деформации, что вызывает изменение их сопротивления, что в свою очередь вызывает изменение напряжения сигнала. Измерение давления основано на степени изменения напряжения.
Существуют также усовершенствованные версии преобразователей давления, в которых вместо тензодатчиков используются емкостные или пьезоэлектрические датчики. Их используют в зависимости от диапазона, рабочей среды и точности, требуемой от датчика давления.
Как работает преобразователь гидростатического давления?
Датчик гидростатического давления измеряют давление жидкости, когда она находится в состоянии покоя. Преобразователи гидростатического давления являются наиболее часто используемыми устройствами контроля давления.
Когда жидкость оказывает давление на датчики давления, тензорезистор (или другой чувствительный элемент) внутри него деформируется. Эта деформация приводит к изменению напряжения. Величина изменения напряжения пропорциональна величине давления. Как только давление сбрасывается, тензорезистор возвращается в исходное состояние.
Пьезоэлектрические датчики давления являются примером не статических или динамических преобразователей давления. Они не могут измерять гидростатическое давление, вместо этого они измеряют колебания давления в режиме реального времени.
Пьезорезистивный датчик давления
В типичном пьезорезистивном датчике давления также используются явление изменения электрического сопротивления при деформации. Пьезосенсоры прикреплены к мембране, которая деформируется при изменении давления, вызывая деформацию пьезорезисторов. У пьезорезистивных преобразователей резистивные элементы выполняются из полупроводниковых материалов, которые имеют существенно более высокие значения коэффициента чувствительности, чем тензорезисторы.
Емкостной преобразователь давления
Преобразователь давления с переменной емкостью имеет емкостную пластину (диафрагму) и другую емкостную пластину (электрод), закрепленную на негерметичной поверхности с зазором на определенное расстояние между диафрагмой и электродом. Изменение давления будет увеличивать или уменьшать зазор между двумя пластинами, что изменяет емкость. Затем это изменение емкости преобразуется в полезный сигнал.
Измерение давления: виды давления
Для измерения давления существуют три определенных эталона давления. Хотя существуют и другие типы, такие как вакуумные или герметичные манометры, все они могут быть отнесены к этим трем категориям
Абсолютное давление
Измеряет давление относительно идеального вакуума, используя абсолютный ноль в качестве точки отсчета. Например, датчик барометрического давления. К ним также относится герметичный манометр, сигнал которого был смещен, чтобы соответствовать манометрическому давлению во время калибровки.
Избыточное давление
Измеряет давление относительно атмосферного давления. Например, датчик давления в шинах. Также включает в себя датчики вакуума, сигналы которых реверсируются таким образом, что они дают положительный сигнал, когда измеренное давление ниже атмосферного.
Дифференциальное давление или перепад давления
Измеряет разницу между двумя давлениями на каждой стороне датчика. Примером может служить датчик перепада давления, который измеряет давление между двумя разными уровнями жидкости до датчика и после.
Типы выходных сигналов при измерении давления
Под воздействием давления датчик давления выдает электрический выходной сигнал, пропорциональный измеряемому давлению. Это может быть напряжение, ток или частота. Доступны четыре различных выходных параметра. Ниже приводится сводная информация о разновидностях и о том, когда их лучше всего использовать.
Цифровой датчик давления
Цифровой сигнал обеспечивает большую гибкость, чем аналоговые сигналы, часто их называют интеллектуальными устройствами, потому что они обеспечивают большую функциональность, чем датчики других типов.
Интеллектуальные датчики часто могут описывать свое местоположение, информацию о калибровке, регистрировать данные, обнаруживать необычные события или активировать сигналы тревоги. При выборе цифрового выхода, поскольку доступно множество протоколов связи, важно выбрать протокол, совместимый с используемой системой. В зависимости от протокола расстояние передачи может быть больше километра.
Область применения: большие расстояния передачи данных, интеллектуальное зондирование.
Датчик давления на милливольтовом выходе (логометрический)
Фактический выходной сигнал прямо пропорционален входной мощности или возбуждению датчика давления. Если возбуждение колеблется, выход также изменится. Из-за его зависимости от уровня возбуждения для милливольтовых преобразователей рекомендуется использовать регулируемые источники питания.
Датчик не должен находиться в среде с электрическими помехами, поскольку выходной сигнал очень слабый. Однако эти устройства могут легко работать в более суровых условиях, чем другие типы выходов, благодаря отсутствию каскада формирования сигнала и компактной конструкции.
Область применения: когда между преобразователем и считывающим устройством небольшое расстояние, электрические помехи минимальны или требуется более прочный датчик давления, чтобы выдерживать суровые условия окружающей среды.
Датчик давления с выходным сигналом по напряжению
В этом типе датчика давления выходной сигнал обычно составляет 0–5 или 0–10 В постоянного тока и обеспечивает более высокий выходной сигнал, чем милливольтовый преобразователь, благодаря интегральному сигналу.
Выходной сигнал преобразователя, хотя и зависит от модели, обычно не является прямой функцией возбуждения. Это означает, что нерегулируемых источников питания часто бывает достаточно, если они попадают в указанный диапазон мощности. Они имеют более высокий уровень выходного сигнала и поэтому не так чувствительны к электрическим помехам, как милливольтовые преобразователи.
Область применения: Промышленные помещения, где могут присутствовать электрические помехи
Преобразователь давления с выходом 4-20 мА
Ток 4-20 мА является наиболее часто используемым выходным сигналом. Сигнал может варьироваться от 4 мА и до 20 мА и разработан как двухпроводная установка, где линии электропитания подают напряжение на преобразователь, а преобразователь регулирует ток в цепи для генерации сигнала.
Такая конфигурация делает сигнал более невосприимчивым к электрическим помехам и позволяет прокладывать кабели на длину более 300 метров.
Область применения: Среды с высокими электрическими помехами или там, где необходимы большие расстояния передачи.