Рубрика: Давление

Поведение датчиков давления во времени можно найти в большом количестве различных спецификаций. Время отклика или время нарастания является одним из важных данных. Время нарастания определяет временной интервал датчика давления, который необходим выходному сигналу после изменения давления для отображения приложенного давления.

На графике представлена ​​упрощенная диаграмма внезапного изменения давления (показана синим цветом) с запаздывающим изменением сигнала от датчика давления (показана красным цветом). Для ясности на иллюстрации показан идеальный вариант. Время нарастания может варьироваться для разных типов датчиков давления и их конструкций. Некоторые факторы, которые влияют на время нарастания: диапазон измерения давления, чувствительность датчика, тип давления (абсолютное, относительное или дифференциальное), материалы, размеры мембраны или диафрагмы.

Общая информация о поведении с течением времени обычно включает дополнительную информацию об испытаний. В нашем примере диапазон 10…90 %. Он определяет период времени, в течение которого внезапное изменение приложенного давления от 10% до 90% от полного диапазона измерения (например, от 60 до 540 бар с датчиком давления 0…600 бар) приводит к определенному выходному сигналу.

Стандартная версия современных преобразователей давления имеет время нарастания ≤ 2 мс. Однако специальные формы применения (например, датчики уровня) могут намеренно иметь значительно более высокие значения ≥ 100 мс.

Когда выбирается датчик давления для конкретного применения, важно учитывать время нарастания и его соответствие требованиям системы. При некоторых применения быстрое время нарастания критически важно для точного и надежного контроля процесса, тогда как в других случаях это может быть менее важным параметром.

В так называемых устройствах относительного (избыточного) давления, давление всегда измеряется по отношению к атмосферному давлению. Однако давление окружающей среды отнюдь не является постоянным. Оно зависит от местоположения и высоты и меняется в зависимости от погоды (см. статью «Разница между относительным давлением и абсолютным давлением»).

Чтобы датчик относительного давления мог функционировать, изменяющееся давление окружающей среды также должно быть доступно внутри устройства. Таким образом, вы должны «впустить» давление окружающей среды в устройство, на сленге «проветрить» устройство. Если такое устройство не будет вентилироваться, изменения погоды и местоположения могут привести к дополнительной погрешности в несколько процентов от калибровки производителя. Конечно, этот эффект становится менее значительным по мере увеличения диапазона номинального давления датчика давления по сравнению с изменением атмосферного давления.

Кстати: под воздействием температуры на невентилируемых устройствах происходит еще один эффект. Если воздух, заключенный в приборе, расширяется из-за изменения температуры, создается дополнительное давление, что также увеличивает погрешность измерения.

Датчики давления, предназначенные для измерения относительного давления, должны быть «вентилируемыми». Обычно это делается через контролируемое отверстие, называемое вентиляционное отверстие. Это вентиляционное отверстие, конечно же, нужно тщательно защитить от попадания внутрь грязи, пыли и влаги. Это может быть обеспечено конструктивными мерами (расположение, мембраны, лабиринты и т. д.) или должно быть обеспечено при монтаже.

Очень частой причиной выхода из строя датчиков давления в полевых условиях является дефект, вызванный попаданием влаги внутрь прибора. В большинстве случаев это связано с недостаточным классом защиты IP. Но что на самом деле определяет класс защиты IP для датчиков давления?

Класс защиты IP датчика давления во многом зависит от его электрического соединения. Тип электрического соединения (разъем, кабель и т. д.) и выбор соответствующего ответного разъема имеют решающее значение для результата. По сути, самое «слабое» звено в цепочке определяет класс защиты IP.

Приведем пример того, как разъемы устройства и ответные разъемы влияют друг на друга. Если предположить, что датчик давления с приборным разъемом имеет класс защиты IP 67, то комбинация датчика давления и ответного разъема также соответствует классу защиты IP67 только в том случае, если ответный разъем также имеет класс защиты IP67. Однако, если ответный разъем со степенью защиты IP65, то в этом случае весь прибор соответствует только IP65, даже если приборный разъем имеет защиту IP67.

	Металлический тонкопленочный датчик	Керамический толстопленочный датчик	Пьезорезистивгый датчик
Измерение абсолютного давления
Очень узкий диапазон давления
Очень широкий диапазон давления
Устойчивость к ударам и вибрациям
Долгосрочная стабильность

Идеального преобразователя давления не существует. Резистивные датчики стали особенно распространенными и популярными из-за их надежности. В настоящее время используют металлические тонкопленочные, керамические толстопленочные и пьезорезистивные датчики для электронных технологий измерения давления.

Каждый тип преобразователя имеет свои определенные преимущества и недостатки в отношении реализуемых диапазонов измерения, поведения в случае перегрузки или поведения под влиянием изменений температуры . Тщательный анализ требований к эксплуатации помогает исключить несоответствующие принципы.

Материалы, контактирующие со средой, и их пригодность для определенных сред также играют важную роль при выборе подходящего датчика. Например, с керамическим датчиком не обойтись без дополнительного уплотнения между датчиком и корпусом. Поэтому, в зависимости от используемого уплотнительного материала, он лишь условно пригоден для универсального использования.

Как на самом деле выбрать датчик давления? Любой, кто редко или никогда не нуждался в датчиках давления, обязательно задаст себе этот вопрос, когда столкнется с задачей заказать датчике давления. Итак, какая информация необходима для точного описания датчика давления и выбора правильной версии из множества вариантов?

По сути, датчик давления определяется четырьмя интерфейсами:

• Диапазон измерения (например, 0..10 бар)
• Резьба напорного патрубка (например, G 1/4 B)
• Выходной сигнал (например, 4..20 мА)
• Электрическое соединение (например, угловая вилка формы A)

Часто имеет смысл также указать точность (если желаемый тип доступен в разных классах точности).

Необходимость дополнительной информации зависит от конкретного применения: если целью является простое измерение давления, то этой спецификации уже достаточно. Однако, если у вас особые условия эксплуатации или особые требования к задаче измерения, может потребоваться дополнительная информация. В отдельных случаях это может быть очень разная информация. Вот некоторые примеры:

• Должен ли прибор работать и зимой в самой глубине Сибири?
• Есть ли особенности давления в системе?
• Должен ли прибор подходить для специальной среды (например, кислорода)?
• Как часто происходит измерение?

По сути, датчик давления определяется четырьмя интерфейсами. Вы также можете использовать контрольный список особых требований для датчика давления в качестве руководства. На нашем сайте вы найдете список наиболее важных технических характеристик и их типичных значений. Если какое-то значение кажется вам особенно важным или указанное типичное значение не соответствует вашим требованиям, то вы должны указать его явно.

Чем более подробные данные вы укажете, тем лучше вам смогут подобрать нужный датчик, и тем лучше выбранный товар будет соответствовать вашим требованиям.

Поскольку температура влияет на точность измерения датчика давления, всегда остается небольшая температурная погрешность в номинальном диапазоне температур, несмотря на широкий диапазон компенсационных мер. Эта ошибка часто выражается в технических паспортах производителей датчиков давления как температурный коэффициент (сокр. TC). Этот коэффициент описывает линейную погрешность, начиная с контрольной точки, которой в большинстве случаев являются нормальные условия, т.е. комнатная температура.

Соответственно, температурная погрешность при комнатной температуре равна нулю и линейно возрастает с увеличением отличия температуры от комнатной с заданным коэффициентом (см. рисунок). 

В принципе, не только температурный коэффициент нулевой точки (сокр. TC ₀ ), но и коэффициент диапазона (TC _C ) необходимо учитывать отдельно. Ошибка нулевой точки описывает влияние температуры на нулевой сигнал. Погрешность диапазона определяет влияние температуры на значение полной шкалы. Отдельные температурные коэффициенты нулевой точки и диапазона обычно указываются как величины, что означает, что они могут быть как положительными, так и отрицательными.

Если в отдельном приборе погрешность нулевой точки имеет тот же знак, что и погрешность диапазона, эти две температурные погрешности могут суммироваться в худшем случае.

Типичное значение среднего температурного коэффициента нулевой точки датчика давления составляет: 0,2 % на каждые 10 K (°С).

Хотя выбор принципа измерения датчика или принципа действия датчика давления не имеет значения для большинства применений, нас очень часто спрашивают, как работают датчики, которые мы используем в наших датчиках давления и преобразователях давления.

Прежде всего, общее определение: датчики давления или сенсорные элементы давления представляют собой измерительные элементы, которые преобразуют физическую измеряемую величину давления в пропорциональную давлению электрическую величину. Используются различные физические эффекты и различные материалы датчиков, такие как кремний, керамика или металл.

Сейчас используются три наиболее распространенных принципа измерения давления из промышленных измерительных технологий, которые разрабатываются в лабораториях разработки, а также применяются на производствах:

• Тонкопленочные
  датчики основаны на том же принципе, что и тензометрические датчики, т.е. резисторные структуры, расположенные в виде меандра, геометрическое расширение или сжатие которых приводит к измеримому изменению сопротивления за счет результирующего изменения длины и толщины. В тонкопленочных датчиках четыре резистора обычно располагаются на мембране в виде моста Уитстона и таким образом регистрируют деформацию мембраны под давлением. В так называемом тонкопленочном процессе эти тензорезисторы наносятся на (например, металлическое) основное тело и структурируются (так называемое напыление с последующей фотолитографией и травлением).
• По аналогии с тонкопленочными датчиками, толстопленочные датчики
  также обычно используют четыре резистора, соединенных вместе, образуя мост Уитстона. Структуры сопротивления «печатаются» в несколько слоев с использованием толстопленочной технологии на основном теле (например, керамическом), а затем обжигаются при высокой температуре. Здесь также изменение сопротивления происходит в результате изменения геометрии в результате деформации мембраны, в основе которой лежит расширение и сжатие.
• В отличие от первых двух принципов пьезорезистивные датчики давления
  имеют измерительную диафрагму на основе полупроводников (кремния) с целенаправленно рассеянными структурами. В них используется так называемый пьезорезистивный эффект, описывающий изменение электрического сопротивления в полупроводниковых материалах вследствие расширения или сжатия с изменением подвижности электронов при механическом воздействии.

Из-за различных материалов и принципов конструкции в настоящее время существуют некоторые технологические различия, которые также могут иметь значение для некоторых применений. В современных измерительный системах используется принцип измерения с учетом характера соответствующего применения.

Что такое и как на самом деле работает активная и пассивная температурная компенсация датчиков давления? Датчики давления высокого качества, особенно в прецизионном диапазоне, почти всегда снабжены индивидуальной температурной компенсацией. Но в чем разница между активной и пассивной компенсацией этих температурных погрешностей?

Пассивная температурная компенсация

В процессе производства части характеристической кривой датчика давления измеряются при различных температурах. Ранее определенные температурные погрешности затем компенсируются пассивными элементами (резисторами) в электронике датчика или коррекцией сопротивления непосредственно на самом элементе датчика (например, с помощью лазерной подгонки). Поскольку используемые для этого (пассивные) резистивные элементы имеют почти линейную температурную зависимость, их можно использовать только для компенсации погрешностей первого порядка. Практически невозможно компенсировать температурные погрешности высших порядков, т.е. сильное искривление характеристической кривой при изменении температуры.

Активная температурная компенсация

Здесь также измеряется характеристическая кривая датчиков давления при различных температурах в процессе производства. Однако в датчик давления встроен датчик температуры, который постоянно измеряет температуру и передает ее на обработку сигналов датчика давления. На практике в настоящее время хорошо зарекомендовали себя два метода активной температурной компенсации: первый компенсирует с помощью так называемых «точек интерполяции», т.е. индивидуальных значений коррекции, между которыми затем осуществляется интерполяция, второй сохраняет в электронике датчика значение, полученное путем регрессии из записанных измеренных значений. Уравнение высшего порядка для постоянной компенсации ожидаемой ошибки.

Затем во время работы можно с помощью данных обработки этого сигнала в датчике давления независимо компенсировать температурную погрешность в определенном диапазоне температур (например, 10 … 60 °C) с использованием определенных поправочных коэффициентов, т.е. «активно».

Наиболее распространенным способом минимизации температурных погрешностей в датчиках давления является пассивная температурная компенсация. Это традиционный метод, который также широко используется. Однако вершиной возможностей компенсации является активная температурная компенсация. В последние производители продолжают улучшать и совершенствовать эту технологию.

Таким образом, у датчиков давления с активной компенсацией температурная погрешность практически равна нулю в указанном рабочем диапазоне температур.

В технике промышленной автоматизации и с датчиками давления токовый сигнал 4..20 мА является наиболее часто используемым сигналом для аналоговой передачи измеренных значений. Огромное распространение этого сигнала заключается в простоте использования и, прежде всего, в невосприимчивости к помехам.

Сигнал тока имеет более высокую устойчивость к электромагнитным помехам, чем сигнал напряжения, поскольку электромагнитные помехи подаются в сигнальную линию в виде сигналов напряжения и вызывают лишь очень небольшие изменения тока на нагрузке приемника.

Сигнал 4..20 мА очень широко используется для передачи значений датчиков, таких как температура и давление. Например, измеряемый в производственном процессе сигнал давления от преобразователя давления 0..10 бар преобразуется электроникой датчика в сигнал 4..20 мА . В качестве двухпроводного сигнала 4 … 20 мА. Сейчас двухпроводная версия предпочтительнее трехпроводной из-за экономии на кабелях и более простой сигнализации ошибок. На обрыв линии здесь указывает значение тока ниже 3,8 мА, не короткое замыкание (согласно стандарту NAMUR NE43) превышение значения тока в 20,5 мА. Преобразователи 4..20 мА в трехпроводном исполнении используется только для устройств с высокими требованиями к вспомогательному питанию.

Нас часто спрашивают о поведении датчика давления за пределами указанного диапазона измерения, то есть в области перегрузки, и что произойдет, если предел перегрузки датчика давления будет превышен.

Давление за пределами верхней границы диапазона измерения не приведет к необратимому повреждению датчика; однако размер погрешности измерения, указанный в техпаспорте, может быть превышен. Только значения давления выше предельного давления, еще называемого давлением разрыва, могут привести к необратимому повреждению измерительного прибора. Не имеет значения, присутствует ли это давление постоянно или только в течение короткого периода времени. После превышения предельно допустимого давления можно ожидать разрушения частей прибора, подвергшихся давлению, и внезапного выброса среды под давлением. Поэтому таких условий эксплуатации всегда следует избегать путем тщательного проектирования.

Безопасность по избыточному давлению и давление разрыва указаны во всех технических паспортах для датчиков давления.