Рубрика: Датчики давления

В последние годы производственные процессы стали все более автоматизированными, что позволяет снизить затраты. Однако, возникает вопрос о целесообразности использования механических приборов для измерения давления.

Ответ на этот вопрос прост: да, по-прежнему имеет смысл использовать механические приборы, такие как манометры, наряду с электронными датчиками давления. Как механические манометры, так и электронные датчики давления имеют свои преимущества, которые необходимо учитывать в каждом конкретном случае. В таблице ниже приведены некоторые из преимуществ каждого типа. Основными преимуществами механических манометров являются их простота установки и хорошая читаемость измеряемых значений.

	Механические индикаторы давления	Электронные датчики давления
Встроенный шкала	x	o
Работа без питания	x	—
Хорошая читаемость шкалы	x	o
Гибкое масштабирование	—	x
Преобразование единиц измерения	—	x
Данные в электронном виде	o	x

Механические манометры отличаются простотой установки и хорошей читаемостью измеряемых значений, особенно при дневном свете. Однако, электронные датчики давления также могут быть оснащены дисплеем для удобства чтения измеренных значений, даже в темноте. Механические манометры являются необходимыми в некоторых видах оборудования, например, в баках с горячей водой, благодаря своей надежной механике. В некоторых случаях манометр может быть совмещен с отдельным электронным датчиком давления, что позволяет сочетать преимущества обеих систем: локальное измерение давления без источника питания со встроенной шкалой и получать доступ к измеренным значениям в электронном виде. Для пользователей, у которых есть только одно соединение для измерения давления, доступны манометры со встроенным электронным датчиком.

Многие спрашивают о разнице между измерением абсолютного давления и измерением относительного (избыточного) давления. Чтобы понять это, давайте взглянем на определения этих двух типов давления. После этого будет проще объяснить разницу и выбрать подходящий метод измерения.

Абсолютное давление – это давление по сравнению с вакуумом. Оно считается от идеального или абсолютного вакуума и обозначается как P_абс.

Относительное давление определяется как разница между абсолютным давлением (P_абс) и внешним атмосферным давлением (P_атм). Оно обозначается как P_и и рассчитывается следующим образом:

P_и = P_абс — P_атм

Разница между этими двумя типами измерений легко объяснить: при измерении относительного давления всегда измеряется разница между давлением объекта и текущим окружающим давлением. Однако это значение может изменяться в зависимости от погоды и высоты над уровнем моря. При измерении абсолютного давления измеряется разница между давлением объекта и идеальным вакуумом, которое не зависит от внешних условий, таких как погода или высота над уровнем моря. Так какое измерение считается правильным?

На практике избыточное (относительное) давление обычно более востребовано для большинства задач измерения. Поэтому датчики избыточного давления чаще используются и являются наиболее распространенными. Однако, если фактически необходимо измерять абсолютное давление, использование датчика избыточного давления может привести к дополнительным ошибкам:

• Изменения погоды могут вызвать погрешность до +/- 3 кПа.
• Изменение высоты. Например, высота 2000 метров от уровня моря может привести к погрешности около 20 кПа.

В зависимости от диапазона измерений эти ошибки могут быть значительными, например, в пневматике, с диапазоном измерения 1 бар (100 кПа), или незначительными, например в гидравлике, с диапазоном измерения 400 бар (40 МПа).

У датчиков давления, взаимодействующих с водородом, часто возникают проблемы. К сожалению, мы часто сталкиваемся с ситуацией, когда клиенты не информируют нас заранее о содержании водорода в рабочей среде. В результате мы это узнаем об этом только после возникновения проблемы. Однако почему водород настолько важен для датчиков давления?

Воздействие водорода делает большинство металлов хрупкими. Атомы водорода, попадая в кристаллическую решетку металла, изменяют его прочность, что может привести к трещинам. В случае датчиков давления, которые используют тонкие мембраны для точных измерений, воздействие водорода может привести к изменению свойств мембран или к полному разрушению. Кроме того, водород может диффундировать через материал, что также влияет на работу датчиков.

Воздействие водорода на измерительные датчики имеет различные, зачастую критические, последствия, особенно в случае использования пьезорезистивных принципов измерения. Если водород взаимодействует с внутренней средой преобразователя или накапливается в ней, результаты измерения искажаются, а иногда может произойти полное разрушение датчика. Для тонкопленочных сенсоров также характерно изменение метрологических свойств структур сопротивления измерительного моста из-за накопления водорода. Хотя этот процесс обратим, он может привести к расстройке моста и искажению измерительного сигнала.

Однако эффекты воздействия водорода на измерительные датчики зависят от материала, из которого они сделаны. Подбирая подходящие материалы, можно значительно снизить негативное воздействие водорода на работу датчиков давления.

Когда давление достигает заданного уровня, реле давления срабатывает и размыкает или замыкает управляющий контакт. Существует множество разных типов электронных реле давления, которые используются в разных производственных и технологических процессах. Особенно часто такие реле используются в машиностроении. Преимущества электронных реле давления включают в себя цифровой дисплей, возможность настройки точек переключения и значительно более высокую надежность.

Конструкция реле давления

Электронное реле давления это устройство, которое позволяет контролировать давление, основываясь на информации от электронного датчика давления. Оно может выполнять простые задачи управления, используя встроенные электронные переключатели для включения или выключения электрической цепи. Устройство позволяет установить точки переключения и сброса в соответствии с требованиями пользователя.

Варианты электронного реле давления

По умолчанию, реле давления выдает только два сигнала: «точка переключения или точка сброса достигнута» или «не достигнута». Однако, не всегда понятно, насколько давление близко к точке переключения или сброса. Поэтому многие реле давления имеют дисплей и дополнительный аналоговый выходной сигнал. На дисплее можно увидеть текущее значение давления или проверить заданные параметры. Измеренное давление также может быть передано на последующий блок управления через аналоговый выходной сигнал. Электронное реле давления объединяет в себе три функции: электронный переключатель, датчик давления и цифровой дисплей.

При производстве датчиков давления под нагартовкой понимается процесс активной «перегрузки» путем целенаправленного, однократного или многократного приложения давления выше номинального диапазона давлений.

Метод используется для достижения максимальной стабильности, особенно нулевой точки, в последующей эксплуатации. При соответствующей конструкции датчика нагартовка обеспечивает безотказную работу датчиков в течение многих лет, даже при большом количестве циклов нагрузки до указанного диапазона перегрузок, без дрейфа нулевой точки или подобных эффектов.

В случае нагартовки происходит пластическая деформация в определенных локальных областях сенсора, поскольку там происходит локальное превышение предела текучести материала сенсора в результате целенаправленной перегрузки. Метрологические свойства претерпевают определенные изменения. Это целенаправленное воздействие на микроструктуру с помощью нагартовки является неотъемлемой частью процесса разработки датчика и связанного с ним производственного процесса. Какое давление прикладывается и как часто должно определяться индивидуально для каждой конструкции датчика с помощью комплексного моделирования методом конечных элементов и обширной серии испытаний.

Осторожно – не пробуйте сами!
Однако ни в коем случае не следует делать вывод, что каждый датчик автоматически становится «лучше» благодаря нагартовке. Ее можно использовать только с пластичными, но не с хрупкими материалами. Все должно быть спланировано и проведено целенаправленно и с должным вниманием. Неосторожная перегрузка датчиков давления любителями, увлеченными экспериментом, может не только необратимо повредить датчик, но и привести к опасным повреждениям и, как следствие, к поломке из-за усталости и разрыва датчика.

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.