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 деляться на:
— 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. Данные преобразователи 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. 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 перепада давления (дифференциальное давление)
Данные преобразователи измеряют разность двух давлений, подаваемых на измерительные соединения преобразователей. Этот тип преобразователей давления используется для измерения уровня воды в паровых котлах, а также, во взрывозащищенном исполнении, широко применяется в нефтяной, нефтегазовой и нефтехимической отраслях.
— Преобразователи гидростатического давления (гидростатические уровнемеры)
Данные преобразователи представляют собой разновидность датчиков избыточного даавления, в том случая, когда последние применяются для измерения гидростатического уровня жидкостей. Преобразователь фактически измереят давление столба жидкости над ним. 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 (кило-Паскаль), МПа (мега-Паскаль).
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.
- Кабельный ввод Эта часть преобразователя давления используется для герметичного ввода электрического кабеля в датчик. Как правило, используется сальниковый ввод типа PG9, но встречаются и другие варианты подсоединения (например PG16, M20x1,5).
2. Клеммы Клеммы необходимы для физического подключения электрических проводов к датчику. На сегодняшний день подавляющее большинство преобразователей давления используют 2-х проводную схему подключения с выходным сигналом 4…20 мА.
3. Плата питания / искорзащиты Данная плата осуществляет распределение электрической энергии между электронными компонентами датчика. У преобразователей во взрывобезопасном исполнении на данной плате реализуется функция искрозащиты. У недорогих датчиков давления (например ОВЕН ПД100), как правило, плата питания и преобразовательная плата совмещены.
4. Корпус электроники Часть датчика давления, в которой расположены плата питания и преобразовательная плата. У преобразователей низкой ценовой категории (ОВЕН, WIKA, BD Sensors) корпус электроники и корпус собственно датчика представляют одно целое. Наличие отдельного корпуса для электроники характерно только для высококачественных преобразователей давления (например KLAY-INSTRUMETNS, EMERSON, VALCOM, YOKOGAWA).
5. Преобразовательная плата Это одна из самых важных частей преобразователей давления. Данная плата осуществляет преобразование сигнала от первичного сенсора в унифицированный электрический сигнал по току или по напряжению.
6. Корпус датчика Основная механическая часть, представляющая собой собственно тело преобразователя.
7. Провода и атмосферная трубка Провода, как правило, представляют собой кабельный шлейф, соединяющий выводы сенсора и преобразовательную плату. Атмосферная трубка используется в датчиках избыточного и вакууметрического давления для осуществления связи чувствительного элемента (сенсора давления) с атмосферным давлением.
8. Технологическое соединение Эта часть преобразователей давления используется для физического подключения датчика к процессу (к трубопроводу, емкости, аппарату). Наиболее распространенным соединением является резьбовое манометрическое подсоединение G1/2″ по стандарту DIN 16288 и резьба М20х1,5. Также широко встречаются соединения G1/4″, G1″, фланцевые соединения. В пищевой промышленности распространены специальные санитарные соединения, например молочная гайка DIN 11851, DRD-фланец, хомуты Tri-clamp.
9. Сенсор давления (первичный преобразователь) Сенсор давления — один из ключевых элементов любого преобразователя давления. Данный элемент непосредственно осуществляет преобразование действующего на него давления в электрический сигнал, который потом унифицируется на преобразовательной плате. На сегодняшний день существует несколько способов преобразования давления в электрический сигнал. В промышленности применяются индуктивный, емкостной и тензорезистивный методы преобразования. Самым распространенным является тензорезистивный. Данный метод основан на явлении тензоэффекта в металлах и полупроводниках. Тензорезисторы соединенные в мостовую схему (мост Уитстона) под действием давления изменяют свое сопротивление, что приводит к разбалансу моста. Разбаланс прямо пропорционально зависит от степени деформации резисторов и, следовательно, от приложенного давления.
На рынке существует 4 основных типа сенсоров, основанных на тензорезистивном методе преобразования, которые используют все существующие производители преобразователей давления. Рассмотрим каждый тип отдельно.
- Толстопленочные сенсоры на металической/керамической мембране Данный тип тензорезистивных сенсоров является самых дешевым, и, как следствие широко используется для производства low-cost преобразователей давления неагрессивных сред (вода, воздух, пар). Толстопленочные сенсоры обладают следующими особенностями:
- — Самое недорогое решение;
- — Низкая точность — 0,5% или 1%
- — Измерение только высокого давления — от 1 бар и выше
- — Низкий запас по перегрузке, не более 2-х кратной
- — Отсутствие термокомпенсации
- 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.
Осообенности тонкопленочных сенсоров:
— Применяются только для высоких давлений — от 6 бар;
— Точность — не более 0,25%
— Низкий запас по перегрузке, не более 2-х (иногда 4-х) кратной
— Отсутствие термокомпенсации
Керамические тензорезистивные сенсоры
Данный вид сенсоров используется для высокоточного измерения давления сред, не агрессивных к материалу керамики (как правило Al 2 O3 ), кроме пищевых продуктов (т.к. необходимо использование уплотнителя сенсора) и вязких сред. Данный тип сенсоров используют практически все ведущие производители преобразователей давления. Особенности:
— Применяются для измерения как низкого так и высокого давления;
— Высокая точность — до 0,1%
— Средняя устойчивость к перегрузкам
— Шероховатая поверхность (не желателен контакт с пищевыми средами)
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.