Датчик давления (манометр) – устройство, физические параметры которого изменяются в зависимости от давления измеряемой среды (жидкости, газа, пара).

Датчик давления состоит из первичного преобразователя давления, в составе которого чувствительный элемент – приемник давления, схемы вторичной обработки сигнала, различных по конструкции корпусных деталей, в том числе для герметичного соединения датчика с объектом и защиты от внешних воздействий и устройства вывода информационного сигнала. Основными отличиями одних приборов от других являются пределы измерений, динамические и частотные диапазоны, точность регистрации давления, допустимые условия эксплуатации, массогабаритные характеристики, которые зависят от принципа преобразования давления в электрический сигнал: тензометрический, пьезорезистивный, ёмкостный, индуктивный, резонансный, ионизационный, пьезоэлектрический и другие. Электрические датчики принимают данные полученные механическое воздействие от упругого датчика и включают в себя электрический компонент, таким образом, усиливая чувствительность и увеличивая сферы применения датчиков.

Выбор типа датчика зависит от величины измеряемого давления, заданной точности и условий эксплуатации датчика.

Существуют три типа измеряемого давления:

1. Абсолютное давление – атмосферное давление плюс избыточное давление;
2. Избыточное давление – абсолютное давление минус атмосферное давление;
3. Дифференциальное давление – разность давлений между двумя точками.

Механические датчики

Большинство датчиков давления жидкости имеют упругую структуру, где жидкость заключена в небольшой отсек, по меньшей мере, с одной упругой стенкой. При использовании данного метода, показания давления определяются путем измерения отклонения этой эластичной стенки, представляя результат непосредственным отсчетом через соответствующие связи, либо через трансдуцированные электрические сигналы. Упругие датчики давления очень чувствительны, они довольно хрупкие и подвержены вибрации. Кроме того, они, как правило, значительно дороже, чем манометры, и поэтому в основном используются для передачи измеренных данных и измерения разности давлений. Теоретически можно использовать довольно широкий спектр упругих элементов для упругих датчиков давления. Однако большинство устройств используют ту или иную форму трубки Бурдона или диафрагмы.

Трубки Бурдона

Давление, подаваемое внутрь трубки Бурдона, вызывает упругую деформацию эллиптического или овального сечения трубки в сторону круга, которая вызывает появление напряжений в продольном направлении, заставляющих трубку разгибаться, а свободный конец трубки перемещаться. Система рычагов и передач превращает это движение и возвращает стрелку, показывающую давление относительно круглой шкалы. Диапазон измерения такого манометра составляет – от 10 Па до 1000 МПа. Трубные материалы могут быть изменены соответствующим образом в соответствии с требуемым условием процесса. Материалом для трубчатых пружин может служить сталь, бронза, латунь. В зависимости от конструктивного исполнения трубчатые пружины могут быть одно- и многовитковые (винтовые и спиральные), S-образные и т. п. Распространены одновитковые трубчатые пружины, используемые в манометрах, которые предназначены для измерения давления жидкостей и газов, а также в таких типах манометров как глубиномер. Датчики С-типа могут быть использованы в диапазонах давлений приближающихся к 700 МПа; они имеют минимальный рекомендованный диапазон давления – 30 кПа (т. е. они не достаточно чувствительны для измерения разности давлений меньше чем 30 кПа).

Преимущества:

• портативность;
• низкие эксплуатационные расходы.

Недостатки:

• применимы только для статических измерений;
• низкая точность.

Сильфоны

Сильфоны имеют цилиндрическую форму и содержат много складок. Они могут деформироваться в осевом направлении при изменении давления (сжатие или расширение). Давление, которое должно быть измерено прикладывается к одной стороне сильфона (внутри или снаружи), тогда как на противоположную сторону действует атмосферное давление. Абсолютное давление может быть измерено путем откачки воздуха из внешнего или внутреннего пространства сильфона, а затем измерением давления на противоположной стороне. Сильфон может быть подключен только к включающим/выключающим переключателям или к потенциометру и используется при низких давлениях, меньше 200 Па с чувствительностью 1,2 Па.

Преимущества:

• может быть использован на низких давлениях.

Недостатки:

• может быть подсоединен только к двухпозиционному переключателю или к потенциометру.

Мембраны (диафрагмы)

Мембраны изготовлены из круглых металлических дисков или гибких элементов, таких как резина, пластик или кожа. Материал, из которого изготовлена мембрана зависит от того используется ли свойства упругости этого материала или ему должен противостоять другой элемент (например – пружина). Мембраны, изготовленные из металлических дисков, используют упругие характеристики, а тем, которым противостоят другие упругие элементы, изготовлены из гибких элементов. Мембраны очень чувствительны к резким изменениям давления. Мембраной изготовленной из металла можно измерить максимальное давление равное примерно 7 МПа, а мембраной использующей упругий тип материала можно измерять чрезвычайно низкие давления (0,1 кПа –2,2 МПа) при подключении к емкостным преобразователям или к датчикам перепада давления. Диафрагмы бывают плоские, гофрированные и капсульного типа. Как отмечалось ранее, мембраны очень чувствительны (0,01 МПа). Они могут измерять дробные разности давления на очень маленьком диапазоне (скажем, давления нескольких дюймов воды) (эластичный тип) или большие перепады давления (приближаясь к максимальному диапазону в 207 кПа) (металлический тип). Металлические мембраны обладают большой жесткостью, малым гистерезисом, и поэтому способны полностью восстанавливать первоначальную форму после снятия давления. Неметаллические мембраны свойствами самовосстановления формы не обладают, поэтому в них дополнительно вводят пружины и прилегающие к мембране металлические шайбы. Пружина действует через шайбу на мембрану и обеспечивает ей необходимые восстанавливающие свойства.

Примеры упругих элементов датчиков давления приведены на рисунке 2.41.

Мембраны очень универсальны – они обычно используются в очень агрессивных средах или в ситуациях с экстремальными избыточными давлениями.

Преимущества:

• быстрое время отклика;
• высокая точность;
• хорошая линейность;
• высокая коррозийная стойкость

Недостатки:

• высокая стоимость

Емкостные датчики

Емкостной датчик (см. рисунок 2.42) состоит из параллельных пластин – конденсаторов, соединенных с диафрагмой, которая обычно металлическая и подвергается давлению сил, участвующих в процессе с одной стороны, и опорным давлением на другой стороне. Электроды прикреплены к мембране и получают питание от генератора высокой частоты. Электроды ощущают любое перемещение диафрагмы и это влияет на изменение емкости пластин –конденсаторов. Изменение емкости обнаруживается подсоединенной электрической цепью, которая выводит напряжение в соответствии с изменением давления. Данный тип датчика может работать в диапазоне от 2,5 Па – 70 МПа с чувствительностью 0,07 МПа.

Преимущества:

• используются для измерения низких давлений и вакуума;
• высокая стабильность характеристик;
• возможность измерять низкий вакуум;
• стойкость к перегрузкам;
• простота конструкции.

Недостатки:

• емкостные пластины могут слипаться в процессе эксплуатации.
• высокие требования к экранировке деталей;
• нелинейная зависимость емкости от приложенного давления;
• необходимость работы на высоких частотах;
• требуют наличия внешнего источника переменного тока.

Индуктивные датчики

Индуктивные датчики давления в сочетании с диафрагмой или трубкой Бурдона. Ферромагнитный сердечник прикреплен к упругому элементу и имеет первичную и две вторичные обмотки. Ток подается на первичную обмотку. Когда сердечник по центру то же напряжение будет индуцироваться к двум вторичными обмотками. Когда сердечник перемещается под влиянием давления, отношение напряжения между двумя вторичными обмотками изменяется. Разность напряжений пропорциональна изменению давления.

На рисунке 2.43 показан пример индуктивного датчика давления с использованием диафрагмы. Для этого вида датчика давления, принимая камеру 1 в качестве эталонной камеры с опорным давлением Р₁ подающегося и катушку заряжаемую эталонным током. Когда давление в других камерах изменяется, диафрагма движется и индуцирует ток в другой катушке, который измеряется и выражает измеренное значение тока в единицах давления.

Такие датчики могут быть использованы с любым упругим элементом (хотя, как правило, используются в сочетании с диафрагмой или трубкой Бурдона). Чтение значения создаваемого давления, будет определяться калибровкой напряжения. Таким образом, диапазон давления, в котором может быть использован этот датчик, определяется относительно упругого элемента, но лежит в диапазоне от 250 Па – 70 МПа.

Преимущества:

• высокая чувствительность;
• возможность измерять дифференциальные давления;
• незначительное влияние температуры на точность измерения.

Недостатки:

• ограничены упругими элементами;
• сильное влияние магнитного поля;
• чувствительность к вибрациям и ударам;
• более грубые по сравнению с датчиками магнетосопротивления.

Датчики давления, основанные на принципе магнетосопротивления

Датчики давления, основанные на принципе магнетосопротивления, также имеют ферромагнитный сердечник (см. рисунок 2.44).

При изменении давления, гибкий элемент перемещает ферромагнитную пластину, что приводит к изменению магнитного потока цепи, которое может быть измерено. Ситуации, в которых можно было бы использовать электрический элемент – это ситуация, в которой индуктивный датчик не генерирует достаточно точное измерение. Диапазон давления для данного метода составляет от 250 Па до 70 МПа с чувствительностью 0,35 МПа.

Преимущества:

• высокая чувствительность.

Недостатки:

• требуют наличия внешнего источника переменного тока.

Пьезоэлектрические датчики

Пьезоэлектрические датчики используют датчик – кристалл. Когда давление прикладывается к кристаллу, он деформируется и создается небольшой электрический заряд (см. рисунок 2.45). Измерение электрического заряда пропорционально изменению давления. Этот тип датчика имеет очень быстрое время отклика на постоянные изменения давления. Подобно датчику давления основанного на принципе измерения магнетосопротивления, пьезоэлектрический элемент очень чувствителен, но реагирует гораздо быстрее. Таким образом, если время имеет существенное значение, пьезоэлектрический датчик будет приоритетный к использованию. Диапазон давления датчиков такого типа составляет 0,021 – 100 МПа с чувствительностью 0,1 МПа.

Преимущества:

• очень быстрое время отклика;
• высокая стабильность характеристик;
• устойчивость к ударным нагрузкам и вибрациям;
• низкие (практически отсутствуют) гистерезисные эффекты;
• возможность измерять давление различных агрессивных средств;
• высокая чувствительность.

Недостатки:

• требуют наличия внешнего источника переменного тока;
• ограничение по температуре (до 150 °C);
• малое сопротивление на выводах.

Потенциометрические датчики

Потенциометрические датчики имеют рычаг, механически прикрепленный к упругому датчику давления (см. рисунок 2.46). При изменении давления, деформируется упругий элемент, в результате чего заставляет рычаг двигаться вперед или назад по потенциометру и таким образом снимаются показания сопротивления. Эти чувствительные элементы принадлежат оптимальному рабочему диапазону, но ограничены многими факторами. Таким образом, они являются датчиками нижнего уровня, которые не используются слишком часто. При низкой чувствительности и рабочем диапазоне, они могут, лучше всего подойти в качестве дешевого детектора давая грубую оценку. Диапазон давления 0,035 – 70 МПа с чувствительностью 0,07 –0,35 МПа.

Преимущества:

• могут иметь очень маленькие размеры.

Недостатки:

• невысокая чувствительность;
• наличие подвижных контактов;
• малый рабочий диапазон.

Тензометрический датчик

Тензометрические датчики представляет собой конструкцию из тензорезистора, имеющего контакт на панели. Она соприкасается с телом для измерения. Принципиальная схема действия датчика заключается в действии на чувствительный элемент исследуемой детали. Для подключения датчика к питанию используются электроотводы, соединенные с чувствительной пластиной.

В контактах существует постоянное напряжение. На тензодатчик кладется деталь через подложку. Вес детали разрывает цепь путем деформации. Деформация видоизменяется в сигнал тока.

Мост измерения тензодатчика дает возможность измерить минимальные нагрузки, расширяя этим применяемость прибора. Схема подключения мостом датчика основывается на законе Ома. Если сопротивления равны, то проходящий ток будет одинаковым. В общем, эта схема используется для определения неизвестного электрического сопротивления, уравновешивая две секции мостовой схемы, так что бы отношение сопротивлений в одной секции было таким же, как и в другой секции, возвращая ноль, в гальванометре в центральной ветви. Одна из секций содержит неизвестный компонент, сопротивление которого должно быть определено, тогда, как другая секция содержит резистор с известным сопротивлением, которое можно регулировать.

Тензодатчик помещает чувствительные элементы на каждом из резисторов и измеряет изменение сопротивления каждого резистора под действием изменения давления. Сопротивление определяется уравнением:

где ρ – удельное сопротивление проводника, L –длина проводника, и S – площадь поперечного сечения проводника. Изменение давления будет либо удлинять, либо сжимать проводник, следовательно, датчик сжатия необходимо на одном резисторе, а датчик удлинения на другом. Чтобы контролировать воздействие температуры (проволока будет также либо удлиняться, либо сжиматься из-за изменения температуры), свободный датчик нужно разместить на остальных двух резисторах. Эти датчики часто являются одним из типов полупроводника (n-тип или р-тип). Таким образом, чувствительность таких датчиков значительно больше, чем чувствительность их металлических аналогов, однако с большей чувствительностью приходит более узкий функциональный диапазон: температура должна оставаться постоянной, чтобы получить действительное значение. Эти датчики сильно зависят от изменений температуры (в отличие от других типов электрических компонентов). Диапазон давления 0 – 1400 МПа с чувствительностью 1,4 – 3.5 МПа.

Пример несвязанного тензодатчика показан на рисунке 2.47. Данный тип датчиков использует чувствительные к натяжению провода, один конец которого закреплен на неподвижной раме, а другой конец прикреплен к подвижному элементу, который движется с изменением давления.

Пример связанного тензодатчика можно увидеть ниже. Данный тип размещается в верхней части диафрагмы, которая деформируясь при изменении давления, натягивает провода, прикрепленные к диафрагме.

Преимущества:

• сочетаются с измерениями напряжений, не имеют искажений данных измерения. Это удобство незаменимо при применении датчиков на транспорте или в критических ситуациях и условиях;
• малые размеры дают возможность применять их в любых измерениях.
• очень высокая чувствительность.

Недостатки:

• чрезвычайно медленное время отклика;
• слабый выходной сигнал.

Вибрационные датчики

Вибрационные датчики давления функционируют посредством измерения изменения резонансной частоты вибрирующих элементов (рисунок 2.48). Ток проходит через провода, индуцируя электродвижущую силу в проводе. Затем усилие увеличивается, что вызывает колебание проволоки. Давление влияет на этот механизм, с помощью влияния на сам провод: повышение давления уменьшает напряжение в проводе и, таким образом снижает угловую частоту колебаний провода. При измерении абсолютных давлений, датчик размещен в цилиндре под вакуумом. Эти датчики измерения абсолютного давления являются очень эффективными: они производят повторяемые результаты и слабо подвержены влиянию температуры. Им не хватает чувствительности в процессе измерения, тем не менее, таким образом, они не очень подходят для процесса, в котором необходимо отслеживать кратковременные изменения давления. Диапазон давления: 0,0035 – 0,3 МПа.

Преимущества:

• высокоточные;
• не подвержены изменениям температуры.

Недостатки:

• не могут быть использованы на больших давлениях.

Датчики дифференциального давления

Датчики дифференциального давления используются с различными видами датчиков, в которых измерение давления является результатом разности давлений, в частности таких датчиков как диафрагмы, сопла подачи или Вентури–метров. Датчик перепада давления преобразует разность давлений в передаваемый сигнал, где размещение датчика перепада давления (DP) зависит от характера потока текучей среды, которая измеряется. Типичный датчик дифференциального давления минимально инвазивный (внешний компонент присоединен через точки измерения); он обычно используется с емкостным элементом в паре с диафрагмой, которая позволяет емкостному телу двигаться вместе или отдельно, генерируя сигнал (через изменение емкости), который может быть интерпретирован к падению давления. Они часто используются для обнаружения небольших различий в больших перепадах давления. Его размещение похоже на присоединение вольтметра параллельно с резистором, чтобы измерить «падение» его напряжения (аналогично падению давления).

Диапазон измеряемого давления и чувствительность датчика дифференциального давления зависит от электрических и упругих компонентов, используемых в самом датчике. Это отличный датчик, используемый при измерении перепада давления, однако, для всех остальных приложений, он довольно бесполезен.

Преимущества:

• используются для измерения перепада давления.

Недостатки:

• измеряются только для измерения перепада давления.

Оптические датчики

Оптические датчики подразделяются на волоконно-оптические и оптоэлектронные.

Волоконно-оптические датчики давления являются наиболее точными, их работа не сильно зависит от колебания температуры. Чувствительным элементом является оптический волновод. Об измеряемой величине давления в таких приборах обычно судят по изменению амплитуды и поляризации проходящего через чувствительный элемент света.

Оптоэлектронные датчики состоят из многослойных прозрачных структур. Через эту структуру пропускают свет. Один из прозрачных слоев может изменять свои параметры в зависимости от давления среды. Есть два параметра, которые могут изменяться: первый это показатель преломления, второй это толщина слоя. На рисунке 2.49 представлены методы, на которых основано измерение давление оптическим способом.

Достоинства:

• очень высокая точность;
• высокое разрешение и чувствительность;
• стабильны к действию температуры.

Недостатки:

• невозможно измерить давление непрозрачной среды;
• сложная калибровка;
• чувствительность к вибрациям.

Тепловые вакуумметры

Принцип, используемый в данном типе датчиков, заключается в изменении газовой теплопроводности под действием давления. Однако из-за отклонения от идеального поведения газа, в котором связь между этими двумя свойствами линейна, датчики такого рода, которые также называются датчиками Пирани, могут быть использованы только при низких давлениях, в диапазоне (0,4E–3 до 1,3E–3) МПа.

В этих датчиках спиральная нить проводит ток нагревающий катушку. Изменение давления изменяет скорость теплопередачи от нити накала, тем самым заставляя варьироваться её температуру. Эти изменения в температуре могут быть обнаружены с помощью термопар, которые также подключены к нитям накала – частям мостовой схемы.

Достоинства:

• высокая точность;
• высокая чувствительность;
• способны измерять вакуум.

Недостатки:

• измерения линейны только на низких давлениях.

Приборы ионизации

Существует две категории для этих типов датчиков: С горячим катодом и с холодным катодом. Для датчиков с горячим катодом, электроны испускаются нагретыми нитями, в то время как для датчиков с холодным катодом электроны освобождаются от катода в результате столкновения ионов. Электроны ударяют молекулы газа, поступающего в датчик, формируя положительные ионы, которые собираются и вызывают течение ионного тока. Количество образований катиона связано с плотностью газа и, следовательно, пропорционально измеряемому давлению, а также, так как используется постоянный ток электронов, следовательно, ионный ток является мерой давления газа. Оба типа датчиков являются высокочувствительными устройствами, и наиболее подходит для измерения дробных долей давления. Датчики с горячим катодом еще более чувствительны, чем датчики с холодным катодом и способны измерять давление около 10^–8 Па.

Достоинства:

• высокая чувствительность;
• способны измерять вакуум.

Недостатки:

• не могут быть использованы на больших давлениях.

Литература

Элементы и функциональные устройства судовой автоматики - Авдеев Б.А. [2018]

• Система ДАУ STL-930
• Элементы периферийного оборудования систем ДАУ
• Элементы, узлы системы дау
• Автоматические регуляторы. Схемы и свойства типовых регуляторов
• Классификация систем управления