Датчики давления
Содержание
Введение
. Понятие давления
. Типы датчиков
. Датчики давления, основанные на принципе магнетосопротивления
Заключение
Список использованной литературы
Введение
Давление является важным параметром
систем контроля и управления как автоматизированных производственных процессов,
так и управляемых оператором. Измерение давления представляет интерес и для
робототехники либо непосредственно в качестве привода, либо косвенно, как
заменитель прямого контакта (например, в тактильных датчиках) для распознавания
формы или определения сил захватывания.
Все эти устройства требуют создания
приборного оборудования, в котором первичным звеном являются датчики давления.
Они поставляют данные о давлении сжатого воздуха, газа, пара, масла или других
жидкостей, определяющих надлежащее функционирование машин, механизмов или
систем, обеспечивающих протекание процесса.
Широкий спектр потребностей (каждый
датчик должен наилучшим образом соответствовать поставленной задаче, идет ли
речь о производстве, транспортировке или научных исследованиях) привел к
большому разнообразию применяемых датчиков. Это разнообразие связано также и с
тем, что понятие «давление» охватывает очень протяженную область значений - от
глубокого вакуума до сверхвысоких давлений. Давление можно выражать в
абсолютных (по отношению к вакууму) или в относительных (по отношению к
атмосферному давлению) величинах; оно может представлять собой также разность
двух произвольных величии - двух разных давлений. Наконец, измерение давления
может относиться к различным средам и жидкостям, физические (например,
температура) или химические (например, опасность коррозии) характеристики
которых весьма разнообразны.
1. Понятие давление
Давление - физическая величина,
численно равная силе F, действующей на единицу площади поверхности S
перпендикулярно этой поверхности. В данной точке давление определяется как
отношение нормальной составляющей силы 
, действующей на малый элемент поверхности, к его площади:
(1)
Среднее давление по всей поверхности
есть отношение нормальной составляющей силы, действующей на данную поверхность,
к её площади:
(2)
Давление характеризует состояние
сплошной среды и является диагональной компонентой тензора напряжений. В
простейшем случае изотропной равновесной неподвижной среды не зависит от
ориентации. Является интенсивной физической величиной. Для обозначения давления
обычно используется символ 
- от
лат. pressūra (давление).
Измерение давления газов и жидкостей
выполняется с помощью манометров, дифманометров, вакуумметров, датчиков
давления, атмосферного давления - барометрами, артериального давления -
тонометрами.
Манометр - прибор, измеряющий
давление жидкости или газа.
Принцип работы
Принцип действия манометра основан
на уравновешивании измеряемого давления силой упругой деформации трубчатой
пружины или более чувствительной двухпластинчатой мембраны, один конец которой
запаян в держатель, а другой через тягу связан с трибко-секторным механизмом,
преобразующим линейное перемещение упругого чувствительного элемента в круговое
движение показывающей стрелки.
. Типы датчиков
датчик давление магнетосопротивление
Существует множество различных
датчиков давления являющихся наиболее подходящими для конкретного процесса, но
их обычно можно разделить на несколько категорий, а именно: упругие датчики,
электрические преобразователи, датчики дифференциального давления и датчики давления
вакуума. Ниже представлены категории, каждая из которых содержит уникальные
внутренние компоненты более подходящие под использование в конкретной ситуации.
Упругие 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
Принцип, на котором основаны разного
вида трубки Бурдона: Давление, подаваемое внутрь трубки, 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. Также, трубки Бурдона -
портативные и требуют минимального технического обслуживания, однако, они могут
быть использованы только для статических измерений и имеют низкую точность.
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).
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, <200 Па с
чувствительностью 1,2 Па.
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).
Мембраны очень универсальны - они обычно
используются в очень агрессивных средах или в ситуациях с экстремальными
избыточными давлениями.
Примеры упругих элементов датчиков
давления показаны ниже:
Рисунок 1- Упругие элементы датчиков
давления
Электрические датчики
Сегодня датчики не только
обязательно подключаются к стрелочным указателям, для отображения давления, но
также могут служить для преобразования давления в электрический или
пневматический сигнал, который может быть передан в диспетчерскую в которой
производится считывание и определение давления. 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. Существуют такие типы датчиков давления:
емкостной, индуктивный, датчик магнетосопротивления (датчик Холла),
пьезоэлектрический, тензодатчик, виброэлемент, и потенциометрический тип
датчика.
Емкостные датчики
Емкостной датчик 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.
Пример емкостного датчика давления:
Рисунок 2- Емкостной датчик давления
Индуктивный датчик давления
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 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.
Ниже показан пример индуктивного
датчика давления с использованием диафрагмы. Для этого вида датчика давления,
принимая камеру 1 в качестве эталонной камеры с опорным давлением Р 1 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.
Рисунок 3- Индуктивный датчик
давления
. Датчики давления, основанные на
принципе магнетосопротивления
Датчики давления, основанные на
принципе магнетосопротивления, также имеют ферромагнитный сердечник. 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.
Пример датчика давления на основе
измерения магнетосопротивления можно увидеть ниже:
Рисунок 4- Датчики давления,
основанные на принципе магнетосопротивления
Пьезоэлектрические датчики
Пьезоэлектрические датчики
используют датчик - кристалл. Когда давление прикладывается к кристаллу, он
деформируется и создается небольшой электрический заряд. 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.
Ниже показан пример
пьезоэлектрического датчика давления:
Рисунок 5- Пьезоэлектрические
датчики
Потенциометрические датчики
Потенциометрические датчики имеют
рычаг, механически прикрепленный к упругому датчику давления. 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.
Пример потенциометрического датчика
давления показан ниже:
Рисунок 6- Потенциометрические
датчики
Тензометрический датчик
Тензометрический датчик обнаруживает
изменения давления путем измерения изменения сопротивления мостовой схемы
Уитстона. 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. Схема моста Уитстона показана ниже:
Рисунок 7- Тензометрический датчик
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 A =
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 ниже. 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.
Рисунок 8- Тензометрический датчик
Пример связанного тензодатчика можно
увидеть ниже. Данный тип размещается в верхней части диафрагмы, которая
деформируясь при изменении давления, натягивает провода, прикрепленные к
диафрагме.
Рисунок 9- Пример связанного
тензодатчика
Виброэлемент
Вибрационные датчики давления
функционируют посредством измерения изменения резонансной частоты вибрирующих элементов.
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 с чувствительностью 1E-5 МПа.
Ниже показан вибрационный датчик
давления:
Рисунок 10- Вибрационные датчики
давления
Вибрационный датчик давления в
цилиндре (для абсолютного давления), показан ниже:
Рисунок 11- Вибрационный датчик
давления в цилиндре
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.
Вакуумные датчики
Такие датчики могут измерять
чрезвычайно низкие давления или вакуум, ссылаясь на давления ниже атмосферного.
Кроме диафрагмы и электрических датчиков, предназначенных для измерения низких
давлений, есть также тепловые датчики проводимости и датчики ионизации.
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. Это чрезвычайно чувствительные элементы.
Они могут обнаруживать изменения давления в 6E-13 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 Уитстона.
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. Их
диапазон чувствительности колеблется от 1E-16 до 1E-13 МПа
Заключение
В данной самостоятельной работе было
дано понятие о давлений, способы и методы измерения. Существует множество
различных датчиков давления являющихся наиболее подходящими для конкретного
процесса, но их обычно можно разделить на несколько категорий, а именно:
упругие датчики, электрические преобразователи, датчики дифференциального
давления и датчики давления вакуума. Каждый из датчиков было подробно описаны
принципы действия, приведены рисунки.
Список использованной литературы
1. Виглеб Г. Датчики //
М.:Мир, 1989. - 62-75 С.
. Аш Ж. Датчики
измерительных систем: В двух книгах. Книга 2 // М.: Мир, 1992. - 169-187 С.
. Датчики давления //
Электронная версия на сайте https://ru.wikipedia.org
. Датчики Метран-150 и
Rosemount на базе емкостной ячейки // Электронная версия на сайте
http://isup.ru/
. Датчики измерения
давления // Электронная версия на сайте http://www.devicesearch.ru/
. Тиняков Ю.Н. Милешин
С.А. Андреев К.А. Цыганков В.Ю. Анализ конструкций зарубежных прототипов
датчиков давления // Наука и образование: электронное научно-техническое
издание. - 2011г. - 1-13 С.