Как устроен датчик давления

5

Принципы измерения, применяемые в датчиках давления

В 60-х годах XX в. были разработаны первые аналоговые электронные датчики давления, в которых использовался емкостный принцип измерения.

Атмосферное для датчиков избыточного давления и вакуум для датчиков абсолютного давления.

Емкостный сенсор в его современном варианте представляет собой конденсатор, образованный диэлектрической оболочкой сенсора, помещенной внутри прочного металлического корпуса, измерительными электродами, выполняющими функцию обкладок конденсатора, и упругой металлической или керамической мембраной. Пространство между мембраной и электродами заполнено силиконовым маслом, служащим для передачи давления на мембрану и одновременно для увеличения емкости конденсатора. При подаче разности давлений на сенсор мембрана деформируется, и емкость между обкладками изменяется. Измерение емкости производится электронным модулем датчика, подключенным к обкладкам сенсора. Кроме того, сенсор обычно содержит еще термопреобразователь (на рисунке не показан).

Преимущества емкостного принципа измерения:
• сравнительно простая конструкция сенсора;
• достаточно высокая чувствительность (∆C/C = 15. 20%);
• большой практический опыт разработки датчиков с емкостными сенсорами, накопленный к настоящему времени.

Недостатки и ограничения емкостных сенсоров, вытекающие из базовых законов физики и до конца неустранимые за счет совершенствования конструкции, материалов и технологии изготовления:
• нелинейный выходной сигнал сенсора;
• значительный гистерезис (из-за неидеальных упругих свойств мембраны);
• сильное влияние статического давления (за счет изменения диэлектрической проницаемости заполняющей жидкости);
• существенное влияние температуры (за счет температурного расширения элементов сенсора и изменения диэлектрической проницаемости);
• недостаточная стабильность (из-за «усталости» материала мембраны);
• чувствительность к вибрации (резонансная частота колебаний мембраны находится в пределах спектра промышленных вибраций).

Часть этих недостатков (нелинейность, влияние температуры и отчасти давления) до определенной степени компенсируется в современных серийных датчиках путем так называемой «характеризации», т. е. калибровки датчиков на заводе-изготовителе при различных температурах и давлениях с дальнейшим расчетом и «прошивкой» таблицы поправочных коэффициентов в память микропроцессорного электронного модуля. Это весьма трудоемкая и дорогостоящая проце­дура, требующая специального высокоточного оборудования, что сказывается на стоимости датчиков.

Другие недостатки (гистерезис, дрейф нуля, остаточное влияние статического давления, чувствительность к вибрации) не могут быть скомпенсированы характеризацией. Чтобы уменьшить эти недостатки, изготовители применяют современные прогрессивные материалы для центральной мембраны сенсора, а также различные, все более изощренные варианты конструкции сенсора. Определенный прогресс в данном вопросе имеется, однако, кардинальные решения, устраняющие указанные недостатки, невозможны в принципе, поскольку эти недостатки заложены в самом емкостном принципе измерения. А каждое следующее небольшое улучшение характеристик значительно усложняет конструкцию и технологию изготовления датчика, что ведет к его удорожанию и не способствует повышению надежности.

ТЕНЗО- ИЛИ ПЬЕЗОРЕЗИСТИВНЫЙ ПРИНЦИП ИЗМЕРЕНИЯ:

Тензо- или пьезорезистивный принцип измерения давления основан на изменении удельного сопротивления вещества при деформации (тензорезистивный эффект).

Термин «тензорезистивный» употребляется, как правило, по отношению к сенсорам, в которых используются тонкопленочные тензопреобразователи, либо структуры КНС (кремний на сапфире). В таких сенсорах упругим элементом является металлическая или керамическая мембрана, на которую наклеивается полупроводниковый тензопреобразователь.

«Пьезорезистивными» обычно называют монокристаллические кремниевые сенсоры с диффузионными пьезорезисторами, в которых упругим элементом служит сама кремниевая мембрана.

Конструкция тензорезистивного сенсора:
типичный тензорезистивный сенсор давления на основе структуры КНС состоит из упругой металлической мембраны, к которой припаян тензопреобразователь, представляющий собой подложку из сапфира, на которой методом гетероэпитаксиального наращивания сформирован измерительный мост Уитстона из кремниевых тензорезисторов. Кроме тензомоста, на подложке сформирована схема температурной компенсации (на рисунке не показана). Мембрана по технологическим соображениям делается достаточно толстой, поскольку поверхность, на которую припаивается КНС, должна быть отполирована с высокой чистотой.

Достоинства тензорезистивного принципа измерения давления:
• сравнительная простота в изготовлении;
• невысокая стоимость;
• потенциально широкий диапазон рабочих температур.

Недостатки тензорезистивных сенсоров :
• низкая ч увствительность (в пределах 1%);
• значительные гистерезисные явления и нестабильность (из-за неоднородности конструкции и «усталости» металла мембраны);
• сильное влияние температуры (за счет различия коэффициентов температурного расширения элементов сенсора и изменения электропроводности кремния);
• сильное влияние статического давления (из-за различия упругих свойств элементов конструкции);
• наличие н елинейности.

Так же, как и емкостные, современные тензорезистивные датчики подвергаются при выпуске характеризации.

Данный тип сенсора нашел применение в аналоговых однопредельных датчиках избыточного и абсолютного давления, требования к которым существенно менее жесткие, чем к многопредельным датчикам давления. Ведущими мировыми производителями тензорезистивные многопредельные датчики давления сейчас практически не выпускаются.

Конструкция пьезорезистивного сенсора:

Пьезорезистивный сенсор, как и тензорезистивный, содержит упругую мембрану, закрепленную на стеклянном основании, на которой имеется мост Уитстона, преобразующий деформацию мембраны в электрический сигнал. Однако в данном случае мембрана изготавливается из монокристаллического кремния, а вместо тензорезисторов используются сформированные методом диффузии пьезорезисторы. Поскольку жесткость кремниевой мембраны значительно ниже, чем металлической, разность давлений передается от наружных разделительных мембран через силиконовое масло непосредственно на сенсор без использования рычагов, тяг и т. п.

Достоинства пьезорезистивных сенсоров:
• малый гистерезис,
• стойкость к вибрации
• однородность упругой мембраны.

Недостатки в основном те же, что у тензорезистивных, но выражены в меньшей степени:
• низкая чувствительность (2. 5%);
• сильное влияние температуры (за счет изменения удельного сопротивления пьезорезисторов);
• существенное влияние статического давления;
• недостаточная стабильность (фактором дрейфа является загрязненность примесями);
• наличие нелинейности.

При применении емкостных, тензо- и пьезорезистивных сенсоров в многопредельных перенастраиваемых датчиках давления имеет значение еще один их недостаток – аналоговый выходной сигнал, который необходимо усиливать и оцифровывать для обработки микропроцессором электронного модуля.

Обобщенная функциональная схема датчика давления с аналоговым сигналом сенсора представлена на рисунке. Несмотря на наличие микропроцессора, такой датчик не может полностью реализовать все преимущества цифровой схемотехники, поскольку аналоговые цепи измерительного усилителя и АЦП являются потенциальным источником шумов, нелинейности и дрейфа. Кроме того, в этой схеме при перенастройке шкалы для максимального использования разрядности АЦП изменяется коэффициент усиления сигнала с сенсора. Это приводит к необходимости проверки и подстройки нуля после перенастройки шкалы (для лучших датчиков такого типа) и даже к многократной итерационной подстройке нуля и шкалы с использованием калибратора давления и тока (для менее совершенных датчиков). Использование цифровых коммуникационных протоколов (типа HART и других) не избавляет от этой процедуры, просто подстройка производится с клавиатуры коммуникатора, а не с помощью потенциометров и кнопок.

РЕЗОНАНСНЫЙ ПРИНЦИП ИЗМЕРЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ:

Резонансный принцип измерения давления основан на преобразовании резонатора деформации в частоту колебаний.

Конструкция и схема подключения резонансного сенсора представлены на рисунке. Сенсор представляет собой монокристаллическую кремниевую мембрану специальной конструкции, на которой методом эпитаксиального наращивания сформированы два резонатора Н-образной формы. Мембрана закреплена на стеклянной подложке, разность давлений от внешних разделительных мембран датчика передается на сенсор через силиконовое масло. Резонаторы находятся в поле постоянного магнита, и каждый из них подключен в качестве частотно-задающего элемента в цепь обратной связи генератора переменного напряжения. За счет пьезоэлектрического эффекта, которым обладает кремний, напряжение на одной паре контактов резонатора преобразуется в его деформацию, а затем обратно в напряжение на другой паре контактов. В результате в цепи генерируется синусоидальное переменное напряжение на собственной частоте резонатора, поскольку он обладает очень высокой добротностью. Кварцевые резонаторы более простой конструкции повсеместно используются в электронике в качестве высокостабильных частотнозадающих элементов. Хорошо известно, что собственная частота такого резонатора определяется только тремя параметрами: его массой, геометрическими размерами и модулем Юнга.

При приложении к сенсору разности давлений мембрана изгибается, в результате ее деформации собственные частоты резонаторов изменяются пропорционально приложенному давлению. Сенсор спроектирован таким образом, что один резонатор при этом растягивается, а другой сжимается. Соответственно частота первого резонатора уменьшается, а второго увеличивается. Разность этих частот, прямо пропорциональная разности давлений, измеряется электронным модулем датчика и по ней вычисляется разность давлений.

Преимущества резонансного принципа измерения:
Дифференциально-резонансный принцип измерения и конструкция кремниевого резонансного сенсора обладают целым рядом очень важных преимуществ и обеспечивают разработчикам практически неограниченные возможности для совершенствования датчиков давления.

1. Резонансный сенсор благодаря абсолютным упругим свойствам монокристаллического кремния не имеет гистерезиса (<0,001% измеряемой величины, в пределах пог­решности эталонных средств измерения) и практически лишен нелинейности (<0,003% измеряемой величины). Собственные частоты резонаторов (порядка 90 кГц) лежат далеко за пределами спектра промышленных шумов, что обеспечивает сенсору иммунитет к вибрации.

Разность давлений: ∆P

f1 – f2.
Статическое давление: Рст.

f1΄ – f1.
Температура: T

Равнозначность сторон высокого и низкого давления:
если ∆P > 0, то f1 > f2;
если ∆P < 0, то f1 < f2.

2. Дифференциальный выходной сигнал сенсора в сочетании с очень низким коэффициентом температурного расширения кремния.

3. У резонансного сенсора отсутствуют факторы дрейфа, поскольку монокристаллический кремний химически инертен и не подвержен «усталости», что обеспечивает практически абсолютную стабильность. Ниже приведены результаты многолетних исследований стабильности одного из первых серийно изготовленных резонансных сенсоров.

4. Частотный выходной сигнал с сенсора не требует аналого-цифрового преобразования. Резонансные частоты измеряются непосредственно цифровыми счетчиками с очень высокой точностью (<0,004% в серийных датчиках).

Это позволяет сделать датчик в полном смысле слова цифровым, устранить такие традиционные проблемы, как временную и температурную нестабильность аналоговых цепей измерительного усилителя и АЦП, необходимость подстройки нуля и калибровки датчика после перенастройки шкалы (у цифрового датчика перенастройка сводится к изменению коэффициентов, используемых микропроцессором для пересчета результатов измерения в аналоговый выходной сигнал). При передаче результатов измерений по цифровым протоколам перенастройка шкалы такому датчику вообще не требуется.

Наглядным примером, демонстрирующим возможности резонансного сенсора, является его применение в цифровых калибраторах давления MT210/МТ220 с классом точности 0,01. Разумеется, рабочие средства измерения давления на резонансном принципе имеют более низкую точность, но не из-за конструктивных ограничений, а по причине сложности поверки высокоточных датчиков (при основной приведенной погрешности менее ±0,04% шкалы поверка должна производиться на рабочем эталоне давления) и недостаточной точности передачи результатов измерений через стандартный аналоговый выходной сигнал 4. 20 мА.
Разработка резонансного принципа измерения стала настоящим прорывом в процессе совершенствования датчиков разности давлений. Она позволила добиться недостижимых прежде технических и метрологических характеристик датчиков, причем не путем усложнения их конструкции и технологии изготовления (различные компенсационные схемы, характеризация и т. д.), а за счет самого принципа измерений и конструкции сенсора.

Датчик давления как измерительный прибор на практике

Датчик давления — прибор, преобразующий приложенное давление в измеряемый электрический сигнал. Этот сигнал линейный, пропорциональный приложенному воздействию. Конструкция измерительного прибора, как правило, состоит из двух базовых частей. Первая часть — эластичный материал, способный деформироваться при воздействии среды. Вторая часть — электроника, определяющая момент деформации, преобразующая изменения в рабочий электрический сигнал.

Основа теории по датчикам давления

Эластичный материал устройства характеризуется многообразием форм и размеров, способствующих производству измерений в широком диапазоне. Эти критерии определяют работу диафрагмы в сочетании с электрическим устройством, функционирующим как:

• резистивный,
• ёмкостный,
• индуктивный преобразователь.

Резистивный датчик давления (тензометрический прибор) отличается наличием чувствительных элементов, прикреплённых на стороне диафрагмы вне измеряемой среды. Соответственно, любое изменение воздействующей силы мгновенно вызывает деформацию эластичного материала. Такое состояние приводит к изменению сопротивления, которое преобразуется в электрический сигнал.

Потенциометрический датчик давления, исполнение: 1 — штуцер подключения; 2 — шаровая опора (шарикоподшипник); 3 — потенциометрический элемент; 4 — электрический коннектор; 5 — ползунок скользящего контакта; 6 — спиральная трубка Бурдона

Ёмкостной датчик давления фактически является преобразователем силы с упором на изменение ёмкости. Устройство имеет две пластины — диафрагму и электрод. Обе пластины расположены на определённом расстоянии одна от другой. Изменение силы приводит к увеличению / уменьшению зазора между пластинами. Соответственно, изменяется ёмкость с последующим формированием рабочего сигнала.

Индуктивный датчик давления действует как преобразователь изгиба диафрагмы в линейное движение ферромагнитного сердечника. Движение сердечника используется для изменения индуцированного тока одной индуктивности за счёт индуцированного переменного тока другой индуктивности. Это изменение ёмкости преобразуется в рабочий сигнал.

Стандарт по единицам измерения давления

Существуют три основных характеристики давления, о которых следует помнить в случаях конкретного применения:

1. Абсолютное.
2. Дифференциальное.
3. Манометрическое.

На практике используются разные единицы измерения (в зависимости от конкретной страны), включая контрольные величины. Наиболее распространёнными единицами измерения выступают атмосферы (кг/см 2 ) и бары (Бар) для диапазонов высокого уровня. Также применяются единицы измерения — миллиметры водяного столба и Паскаль (Па) на измерениях значений низкого уровня.

Абсолютная величина измеряется относительно идеального вакуума. Единица измерения (абсолютная) по стандарту – килограмм на сантиметр квадратный (кг/см 2 ).

Дифференциальная величина – разница величин двух областей (относительно эталонной величины). Как правило, значения измеряются в кг/см 2 .

Избыточная величина – результат, полученный относительно значения атмосферного давления. Стандарт по единицам измерения – кг/см 2 по шкале манометра.

Представление о разнице манометрической и абсолютной величин видится важным моментом для многих применений. Манометрическое давление мерят относительно атмосферного давления (барометрического). Абсолютное давление мерят относительно абсолютного вакуума.

Кроме того, при измерении манометрической величины учитываются три основные категории давления:

1. Атмосферное.
2. Герметичное.
3. Вакуум.

Манометрическая величина — по определению является эталоном для манометров. Термин «герметичный» определяет атмосферное давление, измеренное на заводе на дату изготовления герметично исполненного корпуса датчика. Эта величина используется в качестве эталона для задней стороны диафрагмы.

Герметичный датчик манометра обеспечивает дополнительную защиту от проникновения воды / влаги, но имеет некоторые недостатки. Главный недостаток – герметизированный в баллоне объём воздуха чувствителен к изменениям температуры, как окружающей среды, так и среды под давлением. При герметизации объёма воздуха в камере, так называемый «Закон идеального газа» рождает проблемы, которые невозможно исключить.

Идеальный газовый закон герметичного датчика

Герметизированный объём воздуха расширяется или сжимается при изменении температуры. Это действие оказывает прямое влияние на силу, приложенную к задней стороне диафрагмы. Начальная сила на задней стороне диафрагмы увеличивается или уменьшается в зависимости от направления изменения температуры.

Чем ниже диапазон давления, тем большее влияние на точность измерительного прибора в целом. Чем выше полный диапазон давления, тем меньше влияние на точность, что делает жизнеспособным решением для влажной (полусухой) среды.

Конструкция с запрещённой зоной: 1 — порт положительной величины; 2 — порт опорной величины; 3 — приложенная эталонная величина; 4 — чувствительный электрод; 5 — диафрагма из нержавеющей стали; E — электрический потенциал (0 вольт, 4 мА)

Измерения посредством вакуумного манометра по определению являются эталоном для манометров. Термин «вакуум» относится к тому моменту, когда начальная величина для аналогового выхода соответствует текущему атмосферному давлению, а применение создаёт давление ниже атмосферного.

Также существуют датчики смешанного типа. Проще говоря, датчик составного манометра или устройство, способное измерять как положительные, так и отрицательные (вакуум) величины.

Однако эти устройства зависят от эталона атмосферной силы. Если применение предполагает, как положительное, так и отрицательное (вакуум) измерение, потребуется составной датчик манометрический. Многие современные конструкции датчиков допускают всесторонние применения, обеспечивают несколько контрольных точек измерения.

Ёмкостный и тонкоплёночный тензометрический датчик

Современный рынок датчиков давления часто демонстрирует новые технологии. Наблюдается всё более широкое использование так называемых «тонкоплёночных приборов деформации». Понимание разницы между ёмкостным датчиком давления и тонкоплёночным тензометрическим сенсором обещает пользу для дела оценки.

Для конструкции аналогового датчика изменение ёмкости приводит к относительному изменению силы (ΔP) на основе полного диапазона шкалы устройства. Конструкция цифрового датчика предполагает изменение ёмкости прямо пропорциональное изменению частоты импульсов, пропорциональных изменению ёмкости.

Этот прогресс позволяет улучшить характеристики датчиков, повысить устойчивость к внешним факторам по сравнению с более ранними конструкциями ёмкостного сопротивления.

Конструкция по абсолютные измерения: 1 — защита от избыточной величины; 2 — паяный керамический электрод; 3 — абсолютная крышка в сборе; 4 — медная капиллярная трубка; 5 — сенсор на лазерной сварке; 6 — конструкционные элементы на лазерной сварке; 7 — штуцер

Тонкоплёночный тензометрический датчик давления располагается на задней стороне мембраны измерения силы. Устройством используется так называемый процесс «распыления» под организацию связи на атомном уровне на поверхности диафрагмы. Этот подход даёт качественно стабильный результат:

1. Чувствительный элемент формируется путём механической обработки внутренней части кнопки из нержавеющей стали до момента, пока остальной металл не станет очень тонким.
2. Материал тензометрического датчика наносится на стальную диафрагму, образуя сеть резисторов моста Уитстона.
3. Напряжение передаётся на резисторы, когда давление прикладывается к задней части несимметричного моста элемента. Таким образом, вызывается изменение сопротивления, которое умножается для обеспечения высокого уровня выходного сигнала (вольт, милливольт, миллиампер)

Преимущества тонкоплёночных тензометрических датчиков:

• защита от избыточных величин,
• улучшенное эффективное разрешение,
• хорошая устойчивость к ударам,
• противостояние вибрациям,
• стойкость к динамическим изменениям.

Недостатки тонкоплёночных тензометрических датчиков:

• свойства плёнки диктуют стабильность выходного сигнала датчика,
• материалы сенсорных элементов имеют разную степень стабильности температуры / влажности.

Микро-электро-механическая система (МЭМС) поддерживает процесс изготовления, аналогичный тонкой плёнке, но использует кремниевую пластину вместо стальной диафрагмы. Чувствительный элемент изолирован от среды через маслонаполненную камеру. Так делаются высокорентабельные датчики, но заполненная маслом полость не исключает риск протечки, что сопровождается нестабильностью и загрязнением технологического процесса.

Датчик давления и абсолютные измерения

Абсолютные измерения применяются там, где требуется воспроизводимая эталонная величина. Например, при проведении экспериментов или в условиях барометрических применений. Другие применения включают:

• метеостанции,
• оборудование калибровки высотомеров,
• производство полупроводников,
• многое другое.

Однако если существует необходимость измерить или контролировать величины в зависимости от текущих условий, лучше всего подойдет манометрический датчик.

Этот тип сенсора допускает использование в любом применении, где требуется преодолеть атмосферные условия для выполнения задачи или создать вакуум для выполнения другого типа задачи. Области применения сенсоров избыточного давления обширны. Среди примеров:

• сила нагнетания насоса,
• сила нагнетания пожарного шланга,
• уровень внутри резервуара,
• уровень пара котла и т.д.

Как измерить абсолютное давление с помощью MPXA6115A?

На рынке электроники есть интересный датчик, объединяющий встроенную схему биполярного операционного усилителя и схемы тонкопленочных резисторов. Этим решением обеспечивается высокий выходной сигнал и температурная компенсация. Речь идёт о сенсорном чипе серии MPXxx6115A и аналогичных.

Налицо кремниевый датчик с поддержкой регулировки сигнала, исполненный в монолитном корпусе. Функционально микросхема датчика представлена как пьезорезистивный преобразователь. Функционал этого электронного датчика сочетает:

• передовые методы микро-обработки,
• тонкопленочную металлизацию,
• обработку биполярных полупроводников,

с целью обеспечения выходного сигнала точного и высокоуровневого. Полученный сигнал пропорционален приложенной силе.

Используя этот тип датчика, относительно просто реализовать систему измерения абсолютного давления, к примеру, взаимодействием с микроконтроллером. Фактически потребуются только три контакта подключения. Источник питания подключается к двум из трёх контактов ( 2 , 3 ).

Электрическая схема подключения на датчик серии MPXxx6115A для организации аналогового сигнала под существующий микроконтроллер: 1 – выходной аналоговый сигнал; 2 – напряжение питания 5 вольт; 4 — выход

Последний из трёх выводов ( 4 ) обеспечивает выход аналогового напряжения. Как правило, эта линия подключается к схеме аналого-цифрового преобразователя. Для реализации функции измерений, к примеру, через микроконтроллер, потребуется использование небольшого программного кода на языке «#C»:

void initADC(void) <

ATDCTL2 = 0x80; // включение ADC ATDCTL2_ADPU=1

ATDCTL3 = 0x08; // 1 преобразование / последовательность

ATDCTL4 = 0x01; // 10-битное преобразование на частоте 2Mhz

ATDCTL5 = 0x80; //

return;

>

Чтобы вычислить абсолютное давление в кПа, основываясь на показаниях АЦП, используется уравнение:

Vвых = Vпит * (0,009 * давление — 0,095)

Следует учитывать Vвых = ATDDR0 * 5 мВ. Объектное преобразование кодом:

void readPressure(float pressure) <

ATDCTL5 = 0x80; // инициализация преобразования

waitms(1); // задержка на время 1 мс

pressure = (ATDDR0+95)/9; // вычисление величины в кПа

>

Для данных, выровненных по правому краю, не требуется инструкция «давление >> 6», как в случае с выравниванием по левому краю.

Видеоролик по теме: дифференциальные реле давления

Ниже представлено видео, где рассматриваются дифференциальные реле, используемые в качестве сенсоров измерения силы воздушного потока на промышленных вентиляционных установках:

Ремонт и техническое обслуживание автомобилей

Давление — одна из важных физических характеристик текучих сред — жидкостей, расплавленных металлов и газов. В машиностроении разнообразные жидкости и газы широко используются в качестве рабочих тел систем машин и механизмов, поэтому нередко возникает необходимость измерения и контроля над давлением в этих средах.

Конструкции современных автомобилей также используют большое число датчиков давления различных жидкостных и газообразных текучих сред, и их количество постоянно растет.
Независимо от метода измерения, датчики могут определять избыточное, абсолютное или дифференциальное давление. При этом могут использоваться разные единицы измерения давления.
Чтобы исключить возможную путаницу в этих единицах, в таблице 1 приведены соотношения между используемыми в различных технических источниках единицами измерения давления.

Таблица 1. Единицы измерения давления

* внесистемная единица измерения давления, иногда употребляемая в США и некоторых англоязычных странах.

В таблице 2 приведены некоторые узлы автомобиля, где имеется необходимость измерения давления с целью получения управляющих сигналов для ЭСАУ.

Таблица 2. Некоторые датчики давления, применяемые в автомобильной технике

Датчики барометрического и абсолютного давления во впускном коллекторе

Такие датчики используются в ЭСАУ автомобильных двигателей для определения объемного расхода воздуха, с целью регулирования количества впрыскиваемого за рабочий цикл топлива. Это регулирование необходимо для обеспечения заданного состава топливовоздушной смеси на различных режимах работы ДВС и при различных внешних условиях.

Этот способ измерения дешевле в реализации по сравнению с непосредственным измерением массового расхода воздуха, но менее точен и используется в бортовых диагностических системах второго поколения OBD-II.

В некоторых конструкциях ЭСАУ двигателей такой датчик давления используется совместно с расходомером воздуха, а в двигателях с наддувом могут использоваться несколько датчиков давления.

Датчики барометрического (атмосферного) давления адаптируют ЭБУ двигателя к перепадам высоты и изменениям атмосферного давления. Обычно применяются совместно с объемным расходомером воздуха в одном корпусе.

Измерение атмосферного давления производится при включении зажигании до запуска ДВС. Если автомобиль эксплуатируется в условиях больших перепадов высот (например, в горах), для адаптации подачи топлива к новой высоте необходимо останавливаться и перезапускать двигатель.

Рис. 1. Комбинированный датчик барометрического давления и разрежения:
а) Ford, б) Chrysler; 1 – трубка соединения вакуумного шланга с впускным коллектором; 2 – трубка соединения с атмосферой

Часто в системах управления двигателем используются комбинированные датчики, измеряющие и атмосферное давление, и давление во впускном коллекторе (рис. 1). Такие датчики иногда называют MAP-сенсорами (Manifold Air Pressure) и крепят непосредственно к стенке впускного коллектора.

Датчики, применяемые для измерения разрежения во впускном трубопроводе, могут быть различных конструкций.

Датчики давления дискретного действия представляют собой устройство, где замыкание и размыкание контактов происходят под действием упругой мембраны, испытывающей измеряемое давление.

Датчики давления непрерывного действия представляют собой либо потенциометр, ползунок которого связан с мембраной, либо катушку индуктивности, в которую мембрана под действием давления вдвигает магнитный сердечник.

Интегральные датчики давления подключаются к ЭБУ через коммутатор и АЦП. В зависимости от разрядности контроллера шаг дискретизации показаний датчика может составлять до 4 мс (8-разрядный), до 2 мс (16-разрядный). Эти датчики отличаются небольшими размерами, высокой надежностью и унифицированным выходным сигналом, благодаря чему, они используются для подключения к аналоговым или импульсным входам микроконтроллера.

В современных ЭСАУ применяются микромеханические или толстопленочные датчики давления . Микромеханические датчики давления (рис. 2) имеют более прогрессивную конструкцию, и обеспечивает более высокую точность измерений. Большинство современных датчиков давления построены по микромеханической технологии.
Микромеханические датчики, это полупроводниковые датчики с преобразователем давления на кремниевом кристалле в работе которых используется пьезорезистивный эффект (рис. 2, 3).

На поверхности кремниевого кристалла сформирован мост из четырех тензорезисторов, ток через которые изменяется под действием прогиба чувствительной диафрагмы. С одной стороны диафрагмы расположена камера с вакуумом, с другой на диафрагму воздействует давление воздуха во впускном коллекторе.
В зависимости от конструкции датчика, давление воздействует непосредственно на диафрагму или через защитный слой.

Рис. 2. Микромеханические пьезорезистивные датчики T-MAP BOSCH абсолютного давления до 400 кПа: а) типичный внешний вид датчика; б) конструкция сенсорной ячейки: 1-защитный гель; 2-давление; 3-сенсорный чип; 4-присоединяемые выводы; 5-керамическая подложка; 6-стеклянное основание; в) конструкция датчика давления: 1-присоединяемые выводы; 2-крышка; 3-сенсорный кристалл; 4-керамическая подложка; 5-корпус с фитингом измеряемого давления; 6-прокладка; 7-NTC-элемент

Рис. 3. Упрощенная электрическая схема датчика абсолютного (атмосферного) давления с цепями компенсации:
А – цепь температурной компенсации, В – измерительный мост, С – подстройка нуля, D – коэффициент усиления, Е – термокомпенсация усилителя

В корпусе датчика также размещается независимый датчик температуры воздуха для температурной компенсации и усилитель мостового напряжения, на выходе которого формируется сигнал в пределах 0,5…5 В.
На основании выходного напряжения ЭБУ оценивает давление во впускном коллекторе, чем больше давление воздуха, тем выше напряжение (обычно зависимость давления и выходного напряжения является линейной, т. е. график представляет собой наклонную прямую линию).

Информацию о давлении в зависимости от конструкции датчика несет величина выходного напряжения или его частота.
Погрешность датчика абсолютного давления во впускном коллекторе обычно составляет порядка 1%, а датчика барометрического давления – около 1,5%, причем, по краям рабочего диапазона погрешность растет как по температуре, так и по давлению.

Датчики давления в жидкостных средах

Работа таких датчиков, как правило, основана на преобразовании перемещения упругой диафрагмы в положение переключателя или движка потенциометра. На таком принципе, например, в старых конструкциях, работали датчики давления масла в ДВС.

В современных автомобилях все больше используются кремниевые или керамические интегральные датчики. Непосредственно в корпусе датчика размещают унифицирующие преобразователи. Имеется защита от электромагнитных помех, микросхемы работают при температуре -40. +150 °С в условиях вибраций, при различных давлениях в агрессивных химических средах.

Датчик давления топлива в аккумуляторе системы Common Rail (рис. 4) вворачивается непосредственно в топливную рейку высокого давления. Топливо попадает в датчик через отверстие в аккумуляторе и канал в корпусе датчика и под давлением воздействует на диафрагму.
Чувствительный полупроводниковый элемент датчика, расположенный на диафрагме, преобразует давление в электрический сигнал, который усиливается в обрабатывающем контуре и поступает в ЭБУ.

Рис. 4. Датчик давления топлива в аккумуляторе системы Common Rail:
1 — электрические выводы; 2 — чип со схемой обработки сигнала; 3 — диафрагма с чувствительным элементом; 4 — топливный канал

В таких датчиках прогиб диафрагмы приблизительно на 1 мм при давлении 1500 бар, изменяет электрическое сопротивление чувствительного элемента и вызывает изменение напряжения в измери-тельном мосту, на который подается питание 5 В.
Первичный сигнал изменяется в диапазоне 0…70 мВ, в зависимости от прилагаемого давления, и затем усиливается в контуре обработки сигнала до 0,5…4,5 В.
Точность измерения давления датчиком в главном рабочем диапазоне составляет ±2% от полной шкалы.

В автомобилях с автоматической трансмиссией применяются датчики измеряющие давление масла в коробке передач.
Для работы антиблокировочной системы тормозов (ABS) необходимо измерять давление в тормозных контурах.
Давление жидкости в тормозной гидравлической системе выше, чем в коробке переключения передач. Например, в тормозной системе автомобиля оно составляет до 10…15 бар, а в контурах ABS оно может достигать 35 бар.
Конструкция и принцип работы таких датчиков подобен рассмотренным выше датчикам.

Датчики давления в газовых средах

Известно, что автомобиль производит токсичные отходы в процессе эксплуатации: 60% в виде выхлопных газов, 20% в виде картерных газов и 20% за счет испарений топлива. Со всеми этими выбросами успешно борются соответствующие системы в составе ЭСАУ двигателем.

Для уменьшения вредного влияния испарений топлива они из бака поступают в адсорбер с активированным углем, объемом 850. 1000 см 3 , где накапливаются и сжигаются в двигателе в определенное время. На рис. 5 показана система улавливания паров бензина из топливного бака, в которой для управления продувкой адсорбера используется клапан с дифференциальным датчиком давления между давлением в задроссельной зоне впускного коллектора и давлением паров топлива в баке с рабочим диапазоном ±3,5 кПа.

Рис. 5. Система улавливания паров бензина

В современных двигателях для уменьшения содержания окислов азота (NOx) в выхлопных газах используется система EGR (exhaust gas recirculation) рециркуляции выхлопных газов. Это система является частью ЭСАУ двигателем.
Окислы азота возникают в камере сгорания при температуре выше 1370 °С. В присутствие солнечного света NOx вступает в реакцию с углеводородом, образуя канцерогенный фотохимический смог.

На частичных режимах работы двигателя ЭСАУ снижает температуру сгорания рабочей смеси, путем введением небольшого количества (6. 10%) выхлопных газов из выпускного во впускной коллектор. Так как выхлопные газы инертны, то они разбавляют топливовоздушную смесь, не изменяя соотношения воздух/топливо.
Регулирование количества подаваемых отработавших газов производится клапаном EGR, исправность работы которого постоянно контролируется ЭБУ.
Например, на некоторых автомобилях в трубе между EGR и впускным коллектором измеряется дифференциальное давление по обе стороны с помощью датчика дифференциального давления. Когда клапан EGR открывается, это давление убывает, когда клапан EGR закрыт, давление по обе стороны вставки становится одинаковым.

При сгорании топлива в дизеле образуются частицы сажи – микроскопические углеродистые частицы диаметром около 0,05 мкм на которых адсорбируются различные углеводородные соединения, оксиды металлов и сера. Состав частиц сажи зависит от параметров рабочего процесса, режимов работы двигателя и состава топлива. Некоторые углеводородные соединения опасны для здоровья человека.
Сажевый фильтр задерживает содержащиеся в газах частицы сажи. При заполнении фильтра сажей до определенной величины система управления двигателем запускает процесс активной регенерации. Степень заполнения фильтра сажей определяется блоком управления по его газодинамическому сопротивлению с помощью дифференциального датчика перепада давления до сажевого фильтра и после (рис. 6).

Рис. 6. Дифференциальный датчик давления перепада давления

Мембранные потенциометрические датчики давления

В таких датчиках чувствительным элементом является гибкая диафрагма или мембрана. При изменении давления ее перемещение преобразуется в положение движка потенциометра.
Недостатки потенциометрических датчиков заключаются в износе, а также в статическом трении из-за чего затруднено регулирование в диапазоне менее 0,5% от номинала.

Рис. 7. Потенциометрический датчик давления:
1 – преобразователь; 2 – щетка; 3 – контакты разъема; 4 – щеткодержатель; 5 – ось поводка; 6 – поводок; 7 – возвратная пружина; 8 – рычаг; 9 – шток; 10,13 – корпус; 11 – мембрана; 12 – канал

Резистивный проволочный потенциометр со скользящим контактом – один из наиболее простых и эффективных преобразователей перемещения, в котором скользящий контакт (движок) соединен с перемещающейся под действием давления мембраной, а остальная часть потенциометра закреплена неподвижно.
Движок потенциометра контактирует с отдельными витками на катушке, поэтому выходной сигнал (напряжение) преобразователя изменяется не непрерывно, а в виде чередующихся малых и больших скачков. Малый скачок возникает, когда движок замыкает два соседних витка, большой – в момент перехода движка к следующему витку и размыкания контакта с предыдущим витком.
Следовательно, разрешение такого преобразователя зависит от диаметра провода и может быть повышено путем использования более тонкого провода. Потенциометр с плотностью намотки 50 витков на миллиметр имеет предельное разрешение 20 мкм, что близко к практическому пределу.

В современных автомобилях используются потенциометры, выполненные по пленочной технологии, где резистивный элемент представляет собой керамическое основание с нанесённой топологией проводникового, резистивного и защитного слоёв.
Такие датчики могут эксплуатироваться в достаточно жёстких условиях.

Датчики давления на основе линейных дифференциальных трансформаторов (ЛДТ)

Линейный дифференциальный трансформатор – это электромеханическое устройство, вырабатывающее выходной электрический сигнал, пропорциональный перемещению ферромагнитного сердечника под действием смещения диафрагмы. ЛДТ состоит из первичной и двух вторичных обмоток, симметрично расположенных на цилиндрическом каркасе. Свободно движущийся внутри обмоток ферромагнитный сердечник в форме стержня обеспечивает связь этих обмоток через магнитный поток (рис. 8 ).

Рис. 8. Принципиальная схема линейного дифференциального трансформатора

При подаче переменного напряжения U1 на первичную обмотку (3. 15 В с частотой 2. 5 кГц) в двух вторичных обмотках наводятся ЭДС взаимной индукции.
Вторичные обмотки включены последовательно и встречно, поэтому результирующий выходной сигнал U0 преобразователя представляет собой разность этих напряжений и равен нулю, когда сердечник находится в центральной (нулевой) позиции.
При перемещении сердечника из нулевой позиции напряжение, индуцируемое во вторичной обмотке, к которой движется сердечник, возрастает, а напряжение, индуцируемое в другой вторичной обмотке, уменьшается.
В результате вырабатывается дифференциальный выходной сигнал, величина которого линейно зависит от положения сердечника. Фаза выходного напряжения изменяется скачком на 180° при переходе через нулевую позицию. Информацию о перемещении несет амплитуда и фаза выходного сигнала.
Погрешность подобного преобразования перемещения сердечника в напряжение составляет около 0,25%. Коэффициент трансформации дифференциального трансформатора 10:1. 2:1.

На автомобилях ЛДТ обычно не используются, но могут применяться, например, для измерения абсолютного давления во впускном коллекторе, давления масла, топлива и т.п. ЛДТ характеризуется отсутствием трения, стабильностью выходного сигнала и способностью работать в агрессивных средах.

Емкостные датчики давления

Емкостные датчики давления используют метод изменения емкости конденсатора при изменении расстояния между обкладками-электродами. Принципиально конструкция состоит из конденсатора, одна из обкладок которого закреплена на упругой металлической мембране (или выполнена в виде мембраны). При изменении давления мембрана с электродом деформируется, и расстояние между обкладками конденсатора изменяется.

Рис. 9. Емкостной датчик с кремниевым чувствительным элементом

На приведенном рисунке одна из обкладок конденсатора выполнена в виде упругой мембраны, которая прогибается при изменении действующего на нее давления. Мембраны для таких датчиков обычно выполняются из кремния (рис. 9) или керамики, при этом конструкции датчиков аналогичны независимо от материала мембраны.

На кремниевой подложке расположен твердый слой, являющийся нижней обкладкой конденсатора. В изолирующем слое стекла и кварца закрепляется кремниевая мембрана, являющаяся второй обкладкой конденсатора. В этом же изолирующем слое имеются токопроводящие электроды от обеих обкладок конденсатора. Между обкладками образуется герметичная полость или вакуум. Иногда пространство между обкладками заполняется маслом или какой-нибудь органической жидкостью.

Подобные датчики все чаще используются в различных системах автомобиля, например, для измерения давления в шинах, во впускном коллекторе двигателя и т.п. Например, емкость подобных конденсаторов применяемых для измерения давления впуска в двигатель и меняется линейно примерно от 32 до 39 пФ при изменении давления от 17 до 105 кПа. Размеры такого датчика 6,7×6,7 мм.

Устройство и принцип работы датчиков давления, расхода и уровня

Точные измерительные приборы – важная составляющая деятельности всех современных отраслей хозяйства. Они служат для своевременного учета расхода разных жидкостей, нужны в работе с газовыми смесями и паром.

Кроме классических расходомеров, обладающих различными принципами действия, часто применяются еще и электронные приборы, измеряющие давление. Подобные устройства – обязательный элемент большей части измерительных комплексов и теплосчетчиков. Они часто входят в состав систем, служащих для осуществления автоматического контроля.

Так называемые датчики давления востребованы на предприятиях энергетического комплекса, в производстве продуктов питания, нефтеперерабатывающей сфере и других отраслях, где требуется знать цифровое значение давления для обеспечения бесперебойной и безопасной работы оборудования.

Оптоэлектронные датчики давления

Датчики давления состоит из нескольких слоев, через которые проходит свет.

Один слой меняет свойства от величины давления среды. Меняются 2 параметра: величина преломления и размер слоя. Методы изображены на рисунках.

При изменении свойств будет изменяться характеристика света, проходящего через слои.

Фотоэлемент производит регистрацию изменений. Преимуществом оптоэлектронных приборов стала высокая точность.Датчики легко определяют давление, имеют повышенное разрешение, чувствительность, стабильны к действию температуры.Перспективность оптоэлектронных приборов обуславливается работой на интерференции света, использованием интерферометра для замера малых перемещений. Основные составляющие элементы датчика – кристалл оптического анализатора с диафрагмой, фотодиод и детектор.

Детектор составляют три светодиода.К 2-м фотодиодам прикреплены оптические фильтры, которые имеют отличия по толщине. Фильтры состоят из кремниевых зеркал, имеющих отражение от лицевой части поверхности, которые имеют слой оксида кремния. Поверхность напылена слоем алюминия малой толщины.Световой преобразователь подобен емкостному датчику.Его диафрагма смоделирована способом травления, которая покрыта металлическим тонким слоем.

Стеклянная пластина снизу покрыта металлическим слоем. Между подложкой и стеклом есть промежуток, образованный двумя прокладками.Два металлических слоя образуют интерферометр с изменяемым воздушным промежутком. В его состав вошли: зеркало на стекле стационарного вида и меняющее положение зеркало на мембране.

На подобной основе изготавливают чувствительные датчики размером 0,55 мм. Они легко проходят через ушко иглы.Оптическое волокно взаимосвязано с сенсором.

В нем с помощью управления микропроцессора подключается монохроматический свет, который вводится в волокно.Делается замер интенсивности обратного света, по калибровке рассчитывается наружное давление и результат показывается на экране. Сенсоры используют в медицине для проверки давления внутри черепа, измерения кровяного давления в артериях легких. Другими методами в легкие добраться невозможно.

Литература

Основные источники

1. “The OMEGA® Made in the USA Handbook™,” Vol. 1, OMEGA Engineering, Inc., 2002.
2. “The OMEGA® Made in the USA Handbook™,” Vol. 2, OMEGA Engineering, Inc., 2002.
3. AN682, “Using Single Supply Operational Amplifiers in Embedded Systems,” Bonnie Baker; Microchip Technology Inc., DS00682, 2000.
4. AN866, “Designing Operational Amplifier Oscillator Circuits For Sensor Applications,” Jim Lepkowski; Microchip Technology Inc., DS00866, 2003.

Датчики тока

1. AN951, “Amplifying High-Impedance Sensors – Photodiode Example,” Kumen Blake and Steven Bible; Microchip Technology Inc., DS00951, 2004.
2. AN894, “Motor Control Sensor Feedback Circuits,” Jim Lepkowski; Microchip Technology Inc., DS00894, 2003.

Резистивные датчики

1. AN863, “A Comparator Based Slope ADC,” Joseph Julicher; Microchip Technology Inc., DS00863, 2003.
2. AN251, “Bridge Sensing with the MCP6S2X PGAs,” Bonnie C. Baker; Microchip Technology Inc., DS00251, 2003.
3. AN717, “Building a 10-bit Bridge Sensing Circuit using the PIC16C6XX and MCP601 Operational Amplifier,” Bonnie C. Baker; Microchip Technology Inc., DS00717, 1999.
4. AN695, “Interfacing Pressure Sensors to Microchip’s Analog Peripherals,” Bonnie Baker; Microchip Technology Inc., DS00695, 2000.
5. AN512, “Implementing Ohmmeter/Temperature Sensor,” Doug Cox; Microchip Technology Inc., DS00512, 1997.
6. AN895 “Oscillator Circuits For RTD Temperature Sensors,” Ezana Haile and Jim Lepkowski; Microchip Technology Inc., DS00895, 2004.

Емкостные датчики

1. AN611, “Resistance and Capacitance Meter Using a PIC16C622,” Rodger Richie; Microchip Technology Inc., DS00611, 1997.

Датчики температуры

1. AN929, “Temperature Measurement Circuits for Embedded Applications,” Jim Lepkowski; Microchip Technology Inc., DS00929, 2004.
2. AN679, “Temperature Sensing Technologies,” Bonnie C. Baker; Microchip Technology Inc., DS00679, 1998.
3. AN897; “Thermistor Temperature Sensing with MCP6SX2 PGAs,” Kumen Blake and Steven Bible; Microchip Technology Inc., DS00897, 2004.
4. AN685, “Thermistors in Single Supply Temperature Sensing Circuits,” Bonnie C. Baker; Microchip Technology Inc., DS00685, 1999.
5. AN687, “Precision Temperature-Sensing With RTD Circuits,” Bonnie C. Baker; Microchip Technology Inc., DS00687, 2003.
6. AN684, “Single Supply Temperature Sensing with Thermocouples,” Bonnie C. Baker; Microchip Technology Inc., DS00684, 1998.
7. AN844, “Simplified Thermocouple Interfaces and PICmicro® MCUs,” Joseph Julicher; Microchip Technology Inc., DS00844, 2002.
8. AN867, “Temperature Sensing With A Programmable Gain Amplifier,” Bonnie C. Baker; Microchip Technology Inc., DS00867, 2003.

Другие датчики

1. AN865, “Sensing Light with a Programmable Gain Amplifier,” Bonnie C. Baker; Microchip Technology Inc., DS00865, 2003.
2. AN692, “Using a Digital Potentiometer to Optimize a Precision Single-Supply Photo Detection Circuit,” Bonnie C. Baker; Microchip Technology Inc., DS00692, 2004.
3. TB044, “Sensing Air Flow with the PIC16C781,” Ward Brown; Microchip Technology Inc., DS91044, 2002.
4. AN597, “Implementing Ultrasonic Ranging,” Robert Schreiber; Microchip Technology Inc., DS00597, 1997.

Схемы нормирования

1. FilterLab® 2.0 User’s Guide;” Microchip Technology Inc., DS51419, 2003.
2. AN942, “Piecewise Linear Interpolation on PIC12/14/16 Series Microcontrollers,” John Day and Steven Bible; Microchip Technology Inc., 2004.

Перевел Вячеслав Гавриков по заказу АО КОМПЭЛ

Магнитные

Магнитные датчики давления еще называют индуктивными.

Элементом чувствительности служит Е-пластина, в центре расположена катушка, и проводящая мембрана. Она расположена на малом расстоянии от конца пластины. При подсоединении обмотки образуется магнитный поток, он идет через пластину, промежуток воздуха и мембрану.

Магнитная проницаемость воздуха в зазоре в 1000 раз слабее мембраны и пластины.

Малое изменение параметра зазора приводит к значительному изменению индуктивности.При воздействии давления мембрана изгибается, сопротивление катушки меняется.Преобразователь переводит изменение в сигнал тока. Измерительный рабочий элемент преобразователя сделан по схеме моста, обмотка включена в плечо. АЦП подает сигнал от элемента измерения в виде сигнала от давления.

Диапазон измерений

Диапазон измерений датчика давления — это максимальные и минимальные значения, при подаче которых устройство будет осуществлять измерения и преобразование в выходной сигнал. Поэтому необходимо выбирать датчик, диапазон измерений которого соответствует диапазону давления предполагаемых измерений. При этом нужно учитывать как нормальные условия применения, так и случайные колебания давления.

Выделяют датчики высокого и сверхвысокого давления, датчики низкого и сверхнизкого давления, и преобразователи среднего давления.

Емкостные

Датчики давления самой простой конструкции, состоящий из плоских электродов (2 шт.) с зазором. Электрод сделан мембраной, на нее давит измеряемое давление.

Меняется размер зазора. Такой вид датчика образует конденсатор с меняющимся зазором. Величина емкости конденсатора меняется при изменении промежутка от пластин или от электродов в данном случае.

Для определения очень небольших изменений давления приборы наиболее применимы и эффективны.

Они дают возможность произвести замеры избыточного давления в различной среде. На предприятиях при выполнении технологических процессов, в которых задействованы системы воздушного и гидравлического оборудования, в насосах, компрессорах, на станках емкостные датчики нашли широкое применение. Датчик емкостного вида имеет конструкцию, которая имеет стойкость к вибрациям, скачкам температуры, защищена от химической и электромагнитной среды.

Присоединение к процессу

Присоединением датчика давления к процессу называется способ монтажа устройства для осуществления измерений — к трубопроводу, импульсной линии и т.д. По типу механического присоединения различают датчики:

• С резьбовыми присоединениями.
• С фланцевыми присоединениями.
• Гигиеническими присоединениями.
• Погружные.

Общепромышленные исполнения датчиков давления наиболее часто монтируются с использованием резьбовых соединений G1/2″ DIN 16288 и M20x1,5.

Пьезоэлектрические

Элементом чувствительности в этом датчике служит пьезоэлемент. Это вещество, создающее электрический сигнал во время деформации. Такое свойство называется прямым пьезоэффектом.

В измеряемой области находится пьезоэлемент, который образует ток, прямо зависящий от значения давления. Сигнал в датчике из пьезоматериала образуется только при деформации. При неизменном давлении нет деформации, поэтому датчик годен только для проведения замеров среды с быстро изменяемым давлением.

Если давление не будет изменяться, то не будет деформации, пьезоэлектрик не сгенерирует сигнал.

Пьезоэлектрики нашли использование в первичных преобразователях потока водяных вихревых счетчиков, и других сред.

Их устанавливают парами в трубу с проходом в несколько сотен мм за предметом обтекания. Фиксируют вихри. Количество и частота вихрей прямо зависят от скорости потока и расхода по объему.

Механические

Когда говорят о механических измерителях давления, чаще всего подразумевают деформационные манометры. Рабочая среда или среды, в случае измерения разности давлений, воздействуют непосредственно на чувствительный элемент, по изменению характеристик которого и определяется измеряемая величина.

По элементу, который подвергается воздействию среды с избыточным давлением, различают следующие виды манометров:

Благодаря простоте устройства и дешевизне они получили широкое распространения, особенно как манометры прямого действия, независящие от подачи электроэнергии.

Устанавливаемые на трубопроводы и сосуды высокого давления, пружинные манометры основаны на изменении размера трубчатой пружины. Стрелка на дисковой шкале показывает значение давления рабочей среды. Существуют модификации данной конструкции. Дополнительные стрелки с электрическими контактами позволяют устройству сигнализировать о выходе измеряемой величины из рабочего диапазона.

В сильфонных преобразователях чувствительным элементом является кремнеорганическая жидкость в специальном закрытом чувствительном элементе. К нему подводятся две трубки, связанные уравнительный линией, это позволяет измерять не только избыточное давление, но и разницу. Перемещение штока под действием гидравлической жидкости и используется для передачи информации о величине измеряемого параметра. При этом сильфонный манометр может комплектоваться различными передающими и отображающими устройствами, как прямыми шкалами, так и цифровыми.

Преобразователь давления с мембранным чувствительным элементом используется для измерения напора. Чаще всего в теплоэнергетике применяются устройства с мембранными коробками. Ими измеряют, например, избыточное давление воздуха, подающегося дутьевыми вентиляторами в топки котлов. Для отображения значение измеряемой величины может быть использовано как механическое, так и цифровое устройство.

Пьезорезонансные

В отличие от вышеописанного вида датчика здесь применяется обратный пьезоэффект, то есть, форма материала пьезоэлемента изменяется от тока подачи.

Применяется резонатор в виде пластины из пьезоматериала. На пластину с двух сторон нанесены электроды. На них подключается по очереди напряжение питания с разным знаком, пластина производит изгиб в обе стороны в зависимости от полярности поданного напряжения и частоты.

Если воздействовать на пластину силой, чувствительной мембраной к давлению, то резонатор изменит частоту колебаний. Частота резонатора укажет значение давления на мембрану, которая оказывает давление на резонатор.

На рисунке изображен пьезорезонансный датчик с абсолютным давлением, который сделан герметичной камерой 1. Она достигается корпусом 2, основанием 6, мембраной 10.Мембрана крепится на электронную сварку к корпусу.

Держатели закреплены на основании перемычками. Силочувствительный резонатор удерживает держатель.Мембрана 10 давит на втулку 13 и шарик 6, который закреплен в держателе. Шарик давит на чувствительный резонатор 5.

Проводка закреплена на основании 6, необходима для слияния резонаторов с генераторами.Сигнал на выходе абсолютного давления образуется по схеме путем разности генераторных частот. Датчик находится в активном термостате 18 с неизменной температурой 40 градусов. Давления для измерения поступает через штуцер 12.

Резонансная частота

Веерный датчик DP компании Yokogawa выпущен на замену устаревшим моделям. Действующая измерительная повер-Резонансная частота хность датчика является набором однокристальных кремниевых мостов площадью менее 1 мм2. Два небольших резонатора подвергнуты машинной обработке на поверхности кремниевой пластины, используя технологию MEMS (миниатюрные электромеханические системы). Эти резонаторы возбуждаются сигналом переменного тока процессора и окружающего магнитного поля. Один резонатор реагирует на растяжение, а другой — на сжатие. Когда кремниевая подложка перемещается в любом из двух направлений, частота резонатора изменяется пропорционально величине перемещения. Выходной сигнал давления генерируется на основании математического сравнения изменения частот резонатора. Поскольку кремниевый датчик может перемещаться в любом направлении, одно и то же устройство используется для измерения абсолютного и дифференциального давления.

Нельсон говорит, что эти характеристики — хорошее начало, но инженеры сегодня хотят еще больше. Он добавляет: «Вчера мы общались с заказчиками, и диалог был следующим: «Да, нам важно, насколько надежны показания вашего датчика, но мы также хотим знать, как он может помочь нам увеличить безопасность и эффективность нашего предприятия, а также использование активов». Затем обсуждение перешло к расширенной диагностике, когда мы идентифицируем, что проходит через трубопровод или находится в емкости. 22 раза в секунду мы выдаем среднее значение переменной или стандартное отклонение значения и другую информацию помимо основного значения давления. Интеллектуальность датчиков и их возможности потрясающи. Один прибор измерения давления может выдать высокоточное значение дифференциального давления, температуру среды, температуру прибора, подсчитать в реальном времени массовый расход, стандартное отклонение и показатели за определенный пользователем временной отрезок. И все это имеет такой же размер и потребляет столько же энергии как наш датчик 20 лет назад.

«Такая диагностика процесса производит большое впечатление на наших клиентов. Если на предприятии установлены тысячи датчиков давления, они могут стать своего рода стетоскопом для трубопровода, используя уже установленное оборудование для наблюдения за происходящими изменениями. Если жидкость спокойно протекает по трубопроводу через измерительную диафрагму, вы получаете хороший, стабильный сигнал. При возникновении какой-либо аварийной ситуации, когда происходят изменения характеристик протекающего материала, например воздушные, газовые пузыри и твердые частицы, увеличивается уровень шума, вычисляемый датчиком, что позволяет провести быструю диагностику и принять меры по обеспечению

Резистивные

Другим названием этот датчик называется тензорезистор. Это элемент, который меняет собственное сопротивление при деформации.

Такие тензорезисторы монтируют на мембрану, которая чувствительна к изменяющемуся давлению. В результате при приложении силы на мембрану происходит ее изгиб, из-за этого изгибаются тензорезисторы, которые на ней закреплены. На тензорезисторах меняется сопротивление и значение тока цепи.

Растяжение элементов из проводников на каждом тензорезисторе ведет к увеличению длины и снижению сечения. В итоге сопротивление повышается.При сжатии процесс происходит наоборот.

Изменения сопротивления незначительные, поэтому для обработки сигнала применяются усилители. Деформация переделывается в изменение сопротивления проводника или полупроводника, а затем в сигнал тока.Тензорезисторы выполнены в виде проводящего зигзагообразного элемента, или из полупроводника, который расположен на гибкой подложке, приклеенной к мембране. Подложка сделана из слюды, полимерной пленки или бумаги.

Элемент проводника – из полупроводника, тонкой проволоки или фольги, напыленных на металл в вакуумном состоянии.Чувствительный элемент соединяют с цепью измерения выводами из проволоки или площадками контактов. Тензорезисторы чаще имеют размер площади до 10 мм2. Они более подходят для замера давления, веса, силы нажатия.

Советы по выбору и приобретению датчиков давления

Важно определить, что вы будете измерять. Есть несколько типов давления: барометрическое, избыточное, вакуумное, относительное, абсолютное.Интервал разбега давления.Класс защиты датчика. Для разных условий работы определены свои степени защиты от пыли и влаги.Термокомпенсация.

Эффекты температуры: например, расширение предметов, создают значительные помехи на результат измерения датчика. Если температура всегда изменяется в среде, то нужна термокомпенсация. Про границы температур тоже нельзя забывать.Вид материала.

Свойства материала играют значительную роль для агрессивных условий.Тип сигнала выхода. Бывают цифровой вид и аналоговый. Нужно также учесть интервалы выхода сигнала, количество проводов.

Датчики давления

Механические датчики давления состоят из:

Жидкостных датчиков давления.Поршневых систем.Пружинных систем.

Теперь пришло время рассмотреть датчики движения, которые встречаются наиболее часто. Наиболее часто на сегодняшний день используют пружинные датчики давления. Их действие будет основано на том, что возникновении упругой деформации пружины, которая считается пружинным элементом прибора.

При изменении давления будет возникать деформация внутри и снаружи. Изменение формы определенного элемента будет передаваться на подвижную часть прибора со стрелкой. При снятии давления элемент примет прежнюю форму.

В технических манометрах чаще всего применяются упругие пружины:

Одновитковые.Многовитковые.Плоские мембраны.Сильфоны.

Раскручивание пружины будет происходить из-за того, что при увеличении внутреннего давления эллиптическое сечение будет стремиться принять круглую форму. В результате этого могут возникать напряжения, которые будут раскручивать пружину.

Свободный конец будет перемещаться прямопропорционально давлению внутри ее. Таким образом, можно сказать о том, что измеряемое давление будет преобразовываться в механическое перемещение свободного конца пружины. Величина такого перемещения чаще всего будет составлять 5-7 мм.

Многовитковая трубчатая пружина будет иметь 6-9 витков. Перемещение свободного конца пружины значительно больше, чем у одновитковой пружины.

Обычно датчики в виде одновитковой пружины могут применяться в показывающих приборах. В большинстве случаев это будет связано с тем, что в самопишущих приборах датчик должен иметь большое усилие, которого хватит для преодоления трения. В нашем разделе также есть статья о том, как работает тензодатчик.

Плоская гофрированная мембрана будет использоваться отдельно. При необходимости также можно применять плоскую прорезиненную ткань, которая будет плотно соединена с плоской калиброванной пружиной. Гармоникообразная мембрана отличается от других, так как имеет наибольшую чувствительность.

Сильфонные приборы предназначаются для измерения и записи избыточного давления в схемах автоматизации. Кроме этого, подобные устройства также можно использовать в качестве вторичных приборов к устройствам, которые имеют приспособление для пневматической передачи показаний на расстояние. Пружинные датчики давления в схемах позволяют преобразовывать механическое перемещение в электрический сигнал с помощью индуктивного или контактного датчика.

На рисунке выше представлена схема датчика давления типа МЭД. Здесь сначала давление будет восприниматься трубчатой манометрической пружиной.

В дальнейшем оно будет преобразовываться в перемещение конца манометрической трубки. Это перемещение также может передаваться плунжеру трансформаторного датчика. Вторичным приборов в этой конструкции считается устройство типа ЭПИД.

Специалисты сообщают, что датчики расхода на сегодняшний день могут быть:

Механические.Термические.Ионизационные.Индукционные.Акустические.

Важно знать! Механические датчики расхода разделяются на датчики переменного и постоянного перепада. Также могут быть датчики со сливным отверстием.

Датчики расхода будут действовать по принципу возникновения перепада давления в сужающем устройстве. Перепад давления в этом случае является функцией расхода.

Сужающее устройство считается воспринимающим органом датчика расхода. Датчики расхода постоянного перепада (ротаметры) используются для регулирования сечения с целью поддерживания постоянным перепада давления. Если будет интересно, тогда можете прочесть про принцип работы термопары.

На рисунке, который расположен выше вам предоставлена схема ротаметра с индуктивным датчиком. Ротаметр состоит из:

Конической трубки.Поплавка.

Во время движения жидкости или газа в кольцевом зазоре между поплавком и трубками будет создаваться перепад давления, который в дальнейшем будет создавать силу, действующую навстречу силе веса поплавка, который здесь расположен. Ротаметры на сегодняшний день могут выполняться, как показывающие приборы и как датчики.

Обмотка индуктивного датчика располагается на трубке сопла. Железный поплавок в свою очередь будет являться сердечником катушки индуктивного датчика. При изменении расхода поплавок может перемещаться и соответственно изменять индуктивность катушки.

Выходные сигналы

В большинстве случаев промышленные датчики давления используют выходной сигнал 4 ..20 мА или 0 – 10 В, являющиеся наиболее распространённым.

В некоторых случаях могут производится приборы с ратиометрическим выходом.

Такой сигнал отличается зависимостью значения от напряжения питания. Как правило это сигнал в диапазоне 0,5…4,5 В. По сути «0,5…4,5 В» таковы только при стабильном напряжении в 5 В. Если значение напряжения питания изменится, то пропорционально изменится и выходной сигнал.

Электрическое присоединение использует стандарт DIN 650 и DIN 43, встречаются также miniDIN.

Интересно подключение измерителей давления к ПЛК (программируемый логический контроллер), происходящее через замкнутую токовую петлю. Дело в том, что промышленные датчики давления имеют только один положительный аналоговый выход, подключающийся к положительному аналоговому входу ПЛК, после чего положительный выход питания сенсора подключается к питанию.

Токовая петля

Таким образом промышленные датчики давления запитываются от своего же выходного сигнала. Данная схема весьма экономична и удобна, но имеет ограничение по мощности в 20 мА.

Иногда в подобную схему устанавливается гальваническая изоляция, представляющая собой модули, разделяющие блок питания для ПЛК и для датчика, что позволяет защитить оборудование от скачков напряжения.