Типы датчиков давления

Простое самостоятельное введение датчика давления

Преобразователь давления, являясь датчиком давления с выходным стандартным сигналом, представляет собой прибор, принимающий переменную величину давления и пропорционально преобразующий её в стандартный выходной сигнал. Он может преобразовывать физические параметры давления газа, жидкости и т.д., измеряемые датчиком тензодатчика, в стандартные электрические сигналы (например, 4–20 мА постоянного тока и т.д.) для использования в качестве вторичных приборов, таких как сигнализаторы, регистраторы, регуляторы и т.д., для измерения, индикации и регулирования технологических процессов.

Классификация датчиков давления

Обычно преобразователи давления, о которых мы говорим, разделяются по принципу:
Емкостные, резистивные, индуктивные, полупроводниковые и пьезоэлектрические датчики давления для высокочастотных измерений. Наиболее распространены резистивные датчики давления. В качестве емкостного датчика давления используется датчик Rosemount 3051S, являющийся представителем высококлассных продуктов.

В зависимости от чувствительных к давлению компонентов датчики давления можно разделить на металлические, керамические, из диффузного кремния, из монокристаллического кремния, сапфировые, из напыленной пленки и т. д.

• Металлический датчик давления имеет низкую точность, но мало подвержен влиянию температуры и подходит для областей с широким диапазоном температур и низкими требованиями к точности.
• Керамические датчики давления обладают более высокой точностью, но сильнее подвержены влиянию температуры. Керамические датчики также обладают такими преимуществами, как ударопрочность и коррозионная стойкость, что позволяет использовать их в системах реагирования.
• Точность передачи давления диффузионным кремнием очень высока, а температурный дрейф также велик, поэтому перед его использованием, как правило, требуется температурная компенсация. Более того, даже после температурной компенсации давление выше 125 °C измерить невозможно. Однако при комнатной температуре коэффициент чувствительности диффузионного кремния в 5 раз выше, чем у керамики, поэтому он широко используется в области высокоточных измерений.
• Датчик давления на основе монокристаллического кремния – самый точный датчик, применяемый в промышленности. Он представляет собой усовершенствованную версию датчика давления на основе диффузионного кремния. Конечно, цена также выросла. В настоящее время японская компания Yokogawa является представителем в области датчиков давления на основе монокристаллического кремния.
• Сапфировый датчик давления нечувствителен к изменениям температуры и имеет хорошие рабочие характеристики даже в условиях высоких температур; сапфир обладает чрезвычайно высокой радиационной стойкостью; отсутствует p-n дрейф; он может нормально работать в самых тяжелых рабочих условиях и является надежным. Высокая производительность, хорошая точность, минимальная температурная погрешность и низкие общие эксплуатационные характеристики.
• Напыляемый тонкопленочный датчик давления не содержит клея и демонстрирует более высокую долговременную стабильность и надежность, чем липкий тензорезистор; он менее подвержен влиянию температуры: при изменении температуры на 100 ℃ дрейф нуля составляет всего 0,5%. Его температурные характеристики значительно превосходят характеристики диффузионного кремниевого датчика давления; кроме того, он может напрямую контактировать с обычными агрессивными средами.

Принципы действия различных типов датчиков давления

• Принцип действия емкостного датчика давления.

При непосредственном воздействии давления на поверхность измерительной диафрагмы происходит её небольшая деформация. Высокоточная схема измерительной диафрагмы преобразует эту небольшую деформацию в высоколинейное напряжение, пропорциональное давлению и напряжению возбуждения. Затем с помощью специальной микросхемы этот сигнал напряжения преобразуется в стандартный промышленный токовый сигнал 4–20 мА или напряжение 1–5 В.

• Принцип действия диффузионного кремниевого датчика давления

Давление измеряемой среды непосредственно воздействует на диафрагму датчика (обычно это диафрагма из стали 316L), в результате чего диафрагма совершает микроперемещение, пропорциональное давлению среды, изменяя величину сопротивления датчика и детектируя это с помощью схемы Уитстона. Это изменение преобразуется и выводится в стандартный измерительный сигнал, соответствующий этому давлению.

• Принцип действия монокристаллического кремниевого датчика давления

Пьезорезистивные датчики давления построены на основе пьезорезистивного эффекта монокристаллического кремния. В качестве упругого элемента используется пластина монокристаллического кремния. При изменении давления монокристаллический кремний деформируется, в результате чего непосредственно рассеянное на нём сопротивление деформации пропорционально измеряемому давлению, а соответствующий выходной сигнал напряжения формируется мостовой схемой.

• Принцип действия керамического датчика давления

Давление непосредственно воздействует на переднюю поверхность керамической диафрагмы, вызывая её небольшую деформацию. Толстоплёночный резистор напечатан на задней стороне керамической диафрагмы и соединён с мостом Уитстона (закрытым мостом) благодаря пьезорезистивному эффекту варистора. Мост генерирует высоколинейный сигнал напряжения, пропорциональный давлению и напряжению возбуждения. Обычно используется для измерения давления в воздушных компрессорах, где используется больше керамики.

• Принцип действия тензометрического датчика давления

Наиболее часто используемыми тензорезисторами давления являются металлические и полупроводниковые тензорезисторы. Металлический тензорезистор – это чувствительный прибор, преобразующий изменение деформации образца в электрический сигнал. Существует два типа тензорезисторов: проволочные и металлофольговые. Обычно тензорезистор прочно прикреплён к матрице механической деформации с помощью специального клея. При изменении нагрузки на матрицу тензорезистор также деформируется, что приводит к изменению сопротивления тензорезистора, а значит, и напряжения, приложенного к резистору. Тензорезисторы давления относительно редко встречаются на рынке.

• Сапфировый датчик давления

Сапфировый датчик давления использует рабочий принцип тензосопротивления, использует высокоточные чувствительные компоненты из кремния-сапфира и преобразует сигнал давления в стандартный электрический сигнал с помощью специальной усилительной схемы.

• Датчик давления напыляемой пленки

Напыляемый чувствительный элемент давления изготовлен с использованием микроэлектроники, образуя прочный и стабильный мост Уитстона на поверхности эластичной мембраны из нержавеющей стали. При воздействии давления измеряемой среды на эластичную мембрану из нержавеющей стали мост Уитстона, расположенный с другой стороны, вырабатывает электрический выходной сигнал, пропорциональный давлению. Благодаря высокой ударопрочности напыляемые пленки часто используются в условиях частых ударных нагрузок, например, в гидравлическом оборудовании.

Меры предосторожности при выборе датчика давления

• Выбор значения диапазона давления датчика:

Сначала определите максимальное значение измеряемого давления в системе. Как правило, необходимо выбрать датчик с диапазоном давления, примерно в 1,5 раза превышающим максимальное значение, или использовать датчик давления, соответствующий его нормальному диапазону. Также распространённым вариантом является диапазон от 1/3 до 2/3 нормального диапазона.

• Какой тип рабочей среды:

Вязкие жидкости и грязь могут заблокировать порты давления. Растворители или едкие вещества могут разрушить материалы датчика, находящиеся в непосредственном контакте с этими средами?
Материал датчика давления, контактирующего со средой, — нержавеющая сталь марки 316. Если среда не вызывает коррозии нержавеющей стали марки 316, то практически все датчики давления подходят для измерения давления среды;
Если среда коррозионно-активна для нержавеющей стали марки 316, следует использовать химическую изоляцию и косвенные измерения. Использование капиллярной трубки, заполненной силиконовым маслом, для направления давления может предотвратить коррозию датчика давления и продлить срок его службы.

• Какая точность требуется передатчику:

Точность определяется нелинейностью, гистерезисом, невоспроизводимостью, температурой, шкалой смещения нуля и температурой. Чем выше точность, тем выше цена. Как правило, точность диффузионного кремниевого датчика давления составляет 0,5 или 0,25, а емкостного или монокристаллического кремниевого датчика давления — 0,1 или даже 0,075.

• Технологическое присоединение преобразователя:

Обычно датчики давления устанавливаются на трубопроводах или резервуарах. Конечно, небольшая их часть устанавливается и используется с расходомерами. Обычно существует три способа монтажа датчиков давления: резьбовое, фланцевое и хомутовое. Поэтому перед выбором датчика давления необходимо также учесть тип технологического соединения. Если оно резьбовое, необходимо определить тип резьбы. Для фланцев необходимо учитывать тип фланца и номинальный диаметр.

Введение в отрасль преобразователей давления

Около 40 стран мира занимаются разработкой и производством датчиков, причём США, Япония и Германия являются регионами с наибольшим объёмом производства датчиков. На эти три страны в совокупности приходится более 50% мирового рынка датчиков.

В настоящее время рынок датчиков давления в моей стране является зрелым и высококонцентрированным. Однако доминирующее положение занимают зарубежные компании, представленные такими компаниями, как Emerson, Yokogawa, Siemens и др. Продукция известных брендов занимает около 70% рынка и имеет абсолютное преимущество в крупных и средних инжиниринговых проектах.

Это связано с последствиями раннего принятия моей страной стратегии «рынка технологий», которая сильно ударила по государственным предприятиям моей страны и в какой-то момент привела к краху. Однако в то же время некоторые производители, представленные частными китайскими предприятиями, незаметно появились и стали крепнуть. Будущий рынок датчиков давления Китая полон новых неизвестных.