Датчик давления как измерительный прибор на практике

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.

ЦИФРОВОЙ

Датчик давления потенциометрический - конструкция
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/см2) 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/см2).

Дифференциальная величина – разница величин двух областей (относительно эталонной величины). Как правило, значения измеряются в кг/см2.

Избыточная величина – результат, полученный относительно значения атмосферного давления. Стандарт по единицам измерения – кг/см2 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.

ТОПЛИВНЫЙ

Датчик давления - конструкция с запрещённой зоной
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.

Электрический воздушный компрессор, 220В/110В 30 мпаЭлектрический воздушный компрессор высокого давленияЭлектрический воздушный насос высокого давления

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.

СИЛИКОН

Датчик давления абсолютного - конструкция
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).

ШИННЫЙ

Датчик давления на чипе MPXxx6115A - принципиальная схема
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:


При помощи информации: Teesing