Датчики давления

Датчик давления является измерительным прибором, на исходящие параметры которого влияет давление исследуемого пространства (парового, газового или жидкостного). В современных инженерных системах использование датчиков давления является обязательным. Без них не могут существовать автоматические системы, используемые в энергетической, нефтяной, газовой, пищевой и других важных отраслях.

Датчик давления состоит из:

1. Первичного преобразователя давления, имеющего чувствительный элемент.
2. Корпусных элементов, имеющих разную конструкцию.
3. Схем, позволяющих повторно обрабатывать сигнал.

В зависимости от принципа функционирования датчики давления могут быть:

• оптическими;
• волоконно-оптическими;
• оптоэлектронными;
• магнитными;
• емкостными;
• ртутными;
• пьезоэлектрическими;
• пьезорезонансными;
• резистивными.

Оптические датчики

Для оптических датчиков давления существует оптоэлектронный и волоконно-оптический измерительные принципы.

Оптические датчики давления

Оптоэлектронные датчики

В состав таких датчиков входят прозрачные структуры, уложенные в несколько слоев. Эта структура является проводником светового излучения. Давление пространства оказывает влияние на изменение характеристик одного из слоев. Так, изменение касается толщины слоя и показателя преломления.

Изменяющиеся характеристики напрямую влияют на изменение параметров транспортируемых световых слоев. Для регистрации подобных изменений служит фотоэлемент. Преимуществом оптоэлектронных датчиков является очень высокая точность.

Волоконно-оптические датчики

Отметим максимальную точность показаний волоконно-оптических датчиков. Их функционирование не подвержено температурным изменениям. За чувствительность данных приборов отвечает оптический волновод. Волоконно-оптические устройства измеряют давление на основании амплитудных колебаний и поляризации транспортируемого посредством чувствительного элемента светового потока.

Магнитные датчики

Магнитные датчики также называют индуктивными. В основе чувствительного компонента устройства заложена пластина Е-образной формы, центральная часть которой оснащена катушкой. Также в состав датчика входит проводящая мембрана, которая чувствительна к изменениям давления. Расположение мембраны предусмотрено почти в крайней части пластины. Подключение катушки является причиной создания магнитного потока, транспортируемого посредством пластины, мембраны и воздушного зазора. Величина магнитной проницаемости мембраны и пластины почти в тысячу раз превышает величину проницаемости зазора. В связи с этим индуктивность существенно изменяется в результате незначительного изменения величины зазора.

Магнитные датчики давления

Ртутные датчики

Ртутный датчик также является простым измерительным прибором. Его принцип функционирования связан с сообщающимися сосудами. Один из сосудов находится под давлением измеряемой величины. Единицей измерения в данном случае выступает ртутный столбец.

Ртутные датчики давления

Емкостные датчики

Емкостной датчик отличается очень простой конструкцией. В его состав заложены два плоских электрода с межэлектродным зазором. Один электрод исполнен в виде мембраны, находящейся под воздействием измеряемой величины. Это приводит к изменению величины зазора. Таким образом, емкостные датчики являются конденсаторами, которые характеризуются изменяющимся размером зазора. Соответственно величина зазора связана с емкостью конденсатора. Особенность емкостных датчиков заключается в фиксации незначительных колебаний давления.

Резистивные датчики

Резистивные устройства также позиционируются как тензорезистивные. Понятие тензорезистора связано с элементом, сопротивление которого изменяется под воздействием деформации. Местом размещения тензорезисторов является мембрана, которая чувствительна к перепадам давления. Давление на мембрану приводит к ее изгибанию и следственному изгибанию расположенных на ней тензорезисторов. В результате происходит изменение сопротивления тензорезисторов, способствующее изменению значения силы электрического тока.

Резистивный датчик давления

Пьезоэлектрические датчики

Подобные устройства базируются на чувствительном элементе, который называется пьезоэлементом. Последний является материалом, который, находясь под деформацией, способен выделять электрический сигнал. Такое явление называется прямым пьезоэффектом. Находясь в измеряемом пространстве, пьезоэлемент становится источником образования электрического тока, пропорционального изменению давления. В связи с тем что предпосылкой для выделения электрического сигнала в пьезоэлементе является деформация, а также учитывая, что постоянное давление не приводит к деформации, пьезоэлектрические датчики могут измерять только стремительно изменяющееся давление.

Пьезоэлектрические датчики давления

Пьезорезонансные датчики

Данные приборы также основываются на пьезоэффекте, однако, по сравнению с пьезоэлектрическими датчиками, в них заложено явление обратного пьезоэффекта, которое заключается в изменении формы пьезоэлемента под воздействием электрического тока. Пьезорезонансные датчики оснащены резонатором (к примеру, пластиной) из пьезоматериала, который двустороннее оснащен электродами. Последние находятся под последовательным воздействием меняющегося напряжения. Это приводит к разностороннему изгибанию пластины с учетом частоты транспортируемого электричества. Однако если пластину подвергнуть силе, к примеру, поступающей от чувствительной к давлению мембраны, это приведет к изменению частоты колебаний резонатора. Частота резонатора демонстрирует величину давления на мембрану. Последняя, со своей стороны, оказывает давление на резонатор.

Пьезорезонансный датчик давления

Что нужно знать о параметрах датчиков давления во время их приобретения

Тип давления

Важным является понимание типа давления, которое является предметом измерений. Так, давление может быть абсолютным, относительным, избыточным, вакуумным или барометрическим.

Термическая компенсация

Из-за температурных эффектов, одним из которых является физическое расширение, можно столкнуться с довольно-таки сильными погрешностями исходящего сигнала прибора. В случае наблюдения постоянных температурных колебаний окружающей среды необходимо прибегнуть к термической компенсации. Помимо этого, требуется учет температурного коридора.

Тип исходящего сигнала

Следует определиться с необходимым типом сигнала. Напомним, что он может быть цифровым или аналоговым. При выборе аналогового исходящего сигнала необходимо учитывать границы такого сигнала и количество проводов. К примеру, границами могут быть значения от четырех до двадцати миллиампер.

Уровень защиты датчика

Безопасность эксплуатации датчика давления зависит от сферы его применения. В некоторых случаях устройство должно быть пыле- и влагозащитным.

Материал изготовления прибора

В случае использования датчика в агрессивной среде потребуется выбор прочного материала его изготовления. Как результат, такое устройство должно иметь высокую коррозионную устойчивость.