Бесконтактный датчик давления

Датчики давления. Виды и работа. Как выбрать и применение

Датчики давления являются устройством, выдающим сигналы на выходе, зависящие от давления измеряемой среды. Сегодня не обходятся без точных датчиков определения давления. Они применяются в автоматизированных системах всех отраслей промышленности.

Классификация и принцип работы

Многие датчики давления функционируют на преобразовании давления в движение механической части. Кроме механических элементов (трубчатые пружины, мембраны) для замеров используются тепловые и электрические системы. Электронные элементы дают возможность осуществить производство датчиков давления на электронных элементах.

Датчик давления состоит из:

• Первоначальный преобразователь вместе с чувствительным элементом.
• Корпус датчика, имеющий разные конструкции.
• Электрическая схема.

Волоконно-оптические

Этот тип датчиков считается самым точным в работе, которая не имеет большой зависимости от изменений температуры. Элементом точной чувствительности действует оптический волновод. Давление в волоконно-оптических приборах определяется путем поляризации света, прошедшего по элементу чувствительности, и колебаниям амплитуды.

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.

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.

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.

Ртутные

Также простая конструкция прибора. Действует по закону о сообщающихся сосудах. На одну емкость давит давление, которое нужно измерить. По величине другого сосуда – определяется давление.

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.

Пьезорезонансные датчики давления

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.

Резистивные датчики давления

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 мм 2 . Они более подходят для замера давления, веса, силы нажатия.

Датчики давления. Типы, характеристики, особенности, подбор.

Введение

Давление необходимо учитывать при проектировании многих химических процессов. Давление определяется как сила действующая на единицу площади и измеряется в английских единицах — пси или в СИ единицах — Па.
Существуют три типа измеряемого давления:

1. Абсолютное давление — атмосферное давление плюс избыточное давление;
2. Избыточное давление — абсолютное давление минус атмосферное давление;
3. Дифференциальное давление — разность давлений между двумя точками.

Существуют различные типы датчиков давления, которые сегодня доступны на рынке для использования в промышленности. Каждый из них имеет преимущества в определенных ситуациях.

Критерии отбора датчика

Для того чтобы контролируемая давлением система работала правильно и эффективно, важно, чтобы используемый датчик давления мог давать точные показания по мере необходимости и в течение длительного периода времени без необходимости ремонта или замены в условиях работы системы. Существует несколько факторов, влияющих на пригодность конкретного датчика давления для конкретного процесса. Основные это:

• характеристики используемых веществ в среде которых будет использоваться устройство;
• условия окружающей среды;
• диапазон давлений;
• уровень точности и чувствительности, требуемые в процессе измерения.

Процесс

Чувствительный элемент (упругий элемент) будет подвергаться воздействию веществ, используемых в процессе, поэтому материалы датчика, которые могут реагировать с данными веществами или подвергаться воздействию агрессивных сред — непригодны для использования. Мембраны (диафрагмы) являются оптимальными даже для очень суровых условий использования.

Окружающая среда

Окружающая среда (в технологическом процессе — это среда создаваемая веществом, вибрация, температура и т.д.), в которой проводится технологический процесс, также должна быть учтена при выборе датчика давления. В агрессивных средах, при сильных вибрациях в трубопроводе, или при экстремальных температурах, датчики должны иметь дополнительный уровень защиты. Герметичные, прочные корпуса с заполнением материалом, содержащим глицерин или силикон — часто используются, для того, чтобы защитить внутренние компоненты датчика (кроме чувствительного элемента) от очень жестких, агрессивных сред и колебаний.

Диапазон давлений

Большинство процессов работают в определенном диапазоне давлений. Поскольку определенные датчики давления работают оптимально в определенных диапазонах давления, существует необходимость выбрать устройства, способные функционировать в диапазоне, установленном процессом.

Чувствительность

Различные процессы требуют различных уровней точности. В общем, чем точнее датчик, тем он дороже, таким образом, будет экономически выгодно выбрать датчики, которые способны максимально удовлетворить требуемую точность. Существует также компромисс между точностью и способностью быстро обнаруживать изменения давления. Следовательно, в процессах, в которых давление сильно варьируется в течение коротких периодов времени — нецелесообразно использовать датчики, которым требуется больше времени, чтобы дать точные показания давления, хотя они и могли бы дать более точные значения.

Методы измерения давления

Существует несколько наиболее часто используемых методов измерения давления. Эти методы включают в себя визуальный замер высоты жидкости в колонне, метод упругой деформации и электрические методы.

Высота жидкости в колонне

Давление можно выразить как высоту жидкости с известной плотностью в трубке. Используя уравнение P = ρ GH, можно легко вычислить значение давления. Данные типы измерительных приборов обычно называют манометрами. Для измерения высоты жидкости в колонне, может быть использована шкала с единицами измерения расстояния, также как и откалиброванная шкала давления. Обычно в качестве жидкости в этих колоннах используется вода или ртуть. Вода используется, когда вы хотите достичь более высокой чувствительности (плотность воды значительно меньше, чем плотность жидкой ртути, так что высота столба воды будет более сильно меняться при изменении давления). Ртуть же используется, когда вы хотите измерять более высокие значения давления, но с меньшей чувствительностью.

Упругая деформация

Этот метод измерения давления основан на принципе, который гласит, что степень деформации упругого материала прямо пропорциональна прикладываемому давлению. Для данного метода, в основном, используются три типа датчиков: трубки Бурдона, диафрагмы и сильфоны. (См. раздел «Типы датчиков»)

Электрические методы

Электрические методы, используемые для измерения давления основаны на принципе, основывающимся на том, что изменение размера влияет на электрическое сопротивление проводника. Устройства, использующие для измерения давления изменение сопротивления называют тензодатчиками. Также существуют и другие электрические датчики, например емкостные, индуктивные, магнетосопротивления (Холла), потенциометрические, пьезометрические и пьезорезистивные преобразователи. (См. раздел «Типы датчиков»)

Типы датчиков

Существует множество различных датчиков давления являющихся наиболее подходящими для конкретного процесса, но их обычно можно разделить на несколько категорий, а именно: упругие датчики, электрические преобразователи, датчики дифференциального давления и датчики давления вакуума. Ниже представлены категории, каждая из которых содержит уникальные внутренние компоненты более подходящие под использование в конкретной ситуации.

Упругие датчики

Большинство датчиков давления жидкости имеют упругую структуру, где жидкость заключена в небольшой отсек по меньшей мере с одной упругой стенкой. При использовании данного метода, показания давления определяются путем измерения отклонения этой эластичной стенки, представляя результат непосредственным отсчетом через соответствующие связи, либо через трансдуцированные электрические сигналы. Упругие датчики давления очень чувствительны, они довольно хрупкие и подвержены вибрации. Кроме того, они, как правило, значительно дороже, чем манометры, и поэтому в основном используются для передачи измеренных данных и измерения разности давлений. Теоретически можно использовать довольно широкий спектр упругих элементов для упругих датчиков давления. Однако большинство устройств используют ту или иную форму трубки Бурдона или диафрагмы.

Трубки Бурдона

Принцип, на котором основаны разного вида трубки Бурдона: Давление, подаваемое внутрь трубки, вызывает упругую деформацию эллиптического или овального сечения трубки в сторону круга, которая вызывает появление напряжений в продольном направлении, заставляющих трубку разгибаться, а свободный конец трубки перемещаться. Система рычагов и передач превращает это движение и возвращает стрелку, показывающую давление относительно круглой шкалы. Диапазон измерения такого манометра составляет — от 10 Па до 1000 МПа. Трубные материалы могут быть изменены соответствующим образом в соответствии с требуемым условием процесса. Также, трубки Бурдона — портативные и требуют минимального технического обслуживания, однако, они могут быть использованы только для статических измерений и имеют низкую точность.

Материалом для трубчатых пружин может служить сталь, бронза, латунь. В зависимости от конструктивного исполнения трубчатые пружины могут быть одно- и многовитковые (винтовые и спиральные), S-образные и т.п. Распространены одновитковые трубчатые пружины, используемые в манометрах, которые предназначены для измерения давления жидкостей и газов, а также в таких типах манометров как глубиномер. Датчики С-типа могут быть использованы в диапазонах давлений приближающихся к 700 МПа; они имеют минимальный рекомендованный диапазон давления — 30 кПа (т.е. они не достаточно чувствительны для измерения разности давлений меньше чем 30 кПа).

Сильфоны

Сильфоны имеют цилиндрическую форму и содержат много складок. Они могут деформироваться в осевом направлении при изменении давления (сжатие или расширение). Давление, которое должно быть измерено прикладывается к одной стороне сильфона (внутри или снаружи), тогда как на противоположную сторону действует атмосферное давление. Абсолютное давление может быть измерено путем откачки воздуха из внешнего или внутреннего пространства сильфона, а затем измерением давления на противоположной стороне. Сильфон может быть подключен только к включающим / выключающим переключателям или к потенциометру и используется при низких давлениях, H 2 (газ) + ZnCl 2 (жидк), вы производите один моль газообразного водорода в дополнение к существующему давлению воздуха в емкости. По мере протекания реакции, давление внутри сосуда будет существенно увеличиваться. Моделирование давления H 2 (газ) в идеальных условиях равно, Р = НЗТ / V

• Примерно через 1 час, давление H 2 (газ) увеличится до 4,38 атм, создав общее давление в сосуде на 5,38 атм.
• Окружающая среда
  1. Здесь нет опасности от высоких температур и сильной вибрации из-за высокого расхода и скорости реакции.
• Чувствительность
  1. Так как это умеренно опасный процесс, мы должны иметь выход датчика подключаемый к компьютеру. Так, инженер может безопасно наблюдать за процессом. Мы предполагаем, что датчик будет сигнализировать клапан HCl, чтобы закрыть его после того, как рабочее давление станет равным 3 атм., однако устройства иногда дают ошибку. Мы также должны иметь высокую чувствительность, поэтому предпочтительными будут электрические компоненты (т.е. мы не хотим, чтобы процесс отклонялся от нормального режима, хотя это потенциально возможно, если бы датчик был не очень чувствителен к постепенным изменениям).

 

Точка отключения

Принимая во внимание быстрое увеличение давления, как оценено в пункте (2), и отказ клапана при 4 атм., точка выключения должно быть примерно равна 3 атм.

Тип датчика:

1. Учитывая типы датчиков, которые мы обсуждали, мы можем сразу отбросить вакуумные датчики, так как они работают при очень низких давлениях (почти вакууме, отсюда и название). Мы можем также отбросить дифференциальные датчики давления, поскольку мы не ищем перепада давления на резервуаре.
2. Поскольку мы хотим добиться высокой чувствительности, мы должны использовать электрические компоненты. Учитывая диапазон давлений (3 атм.; макс

0,3 МПа) оптимальным будет емкостной элемент, потому что он прочный и хорошо работает в системе низкого давления.

• Принимая во внимание коррозионную активность в системе с содержанием HCl , в качестве упругого элемента может быть использована мембрана. Мембраны также довольно прочны и обеспечивают быстрое время отклика.
• Эта комбинация, вероятно, будет заключена в прочном, заполненном, глицерином / силиконом корпусе, чтобы защитить датчик от деградации.

 

Так, в итоге, мы выбираем датчик, который будет использовать диафрагму в качестве упругого элемента, емкостной элемент качестве электрического компонента и антикоррозийный корпус.

Пример 2

Ваш руководитель сказал вам добавить датчик давления в очень дорогой и важной части оборудования. Вы знаете, что часть оборудования работает на 1 МПа и при очень высокой температуре. Какой датчик вы бы выбрали?

Решение

Поскольку часть оборудования, которое вы имеете дело очень дорогое, вам нужен датчик, который имеет высокую чувствительность. Электрический датчик был бы подходящим, потому что вы могли бы подключить его к компьютеру для быстрого и простого считывания показаний. Кроме того, вы должны выбрать датчик, который будет работать на 1 МПа и сможет выдерживать высокие температуры. Из информации представленной в этой статье вы знаете, что есть много датчиков, которые будут работать при давлении 1 МПа, так что вы должны решить, относительно других влияющих факторов. Одним из наиболее чувствительных электрических датчиков является датчик емкостного типа. Он имеет чувствительность 0.07 МПа. Емкостный датчик обычно имеет диафрагму в качестве упругого элемента. Мембраны имеют быстрое время отклика, очень точны и работают на 1 МПа.

Бесконтактные датчики

Что такое бесконтактный датчик?

Бесконтактные датчики — это такие датчики, которые работают без физического и механического контакта. Они работают через электрическое и магнитное поле, а также широко используются и оптические датчики. В этой статье мы с вами разберем все три типа датчиков: оптические, емкостные и индуктивные, а также в конце проделаем опыт с индуктивным датчиком. Кстати, в народе бесконтактные датчики называют также и бесконтактными выключателями, так что не бойтесь, если увидите такое название ;-).

Оптический датчик

Итак, пару слов об оптических датчиках… Принцип срабатывания оптических датчиков показан на рисунке ниже

Барьерный

Помните какие-нибудь кадры из фильмов, где главным героям приходилось пройти через оптические лучи и не задеть ни один из них? Если луч задевался какой-либо частью тела, срабатывала сигнализация.

Луч излучается посредством какого-либо источника. А также есть «лучеприемник», то есть та штучка, которая принимает луч. Как только луча не будет на лучепримнике, то сразу же в нем включится или выключится контакт, который будет уже непосредственно управлять сигнализацией или еще чем-нибудь по вашему усмотрению. В основном источник луча и лучеприемник, называется лучеприемник правильно «фотоприемник», идут в паре.

Очень большой популярностью в России пользуются оптические датчики перемещений фирмы СКБ ИС

В этих типах датчиков есть и источник света и фотоприемник. Они находятся прямо в корпусе этих датчиков. Каждый тип датчиков представляет из себя законченную конструкцию и используется в ряде станков, где нужна повышенная точность обработки, вплоть до 1 микрометра. В основном это станки с системой Числового Программного Управления (ЧПУ), которые работают по программе и требуют минимального вмешательства человека. Эти бесконтактные датчики построены по такому принципу

Такие типы датчиков обозначаются буквой «T » и называются барьерными. Как только оптический луч прервался, датчик сработал.

Плюсы:

• дальность действия может достигать до 150 метров
• высокая надежность и помехозащищенность

Минусы:

• при больших расстояниях срабатывания требуется точная настройка фотоприемника на оптический луч.

Рефлекторный

Рефлекторный тип датчиков обозначается буквой R . В этих типах датчиков излучатель и приемник расположены в одном корпусе.

Принцип действия можно увидеть на рисунке ниже

Свет от излучателя отражается от какого-либо светоотражателя (рефлектора) и попадает в приемник. Как только луч прерывается каким-либо объектом, то датчик срабатывает. Очень удобен этот датчик на конвейерных линиях при подсчете продукции.

Диффузионный

И последний тип оптических датчиков — диффузионные — обозначаются буквой D. Выглядеть могут по разному:

Принцип работы такой же, как и у рефлекторного, но здесь свет уже отражается от предметов. Такие датчики рассчитаны на маленькое расстояние срабатывания и неприхотливы в своей работе.

Емкостные и индуктивные датчики

Оптика оптикой, но самые неприхотливые в своей работе и очень надежные считаются индуктивные и емкостные датчики. Примерно вот так они выглядят

Они очень похожи друг на друга. Принцип их работы связан с изменением магнитного и электрического поля. Индуктивные датчики срабатывают при поднесении к ним какого-либо металла. На другие материалы они не «клюют». Емкостные же срабатывают почти на любые вещества.

Как работает индуктивный датчик

Как говорится, лучше один раз увидеть, чем сто раз услышать, поэтому проведем небольшой опыт с индуктивным датчиком.

Итак, у нас в гостях индуктивный датчик российского производства

Читаем, что на нем написано

Марка датчика ВБИ бла бла бла бла, S — расстояние срабатывания, здесь оно составляет 2 мм, У1 — исполнение для умеренного климата, IP — 67 — уровень защиты (короче уровень защиты здесь очень крутой), U_b — напряжение, при котором работает датчик, здесь напряжение может быть в диапазоне от 10 и до 30 Вольт, I_нагр — ток нагрузки, этот датчик может выдать в нагрузку силу тока до 200 миллиампер, думаю, это прилично.

На развороте бирки схема подключения этого датчика.

Ну что, проверим работу датчика? Для этого цепляем нагрузку. Нагрузкой у нас будет светодиод, соединенный последовательно с резистором с номиналом в 1 кОм. Зачем нам резистор? Светодиод в момент включения начинает бешено жрать ток и сгорает. Для того чтобы это предотвратить, в цепь ставится последовательно со светодиодом резистор.

На коричневый провод датчика подаем плюс от Блок питания, а на синий — минус. Напряжение я взял 15 Вольт.

Наступает момент истины… Подносим к рабочей зоне датчика металлический предмет, и датчик у нас тут же срабатывает, о чем говорит нам светодиод, встроенный в датчик, а также наш подопытный светодиод.

На другие материалы, кроме металлов, датчик не реагирует. Баночка канифоли для него ничего не значит :-).

Вместо светодиода может использоваться вход логической схемы, то есть датчик при срабатывании выдает сигнал логической единицы, которая может использоваться в цифровых устройствах.

Заключение

В мире электроники эти три типа датчиков находят все более широкое применение. С каждым годом производство этих датчиков растет и растет. Они используются абсолютно в разных областях промышленности. Автоматизация и роботизация без этих датчиков была бы невозможна. В этой статье я разобрал только простейшие датчики, которые выдают нам только сигнал «включен-выключен» или, если сказать на профессиональном языке, один бит и нформации. Более навороченные типы датчиков могут выдавать различные параметры и даже могут соединяться с компьютерами и другими устройствами напрямую.

Где купить индуктивный датчик

В нашем радиомагазине индуктивные датчики стоят в 5 раз дороже, чем если бы их заказывать с Китая с Алиэкспресса.

Вот здесь можете глянуть разнообразие индуктивных датчиков.

Бесконтактные неинвазивные датчики контроля уровня жидкости

Бесконтактный контроль уровня жидкости подразумевает отсутствие непосредственного взаимодействия контролируемого материала и самого датчика уровня.

Различают два вида бесконтактного измерения уровня:

• Применение принципов уровнеметрии, которые не требуют физического контакта с материалом – ультразвуковые, радарные, микроволновые, радиоизотопные;
• Неинвазивные бесконтактные датчики уровня – отсутствует не только физический контакт датчика с жидкостью, но и не нарушается целостность сосуда или резервуара, т.е. датчик устанавливается снаружи емкости, контроль происходит через стенку сосуда с жидкостью.

Микроволновые радарные бесконтактные уровнемеры жидкости

Для работы радарных уровнемеров не требуется непосредственный контакт с контролируемой жидкостью, как правило они устанавливаются в крышке емкости или над ней, если материал последней радиопрозрачный.

К тому же микроволновые радарные уровнемеры не восприимчивы к пару, пенообразованию, бурлению. Микроволновое излучение легко проникает через пластик, что позволяет реализовать неинвазивный бесконтактный контроль уровня жидкости.

Ультразвуковые бесконтактные датчики уровня жидкости

Ультразвуковые датчики жидкости и воды также устанавливаются в крышку емкости. В случае применения ультразвука неинвазивное измерение невозможно, так как звуковые волны не проходят сквозь материалы.

Ультразвуковые датчики уровня делят на ультразвуковые сигнализаторы уровня, т.е. сенсоры, контролирующие дискретные изменения (есть/нет), и ультразвуковые уровнемеры (преобразователи уровня), которые формируют электрический или цифровой сигнал пропорциональный изменению уровня жидкости.

Ультразвук капризен, и качество измерений сильно зависит от влажности воздуха, температуры окружающей среды, парообразования, наличия газовых подушек в резервуаре. Пенообразование и бурление делают измерение уровня невозможным.

Бесконтактные неинвазивные датчики уровня жидкости

Существуют обстоятельства, когда контакт с жидкостью невозможен (например, в фармацевтике, пищевом производстве) или нежелателен (жидкость агрессивна, загрязненная), а также когда нельзя вмешиваться в конструкцию резервуара и сверлить в нем какие-то отверстия.

В этом случае решением проблемы будет применение неинвазивного бесконтактного измерения уровня.

Микроволновый сигнализатор уровня

Микроволновое излучение прекрасно проходит сквозь неметаллические материалы, но задерживается жидкостями с диэлектрической постоянной более 3. Это позволяет организовать бесконтактный неинвазивный контроль уровня жидкости с помощью микроволновых сигнализаторов предельного уровня.

Микроволновые сигнализаторы барьерного типа поставляются с четырьмя частотами приема-передачи, чтобы обеспечить установку нескольких барьеров в непосредственной близости друг от друга. К тому же, микроволновое излучение поляризовано, что позволяет устанавливать вплотную два комплекта, работающих на одной частоте, развернув их на 90° относительно друг друга.

Вибрационный неинвазивный сигнализатор уровня

Сенсорная технология построена на методе мониторинга локальных механических свойств резервуара с жидкостью. Датчик воздействует на стенку резервуара и вызывает его вибрацию. Акселерометр является частью датчика и измеряет вибрации, вызванные силой, и передает сигнал на процессор датчика. Алгоритм процессора вычисляет значение вибрации каждый раз, когда датчик выполняет измерение.

Датчик устанавливается снаружи металлических или пластиковых резервуаров для жидкости. Больше не нужно ни монтировать внутри резервуара, ни сверлить отверстия. Датчик имеет встроенную связь Bluetooth для телефонов Android и iOS. Кроме того, датчик имеет два выхода для интеграции, например, в промышленные сети, управляющие реле, сигнальное оборудование или зуммеры.

Блок управления не требуется. Применяется для всех видов жидкостей, таких как пресная вода, топливо, масло, канализационные и сточные воды.

Емкостные бесконтактные датчики уровня жидкости серии KQ10

Емкостной неинвазивный бесконтактный датчик серии KQ10 − это устройство для непрерывного определения уровня жидкостей и масел через стенку непроводящего сосуда. Прибор устанавливается снаружи ёмкости с помощью двухсторонней клейкой ленты без вмешательства в конструкцию резервуара.

Для надежного обнаружения уровня жидкости в проводящем сосуде можно установить датчик на непроводящую байпасную трубу диаметром от 10 мм.

В датчик встроены 3 точечных сигнализатора уровня, которые позволяют контролировать 3 состояния: пустой, заполненный и переполненный резервуар, что уменьшает количество устанавливаемых датчиков и упрощает монтаж.

Накладные неинвазивные емкостные датчики уровня

Накладной емкостный датчик GPLS-25 для контроля уровня через стенку просто и быстро вводится в эксплуатацию за счёт установки с помощью двухстороннего скотча или специальных хомутов. А также благодаря удобной настройке датчика, при которой можно установить режим работы (замыкание/размыкание) и чувствительность.

Накладной датчик отлично подходит для индикации уровня жидкости в стеклянных или пластмассовых указателях уровня ввиде трубки или сосудах цилиндрической формы.

GPLS-25N-0 – Датчик контроля уровня жидкости для трубчатых указателей уровня с округлой поверхностью.

Датчик крепится на стеклянные или пластиковые указатели (индикаторы) уровня и трубки с помощью двух ремешков (ремешки для монтажа 2 шт., входят в комплект поставки).

GPLS-25N-1 – Датчик контроля уровня через стенку пластиковых и стеклянных резервуаров для монтажа на плоские поверхности.

Датчик устанавливается на чистую плоскую поверхность резервуара. Прибор крепится с помощью двустороннего скотча (входит в комплект поставки).

Датчик контроля уровня жидкостей в непроводящих резервуарах

Датчик уровня FLEXI FLD-32 НОВАЯ МЕДУЗА ‒ это неинвазивное бесконтактное устройство для сигнализации уровня жидкости (проводящей и непроводящей) в стеклянном или пластиковом резервуаре.

Прибор имеет гибкий корпус из полиуретанового материала, что позволяет устанавливать его на изогнутых поверхностях (пластиковые контейнеры, канистры, пластиковые ванны, бассейны и т.д.)

Благодаря конструкции датчик уровня НОВАЯ МЕДУЗА можно применять с емкостями без использования дополнительных отверстий, установив устройство снаружи с помощью самоклеящегося слоя и специальной крепежной ленты.

Оптический неинвазивный датчик уровня жидкости

Миниатюрные фотоэлектрические сигнализаторы уровня жидкости BL13-TDT предназначены для установки на прозрачные трубки диаметром от 6 до 13 мм с толщиной стенки не более 1 мм. Материал трубки ФЭП или аналогичной прозрачности. Датчик BL13-TDT сигнализирует наличие или отсутствие жидкости в трубке, на которой он установлен.

Обратитесь к специалистам компании ООО « РусАвтоматизация »
для правильного подбора неинвазивного датчика контроля уровня.

Разновидности датчиков давления

Эксплуатация многих промышленных и бытовых приборов нуждается в контроле состояния находящейся внутри них рабочей среды. Этой средой могут быть жидкие (вода, моторное или компрессорное масло, химические продукты) либо газообразные вещества (воздух, водяной пар, природный газ, кислород и иные технические среды). Чтобы устройство исполняло свои функции, оно должно как-то измерять рабочие параметры и реагировать на них заданным образом. Для этого предназначены датчики контроля давления и температуры.

Что такое датчик давления

Датчиком давления называют контрольное оборудование, отвечающее непосредственно за измерение указанного показателя.

Области его применения бывают разнообразными:

• нефтедобывающая, газодобывающая, перерабатывающая отрасль;
• химическая промышленность;
• энергетика;
• пищевое производство;
• множество других направлений.

В быту самый очевидный пример — это сенсоры давления для насосной станции в системе автономного водоснабжения жилого дома (дачи, коттеджа).

Схематическое изображение, где находится датчик давления в водопроводе:

На схеме можно найти два измерителя, управляющие включением основного и дополнительного насосов. Они обеспечивают равномерную подачу воды независимо от ее потребления конечными пользователями.

Иногда такие устройства называют манометрами. Это не совсем верно, поскольку манометр — это готовый прибор, визуально показывающий величину давления в удобном для человеческого восприятия виде. Датчик же лишь элемент системы измерения, непосредственно воспринимающий физическую величину и передающий измерительный сигнал для дальнейшей обработки.

Устройство и типы сенсоров

Принцип работы датчиков давления основан на фиксации изменения состояния среды чувствительным элементом (приемником). Электронный каскад вторичной обработки преобразует выходной сигнал до принятых стандартных параметров.

По типу чувствительного элемента существует несколько решений.

Емкостные

Данный вариант использует эффект изменения электрической емкости элемента, в котором гибкая мембрана является одной из обкладок конденсатора совместно с неподвижным корпусом. Преимущества в прямом измерении электрических характеристик без промежуточных преобразований; защищенности сенсора от перегрузок и импульсного удара; стабильности показаний. Именно такие датчики давления чаще применяют в промышленном оборудовании. Например, в компрессорах, воздушных и гидравлических насосах, диагностической аппаратуре.

Особый интерес представляет возможность изготовить именно такой датчик давления своими руками. Ведь из всех прочих разновидностей только емкостные сенсоры не требуют для производства точной механики или особого оборудования. Две токопроводящие пластины несложно соединить через прокладку из упругого диэлектрика, а настраивать самодельный датчик давления можно, используя в качестве эталона надежный проверенный манометр.

Индуктивные

Регистрируют токи в катушках с переменным полем, одна из которых располагается на упругой мембране. Небольшое перемещение магнита относительно воздушного зазора, приводит к сильному изменению индуктивности. Благодаря этому достигают высокой чувствительности сенсора.

Электронные

Кроме перечисленных, электронный датчик давления воздуха может быть реализован и на других физических принципах: изменении теплопроводности, ионизации газа. Такие сенсоры требуют точной настройки и используются в сложной аппаратуре и научных приборах. Их достоинство в способности измерять сверхнизкие давления, включая глубокий вакуум.

Тензометрические

Используется изменение электрического сопротивления при деформации тензорезистора, который расположен на упругом элементе. Сам тензорезистор изготовлен в виде тонких проводников на слюдяной или бумажной подложке площадью 2–10 квадратных мм.

По-другому этот тип сенсоров называется резистивным.

Механические

Группа устройств, в которых давление внутри системы приводит к механическому движению частей сенсора относительно неподвижного основания. Это перемещение регистрируется прибором.

Достоинством измерителей данной группы служит их очень высокая чувствительность в некоторых диапазонах, где другие конструкции недостаточно эффективны. Так датчик низкого давления в вакуумной системе должен реагировать на изменения порядка 0.01 Мпа. Этого можно добиться, применяя чувствительную мембрану. Другой тип механического измерителя — трубка Бурдона. Используется в приборах, в которых нет электроники, непосредственно воздействуя на стрелку. По этому принципу действуют механические манометры, а также глубиномеры (включая наручные для водолазов).

Похожий принцип реализован в знакомых многим автомобильных указателях моторного масла. Упругий элемент реагирует на сжатие, через толкатель перемещая подвижный контакт по обмотке реостата. Электрическое сопротивление изменяется, что и регистрирует прибор.

Различия по использованию

По характеру измеряемого параметра различают следующие разновидности датчиков:

• абсолютного давления;
• избыточного давления;
• дифференциальные.

Измерение давления чаще всего требуется для задания общих режимов работы оборудования: включения или выключения подающих насосов, системы подогрева и множества других управляемых автоматикой процессов. Простые по конструкции устройства прошлых лет измеряли перепад показателя по отношению к атмосферному, что не всегда удовлетворяло требованиям точности. Это связано с тем, что величина, с которой атмосфера давит на поверхность, может ощутимо меняться (в истории зафиксированы измерения от 641 до 816 мм ртутного столба).

Датчик абсолютного давления

Чтобы избежать ошибок из-за влияния погоды, более современные приборы способны отсекать влияние атмосферы. Они регистрируют измеряемую величину по отношению к глубокому вакууму. Такой сенсор называют абсолютным. Полученные от него показания чаще всего применяют для последующей цифровой обработки, чтобы расчетным путем привести характеристику давления к стандартным условиям. Это необходимо для правильной фиксации расхода тепловой энергии или газа в системах учета.

Датчик избыточного давления

Более простые в устройстве датчики избыточного давления учитывают суммарный показатель абсолютного и атмосферного. Без них не обойтись в коммунальном хозяйстве, в производственных или коммерческих устройствах, регистрирующих расход жидкости или газа. Другая область применения простых и надежных измерителей избыточного давления — устройства аварийной сигнализации о превышении допустимого уровня.

Дифференциальный датчик

Датчик дифференциального типа определяет разницу давлений в двух раздельных полостях. Обычно такие приборы установлены в приборе, который постоянно контролирует расход вещества, протекающего по трубе, без использования вращающихся деталей. Его принцип действия основан на эффекте увеличения давления потока перед сужением диаметра и уменьшения после него. Чем такая разница выше, тем больше и протекающий по трубе поток.

Одна из возможных схем подключения этих устройств приведена на рисунке.

Диапазон измеряемой величины

Поскольку интервал показателя давления весьма широк, то инженерам требуются сенсоры, способные качественно измерять параметры в интересующем диапазоне. Изготовить прибор, одинаково хорошо и с удовлетворительной чувствительностью применимый как в глубоком вакууме, так и на промышленном компрессоре высокого уровня сжатия, на практике невозможно. Поэтому существуют отдельные датчики: вакуумные, низкого и высокого давления. В числовом выражении:

• вакуумные датчики — для измерения низкого (1 мм. рт. ст.) или высокого (105 мм. рт. ст.) вакуума;
• датчики низкого давления — от атмосферного до величин порядка 10 Па (встречается также другое название: форвакуумные);
• датчики высокого давления — измеряют параметр выше 1 атм., также делятся на диапазоны по возрастанию компрессии.

Датчики низкого давления широко применяют в научном и лабораторном оборудовании, в медицине, в промышленности, производящей электронные компоненты и сверхчистые вещества.

По типу контролируемой среды

Потребность узнать степень сжатия или разрежения рабочей среды может возникнуть для самых разных веществ или агрегатных состояний. Чтобы обеспечить долгий срок службы и достаточную точность показаний, регистрирующие приборы также делают с учетом условий, в которых им предстоит работать.

• датчики давления воздуха — замеряют показатель сжатия газообразной среды в широком интервале величин;
• топливные — устанавливают в системе питания двигателей, например, в топливной рампе инжекторного мотора с целью оптимизировать состав и количество горючей смеси в цилиндрах;
• водяные — для трубопроводов и магистралей в коммунальном хозяйстве, для установки на насосной станции;
• для агрессивных сред — в защищенном исполнении используют в химическом производстве, при перекачке нефти и газа.

Проверка и настройка

Как проверить датчик давления, если возникли подозрения в его работоспособности? Проверка разделяется на два этапа. Сперва нужно прозвонить электрическую цепь измерителя, чтобы убедиться в отсутствии обрыва или короткого замыкания. Методика проверки мультиметром аналогична работе с другими электроприборами.

Если такая диагностика не выявила проблемы, то следующий шаг — проконтролировать регулировки сенсора на соответствие реальной величине давления. Для этого не обойтись без эталона, в показаниях которого нет сомнений. Для этого выполняют подключение датчика давления к испытательной емкости, оборудованной прошедшим метрологическую поверку манометром. Поскольку настраивать сам сенсор обычно невозможно, регулируют воспринимающий его сигнал прибор так, чтобы его показания не расходились с эталоном.

Рассмотрим несколько примеров тестирования устройств, с которыми многие сталкиваются в жизни.

Регулировка реле насосной станции

Для примера рассмотрим, как настроить нормальную работу устройства, включающего и выключающего насос на установке автономного водоснабжения. Его схема содержит датчик давления и две пружины с регулировочными гайками, воздействующие на электрический контакт. Они находятся под защитной пластмассовой крышкой реле, закрепленного возле двигателя насоса.

Изменяя затяжку пружин вращением гаек, наблюдают за показанием штатного манометра и добиваются требуемой величины сжатия воздуха в гидроаккумуляторе системы по нижнему и верхнему пределам.

Автомобильный датчик абсолютного давления

Этот сенсор находится на впускном коллекторе двигателей, оборудованных впрыском топлива. Он известен также под названием MAP (Manifold Absolute Pressure) или русской аббревиатурой ДАД. Его задача — направлять в электронный блок управления двигателем сигнал о степени сжатия воздуха на впуске, что необходимо учитывать для оптимизации состава топливной смеси. При отказе ДАД форсунки впрыскивают в цилиндры больше бензина, чем нужно двигателю для оптимальной работы, отчего вырастает его расход, падает мощность, обороты становятся нестабильными.

Тестирование выполняется подключением датчика давления к мультиметру и замером электрического сопротивления в разных режимах. Роль эталонного прибора здесь играет бортовой компьютер автомобиля, в котором хранятся стандартные параметры. При отклонении от них деталь признается негодной и выбраковывается, поскольку возможности ее регулировок не предусмотрены.

Видео по теме

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.