Датчики преобразователь давления 4-20, Как используется преобразователь давления в промышленности?

Датчики высокого давления с металлической диафрагмой

Предназначены для работы в условиях чрез­вычайно высоких давлений, например, в на­порных магистралях впрыска в дизельных системах «Common Rail» для управления изо­лированной системой. Здесь диафрагмы из высококачественной пружинной стали с тен­зометрическим выводом обеспечивают го­раздо лучшие характеристики, чем системы, предназначенные для контроля давления во впускных трубопроводах. Такие датчики, как преобразователь давления 4-20:

• Имеют простую и недорогую систему изо­ляции среды измерения;
• Отличаются от кремниевых датчиков большей стойкостью к разрыву в области эффективного диапазона;
• Легко устанавливаются в металлические корпусы.

Принцип работы

Вся начинка инжекторного мотора электронная, присутствует множество датчиков. И если какой-то выходит из строя, начинаются проблемы – двигатель «троит», работает неустойчиво, а то и вовсе глохнет.

Теперь кратко о том, как работает система управления инжекторным мотором. Во-первых, системе нужно знать, какова температура в коллекторе (впускном) в определенный момент времени. Это необходимо для точного расчета массы воздуха, находящегося в самом коллекторе.

Во-вторых, не стоит забывать о том, что во время каждого такта работы происходит всасывание воздуха в камеры сгорания. За весь цикл двигатель потребляет определенное количество воздуха – объем, равный тому, какой имеют все четыре цилиндра. Итак, все довольно просто – есть данные об объеме цилиндров, известна плотность воздуха и температура. Остается одно: произвести расчет массы воздуха, который поступает в каждый цилиндр.

Пьезоэлектрические датчики

Пьезоэлектрические датчики обеспечивают динамическое измерение давления (рис. «Пьезоэлектрический датчик давления» ). В элек­тронно управляемых дизельных топливных насосах высокого давления для определения начала и конца впрыска (подачи топлива) датчиком регистрируются только изменения давления в секции насоса. Тонкая промежу­точная диафрагма используется для прямой или косвенной передачи давления на цилин­дрический или прямоугольный пьезокера­мический элемент. Поскольку здесь особой точности не требуется, погрешностями от гистерезиса, старения и тепловыми пренебрегают. Предварительный усилитель с вы­соким сопротивлением на выходе часто уста­навливается в герметизированном корпусе. Это позволяет уменьшить влияние источника сигнала на работу датчика для предупрежде­ния частичного шунтирования и появления ошибок в измерениях.

Устройства, содержащие изолированный на­пыленный (осажденный из паровой фазы) металлический тонкопленочный тензометр (К = 2) и поликремниевый тензометр (К = 40), представляют собой долговечные высокоточ­ные датчики (рис. «Датчик высокого давления с металлической диафрагмой, измерительный элемент» ). Элементы усиления, ка­либровки и компенсации могут сочетаться с микросхемой ASIC, установленной в корпусе датчика с необходимым экранированием электромагнитных воздействий (рис. «Датчик высокого давления с металлической диафрагмой, конструкция» ).

Присоединение датчиков давления

Здесь нельзя сказать, что есть прочно устоявшиеся типовые соединения, на разных производствах они могут отличаться.

В основном используется резьбовое присоединение.

Для присоединения при помощи газовой резьбы (G) характерны диаметры обычно 1.4 или 1.5 дюйма.

Для метрической резьбы характерны М20×1,5 и М12×1,5.

Для рефрижераторных систем характерны необычные стандарты резьбы. Что делать в случае неподходящего диаметра? Для преобразователей давления выпускается достаточно большое количество переходников из различных материалов. Обычно используется нержавеющая сталь, но может встретиться латунь и другие материалы.

Сфера применения

Использование датчика абсолютного давление в различных средах позволяет понимать насколько давление закрытой системы отклоняется от нулевого состояния. Делает возможными своевременное вмешательство и коррекцию работы автоматических систем. Это не дает прерваться технологическому процессу, тем самым позволяя избежать убытков, связанных с простоем и неисправностью ценного оборудования и утратой сырья.

Промышленность. Пищевая, химическая и пр. ДАД позволяет контролировать параметры технологического процесса переработки, эффективность и качество результата которого зависит от абсолютного значения применяемых величин давления;

Пневматические насосные, гидравлические системы, компрессорные и иные установки. Здесь важен как датчик низкого абсолютного давления в тяжелых условиях, например в водной среде;

Метео-барометрические установки. Расположенные, перемещаемые в атмосфере. Для этих целей используются преимущественно электронные устройства со встроенными аналого-цифровыми микросхемами;

Системы компенсации крена и иных отклонений. ДАД устанавливается как преобразователь давления и статично мониторит работу электротехнических систем;

Энергетика, газовая и нефтяная промышленность. Требуется для контроля уровня давления относительно абсолюта величины в условиях полной герметичности. Контролирует понижение/увеличение давления. Это дает возможность контролировать рабочие характеристики систем и избегать аварийных ситуаций.

Так же находят применения в переработке, в фармацевтике, лабораторных и иных исследованиях.

Незаменим во взрывоопасных средах – под воздействием агрессивной среды или температурного воздействия, ломаясь – не несут угрозы системе, в которой применяется.

Классификация по видам

Сфера применения диктует некоторые особенности конструкции датчиков АД.

Чувствительный элемент. Возможен в кремниевом, керамическом или пьезорезистивном исполнении.

По типу выходного сигнала. Это может быть аналоговый, цифровой или ратиометрический.

По метрологическим характеристикам. Классы точности – имеется в виду диапазон возможной погрешности прибора и пр.

Варианты исполнения и технические характеристики разнообразны. Подобрать можно под любой технологический процесс, с учетом среды и климатических, механических особенностей эксплуатации.

Например, в автомобильной промышленности используются биометрический преобразователь абсолютного давления с встроенным датчиком температуры, который устанавливается в устройстве впускного коллектора. Сигналы, подаваемые датчиком, необходимы блоку управления для рациональной подачи топлива и воздуха в рампу. Т.е. пока двигатель не запущен, показатели датчика равны нулю, не зависят от величин атмосферного давления.

Также, биометрического типа датчик абсолютного давления газа используется в современном газобаллонном оборудовании, обеспечивая надежность функционирования.

Технические характеристики

• Диапазон фиксирования веса: 100г…10кг
• Длинна: 61мм
• Диаметр подложки с чувствительным элементом: 18мм
• Толщина: 0,2мм
• Вес: 20 грамм
• Гарантированное сопротивление без оказания давления: >1 Мом
• Диапазон сопротивлений: ∞…200 Ом
• Износостойкость: до 10 миллионов нажатий
• Диапазон рабочих температур: -30°С…+70°С
• Максимальная скорость срабатывания: 1-2 мСек
• Максимальный ток: Imacm2приложенной силы ;
• Расстояние между контактами: 2.54мм

Электрические преобразователи

     Дифференциально-трансформаторные преобразователи используются для передачи сигнала от чувствительного элемента к регистрирующему прибору. Они давно известны и зарекомендовали себя как простые и надежные устройства. По этой причине они повсеместно распространены.

     Чувствительный элемент передает изменения давления ферромагнитному сердечнику, который создает электрическое напряжение в двух вторичных обмотках. Его можно передать на достаточно большое расстояние к вторичному прибору. В нем расположен подобный преобразователь, который позволяет отслеживать давление.

     В пьезоэлектрических приборах, а также в тензопреобразователях используется принцип зависимости электрических свойств чувствительного элемента от давления рабочей среды. Особым образом изготовленные пластинки из кристаллов кремния при действии на него давления вырабатывает электрическое напряжение. При этом, при действии статического давления, это напряжение рассеивается, поэтому пьезоэлектрические преобразователи используются только для измерения на двигателях и насосах.

      В тензопреобразователях чувствительным элементом является мембрана с размещенными на ней резисторами, сопротивления которых меняется при приложении к мембране избыточного давления. Цифровой блок интерпретирует изменения электрических параметров чувствительного элемента и определяет значение избыточного давления с высокой точностью. Недостатком этого вида устройств является наличие значительного температурного коэффициента. Электрическая схема прибора включает специальный терморезистор, сопротивление которого зависит от температуры и не зависит от давления.

     Для работы в интеллектуальных системах управления производственными процессами электрические преобразователи комплектуются микропроцессорными преобразователями аналогового сигнала. Цифровой сигнал такого преобразователя позволяет построить схему дистанционного управления, например, на электростанции.

     Точное измерения избыточного давления обеспечивает емкостной преобразователь. Рабочая среда воздействует на разделительные мембраны, между которыми находится заполненная нейтральной жидкостью полость с чувствительной мембраной. Она является подвижной обкладкой дифференциального конденсатора, изменение размеров которого позволяет измерить изменение давления рабочей среды.

Подобный механизм преобразования демонстрируют также манометры, построенные на базе кристаллического резонатора или манганиновой проволочной катушки, чьи электрические характеристики изменяются под действием приложенной к ней силе.

Что такое МЭМС (MEMS) датчики давления?

Обычно пьезорезистивные (ёмкостные) датчики давления представляются в виде достаточно габаритного устройства, например, электронного компонента или модуля под монтаж в стенку резервуара. Однако пьезомеханизм (ёмкостный механизм измерения) также допускает изготовление на кремниевой подложке в виде устройства MEMS.

Что такое MEMS? Аббревиатура расшифровывается с английского языка как Micro Electro Mechanical System. Соответственно, по-русски расшифровка звучит как Микро Электрическая Механическая Система, представляющая компактный блок для поверхностного монтажа. Габариты такого блока обычно не превышают 2-3 мм по каждой стороне.

Устройства MEMS традиционно включают в сборку не только датчики контроля силы, но также:

• сенсор движения,
• сенсор положения,
• кремниевый микрофон.

Конструктивно сборки малоразмерные, стабильные и экономичные, обеспечивают расширенные функциональные возможности для оборудования с ограниченным пространством и стоимостью. Это идеальный вариант применения на мобильных телефонах и устройствах «Интернета вещей».

Устройства MEMS изготавливаются на основе кремния с использованием процессов легирования и травления. Эти процессы выполняются в масштабе чипа, в результате чего получается микроскопическое устройство, удачно подходящее под объединение с электроникой формирования сигнала.

Электронная схема MEMS датчики давления обеспечивает простое усиление для создания аналогового выхода, а также включение аналого-цифрового преобразования для генерации цифрового выхода.

Аналоговый выход видится полезным, если сигнал датчика давления предусматривается обрабатывать полностью в рамках аналоговой области. Или же когда разработчик предполагает использовать АЦП особенно высокого разрешения или точности. Также аналоговый подход актуален, когда микроконтроллер хоста системы содержит подходящий интегрированный АЦП на чипе.

В свою очередь цифровой датчик давления допускает проектирование без необходимости использования внешних компонентов преобразования, что позволяет экономить общее количество компонентов.

Пожалуй, одним из простейших типов измерительного устройства визуализации следует рассматривать датчики атмосферного давления. Такие устройства используются для измерения существующей атмосферной силы и включены в целый ряд конструкций, например, для внутренней навигации в смартфонах. Собственно, налицо миниатюрный датчик MEMS.

Обнаружение изменений силы атмосферного воздействия позволяет MEMS устройству теоретически рассчитать высоту над уровнем моря. Тогда вполне возможно определить, например, этаж здания, на котором находится пользователь:

• многоэтажной автостоянки,
• офисного здания,
• многоквартирного дома,
• торгового центра.

Мостовой выходной сигнал

Выход моста Уитстона имеет определенное значение в случае отсутствия давления или в случае отсутствия разницы в давлении по обеим сторонам мембраны. Это значение называется смещением (offset). Диапазон давлений (от минимального до максимального), который может использоваться датчиком, называется рабочим.

Мост Уитстона не только чувствителен к изгибу мембраны, но и к изменениям температуры. Это означает, что для точного измерения необходимо компенсировать температурные эффекты для смещения и сдвига рабочего диапазона (при наличии давления). Поэтому указывается изменение смещения на изменение температуры, а также температурные коэффициенты рабочего диапазона. Если требуется более низкая точность, выходное напряжение моста может использоваться без компенсации.

Рекомендации по установке

При размещении датчика давления в магистрали необходимо соблюдать следующие рекомендации:

• Чтобы прибор работал правильно, диапазон температур, в котором он эксплуатируется, не должен превышать -4 – +40 С.
• Автоматику размещают не только в помещении дома, но и кессоном колодце, после насоса в линию следует установить фильтры тонкой и глубокой очистки воды – это предотвратит забивание грязью штуцера с мембраной, которое может привести к некорректной работе прибора.
• Многие устройства рассчитаны на работу только с холодной водой, при эксплуатации ее температура не должна превышать допустимые пределы, к примеру, не более +55 С. для моделей РД.
• Мощность подключаемого через прибор электронасоса не должна превышать значений, указанных в паспортных данных – нарушение этого правила может привести к залипанию контактов и выходу реле из строя.

Рис. 11 Пример размещения гидрореле с глубинным электронасосом

Датчик или реле давления является основным прибором для обеспечения автоматической работы водозаборного оборудования, он входит в состав любой электронасосной станции или системы водоснабжения с глубинным электронасосом. Его установка и подстройка не представляет особых трудностей даже для неподготовленного домовладельца, а соблюдение основных правил размещения и монтажа обеспечит бесперебойную работу прибора в течение десятка лет.

Подключение датчика

Реле давления воды для насоса подключается сразу к двум системам: к электричеству и водопроводу. Устанавливается оно стационарно, так как перемещать прибор нет необходимости.

Электрическая часть

Для подключения реле давления выделенная линия не обязательна, но желательна — больше шансов на то, что работать устройство будет дольше. От щитка должен идти кабель с цельной медной жилой сечением не менее 2,5 кв. мм. Желательна установка связки автомат+УЗО или дифавтомата. Параметры подбираются по току и зависят больше от характеристик насоса, так как реле давления воды потребляет тока очень мало. В схеме обязательно наличие заземления — сочетание воды и электричества создают зону повышенной опасности.

Схема подключения реле давления воды к электрощитку

Кабели заводятся в специальные вводы на тыльной стороне корпуса. Под крышкой находится клеммная колодка. На ней есть три пары контактов:

• заземление — подключаются соответствующие проводники, идущие от щитка и от насоса;
• клеммы line или «линия» — для подключения фазного и нулевого провода от щитка;
• клеммы для аналогичных проводов от насоса (обычно на колодке, расположенной выше).

Расположение клемм на корпусе реле давления воды

Подключение стандартное — проводники зачищаются от изоляции, вставляются в разъем, затягиваются прижимным болтом. Подергав за проводник, проверяют, надежно ли он зажат. Через 30-60 минут болты можно подтянуть, так как медь — мягкий материал и контакт может ослабнуть.

Подключение к трубопроводу

Есть разные способы подключения реле давления воды к водопроводной системе. Самый удобный вариант — установка специального переходника со всеми требуемыми выходами — пятивыводного штуцера. Ту же систему можно собрать из других фитингов, просто готовый вариант всегда использовать площе.

Он накручивается на патрубок на задней части корпуса, к остальным выходам подключают гидроаккумулятор, подающий шланг от насоса и магистраль, которая идет в дом. Можно установить еще грязевик и манометр.

Пример обвязки реле давления для насоса

При такой схеме при большом расходе вода подается напрямую в систему — минуя гидроаккумулятор. Он начинает заполняться после того, как все краны будут в доме закрыты.

Основные разновидности

Преобразователи, в зависимости от вида измеряемого давления, подразделяют на:

• Преобразователи избыточного давления. Они Применяются для измерения давления, создаваемого любой средой, относительно атмосферного давления. Это наиболее распространенный тип приборов данного типа, который применяется практически повсеместно, во всех отраслях промышленности. Особенно распространены преобразователи избыточного давления в таких областях, как: энергетика, ЖКХ, водоочистка, водоподготовка, системы отопления, вентиляции и кондиционирования, химическая и пищевая промышленность и т. д.
• Преобразователи абсолютного давления. Они применяют для измерения давления, создаваемого любым средой относительно вакуума. Данный тип датчиков давления не так широко распространен. Используются преобразователи абсолютного давления, в основном, в химической отрасли.
• Преобразователи вакуумметрического давления. Это датчики, которые измеряют уровень разряжения (вакуума) относительно уровня атмосферного давления. Вакуумные процессы, в настоящее время, нашли широкое применение во многих отраслях производства. Например, в пищевой промышленности при производстве продукции в вакуумной упаковке, в металлургии при производстве РТИ и литья в вакууме, в автомобилестроении и др.
• Преобразователи гидростатического давления. По сути они являются разновидностью датчиков избыточного давления, в тех случаях, когда они применяются для измерения гидростатического уровня жидкостей. Такой преобразователь, по сути, измеряет давление столба жидкости над ним.

ТИПЫ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫХ ДАТЧИКОВ ДАВЛЕНИЯ

Так, в пищевом и химическом производстве широкое применение получил интеллектуальный датчик абсолютного давления, осуществляющий измерение относительно абсолютного вакуума. Отметим, что именно такое измерение применяется в узлах учета газа, пара и тепловой энергии для приведения расхода к стандартным условиям.

Решать задачи учета расхода измеряемой среды позволяет датчик дифференциального давления. Принцип его работы заключается в измерении разности давлений между двумя полостями – плюсовой и минусовой. Могут применяться для учета расхода, при помощи сужающих устройств. Сужающее устройство в трубопроводе представляет собой местное сопротивление, при прохождении через которое изменяется характер течения потока. Непосредственно перед сужающим устройством давление среды возрастает, а после него – снижается. Чем больше разница на входе и выходе сужающего устройства, тем больше расход среды, протекающей по трубе.

Кроме того, такой датчик позволяет производить учет объема жидкости не только в трубе, но и в емкости при помощи измерения давления столба жидкости на плюсовую мембрану и, при необходимости, измерения минусовой полостью давления под куполом емкости, для исключения влияния насыщенных паров. Такой метод называют гидростатическим.

В системах автоматического контроля, регулирования и управления технологическими процессами не обойтись без такого прибора, как датчик избыточного давления. Он может использоваться в составе водяных систем теплоснабжения, а также входить в комплектацию узлов коммерческого и технологического учета жидкостей, газа и пара.

Конструктивные особенности

Основные задачи, которые решают датчики контроля протока воды, устанавливаемые в трубопроводах бытового назначения, состоят в том, чтобы отключать насосное оборудование в тот момент, когда в системе нет жидкости или давление ее потока превышает нормативное значение, и снова включать его, когда давление падает. Эффективное решение этих важных задач обеспечивается конструкцией датчика, которую образуют следующие элементы:

• патрубок, через который в датчик поступает вода;
• мембрана, составляющая одну из стенок внутренней камеры датчика;
• герконовый выключатель, обеспечивающий смыкание и размыкание цепи электропитания насоса;
• две пружины разного диаметра (степенью их сжатия регулируется давление потока жидкости, при котором реле протока воды для насоса будет срабатывать).

Основные компоненты промышленного датчика потока

Работает устройство вышеописанной конструкции следующим образом:

• Поступая во внутреннюю камеру датчика, поток воды оказывает давление на мембрану, смещая ее.
• Магнитный элемент, зафиксированный с обратной стороны мембраны, при ее смещении приближается к герконовому переключателю, что приводит к замыканию его контактов и включению насоса.
• Если давление потока воды, проходящей через датчик, падает, то мембрана возвращается в свое исходное положение, магнит отдаляется от переключателя, его контакты размыкаются, соответственно, насосная установка отключается.

Принцип работы датчика протока, построенного на основе постоянного магнита и геркона

В трубопроводные системы различного назначения датчики, контролирующие проток воды, устанавливаются достаточно просто

Главное – правильно подобрать такое устройство, обращая внимание на его рабочие параметры и характеристики насосного оборудования

Критерии выбора

 Выбор зависит от целей, для которых устраивается индивидуальная система водоснабжения. Для небольшого дачного домика, где 1-2 человека проводят сезон, не имеет смысла дорогое мощное оборудование.

В семейном коттедже надежная и сложная автоматика с инвертором сбережет дорогую сантехнику и избавит от перепадов температуры во время купания ребенка.

При подключении контроллера к высокочастотному преобразователю нужно убедиться в совместимости датчика и инвертора.

Цена датчика зависит от производителя и набора функций. Дороже всего импортные комбинированные электронные устройства, совмещающие управление насосом, датчик сухого хода, диагностику всей системы.

Но не менее популярны устройства российского производства с ценой в несколько сотен рублей, которые надежно управляют автономной системой.

Особенности влагозащитных лент

Специально разработанные светодиодные герметичные ленты являются передовым словом в сфере осветительных приборов. Такая продукция способна удовлетворить самые высокие требования эксплуатации, обеспечивая бесперебойную работу в условиях повышенной влажности.

Влагозащитная лента

Влагозащищенная светодиодная лента предназначена для установки в таких местах:

• торцевая подсветка витражей, световых букв, а также потолков;
• украшение стволов деревьев в парках и скверах;
• освещение парковых и садовых дорожек;
• тюнинг транспортных средств. С их помощью можно сделать как апгрейд автомобильных фар, так и всей машины в целом;
• подсветка ворот, архитектурных частей зданий;
• формирование надписей наружной рекламы;
• подсветка наружного входа ресторанов, кафе, баров и других заведений;
• контурная подсветка витрин, окон, торгового оборудования;
• подсветка аквариумов.

Светодиодная лента RGB SMD 3528 с влагозащитной степенью IP65 будет иметь вид многоцветной модели, которая создана по описанному выше принципу. Единственное отличие будет заключаться в наличии сверху специальной силиконовой оболочки. Благодаря ей все устройство получает отличную устойчивость к повышенной влаге.

Влагозащитная лента SMD 3528

Подводная подсветка лентой

В результате такой модификации LED может без особых проблем устанавливаться в любое место, где предполагается постоянное воздействие влаги. Именно поэтому влагозащитная светодиодная лента устанавливается там, где много брызг, часто идут дожди или просто постоянно (или достаточно часто) имеет место быть повышенная влажность (например, на автомойках, в ванной комнате, лоджиях и т.д.).Вместе с тем заметьте, что данный тип ленты не стоит погружать в воду надолго (например, использовать для подсветки бассейнов под водой). Это связано с тем, что здесь силиконовым слоем не будет защищена обратная сторона прорезиненной подложки, с помощью которой обеспечивается фиксация на любой поверхности. В результате этого основа изделия через некоторое время пропитается влагой, которая проступит внутрь и приведет к замыканию электросистемы. Чтобы устанавливать светодиодную ленту под воду без риска для ее работы, необходимо использовать герметичную RGB-модификацию, которая обладает классом защиты IP68. Такая продукция будет полностью помещена в силиконовую трубку. Вот как раз ее можно спокойно использовать для подсветки бассейнов даже под толщей воды.

Влагозащищенная светодиодная лента SMD 3528 LED

Дифференциальные датчики

Существуют также дифференциальные датчики, суть их работы будет кратко описана ниже. Они используются для измерения количества газа (воздуха). Отличие от предыдущего вида – в конструкции имеется не один, а два штуцера. Первый соединен с впускным коллектором, через него производится замер давления в топливной системе. А вот второй штуцер измеряет параметры атмосферного воздуха. На электронный блок управления подается разница этих двух параметров. Кроме того, датчики позволяют обеспечить более качественное сгорание топлива – часть отработавших газов возвращается во впускную систему. Благодаря этому достигается то, что в окружающую среду попадает намного меньше вредных соединений.