Современные Датчики Давления: виды и выбор

Датчик давления — это электронный датчик, который измеряет или определяет давление газа или жидкости и преобразует эту информацию в электрический сигнал, который можно использовать для контроля или регулирования устройства. При обсуждении датчиков давления стоит начать с некоторых основных определений, чтобы лучше понять принцип работы этих элементов, их ограничения и возможности, которые они предоставляют.



Давление – это величина силы с которой газ или жидкость действуют на единицу площади. Связь между давлением (P), силой (F) и площадью (A) определяется уравнением P = F/A. Традиционной единицей давления является Паскаль, определяемый как сила в один ньютон (Н), приложенная к площади в один квадратный метр. Давление также можно описать как силу, необходимую для сдерживания расширения жидкости или газа, что полезно в некоторых случаях.

Датчики давления изготавливаются по различным технологиям, и каждая из них определяет принцип работы этого элемента. Хотя многие датчики доступные сегодня в продаже могут измерять давление широкого спектра жидкостей и газов, для некоторых веществ, которые являются более вязкими или плотными чем большинство (например асфальт, нефть), могут потребоваться специальные версии.

Современные Датчики Давления: виды и выбор
Визуализация зависимости между различными методами измерения давления

Тем не менее, ассортимент, доступный на рынке, сейчас настолько широк что подходящий тип элемента можно подобрать практически для любых условий измерения.

Номенклатура датчиков

На базовом уровне обобщения датчики и преобразователи давления (преобразователи напряжения и преобразователи тока) сопоставимы с точки зрения функций, поэтому эти термины часто используются как синонимы. Но основные различия между ними связаны с выходными сигналами, которые они обеспечивают.



Датчик давления определяет силу давления и формирует выходной сигнал, соответствующий величине прилагаемой силы. Датчик давления преобразует измеренную силу в постоянное стандартное выходное напряжение (В), а датчик тока преобразует измеренную силу в ток контура (мА).

В обычном использовании датчики давления взаимозаменяемо называются этими и подобными терминами, такими как пьезометры и манометры. Независимо от номенклатуры, они используются для контроля и управления давлением во многих устройствах, а также могут применяться для измерения других величин, таких как расход жидкости/газа, высота над уровнем моря и уровень воды.

Измерение давления

Кроме того, в области измерения давления и датчиков существует множество терминов, которые необходимо понимать, чтобы обеспечить оптимальную производительность схемы и точность измерений. Конкретный тип датчика давления может существенно повлиять на производительность, поскольку давление обычно измеряется относительно некоторого уровня, например атмосферного давления на уровне моря.

  • Одним из ключевых терминов является манометрическое давление, которое является мерой давления относительно местного давления окружающей среды или атмосферного давления. Указанное давление выше или ниже местного эталонного уровня.
  • Абсолютное давление, которое является мерой давления относительно нулевого эталона (вакуума). Измерение, полученное с помощью абсолютного датчика, остается неизменным независимо от того где оно измеряется.
  • Дифференциальное давление относится к разнице давлений между двумя разными точками в системе, которая часто используется для расчета потока жидкостей или газов в трубах.
  • Вакуумное давление определяет диапазон отрицательного давления по сравнению с давлением окружающей среды или атмосферным давлением.
  • Составное давление включает измерение как положительного, так и отрицательного давления или вакуума, по существу объединяя относительное давление и отрицательное давление в один термин.
Полезное на сайте:
Датчики и системы управления зданиями BAS и BMS

Технологии измерения давления

Истоки измерения давления восходят к работам Галилея в конце 16 века и Торричелли в 17 веке. Первым манометром была трубка Бурдона, изобретенная в 1849 году, а электрические преобразователи давления появились только в 1930-х годах. С развитием полупроводниковой технологии увеличилось количество различных методов, используемых для определения силы давления. Вот краткий обзор основных технологий измерения и областей применения:

  • Емкостный: обнаруживает изменения емкости, вызванные давлением изгибающим диафрагму, расположенную между пластинами конденсатора.
  • Индуктивный: обнаруживает небольшие отклонения диафрагмы соединенной с магнитным сердечником, которые вызывают линейное движение. Он изменяет значение наведенного тока, который затем преобразуется в выходной сигнал.
  • Оптический: использует источник света, который постепенно блокируется увеличением давления, и датчик выдающий сигнал, пропорциональный изменению света. Волоконно-оптические датчики также можно использовать для измерения распространения света, вызванного давлением, и фазовых изменений света.
  • Пьезоэлектрический: кварц или керамический материал генерирует переменный электрический заряд, пропорциональный степени сжатия, оказываемой на него внешним давлением. Аналогичная в принципе, пьезорезистивная технология измеряет давление на основе изменения электрического сопротивления материала при его растяжении.
  • Потенциометр: использует потенциометр и скользящий рычаг, соединенный с трубкой Бурдона. Когда давление изменяется, ручка перемещает потенциометр, который выдает относительный сигнал в зависимости от величины силы.
  • Резонансный: сила, прикладываемая к диафрагме камертоном или стержнем, изменяет резонансную частоту, которая далее преобразуется в электрический сигнал.
  • Тензодатчик: преобразует приложенную силу (давление) в изменение электрического сопротивления.
Полезное на сайте:
Лидар в автомобиле: что такое Lidar

Типы датчиков давления

Чтобы правильно выбрать датчики давления, важно ознакомиться с различными типами, представленными на рынке. Далее приведены основные типы этих элементов:

  1. Мембранные – состоят из тонких, гибких, круглых металлических дисков, деформирующихся под давлением.
  2. Запечатанный – используйте атмосферное давление на уровне моря в качестве эталона.
  3. Твердотельные – в них используется твердотельный переключающий элемент, например полевой транзистор, и нет движущихся частей.
  4. Тензодатчики – измеряют изменение сопротивления, вызванное изменением длины под действием внешней силы, и преобразуют его в электрический сигнал.
  5. Тонкопленочные — как следует из названия, в этих датчиках используется тонкая пленка с резистивными свойствами, которая изменяет сопротивление в результате изменения длины и толщины под давлением.
  6. Отрицательное давление – предназначены для измерения давления ниже атмосферного уровня. Обычно они используют пьезоэлектрическую технологию или измеряют объем газа в определенном пространстве.
  7. Вентилируемые – измеряют давление по отношению к барометрическому давлению в окружающей среде.

Принимая во внимание рассмотренные принципы работы, технологии измерения и типы имеющихся датчиков давления, можно сформулировать несколько критериев выбора, которые следует иметь в виду при выборе датчика для конкретного проекта.

Первым и ключевым параметром является диапазон рабочего давления, который определяет безопасный диапазон измерения, в котором детектор будет работать в соответствии со спецификациями производителя.

Также важными факторами являются диапазон рабочих температур, максимальное давление которое датчик может выдержать без сбоев, и тип выходного сигнала (аналоговый/цифровой). Уровень выходного сигнала, точность и дрейф, разрешение, напряжение питания и факторы окружающей среды, такие как температура, влажность, давление, воздействие жидкости, излучение и физическое расстояние между датчиком и любым приемником, также должны учитываться. Принимая во внимание все эти параметры, можно выбрать правильный датчик давления для конкретного случая, который соответствует необходимым условиям эксплуатации и обеспечивает требуемую производительность.

Современные Датчики Давления: виды и выбор

Таким образом, измерение давления и использование данных для контроля и мониторинга технологических процессов сейчас имеет ключевое значение во многих отраслях. Точное и надежное измерение необходимо для обеспечения качества и безопасности многих продуктов. Датчики давления бывают разных типов, технологий, размеров, выходов и точности. Выбор правильного датчика требует тщательного рассмотрения рабочих параметров, таких как тип, диапазон измерения, диапазон температур, максимальное давление, тип выходного сигнала, точность, разрешение, напряжение питания и различные факторы окружающей среды.