Датчик вимірювання тиску: принцип роботи

У сучасній промисловості різної спрямованості широко використовуються датчики вимірювання тиску. Служать вони для максимально точного вимірювання показань у різних середовищах та подальшого отримання даних в електричній чи цифровій формі. Основні датчики поділяються на оптичні, резистивні, магнітні, п'єзоелектричні, ємнісні, ртутні п'єзорезонансні.

Пристрій датчика

У цьому приладі параметри можуть змінюватися в залежності від зміни параметрів у середовищі, що вимірювається, наприклад, рідини, газу, або пари. У датчику характеристики вимірюваного середовища перетворюється в уніфікований код для виведення показників на вказівний прилад.

Датчик складається з первинного перетворювача, який включає чутливий елемент - одержувач тиску, схеми другорядної обробки сигналу, і різні частини корпусу. У деяких випадках обладнується деталями герметизації для умов роботи у вологих та агресивних середовищах.

Класифікація приладів за принципом дії

Від принципу дії або методу, що використовується при перетворенні вхідного сигналу в вихідний електричний, датчики вимірювання класифікують:

• Тензометричний метод. Чутливі деталі вимірюють опір при впливі на тензорезистор, прикріплений до пружного елемента, який при впливі тиску деформується.
• П'єзорезистивний метод. Працює на основі інтегральних чутливих деталей із кремнію. Перетворювачі з кремнію мають високу чутливість завдяки можливості зміни опору напівпровідника.Для вимірювання характеристик у неагресивних середовищах використовується Low cost - метод виконання обладнання, коли чутливий елемент не обладнаний будь-яким ступенем захисту. У разі роботи в середовищі де, можливо, надання на датчик агресивної речовини, чутливий елемент обладнується герметичним корпусом з діафрагмою, що розділяє, зі сталі, яка передає тиск за допомогою кремнієвої рідини.
• Ємнісний метод. Головною частиною датчика, що працює за таким методом є ємнісний осередок. Її робота полягає у зміні електричної ємності між укладанням конденсатора та вимірювальної мембрани в залежності. Головним плюсом можна відзначити захист від деформації, за відсутності тиску мембрана відновлює свою форму, при цьому калібрування такого датчика не потрібне. А також висока стабільність характеристик обумовлена ​​малим впливом похибки температури за рахунок невеликого об'єму рідини, що заповнює внутрішній об'єм комірки.
• Резонансний метод. За основу роботи за таким принципом взято зміну частоти резонанси елемента, що коливається при його деформації. З недоліків можна виділити великий час відгуку і неможливість роботи в агресивних середовищах без втрати вимірювальної точності.
• Індуктивний метод. Грунтується на реєстрації вихрових кайданів. Вимірювальний елемент складається із двох ізольованих котушок металевим екраном. Перетворювач проводить вимірювання зміщення мембрани за відсутності фактичного контакту між двома поверхнями. Електричний струм генерується в котушках таким чином, що заряд і розряд котушки відбувається на рівних відрізках часового проміжку. При зміні положення мембрани створюється струм у зафіксованій котушці, після чого слідує зміна індуктивності системи.Зміщення даних основної котушки дає можливість перетворення даних у стандартний сигнал, який за своїми параметрами пропорційний вказаному тиску.
• Іонізаційний метод. Працює за принципом реєстрації потік іонізованих частинок як ламповий діод. Лампа обладнується двома електродами, катодом, анодом, та нагрівачем у деяких випадках. Перевагою є можливість реєструвати дані в середовищах з низьким тиском, у тому числі вакууму, але при атмосферному тиску таке обладнання експлуатувати не можна.
• П'єзоелектричний метод. Задумка ґрунтується на основі п'єзоелектричного ефекту, в якому п'єзоелемент створює електричний сигнал, пропорційно до впливу вимірюваного середовища на нього. Використовується для вимірювання акустичних і імпульсних середовищ, що постійно змінюються. Має широкий діапазон динамічного і приватного вимірювання даних. Має невелику масу, габарити і високу надійність при експлуатації у важких умовах.

Види датчиків

Ємнісний. Має найпростішу конструкцію, яка включає в себе два плоскі електроди із зазором між ними. Один з них виконаний у вигляді мембрани на яку виявляється вплив вимірюваного середовища, в результаті чого змінюється зазор між електродами. По суті, цей тип схожий на конденсатор із змінним зазором. Такий датчик може зафіксувати навіть невелику зміну показань.

П'єзоелектричний. Основним конструктивним елементом є п'єзоелемент, який виводить сигнал при наданні на нього вимірюваних характеристик. Знаходиться він у вимірюваному середовищі і виділяє струм залежно від величини зміни тиску.Але тому що цей елемент змінює свої виведені дані лише за зміні середовища, то за постійних параметрах він ніякі дані показувати нічого очікувати, і придатний до роботи лише у середовищі де тиск періодично змінюється.

Оптичний.

Влаштування роботи таких датчиків може полягати на основі двох принципів роботи:

• Волоконно-оптичний. Є найточнішим і робота з виміру залежить від зміни температурного режиму. Основною частиною для вимірювання є оптичний хвилевід. Про величину вимірювання тиску в такого роду приладах роблять висновок щодо зміни амплітуди і полярності світла, що проходить через чутливу частину.
• Оптоелектронний. Складається з багатошарової прозорої структури, через яку проходить світло. При цьому один з цих шарів може змінювати показник заломлення і товщину шару в залежності від тиску.

На ілюстрації нижче схематично зображено обидва методи роботи. Малюнок, А - зміна заломлення, малюнок Б - зміна шару в товщині.

Ртутний.

Елементарний та технічно простий датчик. Працює на основі двох сполучених судин, на одну з яких виявляється тиск, а на другий аналоговим способом виводяться дані, і визначається за паралельно суміщеною вимірювальною шкалою.

Магнітний.

Працює з урахуванням індуктивного методу. Чутлива частина полягає в Е-подібній планці, посередині якої розташована котушка, і чутлива мембрана, по ній передаються параметри, що вимірюваються. Розташовується мембрана біля пластини, на невеликій відстані від краю. Котушка при включенні створює магнітний потік, який у свою чергу, слідує через планку, зазор і мембрану.Проникність магнітного зазору в кілька сотень разів менша за проникність планки і мембрани, тому зміна індуктивності відбувається навіть при невеликій зміні величини зазору.

П'єзорезонансний.

Працює на основі п'єзоефекту, але з однією відмінністю - в цьому випадку використовується зворотний ефект п'єзоелемента, заснований на зміну форми матеріалу в залежності від струму. У цьому датчику застосовується резонатор, на якому розташовані два електроди по різні боки, на них поперемінно подається струм різної полярності, і внаслідок цього пластина вигинається в різні сторони з урахуванням частоти, що надходить.

Відмінність від манометра

Головна відмінність такого роду датчиків, від манометра - те що це прилад, що призначається для вимірювання показників без його перетворення. У манометрі від вимірюваних характеристик залежить показання приладу, які виводяться з його аналоговий прилад чи дисплей.

Повний посібник з датчиків тиску: типи, застосування та вибір

Датчики тиску є життєво важливими компонентами широкому спектрі застосувань: від промислового устаткування до побутової електроніки. Ці датчики вимірюють силу, що діє на поверхню рідиною (рідкістю або газом), перетворюючи її на електричний сигнал, який можна інтерпретувати та використовувати з метою моніторингу, управління або безпеки. У цій статті наведено детальний огляд датчиків тиску, їх типів, принципів роботи, застосування та критеріїв вибору.

Що таке датчик тиску?

Датчик тиску – це пристрій, який вимірює тиск газів або рідин. Тиск визначається як сила на одиницю площі і часто вимірюється в таких одиницях як паскалі (Па), фунти на квадратний дюйм (фунти на квадратний дюйм) або бари.Датчики тиску перетворять фізичний тиск на електричний сигнал, який можна контролювати та обробляти електронними системами. Вони необхідні в різних областях, включаючи автомобільну, аерокосмічну, медичну, HVAC та промислову автоматизацію.

Типи датчиків тиску

Датчики тиску бувають декількох типів, кожен із яких підходить для конкретних застосувань та середовищ. До основних типів відносяться:

1. П'єзорезистивні датчики тиску.

Принцип: У цих датчиках використовуються п'єзорезистивні матеріали, електричний опір яких змінюється під впливом механічного впливу. Датчик містить діафрагму, яка деформується під тиском, викликаючи зміну опору, який вимірюється та перетворюється на електричний сигнал.

Програми: Зазвичай використовується в автомобілях, медичних приладах та промисловому устаткуванні через їх високу чутливість та точність.

2. Ємнісні датчики тиску.

Принцип: Місткі датчики тиску вимірюють зміни ємності, викликані рухом діафрагми. Діафрагма утворює одну пластину конденсатора, а усунення, викликане тиском, змінює відстань між пластинами, змінюючи ємність.

Програми: Широко використовується в системах опалення, вентиляції та кондиціювання, побутової електроніки та промислових процесів, де потрібен точний вимір тиску.

3. П'єзоелектричні датчики тиску.

Принцип: у цих датчиках використовуються п'єзоелектричні матеріали, які генерують електричний заряд при дії механічної напруги. Заряд, що створюється, пропорційний доданому тиску.

Програми: Ідеально підходить для вимірювання динамічного тиску в таких додатках, як аналіз вібрації, випробування на удар та моніторинг двигуна.

4.Оптичні датчики тиску

Принцип: Оптичні датчики тиску використовують світло для вимірювання змін тиску. Поширений метод включає використання оптоволоконного кабелю та виявлення змін у пропущенні або відображенні світла, спричинених деформаціями, спричиненими тиском.

Програми: Підходить для середовищ, де електричні перешкоди є проблемою, наприклад, у медичній діагностиці та аерокосмічній галузі.

5. Резонансні датчики тиску

Принцип: Датчики резонансного тиску вимірюють тиск, виявляючи зміни резонансної частоти вібруючого елемента. Зміни тиску змінюють власну частоту елемента, яка вимірюється та корелюється з тиском.

Програми: використовується у високоточних додатках, таких як наукові дослідження, метеорологія та промислове приладобудування.

6. Тензодатчики тиску.

Принцип: У цих датчиках використовуються тензодатчики, прикріплені до діафрагми. При додатку тиску діафрагма деформується, внаслідок чого тензорезистори розтягуються або стискаються, змінюючи їх електричний опір.

Програми: Зазвичай використовується у промисловій автоматизації, гідравлічних системах та лабораторних приладах.

Застосування датчиків тиску

Датчики тиску використовуються в багатьох застосуваннях у різних галузях:

Медична сфера

• Монітори артеріального тиску: Вимірює артеріальний тиск у пацієнтів
• Дихальні пристрої: контролює тиск в апаратах штучної вентиляції легень та СІПАП-апаратах.
• Інфузійні насоси: Забезпечує точну доставку ліків

WPAS01 Датчик тиску у пластиковій упаковці

WPAS02 Датчик тиску у пластиковій упаковці

Індустріальна автоматизація

• Контроль за процесом: Відстежує та контролює тиск у виробничих процесах
• Гідравлічні системи: Вимірює тиск у гідравлічних машинах та устаткуванні.
• Виявлення витоків: Виявляє витоку в трубопроводах та резервуарах для зберігання.

WPCK62 Дифузійний кремнієвий датчик тиску

WPCK07 Дифузійний кремнієвий датчик тиску

Системи HVAC

• Автоматизація будівель: Контролює тиск повітря у повітроводах та системах HVAC.
• Холодильні системи: Забезпечує необхідний тиск холодоагенту для ефективного охолодження.
• Екологічний контроль: Підтримує оптимальний тиск повітря для забезпечення якості повітря у приміщенні.

Керамічний датчик загального типу тиску WPCH01

Харчова промисловість

• Кавомашини: Датчики тиску регулюють тиск заварювання для забезпечення стабільної якості кави.
• блендери: Моніторинг тиску підвищує безпеку та ефективність високошвидкісних процесів змішування.
• Харчове обладнання: Забезпечує точний контроль тиску у різних галузях харчової промисловості.

WPCK89 Датчик тиску з цифровим виходом

Автоматизована промисловість

• Контроль тиску в шинах: Забезпечує оптимальний тиск у шинах для безпеки та паливної економічності.
• Управління двигуном: Контролює тиск у впускному колекторі, тиск палива та тиск олії.
• Системи подушок безпеки: Виявляє зіткнення для спрацювання подушок безпеки.

авіаційно-космічна промисловість

• Вимір висоти: використовується у висотомірах для вимірювання висоти літака
• Моніторинг тиску в кабіні: Забезпечує безпечний та комфортний тиск у салоні для пасажирів.
• Моніторинг паливної системи: Контролює тиск та витрату палива в авіаційних двигунах.

Побутова електроніка

• Смартфони: використовується у барометрах для вимірювання висоти.
• Носімі пристрої: контролює тиск у фітнес-трекерах та розумному годиннику.
• Побутова техніка: Забезпечує необхідний тиск у пральних та посудомийних машинах.

Переваги датчиків тиску Winsen

Датчики тиску мають численні переваги, у тому числі:

1. Точність та точність

Датчики тиску забезпечують точні та точні вимірювання, що важливо для застосування, де точний контроль тиску має вирішальне значення.

2. Моніторинг у реальному часі

Вони дозволяють відслідковувати зміни тиску в режимі реального часу, забезпечуючи своєчасне виявлення аномалій та швидке реагування на потенційні проблеми.

3. Довговічність та надійність

Багато датчиків тиску призначені для роботи в суворих та екстремальних умовах, забезпечуючи довготривалу надійність і довговічність.

4. Універсальність

Датчики тиску доступні у різних типах та конфігураціях, що робить їх придатними для широкого спектру застосувань у різних галузях.

5. Безпека

Вони підвищують безпеку, забезпечуючи раннє попередження про небезпечні рівні тиску, запобігаючи нещасним випадкам та відмовам обладнання.

Вибір правильного датчика тиску

Вибір відповідного датчика тиску передбачає розгляд кількох факторів:

1. Діапазон виміру

Виберіть датчик із діапазоном вимірювання, що відповідає вимогам вашої програми. Переконайтеся, що він може точно виміряти очікуваний рівень тиску.

2. Точність та точність

Враховуйте необхідну точність та точність для вашого застосування. Високоточні датчики необхідні для критично важливих додатків, тоді як нижча точність може бути достатньою для менш вимогливих завдань.

3.Умови довкілля

Враховуйте робоче середовище, включаючи температуру, вологість та потенційну дію агресивних або небезпечних речовин. Виберіть датчик, розрахований на такі умови.

4. Тип виходу

Датчики тиску забезпечують різні типи вихідних сигналів, включаючи аналогові сигнали напруги, струму та цифрові сигнали. Виберіть датчик із сумісним з системою.

5. Час відповіді

Для динамічних програм враховуйте час відгуку датчика. Найшвидший час відгуку має вирішальне значення для моніторингу швидких змін тиску.

6. Розмір та монтаж

Переконайтеся, що розмір датчика та варіанти монтажу відповідають вашому застосуванню. Деякі датчики призначені для компактних приміщень, тоді як інші можуть вимагати спеціальних конфігурацій монтажу.

Висновок

Датчики тиску є незамінними інструментами у багатьох галузях промисловості, надаючи важливі дані для моніторингу та управління процесами, забезпечуючи безпеку та підвищуючи ефективність. Розуміння різних типів датчиків тиску, принципів їх роботи, застосування та критеріїв вибору може допомогти вам вибрати правильний датчик для ваших конкретних потреб. Будь то автомобільна, аерокосмічна, медична, промислова чи споживча промисловість, датчики тиску відіграють життєво важливу роль у сучасних технологіях, сприяючи досягненням та інноваціям у різних галузях.

Принцип роботи датчиків тиску, витрати та рівня

Іноді багатьом людям може знадобитися вимірювати тиск. Для цього потрібно використовувати датчики тиску. Їх принцип роботи заснований на перетворенні тиску на механічне переміщення.

Крім механічних систем, для вимірювання тиску також можуть використовуватися механічні та теплові системи.

Датчики тиску

Механічні датчики тиску складаються з:

1. Рідкісні датчики тиску.
2. Поршневі системи.
3. Пружинних систем.

Тепер настав час розглянути датчики руху, які найчастіше зустрічаються. Найчастіше на сьогоднішній день використовують пружинні датчики тиску. Їхня дія буде заснована на тому, що виникнення пружної деформації пружини, яка вважається пружинним елементом приладу. При зміні тиску виникатиме деформація всередині та зовні. Зміна форми певного елемента передаватиметься на рухому частину приладу зі стрілкою. При знятті тиску елемент набуде попередньої форми.

У технічних манометрах найчастіше застосовуються пружні пружини:

• Одновиткові.
• Багатовиткові.
• Плоскі мембрани.
• Сільфони.

Розкручування пружини відбуватиметься через те, що при збільшенні внутрішнього тиску еліптичний перетин прагнутиме набути круглої форми. В результаті цього можуть виникати напруги, які розкручуватимуть пружину. Вільний кінець переміщатиметься прямопропорційно тиску всередині неї. Таким чином, можна сказати про те, що вимірюваний тиск буде перетворюватися на механічне переміщення вільного кінця пружини. Величина такого переміщення найчастіше становитиме 5-7 мм.

Багатовиткова трубчаста пружина матиме 6-9 витків. Переміщення вільного кінця пружини значно більше, ніж у одновиткової пружини. Зазвичай датчики у вигляді одновиткової пружини можуть застосовуватися в приладах, що показують. У більшості випадків це буде пов'язано з тим, що в приладах, що самопишуть, датчик повинен мати велике зусилля, якого вистачить для подолання тертя.У розділі також є стаття про те, як працює тензодатчик.

Плоска гофрована мембрана використовуватиметься окремо. При необхідності також можна застосовувати плоску гумову тканину, яка буде щільно з'єднана з плоскою пружиною, що калібрується. Гармонікоподібна мембрана відрізняється від інших, оскільки має найбільшу чутливість.

Сильфонні прилади призначаються для вимірювання та запису надлишкового тиску у схемах автоматизації. Крім цього, подібні пристрої також можна використовувати як вторинні прилади до пристроїв, які мають пристосування для пневматичної передачі показань на відстань. Пружинні датчики тиску в схемах дозволяють перетворювати механічне переміщення електричний сигнал за допомогою індуктивного або контактного датчика.

На малюнку вище представлено схему датчика тиску типу ПЕД. Тут спочатку тиск сприйматиметься трубчастою манометричною пружиною. Надалі воно буде перетворюватися на переміщення кінця манометричної трубки. Це переміщення може передаватися плунжеру трансформаторного датчика. Вторинним приладом у цій конструкції вважається пристрій типу ЕПІД.

Фахівці повідомляють, що датчики витрати на сьогодні можуть бути:

1. Механічні.
2. Термічні.
3. Іонізаційні.
4. індукційні.
5. Акустичні.

Важливо знати! Механічні датчики витрати поділяються на датчики змінного та постійного перепаду. Також можуть бути датчики із зливним отвором.

Датчики витрати діятимуть за принципом виникнення перепаду тиску в пристрої, що звужує. Перепад тиску у разі є функцією витрати. Звужуючий пристрій вважається органом, що сприймає датчика витрати.Датчики витрати постійного перепаду (ротаметри) використовуються для регулювання перерізу з метою підтримування постійним перепадом тиску. Якщо буде цікаво, тоді можете прочитати принцип роботи термопари.

На малюнку, розташованому вище, вам надана схема ротаметра з індуктивним датчиком. Ротаметр складається з:

Під час руху рідини або газу в кільцевому зазорі між поплавком і трубками буде створюватися перепад тиску, який надалі створюватиме силу, що діє назустріч силі ваги поплавця, який тут розташований. Ротаметри на сьогоднішній день можуть виконуватися як прилади, що показують, і як датчики. Обмотка індуктивного датчика розміщується на трубці сопла. Залізний поплавець у свою чергу буде осердям котушки індуктивного датчика. При зміні витрати поплавок може переміщатися відповідно змінювати індуктивність котушки.

Датчики рівня

Останнім часом найбільш поширеними пристроями вважаються датчики поплавця. Поплавковий датчик складатиметься з: поплавця, проміжного та вихідного органу. Поплавець – це орган, який дозволяє приймати рівень рідини. Перетворюючий орган дозволяє механічну дію вихідного органу.

Датчики рівня можуть бути засновані на вимірі ваги та гідростатичного тиску, а також на використанні електричних властивостей рідини.

Вітчизняна промисловість намагається випускати датчики тиску різноманітного типу. Тепер ви точно знаєте, принцип роботи датчиків тиску, витрати та рівня. Сподіваємося, що ця інформація була корисною та цікавою.