Типи датчиків тиску

Просте самостійне введення датчика тиску

Як датчик тиску, вихідним сигналом якого є стандартний сигнал, передавач тиску – це прилад, який приймає змінну тиску та пропорційно перетворює її на стандартний вихідний сигнал. Він може перетворювати фізичні параметри тиску газу, рідини тощо, що вимірюються датчиком навантаження, на стандартні електричні сигнали (наприклад, 4-20 мАЦП тощо), щоб забезпечити вторинні прилади, такі як сигналізація, самописці, регулятори тощо, для вимірювання та індикації, а також регулювання процесу.

Класифікація датчиків тиску

Зазвичай перетворювачі тиску, про які ми говоримо, поділяються за принципом:
Ємнісні перетворювачі тиску, резистивні перетворювачі тиску, індуктивні перетворювачі тиску, напівпровідникові перетворювачі тиску та п'єзоелектричні перетворювачі тиску для високочастотних вимірювань. Серед них найбільше використовуються резистивні перетворювачі тиску. Ємнісний перетворювач тиску є представником високоякісних продуктів, наприклад, перетворювача Rosemount 3051S.

Датчики тиску можна розділити на металеві, керамічні, дифузійні кремнієві, монокристалічні кремнієві, сапфірові, напилені плівкові тощо залежно від компонентів, чутливих до тиску.

• Металевий датчик тиску має низьку точність, але мало впливає на температуру та підходить для зон з широким діапазоном температур та низькими вимогами до точності.
• Керамічні датчики тиску мають кращу точність, але більше залежать від температури. Кераміка також має перевагу ударостійкості та корозійної стійкості, що може бути використано в галузі реагування.
• Точність передачі тиску дифузного кремнію дуже висока, а температурний дрейф також великий, тому перед його використанням зазвичай потрібна температурна компенсація. Більше того, навіть після температурної компенсації тиск вище 125°C неможливо виміряти. Однак за кімнатної температури коефіцієнт чутливості дифузного кремнію в 5 разів вищий, ніж у кераміки, тому його зазвичай використовують у галузі високоточних вимірювань.
• Монокристалічний кремнієвий датчик тиску є найточнішим датчиком у промисловій практиці. Він є вдосконаленою версією дифузного кремнію. Звичайно, ціна також підвищена. Наразі представником у галузі монокристалічного кремнію тиску є японська компанія Yokogawa.
• Сапфіровий датчик тиску не чутливий до змін температури та має хороші робочі характеристики навіть за високих температур; сапфір має надзвичайно високу стійкість до випромінювання; відсутній дрейф pn; він може нормально працювати за найгірших робочих умов та надійний. Висока продуктивність, хороша точність, мінімальна температурна похибка та висока загальна вартість.
• Тонкоплівковий датчик тиску, що напилюється, не містить клею та демонструє вищу довготривалу стабільність і надійність, ніж липкий тензодатчик; він менше залежить від температури: при зміні температури на 100 ℃ дрейф нуля становить лише 0,5%. Його температурні характеристики значно перевершують дифузійний кремнієвий датчик тиску; крім того, він може безпосередньо контактувати із звичайними агресивними середовищами.

Принципи роботи різних типів датчиків тиску

• Принцип дії ємнісного датчика тиску.

Коли тиск безпосередньо діє на поверхню вимірювальної діафрагми, вона створює невелику деформацію. Високоточна схема на вимірювальній діафрагмі перетворює цю невелику деформацію на високолінійну напругу, пропорційну тиску та напрузі збудження, а потім за допомогою спеціального чіпа перетворює цей сигнал напруги на стандартний промисловий сигнал струму 4-20 мА або сигнал напруги 1-5 В.

• Принцип роботи дифузного кремнієвого датчика тиску

Тиск вимірюваного середовища безпосередньо діє на діафрагму датчика (зазвичай діафрагму зі сталі 316L), змушуючи діафрагму створювати мікрозміщення, пропорційне тиску середовища, змінюючи значення опору датчика та виявляючи його за допомогою схеми Уїтстона. Ця зміна перетворюється та виводиться на вихід стандартного вимірювального сигналу, що відповідає цьому тиску.

• Принцип роботи монокристалічного кремнієвого датчика тиску

П'єзорезистивні датчики тиску побудовані з використанням п'єзорезистивного ефекту монокристалічного кремнію. Монокристалічна кремнієва пластина використовується як пружний елемент. Коли тиск змінюється, монокристалічний кремній створює деформацію, так що опір деформації, що безпосередньо поширюється на нього, створює зміну, пропорційну вимірюваному тиску, а потім відповідний вихідний сигнал напруги отримується за допомогою мостової схеми.

• Принцип роботи керамічного датчика тиску

Тиск безпосередньо діє на передню поверхню керамічної діафрагми, викликаючи її незначну деформацію. Товстоплівковий резистор надрукований на задній стороні керамічної діафрагми та з'єднаний з мостом Уїтстона (закритий міст) завдяки п'єзорезистивному ефекту варистора. Міст генерує високолінійний сигнал напруги, пропорційний тиску та пропорційний напрузі збудження. Зазвичай використовується для вимірювання тиску повітряних компресорів, частіше використовується кераміка.

• Принцип роботи тензометричного датчика тиску

Найпоширенішими тензометричними датчиками тиску є металеві тензометричні датчики опору та напівпровідникові тензометричні датчики. Металеві тензометричні датчики опору – це чутливий пристрій, який перетворює зміну деформації на випробувальному зразку в електричний сигнал. Існує два види дротяних тензометричних датчиків та тензометричних датчиків з металевою фольгою. Зазвичай тензометричний датчик щільно з'єднаний з матрицею механічної деформації за допомогою спеціального клею. Коли матриця піддається зміні напруги, тензометричний датчик опору також деформується, так що значення опору тензометричного датчика змінюється, а отже, змінюється і напруга, що прикладається до резистора. Тензометричні датчики тиску зустрічаються на ринку відносно рідко.

• Сапфіровий датчик тиску

Сапфіровий датчик тиску використовує принцип роботи на основі опору деформації, використовує високоточні кремнієво-сапфірові чутливі компоненти та перетворює сигнал тиску на стандартний електричний сигнал за допомогою спеціальної схеми підсилювача.

• Датчик тиску напилення плівки

Розпилювальний чутливий до тиску елемент виготовлено за допомогою мікроелектронної технології, утворюючи міцний та стабільний місток Уїтстона на поверхні еластичної діафрагми з нержавіючої сталі. Коли тиск вимірюваного середовища діє на еластичну діафрагму з нержавіючої сталі, місток Уїтстона з іншого боку створює електричний вихідний сигнал, пропорційний тиску. Завдяки своїй добрій ударостійкості, розпилені плівки часто використовуються в місцях з частими впливами тиску, наприклад, у гідравлічному обладнанні.

Застереження щодо вибору датчика тиску

• Вибір діапазону значень тиску передавача:

Спочатку визначте максимальне значення вимірюваного тиску в системі. Загалом, потрібно вибрати передавач з діапазоном тиску, який приблизно в 1,5 раза більший за максимальне значення, або дозволити нормальному діапазону тиску знаходитися на передавачі тиску. Також поширеним методом є 1/3~2/3 нормального діапазону.

• Який тип середовища під тиском:

В'язкі рідини та бруд блокуватимуть порти тиску. Чи розчинники або корозійні речовини руйнують матеріали перетворювача, які безпосередньо контактують з цими середовищами?
Матеріалом загального датчика тиску, який контактує із середовищем, є нержавіюча сталь марки 316. Якщо середовище не є корозійним для нержавіючої сталі марки 316, то практично всі датчики тиску підходять для вимірювання тиску середовища;
Якщо середовище є корозійним для нержавіючої сталі 316, слід використовувати хімічне ущільнення та непряме вимірювання. Використання капілярної трубки, заповненої силіконовою олією, для направлення тиску може запобігти корозії датчика тиску та подовжити термін його служби.

• Яка точність потрібна передавачові:

Точність визначається: нелінійністю, гістерезисом, неповторюваністю, температурою, шкалою зміщення нуля та температурою. Чим вища точність, тим вища ціна. Зазвичай точність дифузного кремнієвого датчика тиску становить 0,5 або 0,25, а ємнісний або монокристалічний кремнієвий датчик тиску має точність 0,1 або навіть 0,075.

• Процесне підключення передавача:

Зазвичай, датчики тиску встановлюються на трубах або резервуарах. Звичайно, невелика частина з них встановлюється та використовується з витратомірами. Зазвичай існує три способи встановлення датчиків тиску: різьбовий, фланцевий та хомутовий. Тому перед вибором датчика тиску необхідно також враховувати технологічне з'єднання. Якщо воно різьбове, необхідно визначити специфікацію різьби. Для фланців необхідно враховувати специфікації фланця номінального діаметра.

Вступ до галузі передавачів тиску

Близько 40 країн світу займаються дослідженнями та виробництвом датчиків, з яких Сполучені Штати, Японія та Німеччина є регіонами з найбільшим обсягом виробництва датчиків. Ці три країни разом становлять понад 50% світового ринку датчиків.

Наразі ринок датчиків тиску в моїй країні є зрілим ринком з високою концентрацією ринку. Однак домінуючу позицію займають іноземні країни, представлені Emerson, Yokogawa, Siemens тощо. Фірмова продукція займає близько 70% ринку та має абсолютну перевагу у великих та середніх інженерних проектах.

Це пов'язано з наслідками раннього впровадження моєю країною стратегії «ринку технологій», яка сильно вдарила по державних підприємствах моєї країни та колись перебувала у стані невдачі, але водночас деякі виробники, представлені приватними підприємствами Китаю, непомітно з'являються та зміцнюються. Майбутній ринок датчиків тиску Китаю сповнений нових невідомих.