Ионизационные датчики с холодным катодом

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 (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.

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.

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.

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

 

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.

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")

 

Механические вакуумметры

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.

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, <200 Па с чувствительностью 1,2 Па.

Мембраны (Диафрагмы)

Мембраны изготовлены из круглых металлических дисков или гибких элементов, таких как резина, пластик или кожа. Материал, из которого изготовлена ​​мембрана зависит от того используется ли свойства упругости этого материала или ему должен противостоять другой элемент (например - пружина). Мембраны изготовленные из металлических дисков используют упругие характеристики, а тем, которым противостоят другие упругие элементы, изготовлены из гибких элементов. Мембраны очень чувствительны к резким изменениям давления. Мембраной изготовленной из металла можно измерить максимальное давление равное примерно 7 МПа, а мембраной использующей упругий тип материала можно измерять чрезвычайно низкие давления (0,1 кПа - 2,2 МПа) при подключении к емкостным преобразователям или к датчикам перепада давления. Диафрагмы бывают плоские, гофрированные и капсульного типа. Как отмечалось ранее, мембраны очень чувствительны (0,01 МПа). Они могут измерять дробные разности давления на очень маленьком диапазоне (скажем, давления нескольких дюймов воды) (эластичный тип) или большие перепады давления (приближаясь к максимальному диапазону в 207 кПа) (металлический тип).

Мембраны очень универсальны - они обычно используются в очень агрессивных средах или в ситуациях с экстремальными избыточными давлениями.

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).

Это механический прибор, не использующий источники питания, который способен определить уровень избыточного давления в диапазоне от 0,5 до 7500 бар. Механизм устройства заключается в кольце из трубки с овальным сечением, которая изогнута под углом 250о. Эта трубка находится в желобе и её концы никак не закреплены, что позволяет избыточному давлению в процессе измерений давить на внутренние стенки трубки, приводя её в движение. Трубочка синхронно связана со стрелочным механизмом, который и выводит точные показания на шкалу прибора. В классическом исполнении трубка Бурдона может измерить давление до 60 бар, а для более высоких показателей устройство оснащают дополнительными спиральными витками на трубке. Таким образом, прибор становится менее чувствительным к малому уровню давления, что позволяет проводить измерения при избытке в 7000 бар.

Для использования вакуумметра в агрессивной среде, его корпус обеспечивают гидрозаполнением. Жидкость смазывает все механизмы и предотвращает коррозийные процессы. В качестве предохранителя от разрыва трубки Бурдона, его корпус оснащают выдуваемой задней стенкой для сброса избыточного давления, которое превышает максимальное значение измерительной шкалы.

U-образный гидростатический вакуумметр

Выдаёт показания по воздействию избыточного давления на жидкость внутри трубки. Давление на разных концах такой трубки отличается, и стрелка прибора показывает разницу между ними. В современных системах такие приборы практически не используются, причиной тому стал маленький диапазон измерений.

Компрессионный вакуумметр

Это усовершенствованный U-образный манометр. Для увеличения возможностей прибора, перед измерением жидкость внутри трубки сжимается под давлением, и устройство может показывать более высокий уровень давления. Применяется в основном как калибровочный прибор.

Механический деформационный вакуумметр

Манометр предназначен для измерений среды низкого вакуума. Под действием давления, специальная пружина, расположенная внутри механизма, сжимается и деформирует рабочий сенсор, который передаёт свою нагрузку стрелочному механизму со шкалой показаний.

Мембранный вакуумметр

Самый бюджетный вариант среди механических манометров. На мембрану давит вакуум, а она в свою очередь давит на сенсор. Такие приборы являются газонезависимыми, и могут снимать показания в любой газовой смеси.

Тепловые вакуумметры

Тепловые вакуумметры

Принцип используемый в данном типе датчиков заключается в изменении газовой теплопроводности под действием давления. Однако из-за отклонения от идеального поведения газа, в котором связь между этими двумя свойствами линейна, датчики такого рода, которые также называются датчиками Пирани, могут быть использованы только при низких давлениях, в диапазоне (0.4E-3 до 1.3E-3) МПа. Это чрезвычайно чувствительные элементы. Они могут обнаруживать изменения давления в 6E-13 МПа.

В этих датчиках спиральная нить проводит ток нагревающий катушку. Изменение давления изменяет скорость теплопередачи от нити накала, тем самым заставляя варьироваться её температуру. Эти изменения в температуре могут быть обнаружены с помощью термопар, которые также подключены к нитям накала - частям мостовой схемы Уитстона.

 

Такие приборы считаются самыми востребованными для снятия показаний в средних и низких вакуумах. В них сочетаются приемлемые показатели и доступная цена. Пользоваться такими устройствами можно только для измерений в абсолютном вакууме. Принцип действия заключается в реакции вакуумметра на изменение теплопроводимости газа при смене давления. Тепловые вакуумметры разнятся в зависимости от типа газа, и могут считывать только определённые смеси. Самыми распространёнными модификациями являются термопарные вакуумные датчики, датчики Пирани и конвекционные датчики.

Термопарный датчик

Температура в вакууме влияет на нагрев термопары внутри механизма, что провоцирует изменение напряжения на концах термопары. Передача тепла от нагревательного датчика к его концам происходит за счёт давления, которое создаётся вокруг термопары. Чем давление выше, тем больше напряжение. Такие вакуумметры самые бюджетные среди аналогичных устройств для измерения среднего и низкого вакуума.

Рисунок. 1. Рисунок 1. Теплоэлектрические преобразователи для измерения давления: а — термопарный датчик ЛТ-2; 1 — стеклянный баллон; 2 — нить накала; 3 — термопара; б — датчик сопротив­ления Ml-6; 1 — защитный колпачок (в нерабочем состоянии); 2 — металлический корпус; 3 — рабочая нить

 

Вакуумный датчик Пирани

Принцип действия тепловых манометров основан на зависимости теплопроводности газа от давления. Чувствительным элементом терморезисторного датчика (рис. 10.) является тонкая металлическая нить накала (вольфрам, платина), помещенная в атмосферу откачиваемого газа, сопротивление которой зависит от её температуры. Нить включена в одно из плеч мостовой схемы и разогрета до нескольких сотен градусов пропускаемым по ней током. Джоулево тепло, выделяемое нитью, отводится в основном через газовую среду со скоростью, зависящей от коэффициента теплопроводности. В зависимости от способа измерения вакуумметр работает в режиме (а) поддержания постоянного сопротивления моста (а значит и температуры нити), (б) постоянного напряжения на клеммах А, С моста или (в) постоянного тока через мост. Мост изначально сбалансирован при давлении много ниже рабочего диапазона (сопротивление R_Б).

Конвекционный датчик

Также как и вышеописанные тепловые вакуумметры используют термопару, но механизм имеет конвекционный способ охлаждения. Корпус вокруг нити накала шире, чем у других датчиков, что позволяет газу циркулировать и эффективнее охлаждать всю систему. Чем быстрее остывает термопара, тем точнее показания уровня разряженного давления.

 

Ионизационные вакуумные датчики

Любой газ, который находится в вакууме, имеет определённое количество ионов. Под воздействием магнитного поля, электрического разряда или катодного влияния, эти ионы набирают скорость, а эта скорость зависит от степени сжатия вакуума. По такому принципу работают ионизационные вакуумметры. В зависимости от модификации, они используют разные способы разгона молекул ионов. Устройства предназначены для измерений в высоком вакууме, но являются газозависимыми, так как у каждого газа разная плотность, что влияет на скорость перемещения ионов при одном и том же воздействии вакуумметра. Основные разновидности таких аппаратов разделяются на датчик вакуумный Байард-Альперта и вакуумметр с холодным катодом.

Принцип действия ионизационного вакуумметра с горячим катодом основан на пропорциональности давления и ионного тока, который образуется в результате ионизации остаточных газов термоэлектронами, вылетающими из катода. Измерение давления происходит следующим образом. Через катод датчика пропускают электрический ток, в результате чего происходит его нагрев и возникает эмиссия электронов. Эти электроны начинают движение в сторону сетки, напряжение на которой относительно коллектора составляет 200 В. Электроны в процессе своего движения к сетке, сталкиваются с молекулами газа, образуя положительно заряженные ионы. Ионы под воздействием электрического поля движутся к коллектору и, попадая на него, создают ионный ток, который фиксируется приемным устройством модуля. Величина ионного тока сопоставляется с величиной электронного тока и, как результат, получается величина давления в вакуумном объёме. Датчики такого типа предназначены для измерения давления вакуума в диапазоне от 10^-3 до 10^-12 мбар.

Датчик с холодным катодом

Это магниторазрядный датчик, который создаёт мощное электрическое поле. Магниты расположены таким образом, чтобы движение ионов было спиральным. Такая структура продлевает жизнь заряженных частиц, что увеличивает их ионизационную способность. Из-за того, что рабочий катод постоянно холодный, показания вакуумметра немного расплывчатей, нежели у пьезорезистивных датчиков. Зато срок службы подобных устройств очень велик, так как весь механизм вакуумметра не имеет трений своих деталей и не нагревается.

Электрические датчики

Сегодня датчики не только обязательно подключаются к стрелочным указателям, для отображения давления, но также могут служить для преобразования давления в электрический или пневматический сигнал, который может быть передан в диспетчерскую в которой производится считывание и определение давления. Электрические датчики принимают данные полученные механическое воздействие от упругого датчика и включают в себя электрический компонент, таким образом, усиливая чувствительность и увеличивая сферы применения датчиков. Существуют такие типы датчиков давления: емкостной, индуктивный, датчик магнетосопротивления (датчик Холла), пьезоэлектрический, тензодатчик, виброэлемент, и потенциометрический тип датчика.

Пьезорезистивные датчики

Благодаря тому, что эти датчики являются газонезависимыми, они дают очень точные показатели. Универсальность измерения в любой среде достигается непосредственным влиянием давления на сам пьезорезистивный датчик. Диапазон измерения датчика достигает 1 мм рт. ст. (некоторые модели могут считывать показания до 0,1 торр).

Пьезоэлектрические

Чувствительным элементом датчиков этого типа является пьезоэлемент — материал, выделяющий эклектический сигнал при деформации (прямой пьезоэффект). Пьезоэлемент находится в измеряемой среде, он будет выделять ток пропорциональный величине изменения давления. Так как электрический сигнал в пьезоматериале выделяется только при деформировании, а при постоянном давлении деформирование не происходит, то этот датчик пригоден только для измерения быстро меняющегося давления.

Пьезорезонансные

Этот тип тоже использует пьезоэффект, только в отличие от прошлого типа тут используется обратный пьезоэффект — изменение формы пьезоматериала в зависимости от подаваемого тока. В датчиках данного типа используется резонатор (например пластина) из пьезоматериала, на которую нанесены с двух сторон электроды. На электроды по переменно подается напряжение разного знака, таким образом пластина изгибается то в одну то в другую сторону с частотой подаваемого напряжения. Но если на эту пластину подать силу, например мембраной чувствительной к давлению, то частота колебания резонатора изменится. Частота резонатора и будет показывать величину, с которой давление давит на мембрану, а она в свою очередь давит на резонатор.

В качестве примера, на рисунке приведен пьезорезонансный датчика абсолютного давления. Он выполнен в виде герметичной камеры 1. Герметичность достигается соединением корпуса 2, основания 6 и мембраны 10, которая крепится к корпусу с помощью электронно-лучевой сварки. На основании 6 закреплены два держателя: 4 и 9. Держатель 4 крепится к основанию с помощью специально перемычки 3 и он держит силочувствительный резонатор 5. Держатель 9, установлен для крепления опорного пьезорезонатора 8.Мембрана 10 передает усилие через втулку 13 на шарик 6, закрепленный в держателе 4. Шарик 4 передает силу давления на силочувствительный резонатор 5.Провода 7 крепятся на основании 6 и служат для соединения резонаторов 5 и 8 с генераторами 17 и 16 Выходной сигнал абсолютного давления формируется схемой 15 из разности частот генераторов. Датчик давления помещен в активный термостат 18 с постоянной температурой 40 градусов Цельсия. Измеряемое давление подается через штуцер 12.

 

Рисунок -

 

Пьезоэлектрические датчики

Пьезоэлектрические датчики используют датчик - кристалл. Когда давление прикладывается к кристаллу, он деформируется и создается небольшой электрический заряд. Измерение электрического заряда пропорционально изменению давления. Этот тип датчика имеет очень быстрое время отклика на постоянные изменения давления. Подобно датчику давления основанного на принципе измерения магнетосопротивления, пьезоэлектрический элемент очень чувствителен, но реагирует гораздо быстрее. Таким образом, если время имеет существенное значение, пьезоэлектрический датчик будет приоритетный к использованию. Диапазон давления датчиков такого типа составляет 0,021 - 100 МПа с чувствительностью 0,1 МПа.

Ниже показан пример пьезоэлектрического датчика давления:

 

Емкостные датчики

Емкостные

Имеет одну из наиболее простых конструкций. Состоит из двух плоских электродов и зазора между ними. Один из этих электродов представляет собой мембрану на которую давит измеряемое давление, вследствие, чего изменяется величина зазора. То есть, по сути, этот тип датчиков представляет собой конденсатор с изменяющейся величиной зазора. А как известно емкость конденсатора зависит от величины зазора. Емкостные датчики способны фиксировать очень маленькие изменения давления.

Емкостной датчик состоит из параллельных пластин - конденсаторов, соединенных с диафрагмой, которая обычно металлическая и подвергается давлению сил участвующих в процессе с одной стороны и опорным давлением на другой стороне. Электроды прикреплены к мембране и получают питание от генератора высокой частоты. Электроды ощущают любое перемещение диафрагмы и это влияет на изменение емкости пластин-конденсаторов. Изменение емкости обнаруживается подсоединенной электрической цепью, которая выводит напряжение в соответствии с изменением давления. Данный тип датчика может работать в диапазоне от 2,5 Па - 70 МПа с чувствительностью 0,07 МПа.

Пример емкостного датчика давления:

Индуктивный датчик давления

Магнитные

Другое название таких датчиков — индуктивные. Чувствительная часть таких датчиков состоит их Е-образной пластины, в центре которой находится катушка, и проводящей мембраны чувствительной к давлению. Мембрана располагается на небольшом расстоянии от края пластины. При подключении катушки, создается магнитный поток, который проходит через пластину, воздушный зазор и мембрану. Магнитная проницаемость зазора примерно в тысячу раз меньше магнитной проницаемости пластины и мембраны. Поэтому, даже небольшое изменение величины зазора влечет за собой заметное изменение индуктивности.

Потенциометрические датчики

Потенциометрические датчики имеют рычаг, механически прикрепленный к упругому датчику давления. При изменении давления, деформируется упругий элемент, в результате чего заставляет рычаг двигаться вперед или назад по потенциометру и таким образом снимаются показания сопротивления. Эти чувствительные элементы принадлежат оптимальному рабочему диапазону, но ограничены многими факторами. Таким образом, они являются датчиками нижнего уровня, которые не используются слишком часто. При низкой чувствительности и рабочем диапазоне, они могут лучше всего подойти в качестве дешевого детектора давая грубую оценку. Диапазон давления 0,035 - 70 МПа с чувствительностью 0,07 -0,35 МПа.

Пример потенциометрического датчика давления показан ниже:

Тензометрический датчик

Резистивные

По-другому этот тип датчиков называет тензорезистивный. Тензорезистор — это элемент, изменяющий свое сопротивление в зависимости от деформирования. Эти тензоризисторы устанавливают на мембрану чувствительную к изменению давления. В итоге, при давлении на мембрану она изгибается и изгибает тензоризисторы, закрепленные на ней. Вследствие чего, сопротивление на них меняется и меняется величина тока в цепи.

Тензометрический датчик обнаруживает изменения давления путем измерения изменения сопротивления мостовой схемы Уитстона. В общем, эта схема используется для определения неизвестного электрического сопротивления, уравновешивая две секции мостовой схемы, так что бы отношение сопротивлений в одной секции () было таким же, как и в другой секции (), возвращая ноль, в гальванометре в центральной ветви. Одна из секций содержит неизвестный компонент, сопротивление которого должно быть определено, тогда как другая секция содержит резистор с известным сопротивлением, которое можно регулировать. Схема моста Уитстона показана ниже:

Тензодатчик помещает чувствительные элементы на каждом из резисторов и измеряет изменение сопротивления каждого резистора под действием изменения давления. Сопротивление определяется уравнением , где ρ = удельное сопротивление проводника, L = длина проводника, и A = площадь поперечного сечения проводника. Изменение давления будет либо удлинять, либо сжимать проводник, следовательно, датчик сжатия необходимо на одном резисторе, а датчик удлинения на другом. Чтобы контролировать воздействие температуры (проволока будет также либо удлиняться, либо сжиматься из-за изменения температуры), свободный датчик нужно разместить на остальных двух резисторах. Эти датчики часто являются одним из типов полупроводника (N-тип или р-тип). Таким образом, чувствительность таких датчиков значительно больше, чем чувствительность их металлических аналогов, однако с большей чувствительностью приходит более узкий функциональный диапазон: температура должна оставаться постоянной, чтобы получить действительное значение. Эти датчики сильно зависят от изменений температуры (в отличие от других типов электрических компонентов). Диапазон давления 0 - 1400 МПа с чувствительностью 1,4 - 3.5 МПа.

Пример несвязанного тензодатчика показан ниже. Данный тип датчиков использует чувствительные к натяжению провода, один конец которого закреплен на неподвижной раме, а другой конец прикреплен к подвижному элементу, который движется с изменением давления.

Пример связанного тензодатчика можно увидеть ниже. Данный тип размещается в верхней части диафрагмы, которая деформируясь при изменении давления, натягивает провода, прикрепленные к диафрагме.

Виброэлемент

Вибрационные датчики давления функционируют посредством измерения изменения резонансной частоты вибрирующих элементов. Ток проходит через провода, индуцируя электродвижущую силу в проводе. Затем усилие увеличивается, что вызывает колебание проволоки. Давление влияет на этот механизм, с помощью влияния на сам провод: повышение давления уменьшает напряжение в проводе и, таким образом снижает угловую частоту колебаний провода. При измерении абсолютных давлений, датчик размещен в цилиндре под вакуумом. Эти датчики измерения абсолютного давления являются очень эффективными: они производят повторяемые результаты и слабо подвержены влиянию температуры. Им не хватает чувствительности в процессе измерения, тем не менее, таким образом, они не очень подходят для процесса, в котором необходимо отслеживать кратковременные изменения давления. Диапазон давления: 0,0035 - 0,3 МПа с чувствительностью 1E-5 МПа.

Ниже показан вибрационный датчик давления:

Вибрационный датчик давления в цилиндре (для абсолютного давления), показан ниже:

Птические

Оптические датчики давления могут быть построены на двух принципах измерения: волоконно-оптическом и оптоэлектронном.

Волоконно-оптические

Волоконно-оптические датчики давления являются наиболее точными и их работа не сильно зависит от колебания температуры. Чувствительным элементом является оптический волновод. Об измеряемой величине давления в таких приборах обычно судят по изменению амплитуды и поляризации проходящего через чувствительный элемент света. Более подробно об волоконно-оптических датчиках давления можно почитать в этом PDF документе.

Давление, приложенное к чувствительному элементу, вызывает обжимную деформацию стеклянной оболочки волоконного резонатора Фабри-Перо. Радиус оболочки уменьшается, вызывая рост длины полости резонатора L0 на величину ΔG до сотни нанометров. Из принципов механики вытекает аналитическое выражение изменения длины оптического резонатора ΔG вследствие приложенного давления

Оптоэлектронные

Датчики этого типа состоят из многослойных прозрачных структур. Через эту структуру пропускают свет. Один из прозрачных слоев может изменять свои параметры в зависимости от давления среды. Есть 2 параметра, которые могут изменяться: первый это показатель преломления, второй это толщина слоя. На иллюстрации показаны оба метода, изменение показателя преломления — рисунок а, изменение толщины слоя — рисунок б.

Понятно, что при изменении этих параметров будут меняться характеристики проходящего через слои света, это изменение будет регистрироваться фотоэлементом. Более подробно об оптоэлектронных датчиках давления можно почитать в этом PDF документе. К достоинствам датчика этого типа можно отнести очень высокую точность.

ВЫВОДЫ:

Тип элемента	Диапазон давления	Чувствительность	Преимущество	Недостатки
Трубка Бурдона	0,1…700 МПа	0,03 МПа	Портативность; Низкие эксплуатационные расходы.	Статические измерения; Низкая точность.
Сильфоны	<0,2 МПа	0,0012 МПа	Может быть использован на низких давлениях.	Может быть подсоединен только к двухпозиционному переключателю или к потенциометру.
Диафрагмы	0,1…2,2 МПа	0,01 МПа	Быстрое время отклика; Высокая точность; Хорошая линейность; Может быть использован в коррозионных средах.	Очень дорогой.
Емкостные	2,5 Па – 70 МПа	0,07 МПа	Используются для измерения низких давлений и вакуума; Прочная конструкция.	Полностью электронный; Емкостные пластины могут слипаться в процессе эксплуатации.
Индуктивные	250 Па – 70 МПа	0,35 МПа	Высокая чувствительность.	Ограничены упругими элементами; Более грубые по сравнению с датчиками магнетосопротивления.
Магнетосопротивления	250 Па – 70 МПа	0,35 МПа	Высокая чувствительность.	Требуют наличия внешнего источника переменного тока.
Пьезоэлектрические	0,021…100 МПа	0,1 МПа	Очень быстрое время отклика.	Подвергается влиянию высоких температур и статических сил.
Потенцоиметрические	0,03…70 МПа	0,07 – 0,35 МПа	Могут иметь очень маленькие размеры.	Маленькая чувствительность и рабочий диапазон.
Измерения натяжения	0…14000 МПа	1,4 – 3,5 МПа	Очень высокая чувствительность; Могут быть использованы на мобильных частях.	Чрезвычайно медленное время отклика; Слабый выходной сигнал.
Дифференциальные	Зависит от других элементов устройства	Зависит от других элементов устройства	Используются для измерения перепада давления.	Измеряются только для измерения перепада давления.
Теплопроводности	0,4Е-3…1,3Е-3 МПа	6Е-13 МПа	Способны измерять вакуум.	Измерения линейны только на низких давлениях.
Ионизации	1,3Е-13…1,3Е-8 МПа	1Е-13…1Е-16 МПа	Высокая чувствительность; Могут измерять глубокий и сверхглубокий вакуум.	Ограничены фотоэлектрическим эффектом.
Вибрации	0,0035…0,3 МПа	1Е-5 МПа	Очень точные; Не подвержены изменениям температуры.	Не могут быть использованы на больших давлениях.

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 (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.

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.

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.

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 и<