Датчик измерения давления: принцип работы

Принцып работыВ современной промышленности различной направленности широко применяются датчики измерения давления. Служат они для максимально точного измерения показаний в разных средах и дальнейшего получения данных в электрической или цифровой форме. Основные датчики делятся на оптические, резистивные, магнитные, пьезоэлектрические, ёмкостные, ртутные пьезорезонансные

.

Устройство датчика

Устройство датчикаУ этого прибора параметры могут изменяться в зависимости от изменения параметров в измеряемой среде, например, жидкости, газа, или пара. В датчике, характеристики измеряемой среды преобразуется в унифицированный код для вывода показателей на указательный прибор.

Датчик состоит из первичного преобразователя, который включает в себя чувствительный элемент — получатель давления, схемы второстепенной обработки сигнала, и различные части корпуса. В некоторых случаях оборудуется деталями герметизации для условий работы во влажных и агрессивных средах.

Классификация приборов по принципу действия

От принципа действия или метода, используемого при преобразовании входного сигнала в электрический выходной, датчики измерения классифицируют:

  • Тензометрический метод. Чувствительные детали производят измерение сопротивления при воздействии на тензорезистор, прикреплённый к упругому элементу, который при воздействии давления деформируется.
  • Пьезорезистивный метод. Работает на основе интегральных чувствительных деталей из кремния. Преобразователи из кремния обладают высокой чувствительностью благодаря возможности изменения сопротивления полупроводника. Для измерения характеристик в неагрессивных средах используется Low cost — метод исполнения оборудования, когда чувствительный элемент не оборудован какими-либо степенями защиты. В случае работы в среде где, возможно, оказания на датчик агрессивного вещества, чувствительный элемент оборудуется герметичным корпусом с разделяющей диафрагмой из стали, которая передаёт давление посредством кремниевой жидкости.
  • Ёмкостный метод. Главной частью датчика, работающего по такому методу является ёмкостная ячейка. Её работа заключается в изменении электрической ёмкости между укладкой конденсатора и измерительной мембраны в зависимости. Главным плюсом можно отметить защиту от деформации, при отсутствии давления мембрана восстанавливает свою форму, при этом калибровка такого датчика не требуется. А также высокая стабильность характеристик обусловлена малым влиянием погрешности температуры за счёт небольшого объёма жидкости, которая заполняет внутренний объем ячейки.
  • Резонансный метод. За основу работы по такому принципу взято изменение частоты резонансы колеблющегося элемента при его деформации. Из недостатков можно выделить большое время отклика, и невозможность работы в агрессивных средах без потери измерительной точности.
  • Индуктивный метод. Основывается на регистрации вихревых оков. Измерительный элемент состоит из двух изолированных катушек металлическим экраном. Преобразователь проводит измерение смещения мембраны при отсутствии фактического контакта между двумя поверхностями. Электрический ток генерируется в катушках таким образом, что заряд и разряд катушки происходит на равных отрезках временного промежутка. При изменении положения мембраны создаётся ток в зафиксированной катушке, после чего следует изменение индуктивности системы. Смещение данных основной катушки даёт возможность о преобразовании данных в стандартный сигнал, который по своим параметрам пропорционален оказанному давлению.
  • Ионизационный метод. Работает по принципу регистрации поток ионизированных частиц, как ламповый диод. Лампа оборудуется двумя электродами, катодом, анодом, и нагревателем в некоторых случаях. Преимуществом является возможность регистрировать данные в средах с низким давлением, в том числе и вакуума, но при атмосферном давлении такое оборудование эксплуатировать нельзя.
  • Пьезоэлектрический метод. Задумка основывается на основе пьезоэлектрического эффекта, в котором пьезоэлемент создаёт электрический сигнал, пропорционально воздействию измеряемой среды на него. Используется для измерения постоянно изменяющихся акустических и импульсных сред. Обладает широким диапазоном динамического и частного измерения данных. Обладает небольшой массой, габаритами и высокой надёжностью при эксплуатации в тяжёлых условиях.

Виды датчиков

Классификация датчикаЁмкостный. Обладает самой простой конструкцией, которая включает в себя два плоских электрода с зазором между ними. Один из них выполнен в виде мембраны на которую, оказывается влияние измеряемой среды, в результате чего изменяется зазор между электродами. По сути, этот тип похож на конденсатор с изменяемым зазором. Такой датчик в силах зафиксировать даже маленькое изменение показаний.

Пьезоэлектрический. Основным конструктивным элементом является пьезоэлемент, материал который выводит сигнал при оказании на него измеряемых характеристик. Находится он в измеряемой среде, и выделяет ток в зависимости от величины изменения давления. Но по причине того, что этот элемент изменяет свои выводимые данные только при изменении среды, то при постоянных параметрах он никакие данные показывать не будет, и пригоден для работы только в среде где давление периодически изменяется.

Оптический.

Устройство работы таких датчиков может заключаться на основе двух принципов работы:

  • Волоконно-оптическом. Является наиболее точным и работа по измерению не зависит от изменения температурного режима. Основной частью для измерения приходится оптический волновод. О величине измерения давления у такого рода приборах делают заключение по изменению амплитуды и полярности проходящего света через чувствительную часть.
  • Отличия датчиковОптоэлектронном. Состоит из многослойной прозрачной структуры, чрез которую проходит свет. При этом один из этих слоёв может изменять показатель преломления и толщину слоя в зависимости от оказываемого давления.

На иллюстрации ниже схематично изображены оба метода работы. Рисунок, А — изменение преломления, рисунок Б — изменение слоя в толщине.

Принцып работы приборов

Ртутный.

Элементарный и технически простой датчик. Работает на основе двух сообщающихся сосудов, на один из который, оказывается давление, а на второй аналоговым способом выводятся данные, и определяется по параллельно совмещённой измерительной шкале.

Магнитный.

Виды датчиковРаботает на основе индуктивного метода. Чувствительная часть заключается в Е-образной планке, посередине которой расположена катушка, и чувствительная мембрана, по ней передаются измеряемые параметры. Располагается мембрана около пластины, на небольшом расстоянии от края. Катушка при включении, создаёт магнитный поток, который в свою очередь, следует через планку, зазор и мембрану. Проницаемость магнитного зазора в несколько сотен раз меньше проницаемости планки и мембраны, поэтому изменение индуктивности происходит даже при небольшом изменении величины зазора.

Пьезорезонансный.

Характеристики давленияРаботает на основе пьезоэффекта, но с одним отличием — в этом случае используется обратный эффект пьезоэлемента, основанный на изменение формы материала в зависимости от поступающего тока. В этом датчике применяется резонатор, на котором расположены два электрода по разные стороны, на них попеременно подаётся ток разной полярности, и вследствие этого пластина выгибается в различные стороны с учётом поступаемой частоты.

Отличие от манометра

Главным отличие такого рода датчиков, от манометра — то что это прибор, предназначающийся для измерения характеристик без его преобразования. В манометре от измеряемых характеристик зависит показание прибора, которые выводятся на его аналоговый прибор или дисплей.