Датчик давления

Эта статья требует дополнительных ссылок для проверки . Пожалуйста, помогите улучшить эту статью , добавив цитаты из надежных источников . Материал, не полученный от источника, может быть оспорен и удален Найти источники:  «Датчик давления»  -  новости  · газеты  · книги  · ученый  · JSTOR ( январь 2013 г. ) ( Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения )

Преобразователь давления

Цифровой датчик давления воздуха

Миниатюрный цифровой датчик атмосферного давления

Датчик давления представляет собой устройство для измерения давления в газах или жидкостях . Давление - это выражение силы, необходимой для предотвращения расширения жидкости, и обычно выражается в единицах силы на единицу площади. Датчик давления обычно действует как преобразователь ; он генерирует сигнал в зависимости от приложенного давления. Для целей данной статьи такой сигнал является электрическим.

Датчики давления используются для управления и контроля в тысячах повседневных приложений. Датчики давления также могут использоваться для косвенного измерения других переменных, таких как поток жидкости / газа, скорость, уровень воды и высота . Датчики давления могут быть альтернативны называют датчики давления , датчики давления , датчики давления , индикаторы давления , пьезометры и манометры , среди других имен.

Датчики давления могут сильно различаться по технологии, конструкции, характеристикам, применимости и стоимости. По самым скромным подсчетам, по всему миру существует более 50 технологий и не менее 300 компаний, производящих датчики давления.

Существует также категория датчиков давления, которые предназначены для измерения в динамическом режиме для регистрации очень быстрых изменений давления. Примером применения этого типа датчика может быть измерение давления сгорания в цилиндре двигателя или в газовой турбине. Эти датчики обычно изготавливаются из пьезоэлектрических материалов, таких как кварц.

Некоторые датчики давления представляют собой реле давления , которые включаются или выключаются при определенном давлении. Например, водяным насосом можно управлять с помощью реле давления, чтобы он запускался при выпуске воды из системы, снижая давление в резервуаре.

Типы измерений давления [ править ]

кремниевые пьезорезистивные датчики давления

Датчики давления можно классифицировать по диапазонам давления, которые они измеряют, диапазонам рабочих температур и, что наиболее важно, по типу измеряемого давления. Датчики давления имеют разные названия в зависимости от их назначения, но одна и та же технология может использоваться под разными названиями.

• Датчик абсолютного давления

Этот датчик измеряет давление относительно абсолютного вакуума . Датчики абсолютного давления используются в приложениях, где требуется постоянный эталон, например, в высокопроизводительных промышленных приложениях, таких как мониторинг вакуумных насосов , измерение давления жидкости, промышленная упаковка, управление производственными процессами и авиационная инспекция. ^[1]

• Датчик избыточного давления

Этот датчик измеряет давление относительно атмосферного . Манометр в шинах - это пример измерения манометрического давления; когда он показывает ноль, то измеряемое давление совпадает с давлением окружающей среды. Большинство датчиков для измерения давления до 50 бар изготавливаются таким образом, поскольку в противном случае колебания атмосферного давления (погодные условия) отражаются как ошибка в результате измерения.

• Датчик давления вакуума

Этот термин может вызвать недоумение. Его можно использовать для описания датчика, который измеряет давление ниже атмосферного, показывая разницу между этим низким давлением и атмосферным давлением, но его также можно использовать для описания датчика, который измеряет абсолютное давление относительно вакуума.

• Датчик перепада давления

Этот датчик измеряет разницу между двумя давлениями, по одному с каждой стороны датчика. Датчики перепада давления используются для измерения многих свойств, таких как падение давления на масляных фильтрах или воздушных фильтрах , уровни жидкости (путем сравнения давления над и под жидкостью) или скорости потока (путем измерения изменения давления через ограничение). С технической точки зрения, большинство датчиков давления на самом деле являются датчиками дифференциального давления; например, датчик избыточного давления - это просто датчик перепада давления, одна сторона которого открыта в окружающую атмосферу.

• Герметичный датчик давления

Этот датчик похож на датчик манометрического давления, за исключением того, что он измеряет давление относительно некоторого фиксированного давления, а не атмосферного давления окружающей среды (которое меняется в зависимости от местоположения и погоды).

Технология измерения давления [ править ]

Есть две основные категории аналоговых датчиков давления:

Типы коллектора силы Эти типы электронных датчиков давления обычно используют коллектор силы (такой как диафрагма, поршень, трубка Бурдона или сильфон) для измерения деформации (или отклонения) из-за приложенной силы по площади (давления).

• Пьезорезистивный датчик деформации

Использует пьезорезистивный эффект связанных или формованных тензодатчиков для определения деформации из-за приложенного давления, сопротивление возрастает по мере того, как давление деформирует материал. Распространенными типами технологий являются кремний (монокристаллический), тонкая пленка из поликремния, металлическая фольга со связующим, толстая пленка, кремний на сапфире и тонкая пленка с напылением. Обычно тензодатчики подключаются по схеме моста Уитстона, чтобы максимизировать выходной сигнал датчика и снизить чувствительность к ошибкам. Это наиболее часто используемая сенсорная технология для измерения давления общего назначения.

• Емкостный

Использует диафрагму и полость давления для создания переменного конденсатора для определения деформации из-за приложенного давления, емкость уменьшается, когда давление деформирует диафрагму. В обычных технологиях используются металлические, керамические и кремниевые диафрагмы.

• Электромагнитный

Измеряет смещение диафрагмы с помощью изменения индуктивности (сопротивления), LVDT , эффекта Холла или по принципу вихревых токов .

• Пьезоэлектрический

Использует пьезоэлектрический эффект в некоторых материалах, таких как кварц, для измерения деформации чувствительного механизма из-за давления. Эта технология обычно используется для измерения высокодинамичных давлений. Поскольку основной принцип - динамический, с помощью пьезоэлектрических датчиков невозможно измерить статическое давление.

• Тензометрический датчик

В датчиках давления на основе тензодатчиков также используется чувствительный к давлению элемент, на который наклеиваются металлические тензодатчики или тонкопленочные датчики путем напыления. Этот измерительный элемент может быть либо диафрагмой, либо для датчиков из металлической фольги также могут использоваться измерительные тела в виде тазов. Большими преимуществами этой монолитной конструкции баночного типа являются повышенная жесткость и возможность измерения самых высоких давлений до 15 000 бар. Электрическое соединение обычно выполняется через мост Уитстона, что позволяет обеспечить хорошее усиление сигнала и точные и постоянные результаты измерений. ^[2]

• Оптический

Методы включают использование физического изменения оптического волокна для обнаружения деформации из-за приложенного давления. Типичным примером этого типа является волоконная решетка Брэгга . Эта технология используется в сложных приложениях, где измерения могут проводиться очень удаленно, при высоких температурах или могут быть полезны технологии, изначально устойчивые к электромагнитным помехам. В другом аналогичном методе используется эластичная пленка, состоящая из слоев, которые могут изменять длину отраженных волн в зависимости от приложенного давления (деформации). ^[3]

• Потенциометрический

Использует движение стеклоочистителя по резистивному механизму для определения деформации, вызванной приложенным давлением.

• Балансировка сил

В трубках Бурдона из плавленого кварца со сбалансированной силой используется спиральная трубка Бурдона для приложения силы к поворотному якорю, содержащему зеркало, отражение луча света от зеркала определяет угловое смещение, и ток подается на электромагниты на якоре для уравновешивания силы. от трубки и довести угловое смещение до нуля, ток, который подается на катушки, используется в качестве измерения. Благодаря чрезвычайно стабильным и воспроизводимым механическим и термическим свойствам плавленого кварца и балансировке сил, которая устраняет большинство нелинейных эффектов, эти датчики могут иметь точность примерно до 1 PPM полной шкалы. ^[4]Из-за чрезвычайно тонких структур из плавленого кварца, которые изготавливаются вручную и требуют экспертных навыков для создания, эти датчики обычно ограничиваются научными и калибровочными целями. Датчики, не уравновешивающие силы, имеют более низкую точность, и считывание углового смещения не может быть выполнено с той же точностью, что и измерение уравновешивания сил, хотя их легче сконструировать из-за большего размера, они больше не используются.

Другие типы

Эти типы электронных датчиков давления используют другие свойства (например, плотность) для определения давления газа или жидкости.

• Резонансный

Использует изменения резонансной частоты в чувствительном механизме для измерения напряжения или изменений плотности газа, вызванных приложенным давлением. Эта технология может использоваться в сочетании с коллектором силы, например, из вышеприведенной категории. В качестве альтернативы можно использовать резонансную технологию, подвергая сам резонирующий элемент воздействию среды, при этом резонансная частота зависит от плотности среды. Датчики изготовлены из вибрирующей проволоки, вибрирующих цилиндров, кварца и кремниевых МЭМС. Обычно считается, что эта технология обеспечивает очень стабильные показания с течением времени.

Датчик давления, тензометрический датчик с резонансным кристаллом кварца с коллектором силы с трубкой Бурдона является критически важным датчиком DART . ^[5] DART обнаруживает волны цунами со дна открытого океана. Он имеет разрешение по давлению примерно 1 мм водяного столба при измерении давления на глубине в несколько километров. ^[6]

• Тепловой

Использует изменения теплопроводности газа из-за изменений плотности для измерения давления. Типичным примером этого типа является калибр Пирани .

• Ионизация

Измеряет поток заряженных частиц газа (ионов), который изменяется из-за изменений плотности, для измерения давления. Распространенными примерами являются датчики с горячим и холодным катодом.

Приложения [ править ]

Датчики давления находят множество применений:

• Измерение давления

Здесь интересующим измерением является давление , выраженное как сила на единицу площади. Это полезно в метеорологических приборах, самолетах, автомобилях и любом другом оборудовании, в котором реализована функция измерения давления.

• Измерение высоты

Это полезно в самолетах, ракетах, спутниках, метеозондах и многих других приложениях. Все эти приложения используют взаимосвязь между изменениями давления по отношению к высоте. Это соотношение регулируется следующим уравнением: ^[7]

${\ displaystyle h = (1- (P / P _ {\ mathrm {ref}}) ^ {0.190284}) \ times 145366.45 \ mathrm {ft}}$

Это уравнение откалибровано для высотомера до 36 090 футов (11 000 м). За пределами этого диапазона будет внесена ошибка, которая может быть рассчитана по-разному для каждого датчика давления. Эти расчеты ошибок будут учитывать ошибку, вызванную изменением температуры при повышении температуры.

Датчики атмосферного давления могут иметь разрешение по высоте менее 1 метра, что значительно лучше, чем у систем GPS (разрешение по высоте около 20 метров). В навигационных приложениях высотомеры используются, чтобы различать уровни дорог для автомобильной навигации и уровни этажей в зданиях для пешеходной навигации.

• Измерение потока

Это использование датчиков давления в сочетании с эффектом Вентури для измерения расхода. Дифференциальное давление измеряется между двумя сегментами трубки Вентури с разным отверстием. Разница давлений между двумя сегментами прямо пропорциональна расходу через трубку Вентури. Датчик низкого давления требуется почти всегда, так как перепад давления относительно невелик.

• Измерение уровня / глубины

Датчик давления также может использоваться для расчета уровня жидкости. Этот метод обычно используется для измерения глубины затопленного тела (например, как водолаз или подводная лодка), или уровень содержания в резервуаре (например, в водонапорной башне). Для большинства практических целей уровень жидкости прямо пропорционален давлению. В случае пресной воды, содержимое которой находится под атмосферным давлением, 1 фунт / кв. Дюйм = 27,7 дюйма вод. Ст. / 1 ​​Па = 9,81 мм вод. Ст. Основное уравнение для такого измерения:

${\ Displaystyle P = \ rho gh}$

где P = давление, ρ = плотность жидкости, g = стандартная сила тяжести, h = высота столба жидкости над датчиком давления.

• Проверка на утечку

Датчик давления может использоваться для определения падения давления из-за утечки в системе. Обычно это делается либо путем сравнения с известной утечкой с использованием перепада давления, либо путем использования датчика давления для измерения изменения давления во времени.

Ратиометрическая коррекция выходного сигнала преобразователя [ править ]

Пьезорезистивные преобразователи, сконфигурированные как мосты Уитстона, часто демонстрируют логометрические характеристики не только в отношении измеренного давления, но и напряжения питания преобразователя.

${\ displaystyle V _ {\ mathrm {out}} = {P \ times K \ times Vs _ {\ mathrm {actual}} \ over Vs _ {\ mathrm {ideal}}}}$

куда:

${\ displaystyle V _ {\ mathrm {out}}}$ - выходное напряжение преобразователя.

${\ displaystyle P}$ фактическое измеренное давление.

${\ displaystyle K}$ - номинальный масштабный коэффициент преобразователя (при идеальном напряжении питания преобразователя) в единицах напряжения на давление.

${\ Displaystyle против _ {\ mathrm {актуально}}}$ фактическое напряжение питания преобразователя.

${\ Displaystyle против _ {\ mathrm {идеальный}}}$ идеальное напряжение питания преобразователя.

Корректировка измерений датчиков, демонстрирующих такое поведение, требует измерения фактического напряжения питания преобразователя, а также выходного напряжения и применения обратного преобразования этого поведения к выходному сигналу:

${\ displaystyle P = {V _ {\ mathrm {out}} \ times Vs _ {\ mathrm {ideal}} \ over K \ times Vs _ {\ mathrm {actual}}}}$

Примечание. Синфазные сигналы, часто присутствующие в преобразователях, сконфигурированных как мосты Уитстона, не рассматриваются в этом анализе.

См. Также [ править ]

• Высотомер
• Атмосферное давление
• Барометр
• Датчик давления тормозной жидкости
• Динамическое давление
• Список приложений MOSFET
• Список датчиков
• Датчик MAP
• МОП-транзистор
• Давление

Ссылки [ править ]

Викискладе есть медиафайлы по теме датчиков давления .