Датчик высокого давления принцип работы

Датчики давления. Типы, характеристики, особенности, подбор.

Введение

Давление необходимо учитывать при проектировании многих химических процессов. Давление определяется как сила действующая на единицу площади и измеряется в английских единицах — пси или в СИ единицах — Па.
Существуют три типа измеряемого давления:

1. Абсолютное давление — атмосферное давление плюс избыточное давление;
2. Избыточное давление — абсолютное давление минус атмосферное давление;
3. Дифференциальное давление — разность давлений между двумя точками.

Существуют различные типы датчиков давления, которые сегодня доступны на рынке для использования в промышленности. Каждый из них имеет преимущества в определенных ситуациях.

Критерии отбора датчика

Для того чтобы контролируемая давлением система работала правильно и эффективно, важно, чтобы используемый датчик давления мог давать точные показания по мере необходимости и в течение длительного периода времени без необходимости ремонта или замены в условиях работы системы. Существует несколько факторов, влияющих на пригодность конкретного датчика давления для конкретного процесса. Основные это:

• характеристики используемых веществ в среде которых будет использоваться устройство;
• условия окружающей среды;
• диапазон давлений;
• уровень точности и чувствительности, требуемые в процессе измерения.

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

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.

Диапазон давлений

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.

Чувствительность

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.

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. (См. раздел «Типы датчиков»)

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»)

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 ситуации.

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.

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).

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, H 2 (газ) + ZnCl 2 (жидк), вы производите один моль газообразного водорода в дополнение к существующему давлению воздуха в емкости. По мере протекания реакции, давление внутри сосуда будет существенно увеличиваться. Моделирование давления H 2 (газ) в идеальных условиях равно, Р = НЗТ / V

Примерно через 1 час, давление H 2 (газ) увеличится до 4,38 атм, создав общее давление в сосуде на 5,38 атм.

Окружающая среда

1. Здесь нет опасности от высоких температур и сильной вибрации из-за высокого расхода и скорости реакции.

Чувствительность

1. Так как это умеренно опасный процесс, мы должны иметь выход датчика подключаемый к компьютеру. Так, инженер может безопасно наблюдать за процессом. Мы предполагаем, что датчик будет сигнализировать клапан HCl, чтобы закрыть его после того, как рабочее давление станет равным 3 атм., однако устройства иногда дают ошибку. Мы также должны иметь высокую чувствительность, поэтому предпочтительными будут электрические компоненты (т.е. мы не хотим, чтобы процесс отклонялся от нормального режима, хотя это потенциально возможно, если бы датчик был не очень чувствителен к постепенным изменениям).

Точка отключения

Принимая во внимание быстрое увеличение давления, как оценено в пункте (2), и отказ клапана при 4 атм., точка выключения должно быть примерно равна 3 атм.

Тип датчика:

1. Учитывая типы датчиков, которые мы обсуждали, мы можем сразу отбросить вакуумные датчики, так как они работают при очень низких давлениях (почти вакууме, отсюда и название). Мы можем также отбросить дифференциальные датчики давления, поскольку мы не ищем перепада давления на резервуаре.
2. Поскольку мы хотим добиться высокой чувствительности, мы должны использовать электрические компоненты. Учитывая диапазон давлений (3 атм.; макс

0,3 МПа) оптимальным будет емкостной элемент, потому что он прочный и хорошо работает в системе низкого давления.

Принимая во внимание коррозионную активность в системе с содержанием HCl , в качестве упругого элемента может быть использована мембрана. Мембраны также довольно прочны и обеспечивают быстрое время отклика.

Эта комбинация, вероятно, будет заключена в прочном, заполненном, глицерином / силиконом корпусе, чтобы защитить датчик от деградации.

Так, в итоге, мы выбираем датчик, который будет использовать диафрагму в качестве упругого элемента, емкостной элемент качестве электрического компонента и антикоррозийный корпус.

Пример 2

Ваш руководитель сказал вам добавить датчик давления в очень дорогой и важной части оборудования. Вы знаете, что часть оборудования работает на 1 МПа и при очень высокой температуре. Какой датчик вы бы выбрали?

Решение

Поскольку часть оборудования, которое вы имеете дело очень дорогое, вам нужен датчик, который имеет высокую чувствительность. Электрический датчик был бы подходящим, потому что вы могли бы подключить его к компьютеру для быстрого и простого считывания показаний. Кроме того, вы должны выбрать датчик, который будет работать на 1 МПа и сможет выдерживать высокие температуры. Из информации представленной в этой статье вы знаете, что есть много датчиков, которые будут работать при давлении 1 МПа, так что вы должны решить, относительно других влияющих факторов. Одним из наиболее чувствительных электрических датчиков является датчик емкостного типа. Он имеет чувствительность 0.07 МПа. Емкостный датчик обычно имеет диафрагму в качестве упругого элемента. Мембраны имеют быстрое время отклика, очень точны и работают на 1 МПа.

Источник

Принцип работы датчиков давления, расхода и уровня

Иногда многим людям может потребоваться измерить давление. Для этого необходимо использовать датчики давления. Их принцип работы основан на преобразовании давления в механическое перемещение.

Кроме, механических систем, для измерения давления также могут использоваться механические и тепловые системы.

Датчики давления

Механические датчики давления состоят из:

1. Жидкостных датчиков давления.
2. Поршневых систем.
3. Пружинных систем.

Теперь пришло время рассмотреть датчики движения, которые встречаются наиболее часто. Наиболее часто на сегодняшний день используют пружинные датчики давления. Их действие будет основано на том, что возникновении упругой деформации пружины, которая считается пружинным элементом прибора. При изменении давления будет возникать деформация внутри и снаружи. Изменение формы определенного элемента будет передаваться на подвижную часть прибора со стрелкой. При снятии давления элемент примет прежнюю форму.

В технических манометрах чаще всего применяются упругие пружины:

Раскручивание пружины будет происходить из-за того, что при увеличении внутреннего давления эллиптическое сечение будет стремиться принять круглую форму. В результате этого могут возникать напряжения, которые будут раскручивать пружину. Свободный конец будет перемещаться прямопропорционально давлению внутри ее. Таким образом, можно сказать о том, что измеряемое давление будет преобразовываться в механическое перемещение свободного конца пружины. Величина такого перемещения чаще всего будет составлять 5-7 мм.

Многовитковая трубчатая пружина будет иметь 6-9 витков. Перемещение свободного конца пружины значительно больше, чем у одновитковой пружины. Обычно датчики в виде одновитковой пружины могут применяться в показывающих приборах. В большинстве случаев это будет связано с тем, что в самопишущих приборах датчик должен иметь большое усилие, которого хватит для преодоления трения. В нашем разделе также есть статья о том, как работает тензодатчик.

Плоская гофрированная мембрана будет использоваться отдельно. При необходимости также можно применять плоскую прорезиненную ткань, которая будет плотно соединена с плоской калиброванной пружиной. Гармоникообразная мембрана отличается от других, так как имеет наибольшую чувствительность.

Сильфонные приборы предназначаются для измерения и записи избыточного давления в схемах автоматизации. Кроме этого, подобные устройства также можно использовать в качестве вторичных приборов к устройствам, которые имеют приспособление для пневматической передачи показаний на расстояние. Пружинные датчики давления в схемах позволяют преобразовывать механическое перемещение в электрический сигнал с помощью индуктивного или контактного датчика.

На рисунке выше представлена схема датчика давления типа МЭД. Здесь сначала давление будет восприниматься трубчатой манометрической пружиной. В дальнейшем оно будет преобразовываться в перемещение конца манометрической трубки. Это перемещение также может передаваться плунжеру трансформаторного датчика. Вторичным приборов в этой конструкции считается устройство типа ЭПИД.

Специалисты сообщают, что датчики расхода на сегодняшний день могут быть:

1. Механические.
2. Термические.
3. Ионизационные.
4. Индукционные.
5. Акустические.

Важно знать! Механические датчики расхода разделяются на датчики переменного и постоянного перепада. Также могут быть датчики со сливным отверстием.

Датчики расхода будут действовать по принципу возникновения перепада давления в сужающем устройстве. Перепад давления в этом случае является функцией расхода. Сужающее устройство считается воспринимающим органом датчика расхода. Датчики расхода постоянного перепада (ротаметры) используются для регулирования сечения с целью поддерживания постоянным перепада давления. Если будет интересно, тогда можете прочесть про принцип работы термопары.

На рисунке, который расположен выше вам предоставлена схема ротаметра с индуктивным датчиком. Ротаметр состоит из:

Во время движения жидкости или газа в кольцевом зазоре между поплавком и трубками будет создаваться перепад давления, который в дальнейшем будет создавать силу, действующую навстречу силе веса поплавка, который здесь расположен. Ротаметры на сегодняшний день могут выполняться, как показывающие приборы и как датчики. Обмотка индуктивного датчика располагается на трубке сопла. Железный поплавок в свою очередь будет являться сердечником катушки индуктивного датчика. При изменении расхода поплавок может перемещаться и соответственно изменять индуктивность катушки.

Датчики уровня

В последнее время наиболее распространенными устройствами считаются поплавковые датчики. Поплавковый датчик будет состоять из: поплавка, промежуточного и выходного органа. Поплавок – это орган, который позволяет воспринимать уровень жидкости. Преобразующий орган позволяет механическое воздействие выходному органу.

Датчики уровня могут быть основаны на измерении веса и гидростатического давления, а также на использовании электрических свойств жидкости.

Отечественная промышленность старается выпускать датчики давления разнообразного типа. Теперь вы точно знаете, принцип работы датчиков давления, расхода и уровня. Надеемся, что эта информация была полезной и интересной.

Источник