Датчики давления: устройство, виды и принцип работы

Датчик давления воспринимает давление газа или жидкости и преобразует его в величину, которую можно использовать для измерения, контроля или автоматического управления. В промышленных электронных датчиках результатом такого преобразования обычно становится электрический сигнал, который передается измерительному прибору, регулятору, ПЛК или другой системе автоматизации.

Принцип работы зависит от конструкции датчика. Давление может вызывать деформацию чувствительного элемента, изменение электрического сопротивления, емкости или другой физической величины. Поэтому датчики различаются не только диапазоном и исполнением, но и способом, которым давление преобразуется в измерительный сигнал.

Что такое датчик давления

Датчик давления – это устройство для измерения давления жидкой или газообразной среды и получения информации о его значении в форме, пригодной для дальнейшего использования.

В промышленной автоматизации измерение давления необходимо не только для отображения параметра оператору. Полученное значение может использоваться регулятором или контроллером для контроля процесса и формирования управляющих воздействий, например на насосы, компрессоры или клапаны.

Термины «датчик давления» и «преобразователь давления» на практике могут использоваться по-разному. Датчик давления – широкое употребительное название устройства, воспринимающего измеряемое давление. Преобразователем давления обычно называют устройство, которое преобразует давление в предусмотренный выходной сигнал, пригодный для передачи принимающему оборудованию. Конкретная терминология зависит в том числе от производителя и нормативно-технической документации.

Конструкция, диапазон измерения, тип выходного сигнала и другие характеристики определяются конкретным исполнением. Наличие дисплея, например, не является обязательным признаком датчика давления.

Устройство датчика давления

Конструкция промышленных датчиков давления различается, однако устройство электронного преобразователя удобно рассматривать как последовательность функциональных элементов:

измеряемая среда → присоединение к процессу → чувствительный элемент → преобразование физического изменения → обработка сигнала → выход.

В электронном преобразователе давления могут использоваться:

• присоединение к технологическому процессу;
• чувствительный элемент;
• преобразующий элемент;
• электронная схема обработки и компенсации, если она предусмотрена конструкцией;
• цепь или интерфейс формирования выходного сигнала;
• корпус;
• электрическое подключение.

Не все перечисленные части обязательно выполнены в виде отдельных конструктивных узлов. Устройство зависит от физического принципа измерения и конкретного исполнения.

Чувствительный элемент

Чувствительный элемент непосредственно или через промежуточные конструктивные элементы воспринимает воздействие измеряемого давления.

Во многих промышленных датчиках используется мембрана. Разность давлений на ее сторонах вызывает деформацию, которая связана с измеряемой величиной. Однако мембранная конструкция не является единственно возможной для всех датчиков давления.

Саму деформацию или другое физическое изменение необходимо преобразовать в величину, которую можно зарегистрировать. Для этого применяются тензорезистивные, пьезорезистивные, емкостные и другие способы преобразования.

Электронная часть

Первичный сигнал чувствительного или преобразующего элемента не всегда пригоден для непосредственной передачи в систему автоматизации. Электронная схема, если она предусмотрена конструкцией, может усиливать и обрабатывать сигнал, выполнять необходимые преобразования и компенсацию, а затем формировать выход.

В результате принимающее оборудование получает сигнал, связанный с измеренным давлением в соответствии с характеристикой преобразователя. Конкретный способ обработки зависит от типа и исполнения устройства.

Основные функциональные элементы промышленного датчика давления – от чувствительного элемента до формирования выходного сигнала.

Принцип работы датчика давления

В общем виде датчик давления работает следующим образом: давление воздействует на чувствительный элемент → его физическое состояние изменяется → преобразующий элемент регистрирует это изменение → формируется первичный электрический сигнал → при наличии электронной обработки формируется выходной сигнал.

Например, давление может вызвать деформацию мембраны, а установленная измерительная структура преобразует эту деформацию в изменение сопротивления или емкости. Электроника обрабатывает полученную величину и, если это предусмотрено конструкцией, формирует стандартный выход для системы автоматизации.

Таким образом, давление не преобразуется непосредственно, например, в ток 4–20 мА. Между воздействием среды и выходом электронного преобразователя происходят последовательные физические и электрические преобразования.

Воздействие давления на чувствительный элемент

Измеряемая среда воздействует на чувствительную часть датчика. В распространенных мембранных конструкциях давление или разность давлений вызывает механическую деформацию мембраны.

Характер воздействия определяется не только величиной давления, но и тем, какое давление измеряет датчик – абсолютное, избыточное или дифференциальное. Задача чувствительного узла при этом остается общей: получить физическое изменение, связанное с измеряемой величиной.

Далее это изменение необходимо зарегистрировать и преобразовать в форму, пригодную для дальнейшего измерения и обработки.

Преобразование деформации в электрический сигнал

Способ преобразования зависит от физического принципа датчика.

Например, при тензорезистивном или пьезорезистивном измерении механическое воздействие приводит к изменению электрического сопротивления чувствительных элементов. В емкостном датчике перемещение или деформация чувствительной структуры приводит к изменению ее электрической емкости.

На этом этапе возникает первичная электрическая величина, связанная с давлением. Она еще не обязательно является тем выходным сигналом, который получает контроллер или измерительный прибор.

Формирование выходного сигнала

В электронном преобразователе первичный сигнал обрабатывается и преобразуется в предусмотренный для конкретного устройства выход.

Это может быть:

• токовый сигнал;
• сигнал напряжения;
• цифровая передача данных – если она предусмотрена конкретным устройством.

Например, для преобразователя с выходом 4–20 мА электронная часть формирует токовый сигнал, соответствующий измеренному значению в установленном для данного исполнения диапазоне преобразования.

Поэтому физический принцип измерения и тип выходного сигнала – разные характеристики датчика. Пьезорезистивный или емкостный принцип описывает способ получения первичной информации о давлении, а 4–20 мА или сигнал напряжения – способ передачи результата принимающему оборудованию.

Датчик преобразует воздействие давления на чувствительный элемент в сигнал, пригодный для измерения и автоматизации.

Виды датчиков давления по измеряемому давлению

Один из способов классификации – определить, относительно какого опорного давления выполняется измерение. По этому признаку различают датчики избыточного, абсолютного и дифференциального давления.

Эта классификация не описывает физический принцип преобразования. Например, датчики абсолютного и избыточного давления могут использовать одинаковый или близкий способ преобразования деформации в электрический сигнал, но различаться организацией опорного давления.

Датчики избыточного давления

Избыточное давление определяют относительно атмосферного давления. Если давление измеряемой среды равно атмосферному, избыточное давление равно нулю.

Такие измерения широко применяются в системах водоснабжения, насосных установках, гидравлических и пневматических системах, компрессорном оборудовании и технологических процессах.

Для измерения относительно атмосферы конструкция должна обеспечивать соответствующее опорное давление. Способ его реализации зависит от устройства конкретного датчика.

Датчики абсолютного давления

Абсолютное давление отсчитывают относительно абсолютного вакуума. В датчике абсолютного давления опорной стороной измерительной системы служит герметизированная область с давлением, близким к вакууму, либо используется другая конструкция, реализующая абсолютный отсчет.

Поэтому показание абсолютного давления включает атмосферное давление как часть полного давления среды и не равно избыточному давлению.

Такие датчики применяют в задачах, где требуется значение относительно абсолютного нуля давления, а отсчет относительно атмосферы не соответствует условиям технологического процесса.

Датчики дифференциального давления

Датчик дифференциального давления определяет разность между давлениями в двух точках:

ΔP = P1 − P2.

К двум сторонам измерительной системы подводятся разные давления, а результат характеризует их перепад. Это позволяет, например, контролировать состояние фильтра по изменению перепада давления до и после него.

Дифференциальное измерение также применяется в вентиляционных системах и технологических установках, где важна не величина каждого давления сама по себе, а разность между двумя точками процесса.

Датчики различаются по опорному давлению, относительно которого определяется измеряемая величина.

Виды датчиков давления по принципу работы

Другая классификация основана на физическом способе преобразования давления в измерительный сигнал. Она не заменяет классификацию по виду давления: один и тот же вид давления может измеряться датчиками с разными чувствительными элементами и способами преобразования.

Тензорезистивные и пьезорезистивные датчики

В тензорезистивном датчике давление вызывает деформацию чувствительного элемента. Связанные с ним тензорезисторы изменяют электрическое сопротивление при механической деформации. Это изменение регистрируется измерительной схемой и используется для определения давления.

В пьезорезистивных датчиках используется пьезорезистивный эффект в полупроводниковом материале: механические напряжения изменяют его удельное электрическое сопротивление. Пьезорезистивные элементы могут быть интегрированы непосредственно в полупроводниковую чувствительную структуру.

Для обоих принципов общую функциональную цепочку можно представить так:

давление → механическое воздействие → изменение сопротивления → первичный электрический сигнал.

При этом тензорезистивный и пьезорезистивный принципы не являются полными синонимами: отличаются физическая реализация чувствительных элементов, используемые материалы и конструктивное исполнение.

Емкостные датчики

В емкостном датчике давление вызывает перемещение или деформацию чувствительного элемента, вследствие чего изменяется емкость измерительной структуры.

Общая последовательность:

давление → перемещение или деформация → изменение емкости → первичный электрический сигнал.

Изменение емкости регистрируется электронной схемой и далее может преобразовываться в выходной сигнал, предусмотренный конструкцией датчика.

Пьезоэлектрические датчики

В пьезоэлектрических датчиках механическое воздействие на пьезоэлектрический материал вызывает появление электрического заряда. По этому электрическому отклику измерительная система получает информацию о воздействии давления.

Особенность принципа – его пригодность прежде всего для измерения динамических и быстроменяющихся процессов. Для продолжительного измерения постоянного статического давления пьезоэлектрический принцип в общем случае не является универсальной заменой датчикам, рассчитанным на статические измерения.

Другие принципы измерения

В промышленной измерительной технике применяются и другие способы преобразования давления, в том числе резонансные и индуктивные. В них состояние чувствительного элемента определяется соответственно по изменению резонансных характеристик или параметров электромагнитной измерительной системы.

Для понимания принципа работы датчика давления полный перечень технологий не требуется. Общая закономерность сохраняется: давление вызывает физическое изменение чувствительного элемента, это изменение регистрируется преобразующей системой, после чего результат передается в форме, пригодной для измерения или автоматизации.

Разные типы датчиков используют различные физические способы преобразования давления в измерительный сигнал.

Чем отличаются датчики давления

Датчики давления могут одновременно различаться по нескольким независимым признакам. Поэтому сравнивать устройства только по диапазону или только по принципу работы недостаточно.

Основные различия:

• вид измеряемого давления;
• физический принцип преобразования;
• диапазон измерения;
• точностные характеристики;
• тип выходного сигнала;
• присоединение к процессу;
• материалы контактирующих со средой частей;
• допустимые условия эксплуатации;
• конструктивное исполнение.

Ни один из этих признаков нельзя рассматривать отдельно от задачи измерения. Например, одинаковый выход 4–20 мА не означает, что два датчика одинаковы по виду измеряемого давления, диапазону, точности или совместимости со средой.

Какие выходные сигналы используют датчики давления

После преобразования и обработки измерительной информации электронный датчик или преобразователь передает результат принимающему оборудованию.

В промышленной автоматизации могут применяться:

• токовый выход, в том числе 4–20 мА;
• выходной сигнал напряжения;
• цифровая передача данных – в устройствах, где она предусмотрена.

Выход должен соответствовать измерительному входу регулятора, ПЛК, индикатора или другого принимающего оборудования. При этом совместимость определяется не только типом сигнала: необходимо учитывать электрические характеристики конкретного выхода и входа согласно документации оборудования.

Тип выхода не определяет физический принцип чувствительного элемента. Датчики с разными принципами измерения могут формировать одинаковый стандартный выходной сигнал.

Подробные схемы питания и электрического соединения относятся к отдельной теме «Подключение датчика давления: схема подключения и питание».

Где применяются датчики давления

Датчики давления применяют там, где значение давления необходимо измерять, передавать системе автоматизации или использовать для контроля и управления технологическим процессом.

Типичные области:

• системы водоснабжения;
• насосные установки;
• системы отопления;
• вентиляция;
• компрессорное оборудование;
• технологические установки;
• гидравлические системы;
• пневматические системы;
• автоматизация производственных процессов.

Например, в насосной системе значение давления может поступать в контроллер или регулятор и использоваться алгоритмом управления оборудованием. В вентиляции дифференциальный датчик позволяет контролировать перепад давления, а в технологической установке измерение давления может быть одним из параметров, по которым оценивается состояние процесса.

Измеренное давление преобразуется в выходной сигнал и передается принимающему оборудованию системы автоматизации.

Основные характеристики датчика давления

Характеристики определяют, подходит ли конкретный датчик для требуемого измерения и условий эксплуатации.

К основным параметрам относятся:

• вид измеряемого давления;
• диапазон измерения;
• допустимая перегрузка;
• погрешность и другие нормируемые точностные характеристики;
• выходной сигнал;
• требования к питанию;
• допустимая температура измеряемой среды и окружающей среды – в соответствии с документацией конкретного изделия;
• совместимость контактирующих материалов с измеряемой средой;
• присоединение к процессу;
• электрическое подключение;
• степень защиты;
• специальное исполнение, если оно требуется условиями применения.

Значения этих характеристик зависят от конкретной модели и исполнения. Нельзя переносить диапазон, точность, питание, температурные пределы или степень защиты одного преобразователя на всю категорию датчиков давления.

Датчик давления, преобразователь и реле давления – в чем разница

Датчик давления, преобразователь давления и реле давления – связанные понятия, но их нельзя считать полными синонимами.

Датчик давления – широкое название устройства, воспринимающего давление и позволяющего получить информацию об измеряемой величине.

Преобразователь давления преобразует измеряемое давление в предусмотренный выходной сигнал, пригодный для передачи и дальнейшей обработки.

Реле давления предназначено прежде всего для формирования дискретного выходного действия при достижении заданного условия или уставки. В механическом реле это может быть переключение электрических контактов, а в электронных устройствах реализация выхода зависит от конструкции.

Поэтому преобразователь применяют, когда системе требуется информация о текущем значении давления, а реле – когда требуется переключение по заданному условию. При этом современные устройства могут совмещать измерительные, индикационные и коммутационные функции, поэтому назначение конкретного изделия следует определять по документации производителя.

Что учитывать при выборе датчика давления

Подбор начинается не с конкретной модели, а с условий измерения. Последовательность можно представить так:

что измеряем → какой вид давления → диапазон → свойства среды → требования к точности → выходной сигнал → питание → присоединение к процессу → условия эксплуатации.

В первую очередь нужно определить, требуется измерять абсолютное, избыточное или дифференциальное давление, и установить рабочий диапазон с учетом требований конкретной системы.

Затем проверяют совместимость контактирующих материалов со средой, требования к точности и соответствие выходного сигнала принимающему оборудованию. После этого учитывают питание, процессное и электрическое присоединение, допустимые температуры, степень защиты и другие условия эксплуатации.

Конкретные значения параметров необходимо брать из документации выбранного датчика или преобразователя. Этот раздел задает общую последовательность подбора, а не заменяет проверку характеристик конкретного изделия.

Часто задаваемые вопросы