Главная » Разное » Датчик дифференциального давления
Датчик дифференциального давления
Датчики дифференциального (перепада) давления. Описание и принцип работы
Датчики дифференциального (перепада) давления применяются для преобразования перепада давления (разности давлений) в унифицированный выходной сигнал напряжения, тока или индуктивности. Наиболее популярными являются датчики с унифицированным токовым выходом (0-5 мА, 0-20 мА, 4-20 мА).
ИД-Р-ЦС-Ex датчик разности давлений
Чувствительными элементами приборов являются мембраны и тензорезисторы. Сопротивление измеряется следующим образом. К измерительной мембране крепятся тензодатчики, она изолирована от рабочей среды. Давление среды принимают на себя мембранные разделители. Пространство между измерительной и разделительными мембранами заполнено специальной жидкостью. Под воздействием давления происходит деформирование мембран разделителей, которые в свою очередь деформируют измерительную мембрану, а за ней тензорезисторы. Тензорезисторы преобразуют степень деформации в тот или иной выходной сигнал. На дифференциальный датчик давление действует с двух сторон, поэтому корпус прибора имеет два соединительных штуцера: плюсовой и минусовой. Как правило, штуцеры располагаются параллельно, но бывают модели с соосным расположением штуцеров. Датчик показывает разницу давления со знаком соответствующим штуцеру.
МИДА-ДД-15-Ех датчик разности давлений с соосным расположением штуцеров
Датчики дифференциального давления рассчитаны на измерение относительно небольших значений давления среды. Эти значения варьируются от нескольких миллиметров водяного столба до нескольких сотен килопаскаль (1 мм. вод. ст. = 0.009807 кПа). Датчики перепада соединяются с первичными преобразователями посредством импульсных трубок.
Импульсная трубка
Импульсные трубки используются для подключения различных приборов измерения давления, являются самым экономичным вариантом. Предназначение трубок – защита датчиков от чрезмерного нагрева и пульсации измеряемой среды. При монтаже импульсных трубок необходимо учесть, что импульсная линия должна быть максимально короткой, так как с ее увеличением возрастает задержка распространения импульса давления, что довольно критично для контуров регулирования интенсивно протекающих процессов.
Датчики перепада давления применяются в системах теплоснабжения, водоснабжения, вентиляции, машиностроения и иных системах требующих постоянной балансировки за счет обеспечения и поддержания перепада.
www.orleks.ru
Датчики давления и датчики дифференциального давления новой серии DPharp EJX
Использование новейших технологий обеспечило для этих интеллектуальных датчиков дифференциального давления достижение минимального времени отклика и компактность конструкции.Удобный для пользователя многофункциональный ЖК-дисплей, расширенная функция самодиагностики и удобство эксплуатации обеспечивают пользователю максимальную эффективность работы. Приборы серии DPharp EJX представлены широким разнообразием моделей, включая датчики избыточного давления и датчики дифференциального давления с выносными разделительными мембранами, датчики избыточного давления ввертного типа и многопараметрические датчики дифференциального и абсолютного давления с функциями вычисления расхода. Кроме того, они соответствуют различным стандартам, включая стандарты пожаробезопасного, взрывобезопасного и искробезопасного исполнения, нормы техники безопасности SIL и директивы EC. Приборы этой серии также совместимы с протоколами связи HART и Foundation fieldbus.
Благодаря гибкости и универсальности модельного ряда и расширенной функциональности, приборы серии EJX располагают широкими возможностями, отвечающими требованиям разностороннего применения, внося в результате существенный вклад в минимизацию для заказчика величины полной стоимости владения (TCO).
Рис. 1. Внешний вид прибора серии EJA (слева) и серии EJX (справа)
Введение
После выпуска в 1991 году приборов серии DPharp EJ, а в 1994 году приборов серии DPharp EJA во всем мире используется около 1,2 миллиона этих датчиков.
Недавно компанией YOKOGAWA на базе кремниевого резонансного чувствительного элемента (сенсора) были разработаны также датчики серии EJX, являющиеся еще более компактными, легкими и усовершенствованными приборами, реализующими функцию мультисенсорности.
На рис. 1 показан внешний вид приборов серий EJA и EJX.
Возможности
Мультисенсорность
Датчики дифференциального давления измеряют перепад давления между сторонами высокого и низкого давления. Однако, при измерении расхода часто необходимо также измерять давление на стороне высокого давления (в дальнейшем изложении называется статическим давлением), например, для того, чтобы выполнить коррекцию по плотности потока жидкости. Датчики дифференциального давления серии EJX могут выполнять считывание значений статического давления, обеспечивая решение двух задач (измерение дифференциального и статического давления) с использованием одного прибора. Прибор также можно легко сконфигурировать так, чтобы в качестве статического давления он регистрировал давление на стороне низкого давления. В результате при измерении уровня в резервуаре можно также с помощью того же датчика измерять внутреннее давление в резервуаре. Кремниевый резонансный сенсор, встроенный в прибор серии DPharp, имеет два резонатора (формируемых с использованием технологии MEMS), расположенных на кремниевой мембране так, что в одном из них при приложении дифференциального давления происходит деформация растяжения, а в другом — деформация сжатия. Резонансные частоты этих резонаторов можно представить следующим уравнением.
где
f – резонансная частота; E – модуль Юнга; ρ – плотность кремния; l, h – длина и толщина резонатора; ε – напряжение (плотность силы) растяжения; ε0 – начальное напряжение растяжения; εdp – изменение напряжения растяжения, обусловленное дифференциальным давлением; εsp – изменение напряжения растяжения, обусловленное статическим давлением.
Сигналы дифференциального и статического давления можно вычислить, выполняя дифференцирование и суммирование для двух резонаторов соответственно. Для простоты объяснения вычисление резонансной частоты здесь сведено к следующему уравнению:
где f0 – резонансная частота при нулевой силе растяжения; Gf – возведенная в квадрат чувствительность резонатора (= 0,2366 * (1/h)2).
Изменения (Δf 2) резонансных частот f1 и f2 двух резонаторов, расположенных на одной кремниевой мембране, обусловленные давлением, задаются следующими уравнениями (1):
Как видно из этих уравнений, вычисление выражения Δf12 ? a Δf22 позволяет исключить члены, относящиеся к статическому давлению, и получить сигнал дифференциального давления. Аналогично, вычисление выражения Δf12 + b Δf22 позволяет исключить члены, относящиеся к дифференциальному давлению и получить сигнал статического давления. Основное свойство кремниевого резонансного сенсора заключается в том, что предварительное определение каждого коэффициента на основе фактически измеренных соответствующих данных позволяет рассчитать сигналы дифференциального и статического давления на основе деформации одной мембраны посредством выполнения простых операций вычитания и суммирования.
Рис. 2. Реальная погрешность определения статического давления 1 MПа
На рис. 2 показана реальная погрешность определения статического давления 1 MПа при допустимой согласно спецификации погрешности ±0,2%. В более сложном датчике дифференциального давления с функциями вычисления расхода благодаря этому свойству стало возможным реализовать гарантированную точность для статического давления в 1 МПа даже более высокую — ±0,1%.
Датчики дифференциального давления серии EJX с протоколом Foundation fieldbus могут одновременно передавать сигналы дифференциального и статического давления. В приборах серии EJX с протоколом HART предусмотрена возможность отображения на дисплее также и статического давления.
Уже существует многопараметрические датчики, которые выполняют измерение дифференциального и статического давления с использованием нескольких сенсоров. Приборы серии EJX являются первой в мире серией датчиков дифференциального давления, которые могут выполнять измерения дифференциального и статического давления с использованием одного сенсора, а также обеспечивать считывание и вывод значений давления.
Высоконадежный чувствительный элемент
Стабильность кремниевого резонансного чувствительного элемента, используемого в приборах серии EJX, обусловлена принципом его действия. Превосходную рабочую стабильность приборов этой серии демонстрируют не только записи долговременной эксплуатации, но также и результаты 15-летней проверки долговременного дрейфа (рис. 3).
Рис. 3. Результаты проверки долговременного дрейфа
Давайте снова рассмотрим свойства кремниевого резонансного сенсора, которые заключаются в следующем:
Сенсор имеет отличные упругие свойства кремния.
Сенсор имеет большой коэффициент тензочувствительности (±2000) и соответственно высокую чувствительность измерения давления.
Поскольку резонансные частоты резонаторов зависят от их механических и конструктивных размеров, сенсор имеет очень малые температурные коэффициенты и очень низкую чувствительность к примесям по сравнению с пьезорезистивными сенсорами. В результате сенсор обеспечивает высокую долговременную стабильность.
Резонансную частоту можно считывать непосредственно с использованием счетчика центрального процессора, тем самым обеспечивая высокую точность обработки данных. Поэтому такой сенсор идеально подходит для использования в интеллектуальных датчиках. Кроме того, поскольку сенсор не подвержен влиянию ошибок аналого-цифрового преобразования, присущих датчикам давления, основанных на других принципах работы, точность датчика можно очень легко увеличивать дальше.
Используя большую часть возможностей кремниевого резонатора с большим коэффициентом тензочувствительности, и всего лишь обрабатывая сигналы от двух резонаторов, можно получить значения дифференциального и статического давления с гораздо большей стабильностью, чем то же самое с использованием пьезорезистивных датчиков.
Имеется возможность измерения температуры кремниевой мембраны через сопротивление резонатора. Температурная зависимость коэффициента упругости кремния хорошо изучена и достаточно четко определена(3). При этом, в дополнение к тому, что она и так значительно меньше аналогичной зависимости упругости металлических и керамических мембран, применяемых в емкостных датчиках, информация о температуре сенсора позволяет делать дополнительную коррекцию на этот эффект, также как и на другие факторы влияния температуры капсулы на дрейф показаний сенсора.
Быстрый отклик
Рис. 4. Устройство защиты от перегрузки по давлению датчика EJA110
В приборах серии EJX для увеличения быстродействия применен новый механизм защиты от перегрузки по давлению, а электронные схемы выполняют вычисления с высокой скоростью. Тем самым эти приборы стало возможным применять в контурах высокоскоростного управления, например – для управления расходом пара в турбинах. В результате этих доработок достигнута реакция 63% от воздействия за 95 мс.
В существующих датчиках дифференциального давления серии EJA в защите от перегрузок реализована идеология емкостных датчиков давления: внутри капсулы сделан дополнительный объем с центральной мембраной, демпфирующий перегрузку, перепуская избыток жидкости на сторону низкого давления, как показано на рис. 4. Естественно, существует гидродинамическое сопротивление внутри передающих жидкость каппиляров, которое существенно увеличивает время отклика.
Рис. 5. Новый механизм защиты от перегрузки по давлению датчика EJX 110
Новый механизм защиты от перегрузки по давлению, используемый в приборах серии EJX, проиллюстрирован на рис. 5. Этот механизм состоит из двух взаимно независимых механизмов защиты от перегрузки по давлению, расположенных на сторонах высокого (H) и низкого (L) давления. Этот механизм предотвращает движение внутренней жидкости в пределах диапазона измерения давления, обеспечивая быстрый отклик приборов серии EJX.
В части электроники были предприняты следующие шаги, с помощью которых удалось уменьшить период обработки данных в четыре раза по сравнению с обычными датчиками:
Определение частоты С использованием контура подсчета частотных сигналов измеряются периоды, меньшие одного импульса, так что частота может быть измерена без потери разрешения даже в случае более коротких времен выборки. Подробности будут изложены в следующем разделе.
Рис. 6. Вид резонатора в поперечном разрезе
Увеличение скорости вычисления значения давления Использование следующих четырех методов позволило увеличить скорость обработки при вычислении давления в 4 раза по отношению к существующим приборам серии EJA.
Минимизирована частота использования вычислений с плавающей запятой и введены вычисления с фиксированной запятой.
Элементы вычислений, имеющие минимальные изменения, выполняются как работы с низким приоритетом, позволяя минимизировать объем вычислений, непосредственно связанных с определением значения давления
Увеличена скорость системных часов за счет использования маломощных конструкций устройств.
Усовершенствованы характеристики микропроцессора.
Усовершенствование резонаторов С использованием техники микрообработки удалось увеличить выходное напряжение резонаторов в 1,5 раза без изменения их основной структуры (рис. 6). Это привело к значительному увеличению стабильности выходного напряжения и существенному снижению времени обработки сигнала.
Рис. 7. Реакция на единичный скачок EJX110
На рис. 7 показана переходная характеристика (реакция на ступенчатое изменение давления) для наиболее распространенной модели серии EJX — датчика дифференциального давления EJX110 с капсулой M.
Расширенные функции самодиагностики
Функции самодиагностики приборов серии EJX были расширены, так что теперь эти приборы имеют 30 элементов диагностики и около 20 видов сигнализаций. Количество сигнализаций различается в зависимости от модели. Эти сигнализации можно классифицировать в четыре категории:
Неисправная работа самого датчика.
Неправильная установка параметров.
Ошибочные переменные процесса.
Выполнение работы с несоблюдением допустимых или заложенных условий эксплуатации.
Конструкция
Конфигурация
Рис. 8. Компоновочные блоки прибора EJX110
На рис. 8 показаны компоновочные составляющие датчиков дифференциального давления серии EJX. В целом датчик можно представить состоящим из 2-х частей: блока восприятия давления и блока преобразования.
Использование нового механизма защиты от чрезмерного давления позволило уменьшить размеры устройства восприятия давления таким образом, что его вес составляет только 2,7 кг, это уменьшение веса на 30% по отношению к датчику серии EJA.
Блок восприятия давления состоит из капсулы, фланцевых крышек и штуцеров для подсоединения к процессу.
Блок преобразования состоит из электронной части и клеммной коробки, которые идентичны для всех моделей серии EJX (единственное, они могут меняться в зависимости от используемых протоколов связи). Этот блок также может компоноваться цифровым ЖК-дисплеем, на котором пользователи имеют возможность отслеживать измеренные значения дифференциального и статического давления, а также – сообщения сигнализаций.
Блок восприятия давления
Для создания датчика дифференциального давления, невосприимчивого к изменениям температуры и способного выполнять стабильные измерения, усилия были сконцентрированы в первую очередь на создании конструкции с минимальным объемом жидкости, передающей давление от разделительной мембраны к сенсору в измерительной капсуле. Использование описанного выше нового механизма защиты от чрезмерного давления позволило уменьшить объем этой жидкости в 10 раз по сравнению с датчиками серии EJA.
Блок восприятия давления имеет симметричную структуру, устойчивую к воздействию различных возмущений, обусловленных внешним давлением. Объемы жидкости внутри капсулы на сторонах высокого и низкого давления хорошо сбалансированы, так что влияние эффектов, обусловленных расширением или сжатием внутренней жидкости, вызванных изменением температуры или статического давления, минимизировано.
Для изготовления внутренних разделительных мембран используется специально пассивированный высококачественный никелевый сплав Hastalloy C, представляющий собой испытанный в производстве коррозионно-стойкий материал, также используемый для датчиков серии EJA. При этом никакие сварные соединения не контактируют с атмосферой. Для корпуса капсулы используется кованная нержавеющая сталь 316L, и тем самым обеспечивается коррозионностойкая конструкция.
Для уменьшения влияния нагрузки, возникающей при закреплении фланцевых крышек, было уделено серьезное внимание обеспечению механической изоляции. Поверхности сварных соединений разделительной мембраны и детали, на которой закрепляется прокладка, были отделены друг от друга для предотвращения дополнительных напряжений в разделительной мембране, связанных с нагрузкой при затягивании болтов крепления фланцевых крышек.
Фланцевые крышки, обеспечивающие подключение к процессу, имеют конструкцию, отвечающую стандарту IEC61518.
Блок преобразования
Рис. 9. Блок-схема цепи возбуждения (показана только для одного резонатора)
В датчиках серии EJX используется тот же самый метод возбуждения резонатора, что и в датчиках серии EJA (рис. 9). Недавно компанией Yokogawa было разработано устройство ASIC, основанное на малошумной структуре, с низким потреблением тока, использование которого обеспечивает в три раза более высокие характеристики по сравнению с датчиками обычных серий. На рис. 10 показана общая блок-схема блока преобразования.
Следует отметить, что частотные сигналы от резонатора являются асинхронными по отношению к системным часам счетного контура. По этой причине в случае применения используемого в EJA контура элементарного счетчика, так или иначе, на обоих концах интервала выборки остаются дробные отрезки времени продолжительностью менее периода системных часов. Соответственно, эти отрезки не могут быть измерены, в связи с чем появляется погрешность, эквивалентная ± одному импульсу.
Рис. 10. Общая блок-схема
Если для увеличения скорости обработки сигнала сократить время выборки без повышения частоты системных часов, эта погрешность возрастает, ухудшая разрешение счетчика. Если чрезмерно увеличивать частоту системных часов, то будет увеличиваться потребление тока, что выводит прибор за рамки требуемых характеристик.
В приборах серии EJX в дополнение к обычному методу взаимодействия используется метод растяжения временного масштаба(2), в котором эти дробные отрезки времени расширяются в 64 раза, а затем измеряются. Используя метод растяжения временного масштаба при помощи дополнительных мер, в частности, добавления специального счетчика стало возможным обеспечить низкое потребление электроэнергии и высокую скорость обработки сигнала, а также — высокое разрешение, превышающее в пять раз или более разрешение приборов обычных серий.
Использование мультиплексного метода цифро-аналогового преобразования (D/A) для блока цифро-аналогового преобразователя (ЦАП) позволило получить быстрый отклик, в 10 раз или более превышающий отклик приборов обычных серий, при одновременном сохранении высокого разрешения.
В выходном контуре 4 20 мА используется 16-битовый контур цифро-аналогового преобразования, и диапазон токового выхода удовлетворяет стандарту NAMUR NE43.
Встроенный дисплей
Рис. 11. Встроенный дисплей
Учитывая важность удобства восприятия информации, были увеличены размеры встроенного дисплея, при этом в целом размеры приборов серии EJX были уменьшены (рис. 11).
К элементам, отображаемым на дисплее, были добавлены гистограммы, значения переменных процесса, показатели степени и единицы измерения:
Индикация параметра процесса
Пользователи могут выбрать для отображения на дисплее максимум четыре из следующих пяти параметров:
значение дифференциального давления в процентах;
значение масштабного коэффициента и единицы измерения;
значение дифференциального давления;
значение статического давления в процентах;
значение статического давления.
Рис. 12. Характеристики входа-выхода
Выбранные параметры при этом будут чередующимся образом периодически отображаться на дисплее. Усовершенствованный дизайн отображения переменной в виде гистограммы гистограммы позволит пользователю мгновенно определить, находится ли переменная процесса в пределах нормального рабочего диапазона. Для отображения единиц измерения и коэффициента масштабирования можно использовать до шести символов. Функциональность дисплея усовершенствована таким образом, что наиболее часто используемые единицы измерения, такие, как, например, единицы расхода, могут быть заданы пользователями. Пользователи могут также вывести на дисплей показатели степени (?10, ?100 и ?1000), которые следует использовать для представления фактических коэффициентов масштабирования.
Дисплей сообщений о сигнализациях
При обнаружении неисправности на дисплее появится короткое сообщение, содержащее в дополнение к номеру сигнализации информацию о сигнализации. Из короткого сообщения пользователи смогут быстро узнать о содержании сигнализации, не сверяясь с документацией для поиска описания по номеру сигнализации. Если возникнет сигнализация, относящаяся к установкам параметров, переменным процесса или рабочей среды, на дисплее будут чередоваться номер сигнализации и значение переменной процесса. Если возникнет сигнализация, относящаяся непосредственно к датчику, дисплей покажет только информацию о сигнализации, обеспечивая пользователей необходимой информацией так быстро, как это возможно.
Рис. 13. Влияние изменений температуры окружающей среды на нулевую точку (Диапазон: Максимальный диапазон ? 1/10)
Рабочие характеристики
В настоящем разделе даются примеры характеристик прибора EJX110 (капсула M; диапазон измерения давления ±100 кПа), являющегося наиболее типовой моделью приборов серии EJX.
Характеристики
На рис. 12 показаны характеристики входа-выхода для диапазонов 0–100 кПа, 0–10 кПа и 0–1 кПа. На рис. 13 показан дрейф нулевой точки при изменении температуры окружающей среды от -40 до 80°C. На рис. 14 показан дрейф нулевой точки при изменении статического давления от 0 МПа до максимального рабочего давления ±16 МПа.
Рис. 14. Влияние изменений статического давления на нулевую точку (Диапазон: Максимальный диапазон ? 1/10)
Влияние перегрузки по давлению
При нормальных условиях датчик дифференциального давления часто монтируется с использованием 3-х вентильного блока. При этом достаточно часто возникают ситуации, когда в зависимости от положения вентилей 3-х вентильного блока во время запуска установки или работы по обслуживанию к одной из сторон датчика может быть приложено чрезмерное давление, выходящее за пределы диапазона измерения дифференциального давления.
Чтобы избежать возможного сдвига выхода или повреждения кремниевой мембраны за счет перегрузки по давлению, датчик оснащен механизмом защиты от чрезмерного дифференциального давления.
Рис. 15. Влияние перегрузки по давлению (Диапазон: Максимальный диапазон)
На рис. 15 показано влияние односторонней перегрузки по давлению.
Поскольку влияние перегрузки по давлению является незначительным, и датчик достаточно легкий, многие пользователи могут монтировать его непосредственно на оборудовании без применения 3-х вентильного блока.
Спецификация
На рис. 16 показан диапазон измерения давления для датчика дифференциального давления EJX110. Четыре типа капсулы полностью охватывают диапазон шкал измерения давления от 0,1 кПа до 14 МПа. Капсулы M, H и V имеют глубину перестройки шкалы 1:200, предоставляя пользователям возможность измерения дифференциального давления в широком диапазоне.
Рис. 16. Диапазоны шкал измерения давления для датчиков дифференциального давления
Имеется возможность выполнения дистанционной настройки и мониторинга через протокол связи HART посредством ручного коммуникатора или распределенной системы управления (DCS). Для приборы серии EJX также поддерживают протокол Foundation fieldbus.
Для поддержки многообразия возможных применений фирма Yokogawa представила большое семейство датчиков серии EJX, включающее:
датчики избыточного давления
датчики абсолютного давления
датчики дифференциального давления, монтируемые на фланце, ввертного исполнения
датчики дифференциального давления для высокого статического давления
датчики давления и датчики дифференциального давления с разделительными мембранами
датчики давления и датчики дифференциального давления для санитарно-технического оборудования
многопараметрические датчики дифференциального давления с функцией вычисления расхода. Это семейство датчиков было сертифицировано на соответствие различным типам искробезопасности, взрывобезопасности и пожаробезопасности.
Как упоминалось выше, частота резонаторов определяется механическими размерами и физическими свойствами, и на нее не влияют другие возмущения, поэтому достаточно легко определить их состояние и насколько достоверны показания прибора. В приборах серии EJX также реализованы специальные программы для проверки вычислений микропроцессора. Приборы серии EJX сертифицированы на соответствие Интегрированному уровню безопасности 2 (SIL2) уже в стандартном исполнении.
Выводы
В данной статье были представлены особенности, конструкция и характеристики датчиков давления и датчиков дифференциального давления новой серии EJX.
Мультисенсорная функция кремниевого резонансного чувствительного элемента реализует новые возможности в решении прикладных задач. Комбинирование этой функции с программными средствами, в которых используются эти возможности, позволяет выполнять всевозможные расширенные диагностики, такие как, например, диагностика засорения импульсных линий.
Компания Yokogawa продолжит дальнейшие разработки в области измерительных технологий нового поколения с тем, чтобы пользователи все больше могли применять датчики серии EJX скорее как многофункциональные приборы, а не только как обычные датчики давления или дифференциального давления.
Katano Kazuya, “How to Use Time-measuring Instruments,” Transistor Gijutsu, Vol. 31, №2, 1994, pp. 331–340 (на Японском)
McSkimin, H.J., J. Appl. Phys. 24, 8 (1953) 988-997.Morin, F.J. and J.P. Maita, Phys.Rev. 96, 1 (1954) 28-35
controlengrussia.com
Датчики дифференциального давления от Omron / Статьи и обзоры / Элек.ру
В марте прошлого года компания Omron Electronic Components BV, признанная во всем мире как лидер производства высококачественных инновационных электронных компонентов, представила серию цифровых датчиков дифференциального давления D6F-PH, обеспечивающих исключительную точность и повторяемость измерений таких параметров низкоскоростных воздушных потоков, как давление и расход, недостижимые для ранее используемых аналогов емкостного или пьезоэлектрического типа.
Благодаря цифровой технологии, основная опция измерения давления в датчиках серии D6F-PH может дополняться измерением расхода воздушного (газового) потока и его температуры, а по заявке заказчика — даже детектированием аварийной ситуации по достижении температурой заданного порогового значения. Превосходная чувствительность и способность производить измерения в различных газовых потоках с низким расходом позволяет использовать новые приборы в высококачественном медицинском, химико-технологическом оборудовании и в научных исследованиях. Столь замечательные результаты конструирования электронных приборов, предназначенных для измерения и управления параметрами физической среды, невозможно было бы получить вне сферы стремительно развивающихся в настоящее время технологий проектирования и производства микроэлектромеханических систем (Microelectromechanical Systems, MEMS).
Как и любой продукт МЭМС-технологий, датчик дифференциального давления от Omron представляет собой микросистему, объединяющую два самостоятельных компонента. Первый из них — исполненный на отдельном кристалле измерительный элемент, преобразующий контролируемые параметры физической среды в некоторый электрический сигнал. Второй — специализированная интегральная микросхема (Application Specific Integrated Circuit, ASIC), осуществляющая обработку входного и формирование выходного сигнала, содержащего информацию об измеряемом параметре.
Микрофотоснимок измерительного элемента в датчике (рис. 1а) иллюстрирует реальные размеры и топологию размещения (рис. 1б) его составных частей. Трудно представить себе, что столь совершенная измерительная система имеет габариты всего лишь 1,25 х 1,25 х 0,4 мм! При внимательном изучении рисунка в центре кристалла можно видеть выполненный по тонкопленочной технологии нагревательный элемент, о котором речь пойдет позже, и три независимых термоэлемента — А, В и базовый. Выводы этих элементов соединены с показанными на рисунке контактными площадками, предназначенными для подключения к специализированной микросхеме ASIC. Тонкая подложка измерительного элемента для обеспечения требуемой стойкости к механическим и вибрационным воздействиям соединена с керамическим основанием. В нижней части рис. 1б представлено поперечное сечение измерительного элемента, где видно, что в центральной части основания под нагревательным и термочувствительными элементами вытравлена полость, снижающая охлаждающее воздействие основания на измерительный элемент при его нагреве.
Рис. 1. Конструкция измерительного элемента в датчике дифференциального давления D6F–PH
Как упоминалось выше, процесс принудительного нагрева контролируемой датчиком физической среды положен в основу действия прибора и ужесточает условия его функционирования, что связано с возникающими механическими напряжениями композитных материалов и деградацией электрических свойств незащищенных токонесущих элементов. Поэтому важно оградить измерительный элемент и от возможной химической агрессивности среды. Защитные свойства измерительного узла обеспечивают не только показанный на рисунке изолирующий слой поверх токонесущих элементов, но и используемая в компании Omron технология производства МЭМС-датчиков дифференциального давления и других продуктов аэрокосмического назначения, соответствующих самым жестким требованиям эксплуатации.
Принцип работы
Типовая схема применения датчика дифференциального давления представлена на рис. 2, где стрелкой показано направление движения газа (воздуха) в основном канале. При этом давление на входе диафрагмы обозначено через Р1, на выходе — Р2. Для измерения дифференциального давления обводную трубку со входа диафрагмы подключают к патрубку датчика с индексом «+», с выхода — с индексом «–». Тогда измеряемое дифференциальное давление составит величину ΔР = Р1–Р2. Если обводные трубки подключить к измерительной диафрагме наоборот, датчик покажет результат измерения со знаком минус. Чтобы результат измерения перепада давления соответствовал истинному значению с точностью до знака, изначальное подключение обводных трубок с высоким и низким давлением должно соответствовать вышеуказанному правилу.
Рис. 2. Типовая схема применения датчика дифференциального давления
Принцип измерения дифференциального давления иллюстрирует рис. 3, показывающий распределение температурного поля в рабочем пространстве датчика, поперечное сечение конструкции которого пояснялось на рис. 1б. На рис. 3а видно, что в отсутствии движения воздуха в измерительном канале температурное поле симметрично относительно нагревательного элемента, следовательно, выходное напряжение на термоэлементах А (со стороны плюсового патрубка) и В (минусового) одинаково, их разность равна нулю. При возникновении движения воздуха в измерительном канале перпендикулярно оси нагревательного элемента (рис. 3б) температурное поле перераспределяется, при этом больший нагрев термоэлемента В вызывает возрастание напряжения на его выводах и, соответственно, меньший нагрев термоэлемента А приводит к уменьшению его выходного напряжения. Следовательно, разность напряжений на выводах термоэлементов А и В позволяет определить дифференциальное давление в основном канале транспортируемого воздуха (газа), а зная сечение канала, и расход. Такую расчетную задачу обработки данных измерения выполняет упомянутая ранее специализированная микросхема, соединенная с выводами измерительного датчика.
Рис. 3. Измерение дифференциального давления на основе перераспределения температурного поля, создаваемого нагревательным элементом в датчике D6F–PH
По своей сути данная специализированная микросхема является однокристальной микро-ЭВМ, содержащей все необходимые для ее функционирования элементы — процессор, оперативную и долговременную память с «зашитой» в ней управляющей программой, регистры хранения и обработки информации, аналого-цифровые преобразователи, интерфейс обмена информацией с внешней ЭВМ и др. Подробнее со структурой микро-ЭВМ и форматом цифровых данных, используемых в датчике, можно ознакомиться в источнике [2].
Цифровая обработка информации в датчике дифференциального давления позволяет программно устранить показанную на рис. 4 нелинейную зависимость выходного напряжения, формируемого измерительной частью. Вследствие теплового механизма проведения измерений результат нелинейно зависит как от скорости измеряемого потока, так и от колебаний температуры воздуха в некотором интервале ΔТ, как это обозначено на рисунке. Основываясь на дополнительных данных, получаемых от базового термоэлемента (рис. 1б), микро-ЭВМ линеаризует требуемую зависимость и выполняет температурную коррекцию с погрешностью выходных данных не хуже ±3%. Причем выходные данные формируются в виде последовательного цифрового потока формата I2C.
Рис. 4. Зависимость выходного напряжения в измерительном элементе датчика от температуры и измеряемого расхода воздуха
Результаты исследования устойчивости к пылевому загрязнению контролируемой среды датчиков дифференциального давления от различных производителей изложены в статье [3], где показано влияние не только конструктивного исполнения прибора на жизнестойкость подобных изделий, но и их ориентации в пространстве при функционировании, а также рабочего расхода воздуха при измерении. Чем он меньше, тем выше ресурс прибора. Следовательно, изначально рассчитанные на низкое дифференциальное давление датчики серии D6F–PH, дополнительно оборудованные системой BDSS и правильно сориентированные в пространстве, имеют неоспоримое преимущество перед остальными аналогами.
Устройство двунаправленного пылевого фильтра иллюстрирует рис. 5а. Запыленный воздух через входной патрубок тангенциально входит в цилиндрический корпус первого по пути движения воздуха микроциклона, соосно с которым смонтирован выходной патрубок для очищенного воздуха. Через 180° также тангенциально к корпусу микроциклона подсоединен выходной патрубок для запыленного воздуха. Аналогичный второй микроциклон включен последовательно с первым, при этом не имеет значения, какой из микроциклонов будет первым, а какой — вторым, т. е. эффективность очистки воздуха не зависит от направления движения воздуха в фильтре, что особенно важно для дифференциальных датчиков, где движение воздушного потока может происходить как в прямом, так и в обратном направлении.
Рис. 5. Устройство двунаправленного пылевого фильтра в датчике D6F–PH
Как показано на рис. 5б, при входе в микроциклон условно выделенные оранжевым цветом частицы пыли, обладающие некоторой массой, под воздействием центробежной силы смещаются в радиальном направлении к корпусу микроциклона и, увлекаемые воздушным потоком, через патрубок выходят из первого и попадают во второй циклон. Очевидно, что в соосный с корпусом микроциклона выходной патрубок частицы пыли попасть не могут, поскольку направление движения воздуха в нем перпендикулярно по отношению к плоскости вращательного движения запыленного воздуха. Этим достигается достаточно глубокая степень очистки воздуха, подаваемого по отдельному каналу к МЭМС-датчику, что позволяет обеспечить требуемую точность и стабильность измерений.
Особенности применения и технические параметры
Основные конструктивные параметры датчиков дифференциального давления серии D6F–PH приведены на рис. 6. Обращает на себя внимание наличие взаимно перпендикулярно ориентированных двух пар крепежных отверстий со внутренним диаметром 2 мм, что предоставляет конструктору при проектировании измерительной установки возможность выбора различных вариантов крепления датчика. Для справки на рисунке показана фактически отсутствующая на изделии маркировка «+» и «–» патрубков, которую следует учитывать при подключении обводных трубок с высоким и низким давлением соответственно, о чем пояснялось выше. На верхней части рисунка над размерной линией 22 мм, соответствующей межосевому расстоянию крепежных отверстий, показаны штыревые электрические контакты. Для подключения к ним напряжения питания и сигнальных проводников следует использовать соответствующую ответную четырехконтактную гнездовую часть разъема и ни в коем случае не прибегать к непосредственной припайке проводников.
Рис. 6. Конструктивные размеры датчиков серии D6F–PH
Для снижения погрешности измерения рекомендуется размещение подводящих обводных трубок в горизонтальной плоскости, о чем упоминалось ранее как о правильном пространственном ориентировании. Длина обводных трубок внутренним диаметром 4 мм не должна превышать 800 мм. В этом случае дополнительная погрешность измерения расхода потока контролируемой среды не превысит 1%.
Датчик должен быть прочно закреплен винтами с метрической резьбой М1,8 на плоской поверхности при ограничении вращающего момента до 0,36 нм. Неправильная установка может привести не только к возрастанию погрешности измерений, но и к повреждению датчика. Нормируемые показатели погрешностей при использовании приборов приведены в таблице 1.
Таблица 1. Технические параметры датчиков дифференциального давления серии D6F-PH
Следует учитывать, что приведенный в таблице допустимый измерительный интервал дифференциального давления калибруется при стандартном атмосферном давлении 1013,25 гПа. При этом калибровочный газ (воздух) не должен содержать больших частиц пыли, нефти или сконденсировавшейся влаги. Относительная влажность воздуха не должна превышать значения 85%. Погрешность установки нуля в приборе и погрешность проводимых измерений в общем случае некоррелированы, и поэтому должны складываться.
Аппаратное и программное обеспечение тестирования датчика
При автономном тестировании датчика достаточно иметь некоторую установку, регулирующую параметры среды, и два контролирующих прибора — образцовый и тестируемый. В такой схеме ЭВМ необходима лишь для регистрации показаний приборов в целях их сравнительной оценки. Поскольку формат интерфейса для обмена данными между ЭВМ и тестируемым датчиком предопределен как I2C, а подавляющее большинство ЭВМ таким интерфейсом не оборудованы, необходим специальный адаптер, конвертирующий имеющийся во всех ЭВМ интерфейс USB в требуемый I2C. С одной стороны адаптер через разъем мини-USB отдельным кабелем соединяют с ЭВМ, а с другой стороны подключают к датчику через четырехпроводный кабель со специальным гнездовым разъемом. Все вышеперечисленные элементы составляют аппаратное обеспечение, необходимое для тестирования датчика.
Однако впервые подключенный адаптер с присоединенным к нему датчиком ЭВМ воспринимает как неизвестное оборудование. Для его распознавания необходимо установить драйвер устройства, для чего потребуется скачать с сайта производителя модуля [4] архив CDM 2.08.30 WHQL Certified.zip, разархивировать его и указать установщику оборудования полученный каталог как источник. При успешной установке драйвера в диспетчере устройств ЭВМ появится виртуальный COM-порт, как это выделено красной рамкой на рис. 7. Теперь при отключении адаптера от ЭВМ дополнительный виртуальный порт будет исчезать из перечня оборудования, при повторном подключении — снова появляться.
Рис. 7. Результат установки виртуального последовательного порта на ЭВМ
После проведения указанных операций датчик готов для включения в измерительную схему, но для обращения ЭВМ к датчику и получения результатов измерения необходима отдельная управляющая программа D6_Flow_demo_v1.0.exe, которую можно заказать и получить в компании Omron. При запуске исполняемой программы на экране монитора разворачивается рабочее окно D6F Digital Flow Sensor Monitor (FTDI — I2C) v1.0 интерфейса общения с датчиком (рис. 8), где для типа D6F–PH5050AD3 в разделе Select Mode выбирают Mode3, в разделе Mesure Mode — Pressure, Interval time — 1 ms, на электронной клавише вместо предустановленного по умолчанию расхода 5 л/мин выбирают перепад давления ±500 Па, а затем последовательно нажимают экранные кнопки Normal Mode и Start. В результате кнопка Start изменит свое функциональное назначение, о чем будет свидетельствовать появившаяся на ней надпись Stop, и с выбранной периодичностью 1 мс в соответствующих показанных на рисунке окнах будут обновляться цифровые данные, сигнализирующие о текущем значении измеряемого перепада давления и температуры контролируемой среды. Одновременно поток отображаемых цифровых данных аккумулируется в файле, который можно просмотреть после нажатия на кнопку Stop. Для этого необходимо нажать перешедшую в активное состояние экранную кнопку CSV Gen, а затем в выпадающем рабочем окне FileSelection выбрать директорию для сохранения файла и присвоить ему некоторое идентификационное имя.
Рис. 8. Интерфейс выбора режима датчика и регистрации результатов измерения
После переноса данных в файл Microsoft Excel для их анализа и графического представления можно использовать весь богатый математический аппарат Microsoft Excel, в том числе и средства построения графиков требуемого формата.
Измерение статического давления
Поскольку принцип работы датчика D6F PH основан на измерении теплоотдачи при движении воздуха через термоанемометрический чувствительный элемент, при измерении давления через датчик должен постоянно проходить некоторый расход воздуха. Это принципиально отличает его от датчиков, использующих в качестве чувствительного элемента снабженные тензорезистором мембраны различной формы. В таких датчиках используется закрытая полость, в которой под воздействием сил давления деформируется тонкая мембрана, и затем ее деформация преобразуется в сигнал тензорезистора. Поэтому для исследователей представляет большой практический интерес сравнение результатов измерения статического давления с помощью датчиков, основанных на столь разных физических принципах. Такое исследование коренным образом отличается от типовой схемы применения (рис. 2) и способно продемонстрировать широкую универсальность применения исследуемых датчиков серии D6F PH. В качестве образцовых мембранных датчиков были выбраны многодиапазонные датчики давления АИР 10 НПП ЭЛЕМЕР [5].
Для проведения сравнительных испытаний была собрана лабораторная установка, схема которой представлена на рис. 9. Ввиду особенностей конструкции датчиков АИР–10 давление с их помощью может определяться только в одну сторону — или больше атмосферного, или меньше. Поэтому в установке были использованы два образцовых датчика АИР 10, один из которых измерял давление выше атмосферного, другой — ниже. Тестируемый датчик D6F PH позволяет определять давление как выше атмосферного, так и ниже, которое индицируется со знаком «–». На рисунке видно, что давление в сосуде создается за счет нагрева воздуха. Так как примененный в испытаниях датчик D6F PH5050AD3 имеет ограничение по измеряемому давлению в пределах ±500 Па, то на установке было предусмотрено устройство по ограничению уровня давления в системе. При достижении уровня давления 500 Па (50 мм водного столба) излишний воздух уходит из сосуда. Рабочий диапазон датчиков АИР–10 был предустановлен в интервале значений 0–1000 Па, что в соответствии с рабочей документацией позволило получить значение их инструментальной погрешности в 1,2% (12 Па).
Рис. 9. Схема лабораторной установки при испытании датчика D6F–PH в условиях статического давления
При проведении эксперимента включался нагреватель, при этом давление поднималось до предельного значения и фиксировалось на этом уровне. Через некоторое время нагреватель выключался, при охлаждении воздуха в замкнутом объеме сосуда давление опускалось ниже атмосферного. Для проверки повторяемости результатов цикл «нагрев–охлаждение» проводился несколько раз. Результаты измерения одного из повторяющихся циклов представлены на рис. 10. На графиках представлены три кривые: для датчика D6F–PH, для давления выше атмосферного (датчик АИР–10+), для давления ниже атмосферного (датчик АИР–10–).
Рис. 10. Сравнительный результат измерения давления образцовыми и тестируемым датчиками
Графики демонстрируют хорошее согласование результатов измерения давления обоих типов датчиков. На стадии подъема и снижения давления динамические характеристики всех датчиков совпадают с достаточной степенью точности. На участке постоянного максимального давления имеется некоторое расхождение значений, причем полученные датчиком D6F PH данные в среднем на 30–40 Па ниже, чем аналогичные, полученные с помощью датчиков АИР–10. Относительная погрешность составляет 4–5%, что считается хорошей точностью для данной серии экспериментов, и, возможно, связано с близостью измеряемого давления к предельному значению датчика D6F PH. Обращает на себя внимание ступенчатый характер давления, измеряемый датчиком АИР–10+ на 25-й секунде эксперимента, обусловленный большой дискретностью времени опроса в регистраторе, из чего следует малая пригодность применения таких датчиков для контроля высокодинамичных процессов. На этом же рисунке линия, соответствующая результату измерения перепада давления датчиком D6F PH, благодаря малому времени реакции (см. табл. 1) не претерпевает никаких разрывов, что делает их незаменимыми в исследовании подобных процессов.
Таким образом, по результатам экспериментов можно сделать вывод о возможности измерения статического давления с достаточной степенью точности с помощью датчика давления D6F–PH, использующего термоанемометрический принцип. Отдельно необходимо отметить возможность измерения разнополярного давления (как выше атмосферного, так и ниже), что позволяет существенно снизить стоимость лабораторного оборудования по сравнению со схемой, базирующейся на применении однополярных датчиков давления. При этом следует учитывать, что необходимость течения воздуха через датчик D6F–PH исключает его использование для контроля давления с фиксированным объемом воздуха.
Исследование воздушного потока пневмометрическим методом
Другой важной областью применения датчиков дифференциального давления является измерение скорости потока по разности полного и статического давления в соответствии с законом Эйлера. Для замера полей скоростей и давлений в воздушных каналах использовалась стандартная методика, изложенная в [6]. С целью исследования возможности применения датчика D6F PH для измерения скорости потока была собрана установка, представленная на рис. 11. В качестве приемника полного давления использовалась тонкая металлическая трубка со специально спрофилированным концом, ориентированным навстречу потоку. Для точного позиционирования приемника применялся шаговый двигатель, с помощью которого приемник поворачивался на заданный угол в пределах от –90 до +90° относительно центральной оси потока. Набегающий поток с заданными параметрами формировался с помощью электровентилятора в трубе, на выходе из которой помещался приемник полного давления.
Рис. 11. Схема лабораторной установки для исследования воздушного потока пневмометрическим методом с помощью датчика D6F–PH
Результаты эксперимента представлены на рис. 12. С помощью датчика D6F–PH фиксировалось давление потока в зависимости от угла осевой ориентации приемника по отношению к потоку. Отчетливо заметно, что при больших углах давление становится ниже атмосферного, как это определяется условиями обтекания приемника полного давления потоком воздуха. Постепенно поворачивая приемник и фиксируя максимальное значение давления, можно определить не только величину скорости потока, но и его направление. Хорошо видно, что в диапазоне углов –13…+33° полное давление достигает максимума 340±30 Па, обусловленного параметрами контролируемого потока.
Рис. 12. Зависимость полного давления в воздушном потоке от ориентации приемника в датчике
Полученный результат измерения полного давления позволяет с помощью несложных вычислений найти скорость потока с в различных точках его продольного сечения по траектории перемещения приемника, как показано на рисунке. Для этого используют известное уравнение Эйлера [7]:
с = (2p/ρ)1/2 (1)
где р — давление, измеряемое датчиком, ρ — плотность воздуха.
Чтобы определить плотность воздуха, необходимо воспользоваться уравнением состояния Менделеева-Клайперона:
ρ = р/(RT) (2)
где R — газовая постоянная воздуха, равная 287 Дж/(кг•К), Т — термодинамическая температура воздуха, Т = t + 273 К. В свою очередь, здесь t — температура воздуха в °С.
После подстановки известных данных из (2) в (1) получаем, что максимальная скорость воздуха на оси потока составила с = 23±0,3 м/с, относительная погрешность определения скорости при этом не превышала ±1,5%. Максимальное давление от скоростного напора по конструктивным особенностям примененного датчика не может превышать 500 Па, что соответствует скорости потока воздуха в стандартных атмосферных условиях примерно 28 м/с.
Полученные и представленные на рисунке данные позволяют сделать вывод о возможности использования датчика D6F PH для определения скорости и направления воздушного потока пневмометрическим методом. При этом необходимость пропускать воздух через датчик отлично вписывается в схему измерений. Можно предположить, что предельно высокая чувствительность аналогичного датчика D6F–PH0505AD3 в области слабых перепадов давлений как выше, так и ниже атмосферного и хорошие динамические характеристики делают его уникальным и удобным инструментом при определении сложных полей скоростей конвекционных потоков воздуха в научно-исследовательских и производственных помещениях с принудительной и естественной вентиляцией, например там, где особую важность приобретает чистота воздуха — медицина, производство интегральных микросхем, элементов микроэлектромеханических систем и др.
Петунин А. Н. Методы и техника измерений параметров газового потока. М.: Машиностроение. 1972.
Станислав Косенко, Олег Михеев, Максим Федотов, Иван Некрасов Статья опубликована в журнале «Вестник Электроники», №2 2014
www.elec.ru
Датчики перепада (разности) давления. Электроконтактные датчики дифференциального давления
Датчики измерения перепада давления чаще всего применяются комплектно с первичными преобразователями расхода (сужающими или напорными устройствами). Датчики перепада осуществляют преобразование измеренной разности давлений в непрерывный аналоговый выходной унифицированный сигнал тока, напряжения или индуктивности. Датчики разности давления с индуктивным выходом (типа ДМ, например, работающие совместно с вторичными приборами КСД) устарели и в настоящее время практически не применяются. Наибольшее распространение получили датчики с унифицированным токовым выходом (0-5, 0-20, 4-20 мА).
Чувствительным элементом датчика перепада является упруго деформируемая измерительная мембрана с закрепленными на ней тензорезисторами. Измерительная мембрана изолирована от рабочей среды. Давление среды прикладывается к защитным мембранам, расположенным с обоих сторон от измерительной мембраны. Полости между защитными и измерительной мембранами заполнены специальной жидкостью. Под действием приложенных давлений защитные мембраны деформируются, деформируя измерительную мембрану - в след за ней деформируются тензорезисторы. При этом их сопротивление изменяется. Это изменение сопротивления воспринимается электроникой датчика перепада и соразмерно преобразуется в то или иное значение выходного аналогового сигнала. В отличие от обычного датчика давления, у которого измеряемое давление прикладывается только к одной стороне мембраны, к мембране датчика разности давления измеряемое давление среды прикладывается с обеих сторон. Поэтому корпус датчика перепада имеет два присоединительных штуцера: плюсовой и минусовой штуцеры.
Штуцеры располагаются параллельно друг другу с одной стороны датчика, но встречаются датчики и с соосным расположением штуцеров. Если давление среды, приложенное к плюсовому штуцеру, больше давления среды в минусовом штуцере, то датчик покажет разницу (перепад) давлений со знаком плюс. Если к плюсовому штуцеру приложено меньшее давление чем к минусовому, то перепад будет со знаком минус.
Датчики измерения разности давления чаще всего рассчитаны на измерение сравнительно небольших значений давлений среды – предельные значения измеряемого давления от нескольких десятков миллиметров водяного столба (мм.вод.ст), до нескольких сотен кПа. С первичными преобразователями расхода, такими как диафрагмы, трубы Вентури, трубки Пито-Прандтля и др. датчики перепада соединяются посредством двух импульсных трубок.
Импульсные трубки (импульсная трубная проводка) в большинстве случаев выполняют из толстостенной металлической трубки диаметром 14…16 мм. Прокладка импульсных труб выполняется в соответствии с требованиями правил измерения расхода газов и жидкостей стандартными сужающими устройствами РД 50-213-80. Особое внимание при монтаже импульсной трубной проводки уделяется наличию и направлению уклонов, одинаковой длине плюсовой и минусовой линий, расположению отборов и изгибов на одном уровне. Импульсная линия должна быть минимально возможной длины, так как с увеличением ее протяженности возрастает задержка распространения импульса давления, что особенно критично для контуров регулирования интенсивно протекающих процессов. Рассчитать приблизительное (без учета коэффициентов затухания и т.п.) время запаздывания импульса давления Δt (в секундах) в импульсной трассе в зависимости от длины трассы L (в метрах) и скорости прохождения звука в заполненной трассе С (в м/с) можно по следующей формуле:
Скорость распространения звука С внутри заполненной импульсной трассы зависит от показателя адиабаты среды х внутри трассы, абсолютного давления среды Р в импульсной трассе (в кПа) и плотности среды ρ при рабочих условиях (в кг/м3).
Для воды с температурой от 20 до 100°С показатель адиабаты можно принять равным 1,327.
Кроме того чем длиннее импульсная линия, тем больше она склонна к засорению или перемерзанию. Окрашивание импульсных трасс производиться краской того же цвета, что была использована для окрашивания основного трубопровода в соответствии с указаниями ГОСТ 14202-69.
Присоединение датчика перепада к импульсным трассам осуществляется через игольчатые вентиля или специальные вентильные блоки. На одной импульсной трассе устанавливается два вентиля: один вентиль непосредственно перед датчиком перепада, второй в месте отбора импульса давления для отсоединения импульсной трассы от процесса. Первый вентиль на импульсной трассе со стороны трубопровода называется технологическим и обслуживается (заменяется, перекрывается) технологическим персоналом: аппаратчиками, водопроводчиками или газовщиками. Дополнительный уравнительный вентиль монтируется непосредственно перед датчиком перепада на перемычке, соединяющей плюсовую и минусовую импульсные трассы.
В процессе работы датчика перепада вентиля на плюсовой и минусовой трассах должны быть полностью открыты, а уравнительный вентиль полностью закрыт. При проверке датчика перепада на ноль вентиля на плюсовой и минусовой трассах закрываются, а уравнительный вентиль открывается. После чего производиться настройка нуля датчика перепада регулировочными резисторами или средствами встроенного программного обеспечения датчика. После того как настройка нуля датчика выполнена уравнительный вентиль перекрывается, а отсечные вентиля открываются. Для некоторых устаревших моделей датчиков перепада давлений, например, типа Сапфир, в первую очередь открывается вентиль на плюсовой трассе, а уже потом вентиль на минусовой трассе. Это связано с конструктивным исполнением чувствительного элемента. Современным датчикам перепада последовательность открытия плюсового и минусового вентилей безразлична.
Наиболее часто датчики перепада давления с аналоговым выходом используются совместно с напорными и сужающими устройствами для измерения расхода жидкостей, газов или пара. Но выходным сигналом датчика перепада является именно величина перепада давлений, а не расход. Для того чтобы преобразовать измеренное значение перепада давлений контролируемой среды в соответствующий этому перепаду расход применяются блоки извлечения корни. Блок извлечения корня представляет собой либо отдельное преобразовательное устройство, либо функцию внутреннего программного обеспечения датчика перепада. В случае если в датчике перепада давлений имеется и активирована функция корнеизвлечения, то выходным сигналом датчика будет уже не величина перепада, а нескорректированный расход.
Датчики перепада давления (особенно низкопредельные) довольно чувствительны к наличию вибрации в месте их установки, что проявляется в существенном знакопеременном дрейфе нуля. Для того чтобы вибрация элементов конструкций (например, трубопровода газохода) не влияла на показания датчика перепада его следует монтировать на основании не связанном механически с вибрирующими частями и в конструкции импульсных трасс по возможности должны быть предусмотрены элементы гашения вибрации. Отклонение положения установки датчика перепада от строго вертикального также может привести к уходу нуля. При наклоне датчика в сторону плюсовой камеры возникает дрейф нуля со знаком минус. При наклоне датчика в сторону минусовой камеры дрейф нуля будет со знаком плюс. Поэтому монтажная площадка для установки датчика перепада должна быть ровной и установлена строго по уровню. Датчик перепада должен быть жестко зафиксирован на монтажной площадке.
При измерении расхода пара импульсные трубки должны быть заполнены конденсатом. Если импульсные трубки (или одна из двух) не будут заполнены конденсатом до необходимого уровня, то возникнут существенные искажения показаний. Несмотря на высокую температуру пара импульсные трубки, после того как они заполнятся конденсатом, должны быть холодными. В холодное время года для увеличения скорости образования конденсата импульсные трубки охлаждают прикладыванием льда или снега. Если импульсные трубки остаются горячими необходимо проверить их на наличие утечек и на плотность закрытия уравнительного вентиля.
Датчик перепада давления может быть использован также в качестве датчика давления или датчика разряжения в зависимости от схемы подключения к процессу. Например, если плюсовую камеру датчика перепада соединить с трубопроводом с разряженной атмосферой, а вторую (минусовую) камеру датчика оставить незадействованной, т.е. сообщить с атмосферным давлением, то датчик перепада будет работать как датчик разряжения. И показывать разряжение со знаком минус. Если же плюсовую камеру датчика соединить с трубопроводом с избыточной атмосферой, а вторую (минусовую) камеру датчика оставить незадействованной, то датчик перепада будет работать как датчик давления. И показывать давление со знаком плюс.
Если минусовую камеру датчика соединить с трубопроводом с разряженной атмосферой, а вторую (плюсовую) камеру датчика оставить незадействованной, то датчик перепада будет работать как датчик разряжения, но показания будут со знаком плюс вместо минуса. Если минусовую камеру датчика соединить с трубопроводом с избыточной атмосферой, а вторую (плюсовую) камеру датчика оставить незадействованной, то датчик перепада будет работать как датчик давления, но показания будут со знаком минус вместо плюса.
Довольно широко применяются механические датчики дифференциального давления (перепада давления) для контроля степени загрязнения фильтров систем вентиляции, водоподготовки, газоснабжения и др. Конструкция механических датчиков перепада схожа с конструкцией реле давления. Единственное отличие заключается в том, что на упругодеформируемую диафрагму измеряемое давление прикладывается не с одной, а с обеих сторон.
Схема контроля чистоты фильтра работает следующим образом. Плюсовая камера дифференциального датчика давления соединяется с пространством трубы до фильтра, минусовая камера с трубой после фильтра. Если фильтр чистый, то рабочая среда (газ, воздух, вода и т.п.) беспрепятственно проходят через фильтр. Давления среды до и после фильтра практически равны. По мере загрязнения фильтра его сопротивление протекающему потоку возрастает, а значит, возрастают потери давления на фильтре. В результате давление среды после фильтра становиться меньше чем давление среды до фильтра. Возникшая разность (перепад) давлений воздействует на мембрану датчика перепада, изгибает ее в определенном направлении, что в результате приводит либо к замыканию встроенной контактной группы, либо к перемещению стрелки датчика перепада в "красную" зону.
Замкнувшийся контакт датчика перепада либо включает сигнализирующую лампу "Засорение фильтра", либо запускает схему автоматической очистки (промывки) фильтра. Нахождение стрелки датчика перепада в "красной" зоне (для датчиков перепада без выходной контактной группы) сигнализирует обслуживающему установку персоналу о необходимости проведения технического обслуживания фильтра - его очистке.
Дополнительную информацию вы можете найти в разделе "Вопрос-ответ".
Посмотреть другие статьи в том числе про измерение давления.
knowkip.ucoz.ru
Замена датчика дифференциального давления. — Mercedes Sprinter, 3.0 л., 2011 года на DRIVE2
Всем здравствуйте. Как то на днях звонит мне папа, весь перепуганный и говорит загорелся чек, машина не хочет ехать, что делать, а а а а а . :))) выясняется : машина может ехать, просто включился аварийный режим и выше 3.000 оборотов она не прет, турбина не включается. (Кстати расход сразу уменьшился, хоть прям всегда турбину отключай, для экономии. ):))))) Поехали к диагносту. Миша сказал, это залип датчик дифференциального давления, сейчас уберем ошибку, прожгем сажевый фильтр и все будет ок. Так и получилось и машинка полетела опять . Но километров через 500, а по времени где-то неделя, чек загорелся снова. Поехал опять к Мише- тоже самое. Сделали все как в прошлый раз и вперед, но через 10 мин опять загорелся чек, ну тут я понял надо искать новый датчик !
Полный размер
Стоит датчик у ОФ . 5,600, на zzap, нашел за 3,500 оригинальный.
Полный размер
Вот здесь он находится. Правда ОФ. Рекомендуют менять его вместе с резиновыми трубками, но там говна не было и я не стал.
Полный размер
Старый датчик. На нем номер другой, но они взаимно за меняемые . Датчик заменили, ошибку убрали и все стало на свои места. Все работает чик-пок.
Полный размер
Так же хотелось сказать пару слов по расходу. Заправил полный бак, комп показывает что бака 75 литров хватит на 750 км.
Полный размер
При скорости 80 км, на круизе, комп выдает расход 9,4 литра
Полный размер
Запас топлива увеличился до 804 км
Полный размер
При скорости 100 км, на тахометре 2,200 оборотов
Полный размер
После того как добрался до места загрузки. Груз составил 500 кг. Сбросил показания компа, расход почему-то еще уменьшился. Чудеса :)))))
Полный размер
При скорости 120 км, на тахографе 3.000 оборотов
Полный размер
После пробега 108 км, компьютер показывает, что полного бака еще хватит на 728 км, хотя когда заправлял под горлышко было 750 км .
Полный размер
Подведем не большой итог. После заправки полного бака проехал 108 км. Потом опять заехал на АЗС и залил опять до полного…
Полный размер
До полного бака вошло 9,89 литра. Путем не сложных, математических решений, получаем, что за пройденные 108 км, 642 двигатель съел 9,1 литр солярки . Но это по трассе и на круизе при средней скорости 80 -90 км. Ну а по городу как ни крути выходит 15 литров, ну может чуть меньше, так как лампочка загорается на 495 км и в баке остается литров 10. Как то так…
Полный размер
Запись чисто для себя, что бы не забыть на каком пробеге менял датчик 135.987 км.
Полный размер
Всем спасибо и удачи на дорогах. На последок три ТАНКИСТА ! 👍👍👍👍👍👍👍👍👍👍
www.drive2.ru
Датчик дифференциального давления: принцип работы, сфера использования
При добыче, переработке, хранении нефтепродуктов и газовых смесей основным критерием, отвечающим за качество и безопасность, является соблюдение технологического регламента производства. А это достигается путем максимально точного контроля и регулирования технологических параметров, таких как давление, расход, вязкость, уровень, температура, химический состав. Для обеспечения этого существуют приборы КИП.
Принцип работы
При измерении расхода жидкости или газа могут использоваться различные методы и приборы контроля. Одним из таких является датчик дифференциального давления. Принцип его работы заключается в том, что в трубопроводе создается препятствие потоку с помощью сужающего устройства. Поток жидкости или газа, проходя через этот участок трубопровода, меняет характеристику своего течения. Перед заужением давление возрастает, а сразу за ним оно понижается. Разница между этими характеристиками будет тем больше, чем больше расход среды, протекающей через трубу. Эти давления и измеряет датчик дифференциального давления — дифманометр. Другое название таких приборов — датчик разности давлений.
Разновидности датчиков
Конструктивно они очень разнообразные. Имеют различные принципы преобразования измеряемого параметра и разный выходной сигнал. Могут иметь табло или работать только с вторичными приборами. Раньше дифманометры были пневматическими, но на смену морально устаревшим приборам пришли электронные, в которых перепад давлений, при помощи чувствительного элемента — тензодатчика, преобразуется в унифицированный электрический токовый сигнал 0-20, 4- 20 миллиампер. Такие приборы более экономичные, надежные, более точные и имеют расширенный рабочий диапазон температур от -45 до +125 гр. С. В зависимости от предъявляемых требований, приборы подразделяются:
• по способу установки;
• подключению;
• искробезопасности;
• взрывозащите.
Область применения дифманометров
Все больше приборов контроля расхода находят применения в инженерных сетях коммунального хозяйства. Помимо своего основного предназначения, измерять расход, датчик дифференциального давления, может применяться в качестве гидростатического уровнемера. В таком случае плюсовая линия прибора устанавливается в резервуаре с измеряемым уровнем жидкости, а минусовая линия сообщается с атмосферой. Таким образом, при увеличении уровня, увеличится и перепад давлений в разных секторах измерительного блока датчика.
www.pkf4.ru
Датчик дифференциального давления ЭМИС-БАР
Описание продукции
Скачать опросный лист
Дифференциальный датчик ЭМИС
Принцип действия приборов этого типа заключается в измерении разности давлений между двумя полостями сенсора – плюсовой и минусовой. С помощью применения сужающих устройств, можно измерять расход среды. Расположенное на трубопроводе сужающее устройство, создает препятствие потоку жидкости или газа. Перед зауженным участком трубы давление потока возрастает, а после него – снижается. Чем больше будет разность показаний на входе и выходе, тем выше будет расход. Такие приборы также известны, как датчики разности или перепада давления.
Датчики дифференциального давления представлены в спецификациях:
143 с фланцевым присоединением;
153 датчик разности давления с высоким статическим давлением с фланцевым присоединением;
183 с выносной плоской мембраной;
184 с выносной погружной мембраной;
185 с одной выносной плоской, второй погружной мембраной;
193 с фланцевым присоединением, для сверхмалых перепадов.
Спецификации 186, 187, 188 являются датчиками разрежения. То есть они измеряют давление ниже атмосферного.
Преобразователь перепада давления, как и все интеллектуальные датчики линейки «ЭМИС-БАР», имеет выходные сигналы 4–20 мА + HART с DD-файлами. Все приборы поддерживаются фирменным программным обеспечением «ЭМИС-Интегратор». Кроме того, при работе с устройством доступны FDT-файлы, которые можно применять при наличии программного обеспечения DTM (DEVICE TYPE MANAGER).
Преобразователь разности давления можно заказать как в стандартном исполнении, так и в специальном. Например, в карте заказа предусмотрено исполнение AST – для применения на средах с содержанием сероводорода. При этом обращаем внимание, что данное специсполнение позволяет эксплуатировать устройство при содержании сероводорода в окружающей среде в нормальном режиме не более 10мг/м3, в аварийной ситуации до 100 мг/м3 в течение не более 1 часа. Содержание растворенного сероводорода в жидкости до 6% по объему.
Также в число дополнительных опций входит возможность внешней защитной обработки прибора, грозозащита и Госповерка.
Узнать подробности или задать вопрос Вы можете по телефону: +7 (351) 729-99-12. Либо заполните опросный лист онлайн с описанием технологического процесса, чтобы получить технико-коммерческое предложение.
emis-kip.ru
Датчики дифференциального давления D6F-PH
Благодаря цифровой технологии основная опция измерения давления в датчиках серии D6F-PH может дополняться измерением расхода воздушного (газового) потока и его температуры, а по заявке заказчика — даже детектированием аварийной ситуации по достижении температурой заданного порогового значения. Такие результаты конструирования электронных приборов, предназначенных для измерения и управления параметрами физической среды, невозможно было бы получить вне сферы стремительно развивающихся в настоящее время технологий проектирования и производства микроэлектромеханических систем (МЭМС, или Microelectromechanical Systems, MEMS).
Как и любой продукт МЭМС-технологий, датчик дифференциального давления от Omron представляет собой микросистему, объединяющую два самостоятельных компонента. Первый из них — исполненный на отдельном кристалле измерительный элемент, преобразующий контролируемые параметры физической среды в некоторый электрический сигнал. Второй — специализированная интегральная микросхема (Application Specific Integrated Circuit, ASIC), осуществляющая обработку входного и формирование выходного сигнала, содержащего информацию об измеряемом параметре.
Микрофотоснимок измерительного элемента в датчике (рис. 1а) иллюстрирует реальные размеры и топологию размещения (рис. 1б) его составных частей. Трудно представить себе, что столь совершенная измерительная система имеет габариты всего лишь 1,25х1,25х0,4 мм! При внимательном изучении рисунка в центре кристалла можно видеть выполненный по тонкопленочной технологии нагревательный элемент, о котором речь пойдет позже, и три независимых термоэлемента — А, В и базовый. Выводы этих элементов соединены с показанными на рисунке контактными площадками, предназначенными для подключения к специализированной микросхеме ASIC. Тонкая подложка измерительного элемента для обеспечения требуемой стойкости к механическим и вибрационным воздействиям соединена с керамическим основанием. В нижней части рис. 1б представлено поперечное сечение измерительного элемента, где видно, что в центральной части основания под нагревательным и термочувствительными элементами вытравлена полость, снижающая охлаждающее воздействие основания на измерительный элемент при его нагреве.
Как упоминалось выше, процесс принудительного нагрева контролируемой датчиком физической среды положен в основу действия прибора и ужесточает условия его функционирования, что связано с возникающими механическими напряжениями композитных материалов и деградацией электрических свойств незащищенных токонесущих элементов. Поэтому важно оградить измерительный элемент и от возможной химической агрессивности среды. Защитные свойства измерительного узла обеспечивают не только показанный на рисунке изолирующий слой поверх токонесущих элементов, но и используемая в компании Omron технология производства МЭМС-датчиков дифференциального давления и других продуктов аэрокосмического назначения, соответствующих самым жестким требованиям эксплуатации.
Отметим, что функционально завершенный датчик помещен производителем в исключительно компактный корпус с габаритами всего лишь 26×22×18 мм, причем со встроенными в нем чипами он мог бы быть существенно меньше, если бы не потребовались некоторые ухищрения, необходимые при конструировании конфигурации измерительного воздушного обводного канала. Отдельно данная особенность датчика будет описана далее.
Принцип функционирования
Типовая схема применения датчика дифференциального давления представлена на рис. 2, где стрелкой показано направление движения газа (воздуха) в основном канале. При этом давление на входе диафрагмы обозначено через Р1, на выходе — Р2. Для измерения дифференциального давления обводную трубку со входа диафрагмы подключают к патрубку датчика с индексом «+», с выхода — с индексом «–». Тогда измеряемое дифференциальное давление составит величину DР = Р1–Р2. Если обводные трубки подключить к измерительной диафрагме наоборот, датчик покажет результат измерения со знаком минус. Чтобы результат измерения перепада давления соответствовал истинному значению с точностью до знака, изначальное подключение обводных трубок с высоким и низким давлением должно соответствовать вышеуказанному правилу.
Рис. 2. Типовая схема применения датчика дифференциального давления
Принцип измерения дифференциального давления иллюстрирует рис. 3, показывающий распределение температурного поля в рабочем пространстве датчика, поперечное сечение конструкции которого пояснялось на рис. 1б. На рис. 3а видно, что в отсутствие движения воздуха в измерительном канале температурное поле симметрично относительно нагревательного элемента, следовательно, выходное напряжение на термоэлементах А (со стороны плюсового патрубка) и В (минусового) одинаково, их разность равна нулю. При возникновении движения воздуха в измерительном канале перпендикулярно оси нагревательного элемента (рис. 3б) температурное поле перераспределяется, при этом больший нагрев термоэлемента В вызывает возрастание напряжения на его выводах и, соответственно, меньший нагрев термоэлемента А приводит к уменьшению его выходного напряжения. Следовательно, разность напряжений на выводах термоэлементов А и В позволяет определить дифференциальное давление в основном канале транспортируемого воздуха (газа), а зная сечение канала, и расход. Такую расчетную задачу обработки данных измерения выполняет упомянутая ранее специализированная микросхема, соединенная с выводами измерительного датчика.
Рис. 3. Измерение дифференциального давления на основе перераспределения температурного поля, создаваемого нагревательным элементом в датчике D6F-PH
По своей сути данная специализированная микросхема является однокристальной микро-ЭВМ, содержащей все необходимые для ее функционирования элементы — процессор, оперативную и долговременную память с «зашитой» в ней управляющей программой, регистры хранения и обработки информации, аналого-цифровые преобразователи, интерфейс обмена информацией с внешней ЭВМ и др. Подробнее со структурой микро-ЭВМ и форматом цифровых данных, используемых в датчике, можно ознакомиться в источнике [2].
Цифровая обработка информации в датчике дифференциального давления позволяет программно устранить показанную на рис. 4 нелинейную зависимость выходного напряжения, формируемого измерительной частью. Вследствие теплового механизма проведения измерений результат нелинейно зависит как от скорости измеряемого потока, так и от колебаний температуры воздуха в некотором интервале DТ, как это обозначено на рисунке. Основываясь на дополнительных данных, получаемых от базового термоэлемента (рис. 1б), микро-ЭВМ линеаризует требуемую зависимость и выполняет температурную коррекцию с погрешностью выходных данных не хуже ±3%. Причем выходные данные формируются в виде последовательного цифрового потока формата I2C.
Рис. 4. Зависимость выходного напряжения в измерительном элементе датчика от температуры и измеряемого расхода воздуха
Результаты исследования устойчивости к пылевому загрязнению контролируемой среды датчиков дифференциального давления от различных производителей изложены в статье [3], где показано влияние не только конструктивного исполнения прибора на жизнестойкость подобных изделий, но и их ориентации в пространстве при функционировании, а также рабочего расхода воздуха при измерении. Чем он меньше, тем выше ресурс прибора. Следовательно, изначально рассчитанные на низкое дифференциальное давление датчики серии D6F-PH, дополнительно оборудованные системой BDSS и правильно сориентированные в пространстве, имеют неоспоримое преимущество перед остальными аналогами.
Устройство двунаправленного пылевого фильтра иллюстрирует рис. 5а. Запыленный воздух через входной патрубок тангенциально входит в цилиндрический корпус первого по пути движения воздуха микроциклона, соосно с которым смонтирован выходной патрубок для очищенного воздуха. Через 180° также тангенциально к корпусу микроциклона подсоединен выходной патрубок для запыленного воздуха. Аналогичный второй микроциклон включен последовательно с первым, при этом не имеет значения, какой из микроциклонов будет первым, а какой — вторым, т. е. эффективность очистки воздуха не зависит от направления движения воздуха в фильтре, что особенно важно для дифференциальных датчиков, где движение воздушного потока может происходить как в прямом, так и в обратном направлении.
Рис. 5. Устройство двунаправленного пылевого фильтра в D6F-PH
Как показано на рис. 5б, при входе в микроциклон условно выделенные оранжевым цветом частицы пыли, обладающие некоторой массой, под воздействием центробежной силы смещаются в радиальном направлении к корпусу микроциклона и, увлекаемые воздушным потоком, через патрубок выходят из первого и попадают во второй циклон. Очевидно, что в соосный с корпусом микроциклона выходной патрубок частицы пыли попасть не могут, поскольку направление движения воздуха в нем перпендикулярно по отношению к плоскости вращательного движения запыленного воздуха. Этим достигается достаточно глубокая степень очистки воздуха, подаваемого по отдельному каналу к МЭМС-датчику, что позволяет обеспечить требуемую точность и стабильность измерений.
Особенности применения и технические параметры
В
Рис. 6. Конструктивные размеры датчиков серии D6F-PH
нешний вид датчиков дифференциального давления серии D6F-PH иллюстрирует цветной коллаж на первой странице (форзаце) статьи, а их основные конструктивные параметры приведены на рис. 6. Обращает на себя внимание наличие взаимно перпендикулярно ориентированных двух пар крепежных отверстий со внутренним диаметром 2 мм, что предоставляет конструктору при проектировании измерительной установки возможность выбора различных вариантов крепления датчика. Для справки на рисунке показана фактически отсутствующая на изделии маркировка «+» и «–» патрубков, которую следует учитывать при подключении обводных трубок с высоким и низким давлением соответственно, о чем пояснялось выше. На верхней части рисунка над размерной линией 22 мм, соответствующей межосевому расстоянию крепежных отверстий, показаны штыревые электрические контакты. Для подключения к ним напряжения питания и сигнальных проводников следует использовать соответствующую ответную четырехконтактную гнездовую часть разъема и ни в коем случае не прибегать к непосредственной припайке проводников.
Для снижения погрешности измерения рекомендуется размещение подводящих обводных трубок в горизонтальной плоскости, о чем упоминалось ранее как о правильном пространственном ориентировании. Длина обводных трубок внутренним диаметром 4 мм не должна превышать 800 мм. В этом случае дополнительная погрешность измерения расхода потока контролируемой среды не превысит 1%.
Датчик должен быть прочно закреплен винтами с метрической резьбой М1,8 на плоской поверхности при ограничении вращающего момента до 0,36 нм. Неправильная установка может привести не только к возрастанию погрешности измерений, но и к повреждению датчика. Нормируемые показатели погрешностей при использовании приборов приведены в таблице 1.
Следует учитывать, что приведенный в таблице допустимый измерительный интервал дифференциального давления калибруется при стандартном атмосферном давлении 1013,25 гПа. При этом калибровочный газ (воздух) не должен содержать больших частиц пыли, нефти или сконденсировавшейся влаги.
Относительная влажность воздуха не должна превышать значения 85 %. Погрешность установки нуля в приборе и погрешность проводимых измерений в общем случае некоррелированы, и поэтому должны складываться.
Таблица 1. Технические параметры датчиков дифференциального давления серии D6F-PH
