Разновидности датчиков давления воздуха и способы их установки

В настоящее время, на современном рынке существует конструктивное многообразие измерительных устройств – датчиков давления воздуха, отвечающих за изменение такого параметра, как давление воздуха в системе. Они представляют собой элемент, физические свойства которого, показывают разное значение при изменении давления среды, которую измеряет датчик (в нашем случае воздух). Среди линейки видов данных устройств, порой сложно правильно выбрать нужную модель. Попробуем помочь разобраться с этим вопросом.

Описание и назначение

Датчики давления воздуха могут измерять изменение атмосферного давления и давление в конструктивной схеме какой — либо установки. Устройства контроля давления воздуха предназначены для непрерывного измерения и преобразования давления воздушной среды в выходной сигнал в виде напряжения или тока.

Для замеров могут использоваться механические, тепловые и электронные рабочие элементы. Последние дают более точные показания и, все чаще, находят применение в современных реалиях.

Датчик давления воздуха

Сферы применения

Одной из сфер применения датчиков является измерение колебаний атмосферного давления. Эти данные необходимы для метеорологических служб, в медицинских целях, при наблюдении за метеозависимыми больными. Замеры атмосферного давления метеорологами позволяют установить направление ветров и движение циклонных областей. Атмосферные датчики отличаются по виду рабочего элемента – ртутные и электронные.

Также, широкое применение данные устройства получили для замера давления воздуха и других газов в автомобилестроении, строительстве, химической и легкой промышленности. Любой автоматизированный промышленный процесс, зачастую, не обходится без датчиков давления.

Классификация, конструкция и принцип действия

В конструкцию любого датчика давления входят такие составляющие:

  • Преобразователь физической величины (давления) с рабочим элементом.
  • Электронная схема для обработки и усиления выходного сигнала.
  • Защитное покрытие (корпус).

Принцип действия датчика давления воздухаРассмотрим классификацию датчиков по принципу действия.

Волоконно-оптический

Представляет собой устройство, рабочим элементом которого служит нить из прозрачного материала, являющаяся переносчиком световых волн методом их отражения от стенок волокна. Данный тип устройств дает довольно точные измерения давления и не имеет зависимости от температуры окружающей среды. Диэлектрический корпус устраняет влияние электромагнитных полей на работу преобразователя. Современные оптические волокна изготавливаются из кварца.

Работа датчика основана на изменении амплитуды и направления электромагнитного поля (поляризации) световой волны, которая движется по рабочему элементу. При изменении давления, действующего на рабочий элемент, его диаметр уменьшается, а длина увеличивается на величину, измеряемую в нанометрах (нм). Деформация приводит к изменению свойств светового луча, проходящего по оптоволокну, что дает разницу в показаниях до и после приложения силы к чувствительному элементу.

Сигнал от волокно-оптического устройства поступает в специальный усилитель, который может принимать сигналы от нескольких датчиков и находиться на расстоянии от них.

Волоконно-оптический датчик

Данные устройства обладают преимуществами перед другими видами:

  • Возможность работы на расстоянии от объекта измерения.
  • Передача по одному каналу большего количества информации за больший промежуток времени (мультиплексирование).
  • Отсутствие воздействия электромагнитных помех.
  • Нет необходимости в подаче электричества в зону замеров.
  • Большой срок службы в стабильном состоянии.

К датчикам, применяющим в своей работе световые волны, можно отнести и оптоэлектронные системы. В них используются прозрачные многослойные плоскости, изменяющие свойства света под действием давления. Световая волна фиксируется фотоэлементом, который передает сигнал на электронную схему.

Магнитный

Устройство состоит из Е- образной плоскости с индуктивной катушкой и проводящей мембраны, на которую воздействует давление. Работа датчика основана на изменении электромагнитной индукции катушки при изменении зазора между плоскостью и мембраной.

Магнитный датчик

Недостатки данных преобразователей:

  • Функционирование на переменном токе.
  • Зависимость точности показаний от равномерности частоты напряжения питания.
  • Погрешность показаний при изменении температуры.
  • Влияние электромагнитных полей на показания.
  • Погрешность при изнашивании (старении) рабочих элементов.

Магнитные датчики производятся в двух исполнениях – по одинарной и дифференциальной схеме. Последняя имеет преимущества. В дифференциальном способе применяются 2 контура, которые фиксируют изменение величины электромагнитной индукции с противоположным знаком полярности. Во второй конструкции рабочий элемент с катушкой может иметь разную форму (Е- образную и цилиндрическую).

Емкостной

Данное устройство преобразует давление в изменение емкости конденсатора, выступающего в роли рабочего элемента. Специальная развязка (мультивибратор с компаратором) преобразует изменение величины емкости на рабочем элементе в выходной сигнал.

Емкостной датчик

Емкостные устройства изготавливают с одним и двумя конденсаторами. Первые более подвержены воздействию окружающей среды (влажность и температура воздуха), вторые немного сложнее в конструкции, однако делают более точные замеры.

Преобразователи имеют конструкцию с одним либо двумя электродами, расположенными в корпусе и, изолированными от него. Между камерами с электродами расположена тонкая металлическая пластина, которая, совместно с электродами, дает емкость переменного значения, подключенную в схему измерения физического параметра. При подаче воздуха с одной стороны датчика, пластина смещается, изменяется значение емкости и устройство показывает величину избыточного давления.

Датчик емкостной

Ртутный

Одним из простейших способов измерения давления воздуха либо другого газа является ртутный датчик, напоминающий формой английскую букву U. Принцип его действия основан на всем известном свойстве сообщающихся сосудов.

Через трубку вышеуказанной формы протягивается проводник, подключенный в мостовую схему, не выдающую сигнала при равнозначных сопротивлениях на обеих ветвях проводника, подключенных в схему. Половина трубки заполняется ртутью. При увеличении давления на одну из сторон трубки, с этой стороны ртуть опускается, а с обратной – поднимается. После данного физического воздействия ртутью появляется разность сопротивлений провода в одной и другой ветви, что провоцирует включение мостовой схемы и выходного сигнала.

Датчик давления воздуха нового образца

К недостаткам данного устройства относится плохая защита от механических воздействий и большие габариты.

Еще один вид ртутного датчика – чашечный барометр. Состоит из запаянной трубки, присоединенной к емкости со ртутью. При изменении атмосферного давления, увеличивается или уменьшается давление на емкость и столбик ртути в трубке.

Пьезоэлектрический

Название устройства говорит о том, что его работа основана на преобразовании энергии механического воздействия в электрическую при помощи кристаллических материалов. При давлении на такой материал, между его сторонами появляется разность потенциалов. Этот способ измерения давления удобен только при быстром изменении его величины, так как при длительном приложении постоянной силы к пьезоэлектрику, его выходной сигнал постепенно гаснет.

К достоинствам устройства относятся:

  • Простота конструкции.
  • Дешевизна.
  • Отсутствие необходимости в подаче питания.

Датчик состоит из двух пластин из пьезоматериала, между которыми находится металлический электрод, соединенный с выходной проводкой. Пластины изолированы от корпуса, служащего «массой». Гайка из диэлектрического материала отделяет выходной провод от корпуса.

Пьезоэлектрический датчик

Пьезорезонансный

Принцип действия похож на предыдущий, но в качестве рабочего элемента применяются кристаллы кварца. Кристалл крепится к рабочей пластине, передающей давление. При деформации плоскости, изменяется частота колебаний кристалла. Данные свойства дают несомненные преимущества этому виду преобразователей:

  • Точность измерений.
  • Долговечность.
  • Работа с широкой разницей температур.
  • Возможность управления сигналом микропроцессором.

Пьезорезонансные элементы получили большую популярность для точной калибровки измеряемой физической величины, применяются в газовых скважинах, барометрах.

Резистивный

Эти преобразователи недорогие и простые по конструкции. Недостатком таких датчиков служит пониженная точность измерения давления. Принцип действия заключается в изменении сопротивления резистора при надавливании на рабочий элемент.

В его состав входит пленка из полупроводникового материала, проводник со связанными электродами, пластина, создающая пространство между проводником и полупроводником, слои из диэлектриков.

При приложении силы на полупроводниковую пленку, она начинает контактировать с электродами проводника через пластину, сохраняющую зазор, датчик начинает выдавать сигнал. Эти приборы не точные, их можно применять скорее для регистрации давления, но не для его измерения.

Резистивный датчик

Советы по выбору и применению

При выборе датчика для своих потребностей нужно учитывать такие факторы:

  • Наличие воздействий на оборудование извне (электромагнитные поля, вибрации, агрессивная среда).
  • Диапазон измеряемой величины.
  • Температурные показатели измеряемого воздуха и окружающей среды.
  • Точность требуемых замеров.
  • Целесообразный тип выходного сигнала.
  • Влажность помещения, где будет установлен прибор.

Также, необходимо учесть вид измеряемого давления, его разброс, класс защиты прибора и материал корпуса.

Добавить комментарий
Adblock
detector