Под давлением

Преобразователи, или датчики давления, предназначены для непрерывного преобразования значения измеряемого параметра – давления (избыточного, разрежения, гидростатического, разности давлений, абсолютного) – в унифицированный аналоговый и/или цифровой сигнал.

В представленных на российском рынке датчиках применяются следующие основные типы чувствительных элементов (ЧЭ):

Тензопреобразователь (кремний на сапфире). При деформации ЧЭ под воздействием давления изменяется электрическое сопротивление кремниевых тензорезисторов мостовой схемы на поверхности тензопреобразователя.

Емкостная ячейка. В датчиках на базе емкостного сенсора давление через разделительные мембраны и заполняющую жидкость передается на измерительную мембрану, расположенную между пластинами конденсатора. Под давлением мембрана прогибается, и в результате изменяется электрическая емкость ячеек, образованных сенсорной мембраной и пластинами конденсатора. Генерируемый электрический сигнал преобразуется в цифровой и передается на микроконтроллер.

Кремниевый механический резонатор. В зависимости от знака приложенного давления резонатор растягивается или сжимается, и частота его собственных механических колебаний, соответственно, растет или уменьшается. Колебания механического резонатора в постоянном магнитном поле преобразуются в колебания электрического контура, и на выходе ЧЭ получается цифровой (частотный) сигнал, точно отражающий величину измеряемого давления.

В последнее время в России все большую популярность, и заслуженно, приобретают датчики давления с ЧЭ на базе емкостной ячейки или кремниевого резонатора. Они имеют явные преимущества перед преобразователями на базе тензорезисторов –
благодаря точности измерений, высокой перегрузочной способности, низкому влиянию температуры и статического давления, надежности и долговечности.

На уровне

Существует множество типов приборов для контроля и измерения уровня и границы раздела сред: емкостные, кондуктометрические, ротационные, гидростатические, ультразвуковые, термодифференциальные, волноводные, радарные, радиационные, электромеханические, вибрационные, лазерные, буйковые, поплавковые и др. Наиболее распространенные методы измерения таковы.

При поплавковом методе индикатором уровня служит поплавок. Для передачи информации от ЧЭ используются различные виды связи. Как правило, поплавок снабжен магнитом и заключен в измерительную трубу либо скользит по направляющему стержню. Снимаемый сигнал преобразуется в электрический выходной сигнал. Поплавковый метод может с успехом применяться в случае пенящихся жидкостей, и обычно он используется для измерения уровня топлива, масел, нефте­продуктов в процессе коммерческого учета.

ЧЭ емкостного уровнемера представляет собой конденсатор. Изменение уровня жидкости приводит к изменению емкости ЧЭ, преобразуемой в выходной электрический сигнал. Этот простой и дешевый метод применим и для жидких, и для сыпучих сред (размер гранул – до 5 мм). Характерное принципиальное ограничение для емкостного метода – среда должна быть однородной.

Гидростатические уровнемеры измеряют давление столба жидкости и преобразуют его в значение уровня. Фактически это дифференциальные датчики давления, и обычно они применяются для контроля уровня однородных жидкостей (вязких сред, паст) в емкостях, без существенного движения рабочей среды.

Буйковый метод. На тонущий буек действует выталкивающая сила, пропорциональная степени погружения и, соответственно, уровню жидкости. Эти уровнемеры часто применяются для измерения уровня раздела двух жидкостей. Плотность контролируемой жидкости: 0,4–2 г/см³. Обеспечивают точность 0,25–1,0%. Предел измерений – до 10 м.

Радарные уровнемеры: для зондирования рабочей зоны и определения расстояния до объекта контроля используется электромагнитное излучение СВЧ­диапазона. Целесообразно использовать для агрессивных, вязких, кристаллизующихся, пенящихся сред, где имеется риск засорения или коррозии элементов прибора.

Принцип действия волноводного уровнемера основан на технологии рефлектометрии с временным разрешением. Интервал между моментами передачи зондирующего импульса и приема эхо­сигнала пропорционален расстоянию до уровня измеряемой среды. Датчик применяется в жидких средах (нефть, темные и светлые нефтепродукты, вода, водные растворы, сжиженный газ, кислоты), причем точность измерений не зависит от диэлектрической проницаемости, плотности, температуры, давления и ph. Не следует помещать датчик в «налипающие» среды, поскольку это снизит диапазон измерений.

В последнее время находят широкое применение системы, позволяющие на базе уровнемеров (в комплекте с датчиками давления и температуры) косвенно измерять объем и массу продукта.

 

– Наше предприятие представляет на рынке емкостной датчик давления серии CDS­3151M. Модуль электроники конструктивно расположен в непосредственной близости от ЧЭ, имеющего встроенные датчик температуры и память, в которую заносятся данные характеризации модуля при изготовлении прибора. В дальнейшем эти данные используются для коррекции выходного сигнала в режиме эксплуатации и настройки датчика в случае замены измерительного блока либо модуля электроники. Корпус электроники оснащен высококонтрастным ЖК­дисплеем. Для удаленной настройки и калибровки в лабораторных условиях можно применять модем HK­HART 232, малогабаритный коммуникатор HK­HART 375 или коммуникатор Rosemount 275. Диапазон измерения: 041,37 МПа, базовая точность: 0,075.

– Отличительная особенность датчиков давления Fuji Electric – применение в качестве чувствительного элемента «плавающего микроемкостного кремниевого датчика», который позволяет существенно снизить влияние статического давления и температуры за счет уменьшения объема заполняющей жидкости в измеряемом блоке. Применение защитных либо выносных мембран позволяет применять датчики в различных отраслях промышленности. Датчики имеют выходной сигнал 4–20 мА и поддерживают протоколы FUJI, HART, а также Fieldbus Foundation H1 или Profibus PA. Выпускаются две серии датчиков FCX­AII (рис. 1) с погрешностью 0,07% и серия FCX­CII (эконом) с погрешностью 0,1%.

 

 

– Из сигнализаторов уровня можно отметить термодифференциальный прибор СУПТ 201/202 Ех (рис. 2). Принцип действия прибора основан на контроле разности температур двух терморезисторов, погруженных в контролируемую среду. Один из терморезисторов (активный) подогревается стабильным электрическим током, и его температура всегда выше температуры контролируемой среды на величину, зависящую от плотности среды или скорости ее движения. В то же время температура другого (пассивного) терморезистора всегда равна температуре контролируемой среды. Его преимущества – многофункциональность: контроль уровня, раздела сред, потока и температуры (до двух параметров одновременно).

Среди преобразователей уровня – широкий спектр буйковых (Сапфир­22МП­ДУ, Сапфир­22МП1­ДУ (рис. 3), УБ­ЭМ­1). Их особенности: микропроцессорная электронная плата; перенастройка и калибровка с трехкнопочной клавиатуры; наличие датчика температуры для автоматической коррекции погрешности; узел «буек–торсионная трубка» вместо мембранного узла ввода (Сапфир­22МП1­ДУ); датчик Холла взамен тензопреобразователя (УБ­ЭМ­1, Сапфир­22МП1­ДУ).

Из поплавковых уровнемеров отмечу РУПТ­АМ с погрешностью измерений не более ±0,15%. Датчик дополнительно определяет температуру и объем (по данным градуировочной таблицы резервуара, которые вводятся с помощью кнопочной клавиатуры) контролируемой среды с ненормированной точностью. Первичный преобразователь может быть жесткой конструкции (до 12 м) или гибкой
(4–16 м). В зависимости от плотности контролируемой жидкости и давления в резервуаре используются три типа поплавков, в т.ч. из титана. На базе РУПТ­АМ с помощью поставляемого ПО возможно создание измерительной системы на 64 резервуара.

 

Рис. 3. Сапфир­22МП1ДУ (фото ООО НПО «Ризур»)