Меню

Принцип работы аналогового датчика давления

Аналоговые датчики: обзор, принцип работы, сферы применения

Во время автоматизации различных рабочих процессов для качественного управления сложными механизмами и агрегатами пользователям приходится регулярно сталкиваться с фиксацией важных параметров. Чаще всего это температурные колебания, частота вращения механизма, расход газа или другой жидкости, давление, сила тока. В некоторых отраслях экспертам необходимо точно знать информацию о положении частей разных деталей. В этом случае на помощь приходит аналоговый датчик, который отличается от всех остальных многочисленными преимуществами.

Описание

Многофункциональные аналоговые датчики широко распространены в больших системах непрерывного измерения и регулирования различных показателей. Основной принцип действия таких агрегатов состоит в том, чтобы при изменении важных параметров происходила соответствующая перемена выходного сигнала.

Аналоговый датчик – это универсальный элемент измерительного, регулирующего, преобразующего, а также управляющего оснащения. Принцип использования этого устройства отличается своей доступностью и простотой. Поступающие аналоговые сигналы в обязательном порядке преобразуются прежде, чем попасть в компьютер.

Для качественной передачи данных пользователю необходимо устранить специфические проблемы, которые обусловлены электрическим сопротивлением. Сигнал по разным причинам может подвергаться зашумлению из-за нежелательных связей резистивного, емкостного либо индуктивного характера.

Характеристика

Аналоговый датчик создает специальный сигнал, который подается на вход обрабатывающего устройства. Чаще всего это порт компьютера. Большинство датчиков с преобразователем, которые используются в классических системах управления, генерируют аналоговый сигнал. Чаще всего специалисты используют устройство для решения следующих задач:

  • Параметры движения.
  • Магнитные и электрические характеристики.
  • Момент, сила, давление.
  • Расход.
  • Температура.
  • Активность химического и биохимического типа.
  • Уровень заполнения емкости.
  • Концентрация (жидкости, газа, взвешенных и растворенных веществ).

Способ подключения

Полученное при помощи аналогового датчика напряжение легко преобразуется в необходимый цифровой вид, который идеально подходит для ввода в контроллер. Для этих целей производители предусмотрели наличие специальных агрегатов АЦП. Актуальные цифровые данные в универсальном контроллере передаются параллельным либо последовательным способом. Все зависит от конкретной схемы включения.

К контроллеру аналогового датчика давления подключаются универсальные исполнительные механизмы или сам компьютер. В нижней части устройства можно увидеть классическую присоединительную резьбу, которая подходит для трубопровода. Под небольшой черной крышкой спрятан разъем для подключения линии связи с контроллером. Для герметизации необходимо использовать долговечные шайбы из отожженной меди.

Применение

Востребованный сегодня аналоговый датчик температуры активно применяется в системах автоматизации. Основное назначение такого агрегата – получить информацию о разных физических величинах. Все данные поступают в реальном масштабе времени. Используется качественное преобразование физической величины в мощный электрический сигнал, который идеально подходит для передачи по существующим линиям связи в предварительно установленный контроллер. Вся полученная информация подлежит обработке.

Чаще всего аналоговые датчики устанавливают на большом расстоянии от компьютера, из-за чего такие агрегаты часто называют полевыми устройствами. Этот термин можно увидеть в технической литературе. Чтобы правильно выполнить подключение аналогового датчика, пользователь должен знать, что агрегат состоит из нескольких основных частей. Базовым элементом является сенсор. Именно это изделие отвечает за перевод измеряемой величины в электрический сигнал. Все дальнейшие действия выполняет схема Уитстона.

Новые модели

Сегодня в продаже представлены совершенно новые изделия, которые работают на основе протокола HART. Используемый аналоговый вход агрегата пользуется огромным спросом. Сигнал находится в диапазоне от 4 до 20 А.

Скоростная связь по протоколу обеспечивается двумя основными способами. Первый вариант считается классическим, так как по надежной двухпроводной линии могут обмениваться информацией исключительно два агрегата. Этот вариант особенно актуален, когда выполняется первичная настройка датчиков.

Во втором случае к двухпроводной линии можно подсоединить сразу 14 девайсов. Итоговое количество всегда зависит от параметров линии и мощности установленного блока питания.

Параметры выходных сигналов

Этот параметр всегда тщательно изучается специалистами. Чаще всего зависимость выходного напряжения прямо пропорциональна тестируемой пользователем величине. К примеру, чем выше будет давление в трубе, тем больше ток на выходе датчика. В некоторых случаях применяется инверсное подсоединение. Большой величине выходного напряжения обязательно соответствует минимальный показатель измеряемых параметров на выходе датчика. Итоговый результат во многом зависит от применяемого контроллера.

Стоит отметить, что некоторые датчики выгодно отличаются наличием переключения с прямого на инверсный сигнал. Самым надежным считается тот вариант, когда выходной диапазон находится в пределах от 4 до 20 мА. Итоговая помехозащищенность достаточно высокая. Если нижний предел показывает 4 мА, то линия связи не оборвана. Эксперты активно используют измерительный преобразователь, который предназначен для работы с уровнями напряжения.

Конечно, одним только датчиком не обойтись. Чаще всего пользователям необходимо знать показатели давления и температуры. Количество важных точек на крупном предприятии может достигать нескольких десятков. Именно поэтому датчиков тоже нужно много.

Если контроллер был установлен в металлический шкаф, то экранирующие оплетки желательно подключать к точке заземления шкафа. Длина соединительных линий может достигать нескольких километров. Для расчета лучше использовать специализированные формулы.

Источник

Разновидности датчиков перепада давления

В процессе эксплуатации сложных и разветвлённых воздуховодов и трубопроводов из-за наличия многочисленных гидравлических сопротивлений и фитингов давление в различных участках сети изменяется. Чаще всего оно падает, что может вызывать технические и экологические проблемы (например, в сетях газораспределения). Своевременно проконтролировать и предупредить подобные явления призваны датчики (или реле) перепада давления.

Зачем необходим мониторинг перепада давлений

Датчик перепада давления, называемый ещё датчиком дифференциального давления, является составной частью различных приборов, которые измеряют поток, скорость и уровень жидкости или газа в промышленных или бытовых процессах. Они крупнее и надежнее, чем полупроводниковые, но концепция та же: измерение разности давлений на диафрагме с использованием тензометрической сети с тонкопленочными резисторами или датчиками дифференциальной емкости.

Измерение расхода и давления является одним из наиболее распространенных приложений для дифференциальных датчиков. Измеряя разницу в давлениях, когда жидкость или воздух транспортируются по трубе, можно рассчитать расход рабочей среды.

Информация о давлении воздуха также позволяет косвенно измерять другие переменные, такие как скорость воздушного потока. Важно отметить, что для любого оборудования, использующего сжатый воздух, существует максимальный безопасный уровень, выше которого поток становится опасным. При внезапном высвобождении воздух может причинить разрушение использующих его устройств. Поэтому датчики давления воздуха так же важны, как узлы управления и коммутации, устанавливаемые в воздухораспределительных сетях. Вот несколько примеров:

  1. Способность сжатого воздуха для передачи высоких уровней энергии является решающей для управления транспортными средствами. Ключевой проблемой при использовании такого рода энергии является безопасность при эксплуатации. Например, для поездов и транспортных средств большой грузоподъемности часто используются пневматические тормоза высокой эффективности и надёжности. Для поддержания их безотказной работы необходимо контролировать уровни давления.
  2. Концентрированные, контролируемые, точные уровни мощности необходимы для таких устройств, как пневматические инструменты, которые используются в современной промышленности.
  3. В медицине системы, обеспечивающие помощь дыханию пациентов, зараженных короновирусом, требуют точных стабильных во времени значений воздушных потоков. То же требование касается пневматических устройств, используемых в стоматологии.
  4. Рекомендуемые значения скоростей воздушного потока существуют для систем вентиляции и кондиционирования, которые устанавливаются в общественных зданиях и на промышленных предприятиях. Если давление и, следовательно, поток упадут ниже идеального, датчики давления воздуха зарегистрируют это изменение, после чего могут быть выполнены корректировки, устраняющие причины неисправности.

Схемы изменения перепада давления воздуха

Основным способом измерения данного параметра считается оценка разности давлений между двумя точками (например, до и после фильтра) в системе подачи или кондиционирования воздуха. С этой целью эффект от перемещающегося по воздуховоду воздуха должен быть преобразован в соответствующий электрический сигнал. Используются следующие разновидности датчиков:

  1. Тензометрические (или резистивные).
  2. Ёмкостные.
  3. Индуктивные.

Тензометрический тип устройства

Принцип действия резистивного датчика основан на следующем. Диафрагма, контактирующая с воздухом, давление которого измеряется, деформируется при увеличении давления. При этом датчики, прикрепленные к бесконтактной поверхности диафрагмы, также деформируются. Пьезорезистивный эффект, при котором сопротивление материала тензодатчика при деформации изменяется, преобразуется в электрический сигнал.

Одна сторона диафрагмы соединена с портом низкого давления, а другая сторона диафрагмы — с портом высокого давления. Диафрагма изгибается и воспринимается преобразователем как электрический сигнал, который пропорционален разности соответствующих показателей потока.

Датчик перепада давления воздуха помещается в корпус, изготовленный из нержавеющей стали или других материалов, имеющих повышенную коррозионную стойкость. Для систем вентиляции это обуславливается необходимостью работы с воздухом, имеющем повышенные показатели относительной влажности. Получаемый электрический сигнал пропускается через встроенный микропроцессор, который выдаёт аналоговый сигнал высокого разрешения (от 4 до 20 миллиампер), либо цифровой сигнал. Конструктивной особенностью такого типа устройств является наличие двух резьбовых портов, предназначенных для «высокого» и «низкого» технологических подключений. При этом верхнее резьбовое отверстие для электрического подключения обычно составляет 24 В постоянного тока.

Аналоговые и цифровые выходные сигналы передаются на управляющую панель, которая снабжается несколькими десятками (или даже сотнями) разъёмов, благодаря чему возможен компьютерный мониторинг текущего состояния прокачки воздуха в различных точках вентиляционной системы.

Ёмкостной тип устройства

Ёмкостной датчик функционирует так. Две ёмкостных контактных пластины отделены друг от друга небольшим зазором. Одна из них неподвижна, а другая, находящаяся в контакте с воздухом, действует подобно гибкой диафрагме. Повышение давления воздуха деформирует диафрагму, что сужает зазор и уменьшает ёмкость. Изменение ёмкости преобразуется в электрический сигнал.

Поскольку датчики емкостного типа некоторое время сравнивают показания текущего давления воздуха относительно предварительно заданных его значений, они работают медленнее резистивных.

Индуктивный тип устройства

В индуктивных датчиках, оценивающих перепад давления, деформация диафрагмы преобразуется в линейное движение ферромагнитного сердечника с использованием принципа индуктивности. Движение сердечника вызывает изменение индуцированного тока, который генерируется катушкой с питанием от переменного тока на другой вторичной измерительной катушке. Это изменение, в свою очередь, преобразуется в электрический сигнал. Работа такого устройства ясна из рисунка.

Индуктивные датчики срабатывают быстрее ёмкостных, но конструктивно сложнее, и нуждаются во внешнем дополнительном питании.

Конструктивные элементы устройства

Независимо от способа преобразования и передачи управляющего сигнала, в дифференциальных датчиках можно выделить следующие части:

  • Первичный элемент, посредством которого создаётся разность давлений. При этом расход воздуха в единицу времени изменяется. Наиболее распространёнными типами первичных элементов являются диафрагма, трубка Вентури, сопло или трубка Пито;
  • Вторичный элемент — собственно датчик, при помощи которого максимально точно фиксируется перепад давлений, создаваемый первичным элементом. В частности, важно, чтобы на измерение такого показателя не влияли изменения свойств воздуха, его температуры или другие параметры, например, температура окружающей среды;
  • Корпус, главное назначение которого — обеспечить максимальную защиту устройства от вредного влияния внешних факторов, в том числе, и длительно действующих (например, влажности воздуха).

Часто сюда относят также комплект передающе-коммутационных проводов, по которым сигнал передаётся на панель управления.

Внешний вид устройства, предназначенного для установки в систему вентиляции, представлен на рисунке:

Как выбрать типоразмер устройства

Исходными данными для выбора служат следующие факторы:

  1. Желаемая точность в показаниях прибора.
  2. Минимальные габаритные размеры пространства, в котором предполагается установка.
  3. Внешние условия функционирования.
  4. Необходимое быстродействие.
  5. Требования к комплектации.
  6. Трудоёмкость регламентного обслуживания.

Общая схема системы вентиляции общественного или промышленного здания довольно сложна, и включает в себя использование приборов разного назначения.

Для них требуется широкий диапазон предельных значений давления, как правило, от 2500 Па до 250 Па, при периодически возникающих запросах до 25 Па. Традиционные сенсорные изделия для поддержания необходимой производительности сенсора поддерживают только один калиброванный полный диапазон шкалы, что требует использования 3–5 или даже более отдельных систем для покрытия требуемого диапазона контролируемых величин.

Поэтому на практике преимущество получают предложения, которые позволяют при помощи одной системы перекрывать весь требуемый диапазон, поддерживая при этом оптимизированные калиброванные характеристики изменений свойств воздуха. С помощью таких устройств многообразие датчиков может быть оптимизировано при сохранении самого высокого в отрасли уровня производительности. Такие устройства, хотя и являются специфичными для определённых целей, позволяют потребителям сокращать количество самостоятельных узлов в вентиляционной системе в 3…5 раз или более, существенно экономя на стоимости материалов и энергоресурсов. Упрощается также установка и обслуживание.

Таким образом, для решения поставленных задач рассматриваемые устройства должны обеспечивать работоспособность в диапазоне давлений воздуха от 25 до 2500 Па, подключаться не менее чем к 3…5 калибрующим устройствам, обеспечивать возможность дистанционного обслуживания.

Важно использовать по месту несколько систем, оснащённых рассматриваемыми датчиками, что позволяет пользователю изменять диапазоны измерений по мере необходимости. Это обеспечивает баланс воздушных потоков в помещениях и оптимизирует производительность для каждой отдельной системы воздуховодов здания.

Видео по теме

Источник

Читайте также:  Давление шестеренчатого масляного насоса
Adblock
detector