Измерительные преобразователи (датчики) давления

 

Давление является одним из важнейших физических параметров, и его измерение необходимо как в расчетных целях, например для определения расхода, количества и тепловой энергии среды, так и в технологических целях, например для контроля и прогнозирования безопасных и эффективных гидравлических режимов напорных трубопроводов, используемых в структуре ТОУ.

Для целей современной автоматизации применяются измерительные преобразователи давления (ИПД) (рис. 4.9). По способу обработки и отображения измеряемого давления ИПД подразделяют на первичные (формируют для дистанционной передачи выходной сигнал, соответствующий измеряемому давлению) и вторичные (получают сигнал от первичных преобразователей, обрабатывают его, накапливают, отображают и передают на более высокий уровень системы). Современная тенденция развития ИПД заключается в их «интеллектуализации» на базе микроэлектронной технологии и микропроцессорной техники, предполагающей передачу части функций системы управления вторичным преобразователям, а некоторых традиционных функций вторичных преобразователей - первичным.

Известны десятки способов преобразования давления в электрический сигнал, но только некоторые из них получили широкое применение в общепромышленных ИПД. По принципу действия, или способу преобразования измеряемого давления в выходной сигнал, первичные ИПД подразделяют, прежде всего, на деформационные и электрические. В первых деформационные перемещения упругого чувствительного элемента (УЧЭ) (мембраны, сильфоны, трубки Бурдона) трансформируются с помощью дополнительных промежуточных механизмов и преобразователей (например, магнитотранзисторного или оптоэлектронного) в электрический или электромагнитный сигнал, а во вторых измеряемое давление, оказывая воздействие на чувствительный элемент, изменяет его собственные электрические параметры: сопротивление, емкость или заряд, которые становятся мерой этого давления. Подавляющее большинство современных общепромышленных ИПД реализованы на основе емкостных (используют УЧЭ в виде конденсатора с переменным зазором: смещение или прогиб под действием прилагаемого давления подвижного электрода-мембраны относительно неподвижного изменяет емкость УЧЭ), пьезоэлектрических (основаны на зависимости поляризованного заряда или резонансной частоты пьезокристаллов кварца, турмалина и других - от давления) или тензорезисторных (используют зависимость активного сопротивления проводника или полупроводника от степени его деформации) принципах. В последние годы получили развитие и другие принципы создания ИПД: волоконно-оптические, гальваномагнитные, объемного сжатия, акустические, диффузионные и т.д.

На сегодняшний день самыми популярными в России являются тензорезисторные ИПД. Тензорезисторные чувствительные элементы (ТРЧЭ) (в переводной литературе их иногда называют пьезорезисторными, не надо путать с пьезоэлектрическими) представляют собой металлическую и/или диэлектрическую измерительную мембрану, на которой размещаются тензорезисторы (чаще всего в виде уравновешенного измерительного моста) с контактными площадками для проводного подключения к внутренней или внешней электроизмерительной схеме - электронному блоку обработки. Деформация мембраны под воздействием внешнего давления Р приводит к локальным деформациям тензорезисторного моста и его разбалансу - изменению сопротивления, которое измеряется электронным блоком (рис. 4.10).

Тензорезисторы (ТР) выполняются как из металла (проволочные, фольговые или пленочные), так и из полупроводника (поликристаллические из порошкообразного полупроводника и монокристаллические из кристалла кремния). Поскольку чувствительность полупроводниковых ТР в десятки раз выше, чем у металлических, и, кроме того, интегральная технология позволяет в одном кристалле кремния формировать одновременно как тензорезисторы, так и микроэлектронный блок обработки, то в последние годы получили преимущественное развитие интегральные полупроводниковые ТРЧЭ. Такие элементы реализуются либо по технологии диффузионных резисторов с изоляцией их от проводящей кремниевой подложки р - n переходами - технология «кремний на кремнии», либо по гетероэпитаксиальной технологии «кремний на диэлектрике» на стеклокерамике, кварце или сапфире.

Для ТРЧЭ, особенно полупроводниковых, существенно влияние температуры на упругие и электрические характеристики ТР, что требует применения специальных схем температурной компенсации погрешностей (в частности, с этой целью в расширенной схеме тензомоста используются компенсационные резисторы и терморезисторы). Особенно широкое применение в изготовлении общепромышленных ИПД в силу своих высоких механических, изолирующих и теплоустойчивых качеств получила технология КНС - «кремний на сапфире».

	Емкостные

 

 

Рис. 4.9. Классификация измерительных преобразователей давления

 

По выходному сигналу ИПД подразделяются на аналоговые и цифровые. Основной парк действующих ИПД относится к аналоговым с унифицированным токовым сигналом 0...5, 0...20 или 4...20 мА. В последнее десятилетие наметился переход к ИПД с цифровым выходом. Широкое распространение получил цифровой протокол HART. Этот открытый стандартный гибридный протокол двунаправленной связи предусматривает передачу цифровой информации поверх стандартного аналогового сигнала 4-20 мА. Бурно развивается системная интеграция первичных преобразователей с использованием различных разновидностей промышленных сетей Foundation Fieldbus, ModBus, Profibus и др.). При этом используется полностью цифровой коммуникационный протокол для передачи информации в обоих направлениях между ИПД и системами управления, существенно облегчая взаимозаменяемость приборов разных мировых производителей. В отечественных цифровых ИПД пока преобладают такие цифровые интерфейсы, как ДДПК (двоично-десятичный параллельный код), ИРПС (интерфейс радиальный последовательный) и RS-232C.

 

Электронный блок

Источник питания

Рис.4.10. Структурная схема первичного тензорезисторного ИПД

 

ИПД различаются, кроме того, по видам измеряемого давления, используемым единицам измерения и ряду основных технических параметров (ГОСТ 22520-85): диапазону измеряемого давления (выбирается для каждой модели из стандартного ряда давлений), пределу основной допускаемой погрешности (определяется при нормальной температуре +25°С от верхнего предела диапазона измерения и включает в себя, как правило, погрешности от гистерезиса ЧЭ, его линейности и воспроизводимости результатов измерения), пределу дополнительной температурной погрешности (этот предел задается от изменения температуры относительно нормальной на каждые 10 или 28°С или на весь температурный диапазон работы), допустимому рабочему диапазону температур окружающей среды (иногда дополнительно указывают допустимый диапазон температур технологического процесса или измеряемой среды и корпуса прибора), динамическому диапазону измерения давлений (отношению максимального значения измеряемого давления к минимальному), стабильности метрологических характеристик во времени (как процент от верхнего предела диапазона измерения в течение 6 или 12 месяцев), устойчивости к вибрациям, защите от высокочастотных помех, климатическим и взрывозащищенным исполнениям (ГОСТ 15150-69 и ГОСТ 14254-96), требованиям к источнику питания и по другим параметрам.

В реальных условиях пользователь вынужден рассматривать различные рабочие характеристики множества ИПД, чтобы выбрать из них оптимальный для конкретных условий применения, причем этот выбор зависит от многих факторов (стоимость, точность, температура, вид среды, информационная, конструктивная и технологическая совместимость со средствами обработки верхнего уровня системы и т.д.). Выбор по единственному критерию «чем дешевле, тем лучше» чаще всего приводит к ложной экономии, если в комплексе не учитываются дополнительные затраты конкретного применения, эксплуатационные издержки и показатели надёжности.

Современные общепромышленные ИПД - это интеллектуальные, со встроенным микропроцессором, интегральные преобразователи с цифровым интерфейсом. Они обладают свойствами диагностики и конфигурирования на расстоянии (установка нуля и диапазона шкалы, выбор технических единиц, ввод данных для идентификации и физического описания датчика и т.п.), обеспечивают более высокое соотношение измеряемых диапазонов, улучшенную температурную компенсацию, повышенную основную точность. Однако это не значит, что другие ИПД уже не нужны: каждый тип ИПД имеет свою эффективную пользовательскую нишу.

Основные характеристики ряда отечественных и зарубежных промышленных ИПД приведены в табл. 4.1.

ИПД типа «МТ-100», «Сапфир-22МТ», а также микропроцессорный датчик нового поколения «Сапфир-22МП» выпускаются ЗАО «Манометр» как в обычном, так и во взрывозащищенном (с видом взрывозащиты «искробезопасная цепь» и «взрывонепроницаемая оболочка») исполнениях. Датчики выпускаются для ряда стандартных диапазонов измерения. Верхний предел измерения для всех датчиков равен диапазону измерения, нижний - нулю. Отдельные модели датчика «МТ-100» позволяют работать с температурой измеряемой среды на входе датчика до 300°С. По требованию заказчика могут изготавливаться датчики с единицами давления кгс/м², кгс/см² или бар. Питание датчиков осуществляется от блоков питания по 2- или 4-проводной линии. Датчик «Сапфир-22МТ» является аналогом ранее выпускавшегося датчика «Сапфир-22М» и отличается уменьшенной основной и дополнительной температурной погрешностью, расширенными пределами перенастройки диапазонов измерения.

 

Таблица 4.1

* ДИ – давление избыточное, ДВ – давление вакуумметрическое, ДИВ – комбинация ДИ и ДВ;

ДД – дифференциальное давление; ДА – давление абсолютное

Датчик «Сапфир-22МП» является аналогом «Сапфир-22МТ», но микропроцессорное исполнение схемы измерения позволило уменьшить основную и дополнительную температурные погрешности, а перенастройку пределов измерения, настройку на «нуль» и «диапазон» производить с выносного пульта управления с контролем вводимого параметра на табло; глубина перенастройки диапазонов увеличилась до 1:10, что позволяет в расходомерах переменного перепада давления использовать один датчик-динаманометр «Сапфир-22МП» вместо двух датчиков иного типа. Предприятием также выпускаются традиционные ИПД с выходным сигналом взаимной индуктивности и преобразователи давления цифровые сигнализирующие (ПДЦС).

Ряд датчиков давления выпускается предприятиями, входящими в объединение «Промприбор». Аналоговый ИПД «ИНСАР» использует полупроводниковый первичный преобразователь давления на основе кремниевого мембранногоТРЧЭ и позволяет заменить «Сапфир-22» при измерениях давления воздуха или газов (в том числе и агрессивных). Пьезорезонансный датчик избыточного давления «Кварц -ДИ» в качестве ЧЭ использует пьезочувствительный кварцевый резонатор - кристаллический сдвоенный микрокамертон, закрепленный на кварцевой мембране; измеряемое давление через разделительную мембрану и жидкость передается на кварцевую мембрану, вызывая ее деформацию и меняя резонансную частоту тензорезонатора. «Кварц-ДИ» отличается малыми основной (0,1-0,25 %) и дополнительной температурной (0,1% на каждые 10°С изменения температуры) погрешностями, имеет как стандартный унифицированный токовый выход, так и частотный выход. Цифровой манометр ДМ 5001 сочетает в себе качества манометра (индикация значения давления на электронном цифровом табло) и датчика (унифицированный токовый выход, а также цифровые выходы в параллельном двоично-десятичном коде уровня TTL и в стандарте последовательного интерфейса ИРПС). Комплекс датчиков «Сигнал» использует в качестве чувствительного элемента КНС-структуру - пластину монокристаллического сапфира с пленкой кремния, в котором реализованы тензорезисторы.

Промышленной группой «Метран» выпускаются датчики «Сапфир-22М», «Метран-22» и «Метран-43, -45». Первые два типа датчиков полностью взаимозаменяемы, но «Метран-22» обеспечивает повышенные точностные и эксплуатационные характеристики (улучшена регулировка и подстройка диапазона измерений, повышена надежность изделия, унифицированы схемотехнические решения). Все датчики используют «сухую» (без разделительной жидкости) конструкцию приемника давления и выпускаются в исполнениях: «общепромышленное», «искробезопасное» или «взрывонепроницаемая оболочка». По-своему интересен датчик «Метран-44» с 3-мембранной конструкцией (измерительная мембрана защищена двумя разделительными мембранами и кремнийорганической жидкостью), обеспечивающей коррозионную стойкость в химически агрессивных средах.

Большинство из уже упомянутых ИПД, при всех своих достоинствах, определяющих их широкое применение в промышленности, обладает двумя существенными недостатками: низкими интеллектуальными и интерфейсными возможностями. В этих условиях экономически оправданным может оказаться приобретение ИПД ведущих мировых производителей или их отечественных аналогов (например «Метран-1151» является аналогом интеллектуального датчика «Alphaline 1151» фирмы Fisher-Rosemount).

 

Рис.4.11. Преобразователи SITRANS Р

 

Кроме массовой модели «Alphaline 1151», в продукции Fisher-Rosemount выделяются один из самых точных общепромышленных датчиков - модель 3051, а также интеллектуальный датчик с точностью 0,2% и возможностью перестройки диапазонов измерений 20:1 и 10:1-модель 2088.

Фирма Honeywell предлагает датчики давления SMW3000 линии Smartline и ST3000 линии Fieldbus. Многопараметровый датчик SMW3000 (модель STM125) одновременно измеряет три параметра процесса: абсолютное давление и перепад давлений с одной трубной вставки (самого устройства, подключаемого к трубе) и температуру с отдельного стандартного датчика температуры - термопреобразователя сопротивления Pt 100 или термопары. Давление в приборе измеряется пьезорезистивным тензодатчиком. Микропроцессорная обработка результатов обеспечивает широкий диапазон измерений давления - 400:1 по давлению дифференциальному (ДД) и 150:1 по давлению избыточному (ДИ), повышенную точность - 0,075% в цифровом режиме передачи данных и улучшенную компенсацию по температуре - дополнительная температурная погрешность не превышает 0,0875% на каждые 28°С. Датчик дифференциального давления STD924 серии ST 3000 обеспечивает соотношение измеряемых диапазонов 16:1 и суммарную дополнительную температурную погрешность в пределах 0,4% от диапазона на каждые 28°С изменения температуры относительно номинальной.

Высоконадежные и высокоточные интеллектуальные ИПД SITRANS Р (серии MKII, DS, НК) фирмы Siemens предназначены для измерения уровня избыточного, дифференциального и абсолютного давления жидкости от 1 мбар до 4000 бар (рис. 4.11). Для различных задач можно воспользоваться различными преобразователями с разнообразными соединениями и насадками. Возможно использование местных индикаторов. Устройства SITRANS Р существуют в стандартном исполнении (выход 4-20 мА), Smart (с использованием HART) и с подключением Profibus-PA. Обеспечивается возможность бесступенчатой перестройки диапазона измерения по месту. Датчики зарегистрированы в Государственном реестре средств измерений и допущены к применению в Российской Федерации. Имеется свидетельство взрывозащищенности электрооборудования.

Датчики серии Z могут быть использованы для решения задач, не требующих высокой точности измерения, а также перестройки диапазона измерения в процессе эксплуатации. Они предназначены для измерения избыточного и абсолютного давления газов, жидкостей и пара в энергетической и машиностроительной индустрии, системах водоснабжения и т.п. и отличаются малым весом и габаритами. Датчик состоит из тонкоплёночной измерительной ячейки с керамической мембраной и электронной схемы, которые встроены в корпус из нержавеющей стали (IP65). В эксплуатации преобразователи не требуют технического обслуживания, кроме периодической проверки нуля диапазона.

 

5. ПОстроение и реализация

информационно-измерительных систем