Технологии датчиков давления

В прошлом большинство конструкций механических аналоговых датчиков давления представляли собой разновидности одной базовой технологии. Однако с переходом к электронным преобразователям появилась целая группа измерительных технологий. Должны ли вы обращать внимание на конструкцию датчика? Является ли прибор магнитным или емкостным? Происходит ли сжатие тензодатчика или давление прикладывается к кристаллу? Насколько глубоко вы должны разбираться в этом? Для большинства стандартных приложений любая технология вероятней всего справится с поставленной задачей. Однако, если вам необходима по настоящему эффективная работа, или когда речь идет об экстремальных условиях эксплуатации, некоторые датчики работают не так хорошо, как другие. При оценке технологии датчиков давления необходимо рассматривать множество параметров, включая:

  • Точность (погрешность показаний);
  • Линейность (пропорциональность изменения сигнала по отношению к изменению давления);
  • Воспроизводимость (одинаковые показания для одного и того же значения давления);

Емкостные преобразователи

Эта технология очень проста механически и подходит для измерения дифференциального, избыточного и абсолютного давления. Внутреннее электронное преобразование монотонно и имеет хорошее отношение сигнал-шум, однако датчик дифференциального давления является достаточно чувствительным к температуре, поэтому требуется коррекция выходного сигнала. Емкостные преобразователи — одни из самых точных, но в сравнении с другими технологиями они имеют узкий диапазон рабочей температуры и низкий практический максимальный диапазон давления, хотя оба показателя подходят для большинства применений.

Емкостный датчик

Мембрана подвергается воздействию измеряемой среды и располагается напротив одной или нескольких неподвижных пластин с зазором. При перемещении мембраны емкость между пластинами изменяется. Мембраны могут быть металлическими или керамическими. Емкостные приборы потребляют относительно небольшой ток, поэтому могут использоваться в беспроводных приложениях с питанием от батареи. Присущая им возможность измерения температуры часто может использоваться для получения дополнительного показателя измеряемого процесса.

  • Гистерезис (приводит к появлению «набора» показаний для одного и того же значения давления);
  • Долговечность (может выдержать много циклов измерения высокого/низкого давления);
  • Стабильность (сохраняет калибровку);
  • Защита от электромагнитных помех (невосприимчивость к локальным радиопомехам);
  • Температурный диапазон (работа при экстремальных значениях температуры измеряемой жидкости/окружающей среды);
  • Вибро- и ударопрочность (устойчивость к вибрации, ударам, скачкам давления и т.д.);
  • Практические границы диапазона (подходящие для измеряемого давления);
  • Диагностика отказов (наглядность при возникновении, возможность прерывания или загрязнения измеряемого потока);
  • Безопасность (наличие сертификата для применения в опасных зонах);
  • Потребление энергии (возможность питания от батареи);
  • Выходной сигнал (формат, аналоговый/ цифровой);
  • Материалы конструкции (диапазон температур, стойкость к коррозии);
  • Масса;
  • Стоимость.

Некоторые из этих показателей поддаются измерению и указываются в документации изготовителей, другие определить достаточно трудно. Например, для каждого датчика в каталоге будут указаны точность или температурный диапазон, но стабильность показаний или прочность гораздо сложнее определить в каких-либо цифровых показателях, позволяющих сравнивать различные приборы. Некоторые из этих коэффициентов непосредственно связаны с технологией преобразователя. Другие зависят от электроники, выполняющей обработку сигнала или конструкции корпуса датчика.

Практически все электронные технологии работают по принципу измерения перемещения мембраны, вызванного давлением с одной стороны. Датчики дифференциального давления имеют две мембраны или одну, перемещающуюся в обе стороны. Форма и компоновка мембран зависит от производителя, так же как и способы измерения перемещения.

Чаще всего используются емкостная, пьезоэлектрическая и тензорезистивная технологии, реже применяются приборы на основе резонансной частоты, электромеханические, магнитные и прочие. Каждая технология имеет свои специфические преимущества и ограничения.

Сколько вариантов конструкций?

Некоторые компании применяют одну или две технологии, но разрабатывают их достаточно широко. Другие предлагают линейки продуктов, включающие широкий набор технологий. Например, Endress+Hauser производит множество емкостных преобразователей с керамическими мембранами. «Наши керамические мембранные преобразователи Ceraphire обеспечивают очень точное и стабильное измерения давления в тяжелых условиях, — говорит Марк Репко, менеджер по продукции измерения давления. — Они работают эффективно там, где металлические мембраны часто дают сбой, например, в глубоком вакууме при высокой температуре, для измерения давления абразивной суспензии, едких химикатов и при частых перегрузках по давлению (например, при гидравлическом ударе)».

Компания Crystal Engineering разрабатывает все типы заполненных маслом пьезорезистивных датчиков на базе кремниевых кристаллов. Миранда Баттенберг, директор по маркетингу говорит: «Наши измерительные приборы являются цифровыми, следовательно, в них нет подвижных частей, подверженных влиянию вибрации, что делаетием для непрерывных производств и нефтеперерабатывающих заводов. Мембрана взаимодействует с силиконовым маслом, и чувствительный элемент воспринимает давление масла без непосредственного взаимодействия с мембраной. Достоинством такого решения является защита чувствительного элемента от повреждения, вызванного химикатами, передающимися по трубопроводу».

Компания Yokogawa изменила направление развития и сейчас вместо двух использует одну новую технологию измерения. «В 90-х годах прошлого века Yokogawa разработала уникальный цифровой преобразователь давления, заменяющий дифференциальные емкостные и пьезорезистивные датчики, — сообщает Аллен Эрвин, менеджер по измерительным преобразователям. — И пьезорезистивный и емкостной методы появились в далекие 60-е годы. Цифровой преобразователь, который мы используем в нашей линейке DP, основан на современной технологии измерения давления.Улучшение эксплуатационных характеристик — главная движущая сила большинства инноваций».

Используя электронику наряду с традиционными механическими компонентами, компания Ashcroft обеспечивает формирование цифрового сигнала на выходе аналогового пружинного манометра с непосредственным отсчетом. «Собственная конструкция Xmitr основана на преобразовании вихревого тока, — отмечает Марк Забоа, менеджер по измерительным преобразователям давления Ashcroft. — При этом механическое перемещение пружины манометра преобразуется в электрический сигнал. Шток соединен с пружиной и перемещается между двумя катушками, выдавая сигнал, пропорциональный приложенному давлению. Это позволяет пользователю наблюдать показания датчика как локально, по месту установки, так и в удаленной системе управления, используя при этом один датчик».

Другие компании используют больший спектр технологий для того, чтобы приспособить датчик к конкретным условиям. «Компания Honeywell Sensing & Control (S&C) имеет один из самых широких портфелей датчиков давления, — утверждает Ламар Ф. Рикс, общий руководитель группы по измерению давления. — В число технологий, используемых в датчиках давления S&C, входят наклеиваемый тензодатчик, наклеиваемый фольговый датчик давления, кремниевый пьезорезистор, наполненный маслом кремниевый пьезорезистор, тонкопленочный и толстопленочный преобразователи, а также приборы на базе поверхностных акустических волн».

Если существует столько различных вариантов, как вы решаете, что именно порекомендовать клиенту? «Возможно, чаще всего в датчиках давления используется кремниевая пьезорезистивная технология с заполнением маслом, — говорит Рикс. — Это очень надежная и устойчивая технология, в которой отсутствует непосредственный контакт измерительной техники со средой, что особенно подходит для использования в тяжелых условиях, и позволяет размещать датчики в корпусах из нержавеющей стали. Толстопленочный тензорезистор — достаточно новая технология, однако уже доказавшая свои уникальные преимущества для применения в ряде приложений, таких как гидравлика. Приборы на основе толстопленочной технологии обеспечивают высокую надежность и среднее время наработки на отказ в условиях динамичного изменения давления».

Пьезоэлектрические датчики

Эта технология очень разнообразна и возможны различные варианты конструкции, поэтому охарактеризовать ее точно не так просто. Диафрагма оказывает давление на кристалл, который или генерирует электрический заряд (пьезоэлектрический эффект) или изменяет сопротивление (пьeзорезистивный эффект) в зависимости от степени отклонения или давления на кристалл. Мембрана может контактировать с кристаллом непосредственно или передавать давление гидравлически через силиконовое масло. Датчики на основе этой технологии имеют различные размеры и конфигурацию. Хотя они не достигают точности емкостных датчиков, эти приборы имеют более широкий диапазон рабочей температуры и измеряемого давления. Мембраны могут быть металлическими или керамическими. Они также чувствительны к температуре и обычно имеют возможность ее измерения с целью последующей корректировки результатов измерений. Часто температура может использоваться в качестве дополнительной переменной процесса.

Как выбрать

Большинство компаний, являющихся конечными пользователями, имеют свои внутренние предпочтения по определенным производителям приборов, которые, в свою очередь, могут помочь при выборе датчика. Однако, если вы начинаете с чистого листа, как выбрать правильную технологию и быть уверенным в том, что получили прибор, походящий для вашей задачи?

«Пользователь должен активно работать с производителем, чтобы определить лучшую технологию, — утверждает Кевин Лавелл, менеджер по преобразователям давления PMT компании Ametek. — Такие показатели, как диапазон измерения давления, производительность, требования к условиям эксплуатации и отношение цена/размеры играют большую роль при выборе. Необходимо исследовать весь спектр технологий измерения давления и взвесить все доводы в пользу каждой из них перед тем, как остановиться на конкретном типе приборов».

Выбор также может быть основан на представлении, что данный тип датчиков не подходит для конкретного приложения. Изготовители обычно имеют четкое представление о приложениях, в которых следует избегать использования данной конструкции. «В конструкцию датчиков компании Turck входит керамическая диафрагма, адаптер, корпус и уплотнительный сальник, — говорит Роджер Саба, старший менеджер по линейке приборов. — В этой конструкции измеряемая среда контактирует с керамической диафрагмой, сальником и адаптером. Этот тип датчиков должен использоваться в достаточно благоприятных условиях, например, для измерения давления воздуха, чистой воды, нейтрального природного газа без необходимости обеспечивать герметичность и при среднем измеряемом давлении до 7 МПа. Эти датчики не подходят для работы с аммиаком и водородом, при добыче нефти и газа, поставке кислорода и во многих других приложениях с умеренными и жесткими условиями».

Технология или эффективность

Если конкретный прибор имеет все необходимые для вашего процесса характеристики, включая точность, диапазон, рабочую температуру и т.д., должна ли вас беспокоить технология измерения? «Сейчас более практично выбирать законченный измерительный прибор лучше всего подходящий для вашего приложения, — говорит Аллен Худ, менеджер по контрольно-измерительным приборам компании ABB. — Современная технология измерения давления дает широкие возможности выбора решений в зависимости от одного из главных ваших требований, будь это точность, материалы конструкции или другие важные свойства и функции».

Кевин Коффей, президент HBM, каждый день сталкивается с экстремальными условиями эксплуатации и понимает важность этого выбора. По его мнению, долговечность — важнейший фактор при высоких давлениях: «Датчики давления, основанные на тензорезистивной технологии, подобные тем, что поставляются HBM, отличаются от других классов, т.к. могут обеспечить высокую точность и стабильность показаний при различной температуре, для большого количества измерительных циклов при очень высоком давлении».

Тензорезисторы

Как и в технологии пьезоэлектрического эффекта, существует много типов тензорезисторных датчиков, в которых используется широкое разнообразие конструкций, включая тонкую и толстую пленку, фольгу и т.д. В тензорезистивных датчиках преобразователь обычно монтируется на металлической мембране, где происходит измерение отклонения. Такая конструкция является лучшим решением для приложений с широким диапазоном рабочих температур и высоким давлением, и чаше всего используется при экстремальных температурах или давлении в сотни и тысячи МПа. Различные технологии этой группы имеют разные требования к величине потребляемой мощности и объему цифровой обработки, необходимой для формирования выходного сигнала. Тензорезисторы особенно чувствительны к температуре, поэтому температурная коррекция показаний датчиков является стандартной операцией. Часто она может использоваться в качестве дополнительного параметра процесса.

Другие изготовители, которые имеют дело с более скромными требованиями, вероятно, сказали бы, что выбор преобразователя очень важен, но на самом деле редко кто подробно описывает используемую в датчике технологию в своей документации. Большинство пользователей и производителей понимают, что каждый подход имеет свои преимущества и недостатки. Компания, хорошо знающая характеристики определенной технологии, решает возникающие проблемы с помощью доработок конструкции или корректирующей электроники. Обработка сигнала в современных приборах усложнилась настолько, что может сгладить практически все недостатки любого датчика.

Скотт Нельсон, вице-президент департамента по приборам давления компании Emerson Rosemount, за 20 лет своей работы был свидетелем множества изменений в приборостроении. «Я вспоминаю, о чем мы говорили раньше на тренингах продавцов и презентациях: датчик был ключевым элементом, и от него зависело построение измерительного прибора, — говорит он. — Но с появлением микропроцессоров и возможности корректировать множество погрешностей с помощью электроники, датчики стали более надежными. Измерительные приборы компании Rosemount и многих наших конкурентов за 20 лет сделали огромный шаг вперед. Я не могу вспомнить, когда на встрече с представителями Mobil, Dow или Exxon мы бы обсуждали технологию измерения давления, хотя для измерения расхода или уровня это все еще актуальная тема».

Простой датчик давления может иметь гораздо больше измерительных возможностей, чем кажется на первый взгляд. «Все наши датчики имеют внутреннюю температурную компенсацию, — указывает Лавелл из компании Ametek. — На некоторых моделях температура среды измерения является дополнительным выходом датчика. Производители датчиков давления Ametek PMT наблюдают растущий спрос на многопараметрические приборы, выдающие значение статического давления, дифференциального давления и температуры с одного преобразователя. Это очень удобно, т.к. пользователь может измерить дифференциальное давление, введя компенсацию по статическому давлению и температуре, получив эти значения с одного датчика. Наши клиенты уменьшают количество датчиков, что очень важно для OEM-производителей, минимизируют число врезок в трубопровод, оптимизируют энергопотребление и снижают количество запасных частей».

Резонансная частота

Веерный датчик DP компании Yokogawa выпущен на замену устаревшим моделям. Действующая измерительная повер-Резонансная частота хность датчика является набором однокристальных кремниевых мостов площадью менее 1 мм2. Два небольших резонатора подвергнуты машинной обработке на поверхности кремниевой пластины, используя технологию MEMS (миниатюрные электромеханические системы). Эти резонаторы возбуждаются сигналом переменного тока процессора и окружающего магнитного поля. Один резонатор реагирует на растяжение, а другой — на сжатие. Когда кремниевая подложка перемещается в любом из двух направлений, частота резонатора изменяется пропорционально величине перемещения. Выходной сигнал давления генерируется на основании математического сравнения изменения частот резонатора. Поскольку кремниевый датчик может перемещаться в любом направлении, одно и то же устройство используется для измерения абсолютного и дифференциального давления.

Нельсон говорит, что эти характеристики — хорошее начало, но инженеры сегодня хотят еще больше. Он добавляет: «Вчера мы общались с заказчиками, и диалог был следующим: «Да, нам важно, насколько надежны показания вашего датчика, но мы также хотим знать, как он может помочь нам увеличить безопасность и эффективность нашего предприятия, а также использование активов». Затем обсуждение перешло к расширенной диагностике, когда мы идентифицируем, что проходит через трубопровод или находится в емкости. 22 раза в секунду мы выдаем среднее значение переменной или стандартное отклонение значения и другую информацию помимо основного значения давления. Интеллектуальность датчиков и их возможности потрясающи. Один прибор измерения давления может выдать высокоточное значение дифференциального давления, температуру среды, температуру прибора, подсчитать в реальном времени массовый расход, стандартное отклонение и показатели за определенный пользователем временной отрезок. И все это имеет такой же размер и потребляет столько же энергии как наш датчик 20 лет назад.

«Такая диагностика процесса производит большое впечатление на наших клиентов. Если на предприятии установлены тысячи датчиков давления, они могут стать своего рода стетоскопом для трубопровода, используя уже установленное оборудование для наблюдения за происходящими изменениями. Если жидкость спокойно протекает по трубопроводу через измерительную диафрагму, вы получаете хороший, стабильный сигнал. При возникновении какой-либо аварийной ситуации, когда происходят изменения характеристик протекающего материала, например воздушные, газовые пузыри и твердые частицы, увеличивается уровень шума, вычисляемый датчиком, что позволяет провести быструю диагностику и принять меры по обеспечению

В прошлом большинство конструкций механических аналоговых датчиков давления представляли собой разновидности одной базовой технологии. Однако с переходом к электронным преобразователям появилась целая группа измерительных технологий. Должны ли вы обращать внимание на конструкцию датчика? Является ли прибор магнитным или емкостным? Происходит ли сжатие тензодатчика или давление прикладывается к кристаллу? Насколько глубоко вы должны разбираться в этом? Для большинства стандартных приложений любая технология вероятней всего справится с поставленной задачей. Однако, если вам необходима по настоящему эффективная работа, или когда речь идет об экстремальных условиях эксплуатации, некоторые датчики работают не так хорошо, как другие. При оценке технологии датчиков давления необходимо рассматривать множество параметров, включая:

  • Точность (погрешность показаний);
  • Линейность (пропорциональность изменения сигнала по отношению к изменению давления);
  • Воспроизводимость (одинаковые показания для одного и того же значения давления);

Емкостные преобразователи

Эта технология очень проста механически и подходит для измерения дифференциального, избыточного и абсолютного давления. Внутреннее электронное преобразование монотонно и имеет хорошее отношение сигнал-шум, однако датчик является достаточно чувствительным к температуре, поэтому требуется коррекция выходного сигнала. Емкостные преобразователи — одни из самых точных, но в сравнении с другими технологиями они имеют узкий диапазон рабочей температуры и низкий практический максимальный диапазон давления, хотя оба показателя подходят для большинства применений.

Емкостный датчик

Мембрана подвергается воздействию измеряемой среды и располагается напротив одной или нескольких неподвижных пластин с зазором. При перемещении мембраны емкость между пластинами изменяется. Мембраны могут быть металлическими или керамическими. Емкостные приборы потребляют относительно небольшой ток, поэтому могут использоваться в беспроводных приложениях с питанием от батареи. Присущая им возможность измерения температуры часто может использоваться для получения дополнительного показателя измеряемого процесса.

  • Гистерезис (приводит к появлению «набора» показаний для одного и того же значения давления);
  • Долговечность (может выдержать много циклов измерения высокого/низкого давления);
  • Стабильность (сохраняет калибровку);
  • Защита от электромагнитных помех (невосприимчивость к локальным радиопомехам);
  • Температурный диапазон (работа при экстремальных значениях температуры измеряемой жидкости/окружающей среды);
  • Вибро- и ударопрочность (устойчивость к вибрации, ударам, скачкам давления и т.д.);
  • Практические границы диапазона (подходящие для измеряемого давления);
  • Диагностика отказов (наглядность при возникновении, возможность прерывания или загрязнения измеряемого потока);
  • Безопасность (наличие сертификата для применения в опасных зонах);
  • Потребление энергии (возможность питания от батареи);
  • Выходной сигнал (формат, аналоговый/ цифровой);
  • Материалы конструкции (диапазон температур, стойкость к коррозии);
  • Масса;
  • Стоимость.

Некоторые из этих показателей поддаются измерению и указываются в документации изготовителей, другие определить достаточно трудно. Например, для каждого датчика в каталоге будут указаны точность или температурный диапазон, но стабильность показаний или прочность гораздо сложнее определить в каких-либо цифровых показателях, позволяющих сравнивать различные приборы. Некоторые из этих коэффициентов непосредственно связаны с технологией преобразователя. Другие зависят от электроники, выполняющей обработку сигнала или конструкции корпуса датчика.

Практически все электронные технологии работают по принципу измерения перемещения мембраны, вызванного давлением с одной стороны. Датчики дифференциального давления имеют две мембраны или одну, перемещающуюся в обе стороны. Форма и компоновка мембран зависит от производителя, так же как и способы измерения перемещения.

Чаще всего используются емкостная, пьезоэлектрическая и тензорезистивная технологии, реже применяются приборы на основе резонансной частоты, электромеханические, магнитные и прочие. Каждая технология имеет свои специфические преимущества и ограничения.

Сколько вариантов конструкций?

Некоторые компании применяют одну или две технологии, но разрабатывают их достаточно широко. Другие предлагают линейки продуктов, включающие широкий набор технологий. Например, Endress+Hauser производит множество емкостных преобразователей с керамическими мембранами. «Наши керамические мембранные преобразователи Ceraphire обеспечивают очень точное и стабильное измерения давления в тяжелых условиях, — говорит Марк Репко, менеджер по продукции измерения давления. — Они работают эффективно там, где металлические мембраны часто дают сбой, например, в глубоком вакууме при высокой температуре, для измерения давления абразивной суспензии, едких химикатов и при частых перегрузках по давлению (например, при гидравлическом ударе)».

Компания Crystal Engineering разрабатывает все типы заполненных маслом пьезорезистивных датчиков на базе кремниевых кристаллов. Миранда Баттенберг, директор по маркетингу говорит: «Наши измерительные приборы являются цифровыми, следовательно, в них нет подвижных частей, подверженных влиянию вибрации, что делаетием для непрерывных производств и нефтеперерабатывающих заводов. Мембрана взаимодействует с силиконовым маслом, и чувствительный элемент воспринимает давление масла без непосредственного взаимодействия с мембраной. Достоинством такого решения является защита чувствительного элемента от повреждения, вызванного химикатами, передающимися по трубопроводу».

Компания Yokogawa изменила направление развития и сейчас вместо двух использует одну новую технологию измерения. «В 90-х годах прошлого века Yokogawa разработала уникальный цифровой преобразователь давления, заменяющий дифференциальные емкостные и пьезорезистивные датчики, — сообщает Аллен Эрвин, менеджер по измерительным преобразователям. — И пьезорезистивный и емкостной методы появились в далекие 60-е годы. Цифровой преобразователь, который мы используем в нашей линейке DP, основан на современной технологии измерения давления.Улучшение эксплуатационных характеристик — главная движущая сила большинства инноваций».

Используя электронику наряду с традиционными механическими компонентами, компания Ashcroft обеспечивает формирование цифрового сигнала на выходе аналогового пружинного манометра с непосредственным отсчетом. «Собственная конструкция Xmitr основана на преобразовании вихревого тока, — отмечает Марк Забоа, менеджер по измерительным преобразователям давления Ashcroft. — При этом механическое перемещение пружины манометра преобразуется в электрический сигнал. Шток соединен с пружиной и перемещается между двумя катушками, выдавая сигнал, пропорциональный приложенному давлению. Это позволяет пользователю наблюдать показания датчика как локально, по месту установки, так и в удаленной системе управления, используя при этом один датчик».

Другие компании используют больший спектр технологий для того, чтобы приспособить датчик к конкретным условиям. «Компания Honeywell Sensing & Control (S&C) имеет один из самых широких портфелей датчиков давления, — утверждает Ламар Ф. Рикс, общий руководитель группы по измерению давления. — В число технологий, используемых в датчиках давления S&C, входят наклеиваемый тензодатчик, наклеиваемый фольговый датчик давления, кремниевый пьезорезистор, наполненный маслом кремниевый пьезорезистор, тонкопленочный и толстопленочный преобразователи, а также приборы на базе поверхностных акустических волн».

Если существует столько различных вариантов, как вы решаете, что именно порекомендовать клиенту? «Возможно, чаще всего в датчиках давления используется кремниевая пьезорезистивная технология с заполнением маслом, — говорит Рикс. — Это очень надежная и устойчивая технология, в которой отсутствует непосредственный контакт измерительной техники со средой, что особенно подходит для использования в тяжелых условиях, и позволяет размещать датчики в корпусах из нержавеющей стали. Толстопленочный тензорезистор — достаточно новая технология, однако уже доказавшая свои уникальные преимущества для применения в ряде приложений, таких как гидравлика. Приборы на основе толстопленочной технологии обеспечивают высокую надежность и среднее время наработки на отказ в условиях динамичного изменения давления».

Пьезоэлектрические датчики

Эта технология очень разнообразна и возможны различные варианты конструкции, поэтому охарактеризовать ее точно не так просто. Диафрагма оказывает давление на кристалл, который или генерирует электрический заряд (пьезоэлектрический эффект) или изменяет сопротивление (пьeзорезистивный эффект) в зависимости от степени отклонения или давления на кристалл. Мембрана может контактировать с кристаллом непосредственно или передавать давление гидравлически через силиконовое масло. Датчики на основе этой технологии имеют различные размеры и конфигурацию. Хотя они не достигают точности емкостных датчиков, эти приборы имеют более широкий диапазон рабочей температуры и измеряемого давления. Мембраны могут быть металлическими или керамическими. Они также чувствительны к температуре и обычно имеют возможность ее измерения с целью последующей корректировки результатов измерений. Часто температура может использоваться в качестве дополнительной переменной процесса.

Как выбрать

Большинство компаний, являющихся конечными пользователями, имеют свои внутренние предпочтения по определенным производителям приборов, которые, в свою очередь, могут помочь при выборе датчика. Однако, если вы начинаете с чистого листа, как выбрать правильную технологию и быть уверенным в том, что получили прибор, походящий для вашей задачи?

«Пользователь должен активно работать с производителем, чтобы определить лучшую технологию, — утверждает Кевин Лавелл, менеджер по преобразователям давления PMT компании Ametek. — Такие показатели, как диапазон измерения давления, производительность, требования к условиям эксплуатации и отношение цена/размеры играют большую роль при выборе. Необходимо исследовать весь спектр технологий измерения давления и взвесить все доводы в пользу каждой из них перед тем, как остановиться на конкретном типе приборов».

Выбор также может быть основан на представлении, что данный тип датчиков не подходит для конкретного приложения. Изготовители обычно имеют четкое представление о приложениях, в которых следует избегать использования данной конструкции. «В конструкцию датчиков компании Turck входит керамическая диафрагма, адаптер, корпус и уплотнительный сальник, — говорит Роджер Саба, старший менеджер по линейке приборов. — В этой конструкции измеряемая среда контактирует с керамической диафрагмой, сальником и адаптером. Этот тип датчиков должен использоваться в достаточно благоприятных условиях, например, для измерения давления воздуха, чистой воды, нейтрального природного газа без необходимости обеспечивать герметичность и при среднем измеряемом давлении до 7 МПа. Эти датчики не подходят для работы с аммиаком и водородом, при добыче нефти и газа, поставке кислорода и во многих других приложениях с умеренными и жесткими условиями».

Технология или эффективность

Если конкретный прибор имеет все необходимые для вашего процесса характеристики, включая точность, диапазон, рабочую температуру и т.д., должна ли вас беспокоить технология измерения? «Сейчас более практично выбирать законченный измерительный прибор лучше всего подходящий для вашего приложения, — говорит Аллен Худ, менеджер по контрольно-измерительным приборам компании ABB. — Современная технология измерения давления дает широкие возможности выбора решений в зависимости от одного из главных ваших требований, будь это точность, материалы конструкции или другие важные свойства и функции».

Кевин Коффей, президент HBM, каждый день сталкивается с экстремальными условиями эксплуатации и понимает важность этого выбора. По его мнению, долговечность — важнейший фактор при высоких давлениях: «Датчики давления, основанные на тензорезистивной технологии, подобные тем, что поставляются HBM, отличаются от других классов, т.к. могут обеспечить высокую точность и стабильность показаний при различной температуре, для большого количества измерительных циклов при очень высоком давлении».

Тензорезисторы

Как и в технологии пьезоэлектрического эффекта, существует много типов тензорезисторных датчиков, в которых используется широкое разнообразие конструкций, включая тонкую и толстую пленку, фольгу и т.д. В тензорезистивных датчиках преобразователь обычно монтируется на металлической мембране, где происходит измерение отклонения. Такая конструкция является лучшим решением для приложений с широким диапазоном рабочих температур и высоким давлением, и чаше всего используется при экстремальных температурах или давлении в сотни и тысячи МПа. Различные технологии этой группы имеют разные требования к величине потребляемой мощности и объему цифровой обработки, необходимой для формирования выходного сигнала. Тензорезисторы особенно чувствительны к температуре, поэтому температурная коррекция показаний датчиков является стандартной операцией. Часто она может использоваться в качестве дополнительного параметра процесса.

Другие изготовители, которые имеют дело с более скромными требованиями, вероятно, сказали бы, что выбор преобразователя очень важен, но на самом деле редко кто подробно описывает используемую в датчике технологию в своей документации. Большинство пользователей и производителей понимают, что каждый подход имеет свои преимущества и недостатки. Компания, хорошо знающая характеристики определенной технологии, решает возникающие проблемы с помощью доработок конструкции или корректирующей электроники. Обработка сигнала в современных приборах усложнилась настолько, что может сгладить практически все недостатки любого датчика.

Скотт Нельсон, вице-президент департамента по приборам давления компании Emerson Rosemount, за 20 лет своей работы был свидетелем множества изменений в приборостроении. «Я вспоминаю, о чем мы говорили раньше на тренингах продавцов и презентациях: датчик был ключевым элементом, и от него зависело построение измерительного прибора, — говорит он. — Но с появлением микропроцессоров и возможности корректировать множество погрешностей с помощью электроники, датчики стали более надежными. Измерительные приборы компании Rosemount и многих наших конкурентов за 20 лет сделали огромный шаг вперед. Я не могу вспомнить, когда на встрече с представителями Mobil, Dow или Exxon мы бы обсуждали технологию измерения давления, хотя для измерения расхода или уровня это все еще актуальная тема».

Простой датчик давления может иметь гораздо больше измерительных возможностей, чем кажется на первый взгляд. «Все наши датчики имеют внутреннюю температурную компенсацию, — указывает Лавелл из компании Ametek. — На некоторых моделях температура среды измерения является дополнительным выходом датчика. Производители датчиков давления Ametek PMT наблюдают растущий спрос на многопараметрические приборы, выдающие значение статического давления, дифференциального давления и температуры с одного преобразователя. Это очень удобно, т.к. пользователь может измерить дифференциальное давление, введя компенсацию по статическому давлению и температуре, получив эти значения с одного датчика. Наши клиенты уменьшают количество датчиков, что очень важно для OEM-производителей, минимизируют число врезок в трубопровод, оптимизируют энергопотребление и снижают количество запасных частей».

Резонансная частота

Веерный датчик DP компании Yokogawa выпущен на замену устаревшим моделям. Действующая измерительная повер-Резонансная частота хность датчика является набором однокристальных кремниевых мостов площадью менее 1 мм2. Два небольших резонатора подвергнуты машинной обработке на поверхности кремниевой пластины, используя технологию MEMS (миниатюрные электромеханические системы). Эти резонаторы возбуждаются сигналом переменного тока процессора и окружающего магнитного поля. Один резонатор реагирует на растяжение, а другой — на сжатие. Когда кремниевая подложка перемещается в любом из двух направлений, частота резонатора изменяется пропорционально величине перемещения. Выходной сигнал давления генерируется на основании математического сравнения изменения частот резонатора. Поскольку кремниевый датчик может перемещаться в любом направлении, одно и то же устройство используется для измерения абсолютного и дифференциального давления.

Нельсон говорит, что эти характеристики — хорошее начало, но инженеры сегодня хотят еще больше. Он добавляет: «Вчера мы общались с заказчиками, и диалог был следующим: «Да, нам важно, насколько надежны показания вашего датчика, но мы также хотим знать, как он может помочь нам увеличить безопасность и эффективность нашего предприятия, а также использование активов». Затем обсуждение перешло к расширенной диагностике, когда мы идентифицируем, что проходит через трубопровод или находится в емкости. 22 раза в секунду мы выдаем среднее значение переменной или стандартное отклонение значения и другую информацию помимо основного значения давления. Интеллектуальность датчиков и их возможности потрясающи. Один прибор измерения давления может выдать высокоточное значение дифференциального давления, температуру среды, температуру прибора, подсчитать в реальном времени массовый расход, стандартное отклонение и показатели за определенный пользователем временной отрезок. И все это имеет такой же размер и потребляет столько же энергии как наш датчик 20 лет назад.

«Такая диагностика процесса производит большое впечатление на наших клиентов. Если на предприятии установлены тысячи датчиков давления, они могут стать своего рода стетоскопом для трубопровода, используя уже установленное оборудование для наблюдения за происходящими изменениями. Если жидкость спокойно протекает по трубопроводу через измерительную диафрагму, вы получаете хороший, стабильный сигнал. При возникновении какой-либо аварийной ситуации, когда происходят изменения характеристик протекающего материала, например воздушные, газовые пузыри и твердые частицы, увеличивается уровень шума, вычисляемый датчиком, что позволяет провести быструю диагностику и принять меры по обеспечению

Комментировать

Яндекс.Метрика