Что такое датчик дифференциального давления
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:
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:
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:
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:
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
Датчик перепада давления
2021-07-15 
Промышленное 
Комментариев нет
Датчики перепада давления применяются для контроля избыточного давления воздуха и других неагрессивных или негорючих газов. Чаще всего данный тип датчиков можно встретить в системах вентиляции и кондиционирования, где они выполняют функцию контроля за состоянием загрязнения фильтра, работы вентилятора и замерзания рекуператора.
Установка датчиков осуществляется в воздушных каналах, там, где требуется слежение за перепадом давления воздуха. В случае превышения установленных значений, срабатывает перекидной контакт реле и сигнал поступает на управляющий работой вентиляционной установки контроллер. В случае неисправности вентилятора, происходит останов системы, в случае загрязнения фильтра выдается сигнал аварии, загорается индикатор, сообщающий о необходимости замены фильтра, при этом система продолжает работать в штатном режиме.
Принцип действия
Работа датчика основана на измерении давления воздуха до и после контролируемого объекта.
При уменьшении перепада давления ниже установленного порога происходит автоматический возврат в исходное состояние.
Требуемый порог срабатывания устанавливается при помощи регулятора, расположенного под крышкой датчика, на котором нанесена шкала диапазонов в Паскалях. Точность измерения составляет обычно ±10Па (1%-5%).
Диапазоны рабочего давления указываются для установки в вертикальном положении, как рекомендуют производители. При горизонтальной установки будет погрешность в измерениях, поэтому в этом случае значение диапазона обычно увеличивают примерно на 20 Па.
На рис. показан прессостат с диапазоном измерения от 30…300 Па.
В качестве выходного электрического сигнала применяется перекидной релейный контакт.
Обычно реле перепада давления подключается к NO контакту. При увеличении давления контакты 1-3 размыкаются, контакты 2-3 соответственно замыкаются.
Максимальное избыточное/статическое давление не должно превышать 5-10 кПА.
Монтаж датчика перепада давления
Датчик предназначен для крепления на воздуховодах или стенах. Рекомендуемое пространственное положение – вертикальное.
Установка датчика должна производиться таким образом, чтобы он находился выше своих точек соединения.
Трубки подвода воздуха присоединяются к штуцерам, врезанным в корпус воздуховода в точках контроля давления, и могут иметь любую длину, однако при длине более 2 м увеличивается время срабатывания реле.
Для предотвращения накопления конденсата трубки должны подключаться так, чтобы не образовывались петли и места, в которых может скапливаться вода.
На корпусе реле давления имеются два штуцера с маркировкой «+» и «-», к которым присоединяются гибкие трубки, которые монтируются в точки измерения. При установке штуцеры должны располагаться снизу.
При контроле за состоянием загрязнения фильтра штуцер с маркировкой «+» должен подключаться перед фильтром, а штуцер с маркировкой «-» после фильтра (по движению воздуха).
Значение уставки давления на фильтре приблизительно выставляется 150-200Па.
В случае, если датчик перепада давления вентилятора используется для контроля состояния вентилятора, штуцер с маркировкой «+» подключается после вентилятора (по движению воздуха), а штуцер с маркировкой «-» соответственно перед вентилятором.
Значение уставки давления примерно 50-100Па.
При установке на рекуператоре для контроля замерзания, штуцер с маркировкой «-» подключается после рекуператора, штуцер с маркировкой «+» перед рекуператором.
Ориентировочное значение уставки составляет 400-500 Па.
Помимо электромеханических, существуют также цифровые датчики перепада давления, которые помимо релейного, имеют также аналоговый выход 0–10B и расширенный диапазон измерения.
Но на практике, значительно чаще встречаются именно электромеханические, в первую очередь в силу своей относительной дешевизны.
Датчики дифференциального (перепада) давления
Датчики дифференциального (перепада) давления применяются для преобразования перепада давления (разности давлений) в унифицированный выходной сигнал напряжения, тока или индуктивности. Наиболее популярными являются датчики с унифицированным токовым выходом (0-5 мА, 0-20 мА, 4-20 мА).
ИД-Р-ЦС-Ex датчик разности давлений
Чувствительными элементами приборов являются мембраны и тензорезисторы. Сопротивление измеряется следующим образом. К измерительной мембране крепятся тензодатчики, она изолирована от рабочей среды. Давление среды принимают на себя мембранные разделители. Пространство между измерительной и разделительными мембранами заполнено специальной жидкостью. Под воздействием давления происходит деформирование мембран разделителей, которые в свою очередь деформируют измерительную мембрану, а за ней тензорезисторы. Тензорезисторы преобразуют степень деформации в тот или иной выходной сигнал. На дифференциальный датчик давление действует с двух сторон, поэтому корпус прибора имеет два соединительных штуцера: плюсовой и минусовой. Как правило, штуцеры располагаются параллельно, но бывают модели с соосным расположением штуцеров. Датчик показывает разницу давления со знаком соответствующим штуцеру.
МИДА-ДД-15-Ех датчик разности давлений с соосным расположением штуцеров
Датчики дифференциального давления рассчитаны на измерение относительно небольших значений давления среды. Эти значения варьируются от нескольких миллиметров водяного столба до нескольких сотен килопаскаль (1 мм. вод. ст. = 0.009807 кПа). Датчики перепада соединяются с первичными преобразователями посредством импульсных трубок.
Импульсная трубка
Импульсные трубки используются для подключения различных приборов измерения давления, являются самым экономичным вариантом. Предназначение трубок – защита датчиков от чрезмерного нагрева и пульсации измеряемой среды. При монтаже импульсных трубок необходимо учесть, что импульсная линия должна быть максимально короткой, так как с ее увеличением возрастает задержка распространения импульса давления, что довольно критично для контуров регулирования интенсивно протекающих процессов.
Датчики перепада давления применяются в системах теплоснабжения, водоснабжения, вентиляции, машиностроения и иных системах требующих постоянной балансировки за счет обеспечения и поддержания перепада.
Устройство и принцип работы датчика дифференциального (перепада) давления
Это контрольно-измерительный прибор или КИП, который измеряет разность давления при помощи чувствительной мембраны. Она располагается в металлическом или пластиковом корпусе. Принцип работы датчика перепада давлений основан на воздействии газов или жидкостей на мембрану с двух сторон. Разница между давлением с одной и с другой стороны фиксируется, и эти данные передается на управляющее устройство.
Принцип работы
Устройства измерения перепада давления оснащаются первичным и вторичным элементом. К ним присоединяются подводы в виде шлангов или трубок. При этом устройство должно быть откалибровано в соответствии с их диаметром, свойствами измеряемой среды. Регулируется и чувствительность прибора.
Первичный элемент вызывает изменение кинетической энергии, создает перепад давления. Вторичный, – фиксирует разницу давлений, а тензорезисторы преобразуют ее в фактическое значение. Этот процесс основан на замере отклонения чувствительной мембраны, которая зачастую выполнена из прецизионных металлов. Они обладают определенными физическими и механическими свойствами, что обеспечивает точность определения разности давлений.
С двух сторон мембраны размещаются разделительные элементы, а пространство между ними заполнено жидкостью. Все элементы измерительного прибора рассчитаны на воздействие относительно небольшого давления. Зачастую это несколько сот килопаскаль.
Виды датчиков
Для измерения разницы давления используются различные виды датчиков. Они отличаются в зависимости от конструкции чувствительного элемента, делятся на:
Отличаются эти измерительные устройства и по материалу, из которого изготовлена мембрана. Для ее производства используются металлические сплавы (в основном титан или нержавеющая сталь), керамика или оксид алюминия, а также кремний (мембраны из этого материала дороже, отличаются высокой чувствительностью).
Где применяются
Принцип работы датчика дифференциального давления используется в различных сферах, включая автомобилестроение. Это устройство на современных машинах осуществляет контроль уровня загрязнения сажевого фильтра. Оно измеряет противодавление отработавших газов и на основании полученных параметров ЭБУ определяет, нужно ли активировать процесс регенерации (очистки путем сжигания скопившихся отложений) сажевого фильтра.
Принцип действия дифференциальных датчиков давления, устанавливаемых на автомобили, основан на измерении разницы давления выхлопных газов на входе и на выходе из сажевого фильтра. Для этого они подключаются к системе выхлопа через штуцеры силиконовыми трубками, а к ЭБУ с помощью электрического разъема.
От того, как работает датчик перепада давления, зависит расход топлива, комфорт эксплуатации автомобиля. При его поломке из-за перегрева, воздействия вибрации, засорения шлангов (к этому приводит использование топлива низкого качества) электроника сообщает водителю о неисправности, переводит автомобиль в аварийный режим работы.
Чтобы точно определить, что проблема в дифференциальном клапане, необходимо знать расшифровку кодов ошибок, которые сообщают о проблеме с измерительным элементом или провести диагностику. Даже если водитель знает, как работает дифференциальный датчик давления, устранение проблем с ним необходимо доверить опытному специалисту, чтобы не усугубить ситуацию, сэкономить время и деньги.
Датчики дифференциального давления
Говоря о всём многообразия продукции выпускаемой швейцарским заводом KELLER AG нельзя отдельно не остановиться и не выделить в отдельную группу датчики измеряющие дифференциальное давление, или как их ещё называют, датчики разности, или датчики перепада давлений.
Необходимость в применении таких датчиков вызвана необходимостью получать значения разности давлений при осуществлении очень широкого спектра задач. Наиболее часто встречаемый пример использования значения разности давлений – это измерение и контроль расхода жидкости или газа. Принцип измерения расхода основан на эффекте Вентури и был известен ещё во времена Римской Империи. Эффект Вентури заключается в падении давления жидкости или газа, когда поток протекает через суженную часть трубы. В узкой части трубы скорость течения жидкости выше, а давление меньше чем на участке трубы большего диаметра, в результате чего наблюдается разница высот столбов жидкости (дельта h); большая часть этого перепада давлений обусловлена изменением скорости течения жидкости и может быть вычислена по уравнению Бернулли.
Эффект этот достигается путём изменения сечения (конфигурации) трубы специальными устройствами, такими как: различные диафрагмы (диск со сквозным отверстием, вставленный в поток), Вентури-расходомеры, которые для измерения сужают поток жидкости, и пр.
И вот тут наступает очередь датчиков разности давления, которые, собственно, и измеряют разницу давлений одновременно в двух местах – перед сужением и в месте сужения. А таких датчиков KELLER AG предлагает далеко не один вариант! Различных серий, диапазонов, классов точности и защиты, принципов действий, Ех-применений, и сигналов выхода. Но о них чуть позже.
Есть очень много и других задач, которые требуют измерения и контроля разности давлений. Вспомним некоторые из них: получение низких температур при медленном протекании газа под действием постоянного перепада давлений сквозь дроссель (пористую перегородку); в авиационном применении в приёмниках воздушного давления для возможности определения скорости и высоты полёта; для целей неразрушающего контроля при течеискании; для оценки герметичности чистых помещений; для проверки работоспособности систем пожаротушения; для оценки энергоэффективности сооружений, систем вентиляции, пневмо и гидро систем и многие другие. А вот ещё широко востребованное применение датчиков разности — измерение уровня жидкости в ёмкостях под давлением, когда нет возможности измерить уровень другими способами (например, в котлах). В этом случае датчик дифференциального давления измеряет давления в верхней (незаполненной) и в нижней части ёмкости и выдаёт значение перепада. При изменении уровня жидкости изменяется и разность давлений. Произведение значения перепада и плотности жидкости (величина известная) и будет отображать уровень жидкости в ёмкости.
Теперь, собственно, о датчиках дифференциального давления KELLER. Их четыре серии: PD-23, PD-33Х, PD-39Х, и PD-41Х. Сразу отмечу, что на все датчики есть Свидетельство об утверждении типа средства измерений и Разрешение на применение для Ex-исполнений. Каждая из этих серий имеет свои преимущества в зависимости от специфики необходимых измерений.
Так датчик PD41Х хорош для измерений малого диапазона перепада (от 5 мбар) при этом, обеспечивается высокая точность измерений, что требуется при лабораторных исследованиях и различных испытаниях, как у отечественных наших заказчиков (напр. ЦАГИ им. Жуковского и др.), так и у зарубежных (напр. Концерн Феррари).
Датчики PD39Х хороши для измерения с высокой точностью (0,05% ВПИ) сколь угодно большого перепада давлений, т.к. в них используются два сенсора абсолютного давления KELLER объединённых общей электроникой и микропроцессором, что делает датчик максимально устойчивым к перегрузкам со стороны одной из измеряемых сред. Надо отметить, что возможна поставка, при больших количествах, такого применяемого двойного сенсора с электроникой (без корпуса) в качестве ОЕМ — решения для определённых производственных задач заказчика.
PD-23 — высокоточный датчик (0,2% ВПИ) без цифрового интерфейса, который может обеспечить измерение с частотой до 10 кГц (при выходном сигнале 0…10 V). В нём используется двусторонний сенсор KELLER серии 10, который хорошо зарекомендовал себя в различных применениях. В этом датчике, так же как и в датчике PD33Х давление воздействует на сенсор с двух сторон через технологические отверстия присоединения к процессу.
Датчик PD33Х высокоточный (0,05% ВПИ) датчик с цифровым интерфейсом универсален в своём применении. Выполнен в конструктиве аналогичном PD-23 и применением сенсора KELLER серии 10. Датчик особенно хорош для измерения перепадов не превышающих 5% от ВПИ. При этом, давление в статической линии может быть до 200 бар, а опционально до 600 бар. Как и другие датчики с цифровым интерфейсом, выдаёт значение, как давления, так и температуры, которая учитывается в алгоритмах термокомпенсации. Получаемые значения удобно наблюдать и обрабатывать с применением программного обеспечения KELLER.
Итак, как мы с вами смогли убедиться, датчики дифференциального давления KELLER максимально отвечая потребностям заказчика, обеспечивают точные и стабильные измерения требуемых величин при решении широчайшего спектра задач. Специалисты ООО «Измерение и Контроль», при необходимости, совместно с производителем, всегда готовы проконсультировать и помочь Вам подобрать датчик дифференциального давления KELLER, который наиболее подходит для решения Ваших задач.