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.

Приборы контроля параметров воздуха

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.

Пневматические тормоза подвижного состава рельсового транспорта

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.

Схема

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.

Схема

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.

Схема

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.

Схема

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:

Дифференциальный датчик давления воздуха

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.

Схема

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.

Фрагмент воздуховода

Видео по теме

Хорошая реклама
 

Ссылка на основную публикацию