4.1.2. Электрические датчики давления «Сапфир»

Тензорезисторные измерительные преобразователи (ИП) «Сап­фир» обеспечивают непрерывное преобразование измеряемого давления (разности давлений) в унифицированный электрический токовый сигнал для его дистанцион­ной передачи. Действие прибора основано на использовании тензометрического эффекта в полупроводниковом материале. Воздействие измеряемого параметра, преобразованное в уси­лие, вызывает изменение напряженного состояния тензорезисторов, жестко соединенных (нанесенных в виде монокристалли­ческой пленки) с чувствительным элементом тензомодуля, ко­торый размещен внутри измерительного блока первичного пре­образователя. Изменение сопротивления тензорезисторов, про­порциональное изменению величины измеряемого параметра, преобразуется встроенным электронным устройством в токовый выходной сигнал 4-20мА первичного преобразователя. Сигнал 4-20мА передается по искробезопасной двухпро­водной линии дистанционной передачи к блоку питания БПЗ-24 (по этим же проводам подает­ся питание), где преобразуется в унифицированный токо­вый выходной сигнал 0-5мА, 0-20мА или 4-20мА (в зависи­мости от исполнения прибора). ИП «Сапфир» состоит из двух конструктивных блоков: первичного преобразователя и блока питания типа БПЗ-24, связанных двухпроводной ли­нией связи. Первичные преоб­разователи включают измерительный блок, встроенное унифи­цированное электронное устройство, и различаются лишь кон­струкцией измерительных блоков. Измерительные блоки выполнены на основе тензомодулей двух типов (в зависимости от пределов измерения): мембранного (рис. 4.23) и рычажно-мембранного (рис. 4.24).

Устройство и принцип действия датчика

избыточного давления «Сапфир-22 ДИ»

Датчик САПФИР-22ДИ (рис.4.23) для измерения избыточного давления состоит из измерительного блока 4 и унифицированного электронного устройства 5. Внутри основания 2 блока 4 размещен мембранный тензопреобразователь 7, полость 8 которого заполнена кремнийорганической жидкостью и отделена от измеряемой среды гофрированной мембраной 10. Мембрана приварена по наружному контуру к основанию 2. Чувствительным элементом тензопреобразователя является пластина из монокристаллического сапфира с кремниевыми пленочными тензорезисторами, прочно соединенная с мембраной 10. Основное свойство тензорезисторов – способность изменять свое электрическое сопротивление в зависимости от степени прогиба мембраны тензопреобразователя.

Измеряемая величина (давление среды в технологическом аппарате или трубопроводе) подается в камеру 11 фланца 9 измерительного блока и через жидкость, заполняющую тензопреобразователь, воздействует на мембрану, вызывая ее прогиб и изменение электрического сопротивления тензорезисторов. Электрический сигнал от тензопреобразователя передается из измерительного блока в электронное устройство 5 по проводам через вывод 6. Электронное устройство преобразует этот сигнал в токовый выходной сигнал манометра, значение которого зависит от измеряемого давления [8].

Рис.4.23(а). Датчик САПФИР – 22ДИ

1 – прокладка; 2 – основание; 3 – полость; 4 – измерительный блок; 5 – электронное устройство;

6 – гермовывод; 7 – мембранный тензопреобразователь;

8 – полость тензопреобразователя; 9 – фланец;

10 –мембрана; 11 - камера

Рис. 4.23б. Тензометрический датчик давления

Тензорезисторный измерительный преобразователь

разности давлений «Сап­фир»

Рис. 4.24. Измерительный блок разно­сти давлений

Схема измерительного блока раз­ности давлений с тензомодулем рычажно-мембранного типа по­казана на рис. 4.24. Тензомодуль рычажно-мембранного типа 4 размещен внутри основания 2 в заполненной полиметилсилоксановой жидкостью замкнутой полости и отделен от измеряемой среды металличе­скими гофрированными мембранами 1. Мембраны по наружно­му контуру приварены к основанию и соединены между собой центральным щитком 3, который связан с концом рычага тензомодуля.

Разность давлений вызывает прогиб мембран 1 и 8 тензомодуля, а также изменение сопротивления тензорезисторов 5. Электрический сигнал с тензомодуля передается из по­лости высокого давления во встроенное электронное устройст­во 6 по проводам через герметичный вывод 7. При односторонней перегрузке рабочим давлением мембра­на 1 после дополнительного перемещения ложится на профили­рованную подушку, поэтому измерительный блок выдерживает эту перегрузку, не разрушаясь [1].

Интеллектуальные датчики давления

ЗАО «Промышленная группа «МЕТРАН»

Газовая и нефтяная, энергетическая и химическая, машиностроительная и пищевая – уже нет ни одной отрасли, где не были бы установлены и внедрены датчики давления нового поколения. Сейчас эти потребители в полной мере ощутили все преимущества интеллектуальных приборов. Однако в отечественной промышленной автоматизации подобный процесс происходит не так быстро. За рубежом разработана новая технология HART-протокол (Highway – путь; Addressable- адрес; Remote- действие на расстоянии; Transducer - преобразователь). Протокол это список согласованных правил выполнения определенных процедур (программ). Для новой технологии (HART – протокол) характерна регулярная самодиагностика в процессе эксплуатации. Востребованы не только новые приборы для измерений, но и новые средства коммуникации: HART - модемы, HART - коммуникаторы, HART - мультиплексоры, программное обеспечение для связи с компьютером. При таком комплексном подходе экономический эффект использования интеллектуальных приборов стал еще очевиднее - отдача от вложений в основные средства повысилась многократно.

При использовании новой технологии контроллеры и ПК применяются, во-первых, для облегчения работы оператора, т.к. за короткий промежуток времени обрабатывают большое количество информации. Во-вторых, могут выполнять роль «советчика», при котором рекомендуют оператору оптимальные знания режимных параметров процесса. И, в–третьих, сравнивая текущие значения параметров значения с заданными, выдают регулирующее воздействие на исполнительный механизм. Одновременно технология HART-протокола позволяет по одной паре проводов передавать и аналоговый (4-20)мА, и цифровой сигналы, что дает возможность использовать уже имеющиеся коммуникации для аналоговых сигналов. Коммуникационный протокол HART обеспечивает двухсторонний обмен информацией между интеллектуальным датчиком и управляющими устройствами: ручным портативным HART-коммуникатором Метран-650, компьютером, оснащенным HART-модемом Метран-681 и программой H-Master. ПГ «Метран» - единственная компания в России, реализовавшая комплекс интеллектуальных датчиков с международным (поддерживаемым более чем 150 производителями) протоколом обмена данными HART и русскоязычные средства коммуникации для удаленной диагностики и настройки прибора [9].

ЗАО «Метран» (г. Челябинск) – крупнейший разработчик и изготовитель современных высокоточных и надежных в эксплуатации датчиков давления, давления-разрежения, разности давлений, уровня для измерения газообразных и жидких сред в различных отраслях промышленности. Семейство датчиков «Метран» насчитывает сотни моделей и тысячи исполнений, отличающихся целевым назначением, техническими и эксплуатационными характеристиками, конструкцией и комплектацией. Реализация идеи создания семейства тензорезистивных датчиков на основе одномембранной конструкции (Метран-43,-45) приемников давления позволила получить высокую надежность и стабильность метрологических характеристик в широком интервале рабочих температур (от -40 до 70°С), повысить их виброустойчивость и обеспечить низкую чувствительность выходного сигнала датчиков разности давлений и уровня к изменению Р в широких пределах от 0 до 25 МПа. Применение трехмембранной конструкции (Метран-44,-49) позволило обеспечить коррозионную стойкость датчиков давления в агрессивных средах при тех же высоких технических параметрах. Все типы датчиков выпускаются в обыкновенном и взрывозащищенном исполнении (Ех, Вн) [9].

Датчики давления "Метран-22" полностью взаимозаменяемы с датчиками давления "Сапфир-22" по обозначениям моделей, пределам измерений, выходным сигналам, присоединительным размерам и, поэтому, легко интегрируются в существующие системы автоматизации технологических процессов.

Кроме того, комплекс датчиков давления "Метран" обеспечивает следующие преимущества перед серией датчиков "Сапфир":

• повышены точностные характеристики;

• уменьшена дополнительная температурная погрешность для всех классов точности за счет улучшения схемы термокомпенсации;

-улучшены эксплуатационные характеристики в части регулировки и подстройки диапазона измерений;

-повышена надежность за счет уменьшения числа электронных компонентов и плат;

-схемотехнические решения унифицированы с серией датчиков "Метран";

-снижены цены по сравнению с аналогичными моделями датчиков "Сапфир".

Интеллектуальные датчики давления

серии Метран – 150

Датчики «Метран» с микропроцессорным преобразователем имеют преимущества перед аналогичными датчиками с измерительным преобразователем по всем показателям: метрологическим, функциональным, эксплуатационным. В настоящее время серия более совершенных интеллектуальных датчиков давления «МЕТРАН-150» (рис.4.25) полностью заменила датчики «МЕТРАН» предыдущих поколений.

Рис. 4.25. Интеллектуальный датчик давления «МЕТРАН-150»

Характеристики датчиков давления Метран-150

Интеллектуальные датчики давления серии Метран – 150 предназначены для измерения и непрерывного преобразования в унифицированный аналоговый токовый сигнал и/или цифровой сигнал в стандарте протокола HART входных измеряемых величин:

• избыточного давления (Метран – 150 CG и Метран –150 TG);

• абсолютного давления (Метран – 150 TA);

• давления-разрежения (Метран – 150 CG);

• разности давлений (Метран – 150 CD);

• гидростатического давления (Метран – 150 CDR).

Управление параметрами датчика:

• с помощью HART – коммуникатора или компьютера;

• удаленно с помощью программы HART-Master, HART-модема и компьютера или программных средств АСУТП;

• с помощью клавиатуры и ЖКИ.

Данные датчики позволяют измерять давление таких сред как: жидкость, в том числе нефтепродукты, пар, газ в диапазонах 0 – 0,025 кПа и 0 – 68 МПа. Основная погрешность измерений до ±0,075 % от диапазона. Выпускается как в обыкновенном, так и во взрывозащищенном исполнении. Новый комплекс датчиков давления Метран-150 имеет отличные характеристики по функциональности, метрологии, надежности и стабильности. Средний срок службы – 3 года.

Классы точности: К=0,1; 0,15 ; 0,25; 0,5; 1,0.

Ниже приведены схемы установки датчика гидростатического давления и датчика разности давления (рис.4.26, 4.27).

Рис. 4.26. Схема установки датчика разности давлений Метран-150-CD при измерении уровня в закрытом резервуаре под давлением

Рис. 4.27. Схема установки датчика давления Метран-150-CDR2 (CDR3) мод. 1532, 1542, 1534, 1544 при измерении гидростатического давления в закрытом резервуаре

Устройство и принцип действия микроэлектронных

датчиков давления «МИДА»

Тензопреобразователь датчика включает: открытую приемную мембрану со штоком, которая приварена к корпусу, а ее шток соединен с измерительной мембраной, жестко закрепленный на измерительной мембране полупроводниковый чувствительный элемент, представляющий собой монокристаллическую сапфировую подложку, на поверхности которой сформированы гетероэпитаксиальные кремниевые резисторы соединенные в мостовую схему, алюминиевые проводники, разваренные на чувствительный элемент и на выводы коллектора (рис. 4.28).

Давление измеряемой среды в рабочей полости штуцера, воздействует на металлическую приемную мембрану и на полупроводниковый чувствительный элемент с четырьмя тензочувствительными резисторами, расположенными на его поверхности.

В датчиках избыточного давления, разрежения и избыточного давления-разрежения полость за чувствительным элементом сообщается с атмосферой, а в датчиках абсолютного давления – изолируется от окружающего воздуха.

Вследствие механической деформации чувствительного элемента меняется сопротивление резисторов, соединенных в мостовую схему. Мостовая схема питается стабилизированным напряжением, подаваемым с электронного блока. Изменение сопротивления плеч моста приводит к изменению напряжения, снимаемого с мостовой схемы.

Электронный блок усиливает сигнал мостовой схемы и преобразует его в требуемый унифицированный выходной сигнал датчика.

Подключение питания датчика и съем его выходного сигнала производятся с помощью кабеля связи, присоединяемого к контактной колодке [10].

Рис.4.28. Датчик МИДА.

Микроэлектронный датчик избыточного давления МИДА–ДИ–13П

Микроэлектронный датчик избыточного давления МИДА–ДИ–13П предназначен для измерения давления жидкостей и газов в общепромышленных системах контроля и регулирования, в том числе атомной энергетике (табл. 4.2).

Таблица 4.2.

Область применения	Общепромышленные системы контроля и регулирования, в том числе атомная энергетика
Рабочая среда	Жидкости и газы, неагрессивные к титановым сплавам и нержавеющим сталям
Диапазон измеряемых давлений, МПа	0-0,01; 0-0,016; 0-0,025; 0-0,04; 0-0,06; 0-0,1; 0-0,16; 0-0,25; 0-0,4; 0-0,6; 0-1; 0-1,6; 0-2,5; 0-4; 0-6; 0-10; 0-16; 0-25; 0-40; 0-60; 0-100; 0-160
Выходной сигнал	4-20 мА
Основная погрешность, не более, %	0,15; 0,2; 0,25; 0,5
Диапазон рабочих температур, С	-40+80
Дополнительная погрешность в диапазоне рабочих температур, не более, %	1,6 (для 0,15); 2,0 (для 0,2 и 0,25); 3,0 (для 0,5)
Напряжение питания, В	2036
Пылевлагозащищенность	IP65
Климатическое исполнение	У*2; УХЛ**3.1

ПГ «МИДА», г. Ульяновск

Реле давления – РД

Рис. 4.29. Реле давления

Реле давления РД (однопредельные, двухпредельные) предназначены для работы в системах контроля избыточного давления и разрежения для замыкания – размыкания электрической цепи посредством геркона при достижении заданного давления уставки (рис.4.29). Преимущества – чувствительный элемент (мембрана) и диски, контактирующие с контролируемой средой, изготовлены из сплавов 36НХТЮ и 12Х18Н10Т соответственно, что обеспечивает высокую коррозионную стойкость реле.

Принцип действия реле РД основан на передаче упругой деформации чувствительного элемента на коммутирующее устройство при воздействии давления или разрежения контролируемой среды на чувствительный элемент.

Контролируемая среда через штуцер воздействует на чувствительный элемент, который перемещает магнит, действующий своим магнитным полем на контакты геркона, замыкая или размыкая электрическую цепь.

Настройка реле на определенную уставку производится по контрольному манометру вращением регулировочной гайки.

Реле позволяет контролировать давление таких сред, как газ и жидкость в диапазоне уставок от –90 до 1600 кПа. Пределы допускаемой основной погрешности срабатывания реле: избыточного давления – не более ±1% от верхнего предела диапазона уставок; давления-разрежения – не более ±1% (для РД – 0,1 ±4%) от суммы абсолютных значений верхних пределов избыточного давления и разрежения диапазона уставок.

Таблица 4.3. Диапазон уставок срабатывания реле

Обозначение реле	Наименование	Диапазон уставок, кПа
РД-0,1	Реле давления - разрежения	минус 0,4 – минус 0,05 0,05 – 0,4
РД-2,5		минус 2,5 – минус 0,4 0,4 – 2,5
РД-12		минус 12 – минус 2,5 2,5 – 12
РД-100		минус 90 – минус 12 12 – 100
РД-400	Реле избыточного давления	80 – 400
РД-1600		400 – 1600