Магнитные

Другое название таких датчиков — индуктивные. Чувствительная часть таких датчиков состоит их Е-образной пластины, в центре которой находится катушка, и проводящей мембраны чувствительной к давлению. Мембрана располагается на небольшом расстоянии от края пластины. При подключении катушки, создается магнитный поток, который проходит через пластину, воздушный зазор и мембрану. Магнитная проницаемость зазора примерно в тысячу раз меньше магнитной проницаемости пластины и мембраны. Поэтому, даже небольшое изменение величины зазора влечет за собой заметное изменение индуктивности.

Емкостные

Имеет одну из наиболее простых конструкций. Состоит из двух плоских электродов и зазора между ними. Один из этих электродов представляет собой мембрану на которую давит измеряемое давление, вследствие, чего изменяется величина зазора. То есть, по сути, этот тип датчиков представляет собой конденсатор с изменяющейся величиной зазора. А как известно емкость конденсатора зависит от величины зазора. Емкостные датчики способны фиксировать очень маленькие изменения давления.

Ртутные

Тоже очень простой измерительный прибор. Работает по принципу сообщающихся сосудов. На один из этих сосудов давить измеряемое давление. Давление определяется по величине ртутного столба.

Пьезоэлектрические

Чувствительным элементом датчиков этого типа является пьезоэлемент — материал, выделяющий эклектический сигнал при деформации (прямой пьезоэффект). Пьезоэлемент находится в измеряемой среде, он будет выделять ток пропорциональный величине изменения давления. Так как электрический сигнал в пьезоматериале выделяется только при деформировании, а при постоянном давлении деформирование не происходит, то этот датчик пригоден только для измерения быстро меняющегося давления.

Пьезорезонансные

Этот тип тоже использует пьезоэффект, только в отличие от прошлого типа тут используется обратный пьезоэффект — изменение формы пьезоматериала в зависимости от подаваемого тока. В датчиках данного типа используется резонатор (например пластина) из пьезоматериала, на которую нанесены с двух сторон электроды. На электроды по переменно подается напряжение разного знака, таким образом пластина изгибается то в одну то в другую сторону с частотой подаваемого напряжения. Но если на эту пластину подать силу, например мембраной чувствительной к давлению, то частота колебания резонатора изменится. Частота резонатора и будет показывать величину, с которой давление давит на мембрану, а она в свою очередь давит на резонатор.

Резистивные

По-другому этот тип датчиков называет тензорезистивный. Тензорезистор — это элемент, изменяющий свое сопротивление в зависимости от деформирования. Эти тензоризисторы устанавливают на мембрану чувствительную к изменению давления. В итоге, при давлении на мембрану она изгибается и изгибает тензоризисторы, закрепленные на ней. Вследствие чего, сопротивление на них меняется и меняется величина тока в цепи.

Измерение расхода. Измерение расхода играет жизненно важную роль в промышленности. Несмотря на большую потребность в качественных датчиках расхода, точность этих устройств до сих пор оставляет желать лучшего.

Измерение объемного расхода. Объемный расход можно определить на основе скорости истечения потока. Связь между этими величинами однозначно определяется геометрией сечения трубы, где производится измерение, поэтому их взаимный пересчет легко выполняется с помощью калибровочной таблицы, поставляемой производителем датчика. Для измерения объемного расхода можно использовать следующие принципы:

-  разность давлений;

-  скорость вращения турбины;

-  распространение ультразвука в жидкости;

-  магнитную индукцию;

-  интенсивность образования вихрей.

Датчики расхода, основанные на  измерении разности давлений, работают в соответствии с законом Бернулли.  Движущаяся в трубопроводе жидкость имеет постоянный объемный расход во всех сечениях. Даже если трубопровод имеет сужение, то массовый и объемный расход должны оставаться одинаковыми. Чтобы удовлетворить законы сохранения энергии и количества движения, в месте сужения скорость и статическое давление жидкости должны отличаться от остальных сечений трубопровода.  В соответствии с законом Бернулли в месте сужения скорость движения жидкости увеличивается, а давление падает. По величине перепада давления Δp = p₁ - p₂ можно рассчитать скорость жидкости. Расход пропорционален √Δp коэффициент пропорциональности зависит от геометрии сужения. Для измерения можно использовать смещение  мембраны, возникающее из-за увеличения давления. Если мембрана соединена с магнитным сердечником дифференциального трансформатора, то выходное напряжение также будет пропорционально разности давлений и, следовательно, расходу жидкости (рис.2.7а).

Рис. 2.7. Измерение расхода по разности давлений: а - общий подход с использованием   сужения трубопровода; б - принцип трубки Вентури.

В месте сужения всегда присутствуют потери на трение, которые можно уменьшать за счет выбора гидродинамически обтекаемой формы. Примером такого устройства является трубка Вентури (рис.2.7б), которая состоит из сужающегося и расширяющегося сопел.

Расход можно измерить турбиной со счетчиком частоты вращения, поскольку он пропорционален скорости вращения. Обычно этот принцип применяется в расходомерах, которые выдают импульс при прохождении через турбину определенного количества жидкости. Такой измеритель можно использовать только для чистых жидкостей, так  как любые твердые частицы будут мешать вращению турбины.

Простой способ измерения объемного расхода основан на свойствах распространения ультразвука в жидкости. В результате ультразвукового измерения можно получить среднюю скорость жидкости, которая определяется по скорости распространения ультразвуковых волн.

Ультразвуковое измерение выполняется с помощью двух пьезоэлектрических преобразователей, помещенных по разные сторонам трубы на расстоянии (вдоль оси трубы) по крайней мере, 100 мм друг от друга; они могут работать как в режиме излучения (прямо), так и в режиме отражения.

Измерение массового расхода. Во многих случаях вместо объемного расхода или скорости жидкости необходимо знать массовый расход. Если известна плотность несжимаемой жидкости, то  массовой расход рассчитывается непосредственно по объемному с учетом, если необходимо, температуры, давления.

Многие попытки определить массовый расход на основе измерения сил и ускорений потерпели неудачу. Один принцип, однако, получил промышленное применение – это измерение массового расхода на основе гидростатического метода и влияния ускорения силы Кориолиса.

 Во вращающейся системе на массу, движущуюся вдоль радиуса, действует сила, называемая силой Кориолиса. Направление этой силы перпендикулярно  оси вращения и направлению движения массы, а ее величина пропорциональна скорости вращения и радикальной скорости массы. Эти расходомеры дают хорошие результаты, не требуя компенсации давления температуры.

В прямолинейном участке трубопровода с помощью электромагнита возбуждаются колебания, резонансные собственной частоте трубы или частоте какой-либо ее гармоники. На входе и выходе трубопровода симметрично по отношению к  электромагниту размещены приемники для определения фазы колебаний трубы. На любой элемент жидкости, текущей по трубе, будет действовать боковое ускорение. Из-за инерции этого элемента колебания на входе будут затухать. По мере прохождения элемента жидкости по трубе, он передает ей накопленную энергию, и ее колебания на выходном конце усиливаются. Фазы сигналов, измеренных на входе и выходе участка трубопровода, будут различаться; разность фаз прямо пропорциональна массовому расходу. Датчики расхода, построенные в соответствии с принципом Кориолиса, очень мало влияют на потери давления в трубопроводах.

Расходомер Кориолиса можно также использовать для измерения плотности жидкости. Для этого определяется собственная частота колебаний заполненного участка трубопровода, которая обратно пропорциональна плотности жидкости.

 Расходомеры Кориолиса – непростые устройства и требуют сложных согласующих и обрабатывающих схем. Одно и то же устройство может применяться для измерения и расхода, и плотности. Кроме того, массовые расходомеры Кориолиса не требуют сглаживающих участков труб и обладают высокой точностью (0,5% от измеряемой величины). Однако эти расходомеры чувствительны к вибрациям и имеют ограничения по способам их установки. Кроме того, они довольно дороги.

Для ведения технологических процессов большое значение имеет контроль за уровнем жидкостей и твердых сыпучих материалов в производственных аппаратах. Кроме того, зная площадь любой емкости, по величине уровня можно определить количество вещества в ней. Часто по условиям технологического процесса нет необходимости в измерении уровня по всей высоте аппарата. В таких случаях применяют узкопредельные, но более точные уровнемеры. Особую группу составляют уровнемеры, используемые только для сигнализации предельных значений уровня. Для измерения уровня жидкости применяют поплавковые, буйковые, гидростатические, ультразвуковые и акустические приборы, для измерения уровня жидкости и твердых сыпучих материалов — емкостные и радиоизотопные.

Поплавковые уровнемеры. В поплавковых уровнемерах имеется плавающий на поверхности жидкости поплавок, в результате чего измеряемый уровень преобразуется в перемещение поплавка. В таких приборах используется легкий поплавок, изготовленный из коррозионно-стойкого материала. Показывающее устройство прибора соединено с поплавком тросом или с помощью рычагов. Поплавковыми уровнемерами можно измерять уровень жидкости в открытых емкостях.

Буйковые уровнемеры. В буйковых уровнемерах (рис. 1) применяется неподвижный погруженный в жидкость буек 3. Принцип действия буйковых уровнемеров основан на том, что на погруженный буек действует со стороны жидкости выталкивающая сила F. По закону Архимеда эта сила равна весу жидкости, вытесненной буйком. Но, как видно из рис. 1, количество вытесненной жидкости зависит от глубины погружения буйка, т. е. от уровня в емкости Н. Таким образом, в буйковых уровнемерах измеряемый уровень Н преобразуется в пропорциональную ему выталкивающую силу. Поэтому зависимость выталкивающей силы от измеряемого уровня линейная. В буйковых уровнемерах УБ и УБ-Э буек передает усилие на рычаг 1 промежуточного преобразователя 2. Выходной сигнал первого уровнемера —унифицированный пневматический, второго — унифицированный электрический сигнал (постоянный ток).

Гидростатические уровнемеры. Гидростатический способ измерения уровня основан на том, что в жидкости существует гидростатическое давление, пропорциональное глубине, т. е. расстоянию от поверхности жидкости. Поэтому для измерения уровня гидростатическим способом могут быть использованы приборы для измерения давления или перепада давлений. В качестве таких приборов обычно применяют дифманометры. При включении дифманометра 1 по схеме, показанной на рис. 2, а, перепад давлений на нем будет равен гидростатическому давлению жидкости, которое пропорционально измеряемому уровню Н. Если жидкость в емкости находится под избыточным давлением, то дифманометр 1 включают по схеме, приведенной на рис. 2, б, причем его плюсовую камеру соединяют с пространством над жидкостью через уравнительный сосуд 2. Этот сосуд заполняют жидкостью, столб которой создает постоянное гидростатическое давление в плюсовой камере дифманометра. Поэтому измеряемый перепад давлений, равный разности гидростатических давлений жидкости в камерах дифманометра, будет пропорционален разности между уровнем в разделительном сосуде Нмах и измеряемым уровнем Н. Так как уровень в разделительном сосуде постоянен и известен, то его всегда можно учесть в показаниях прибора. При измерении уровня агрессивных жидкостей дифманометр защищается разделительными сосудами или мембранными разделителями, что позволяет заполнить его камеры и трубки не агрессивной жидкостью. При измерении уровня суспензий и шламов, осадки которых могут забивать импульсные трубки дифманометров, их непрерывно продувают сжатым воздухом. В этом случае дифманометр 1 включают по схеме, приведенной на рис. 2,в. Импульсные трубки все время заполнены продуваемым воздухом.

При небольшом расходе воздуха его давление и минусовой камере оказывается равным давлению над жидкостью в емкости, а в плюсовой—давлению в жидкости. Поэтому перепад давлений в дифманометре будет равен гидростатическому давлению жидкости и, следовательно, пропорционален измеряемому уровню.

 Рис.1 Буйковый уровнемер: 1 — рычаг; 2 — промежуточный преобразователь силы в унифицированный сигнал; 3 — буек.

Рис.2 Измерения уровня дифманометрами: а — в открытой емкости; б—в емкости под давлением; в — для суспензий и шламов; 1— дифманометр; 2— уравнительный сосуд.

Емкостные уровнемеры. Работа таких уровнемеров основана на различии диэлектрической проницаемости жидкостей и воздуха. Простейший первичный преобразователь емкостного прибора представляет собой электрод 1 (металлический стержень или провод), расположенный в вертикальной металлической трубке 2 (рис. 3, а). Стержень вместе с трубой образуют конденсатор. Емкость такого конденсатора зависит от уровня жидкости, так как при его изменении от нуля до максимума диэлектрическая проницаемость будет изменяться от диэлектрической проницаемости воздуха до диэлектрической проницаемости жидкости. Электрическая схема емкостного уровнемера приведена на рис. 3, б. Измерение электрической емкости первичного преобразователя Сх производится неуравновешенным мостом переменного тока, плечами которого являются индуктивности L1 и L2 емкость С1 и емкость первичного преобразователя Сх. При изменении уровня измеряется емкость Сх, что приводит к изменению выходного напряжения моста U. Емкостные уровнемеры могут измерять уровень не только жидкостей, но и твердых сыпучих материалов; извести и т. п. Большое распространение получили емкостные сигнализаторы уровня. Для повышения чувствительности их электроды устанавливают в горизонтальном положении. В этом случае погрешность измерения не превышает 3 мм. Радиоизотопные уровнемеры. Такие уровнемеры применяют для измерения уровня жидкостей и сыпучих материалов в закрытых емкостях. Их действие основано на поглощении γ-лучей при прохождении через слой вещества. В радиоизотопном уровнемере (рис. 4) источник 2 и приемник 10 излучения подвешены на стальных лентах 3, на которых они могут перемещаться в трубах 11 по всей высоте бака 1. Ленты намотаны на барабан 5, приводимый в движение реверсивным электродвигателем 7. Если измерительная система (источник и приемник γ-лучей) расположена выше уровня измеряемой среды, поглощение излучения слабое и от приемника 10 по кабелю 9 на блок управления 8 будет приходить сильный сигнал. По этому сигналу электродвигатель 7 получит команду па спуск измерительной системы.

При снижении ее ниже уровня среды поглощение γ-лучей резко увеличится, сигнал на выходе приемника уменьшится и электродвигатель начнет поднимать измерительную систему. Таким образом, положение измерительной системы будет отслеживать уровень в емкости (точнее, она будет находиться в непрерывном колебании около измеряемого уровня). Это положение в виде угла поворота ролика 4 преобразуется измерительным устройством 6 в унифицированный сигнал — напряжение постоянного тока U. Радиоизотопные уровнемеры типа УР-8 могут измерять уровень в емкостях высотой до 10 м. Аналогичный принцип использован в радиоизотопном сигнализаторе уровня ГР-8, источник и приемник излучения которого укрепляют снаружи емкости на необходимой высоте. При достижении измеряемой средой этого уровня включается сигнальное устройство. Ультразвуковые и акустические уровнемеры. Действие уровнемеров этого типа основано на измерении времени прохождения импульса ультразвука от излучателя до поверхности жидкости и обратно. При приеме отраженного импульса излучатель становится датчиком. Если излучатель 1 (рис. 5) расположен над жидкостью, уровнемер называется акустическим; если внутри жидкости ультразвуковым. В первом случае измеряемое время будет тем больше, чем ниже уровень жидкости Н, во втором — наоборот. Электронный блок 2 служит для формирования излучаемых ультразвуковых импульсов, усиления отраженных импульсов, измерения времени прохождения импульсом двойного пути (в воздухе или жидкости) и преобразования этого времени в унифицированный электрический сигнал. Например, акустический уровнемер ЭХО-1 используется для измерения уровня неоднородных (с переменной по высоте плотностью), кристаллизующихся и выпадающих в осадок жидкостей в банках высотой до 3 м и имеет выходной сигнал в виде постоянного тока.

Емкостный уровнемер: а — устройство датчика; б — электрическая схема уровнемера; 1— электрод; 2 – труба.

Радиоизотопный уровнемер: 1— бак; 2—источник излучения; 3—стальные ленты; 4— ролик; 5—барабан; 6— измерительное устройство; 7— реверсивный электродвигатель; 8 — блок управления; 9 — кабель; 10 — приемник излучения; 11 — трубы.

Ультразвуковой и акустический уровнемеры: 1 — излучатель; 2 — электронный блок.