1.4.4. Датчики давления

Датчик давления – устройство, физические параметры которого изменяются в зависимости от давления измеряемой среды (жидкости, газы, пар). В датчиках давление измеряемой среды преобразуется в унифицированный пневматический, электрический сигналы или цифровой код.

В системах ТГиВ наибольшее распространение нашли преобразователи (датчики) давления типа «Сапфир-22» [3]. Преобразователи этого типа служат: для измерения абсолютного давления «Сапфир-22ДА», причем различные модели имеют верхние пределы измерений от 2,5 кПа до 16 МПа; измерения избыточного давления «Сапфир-22ДИ» с верхними пределами измерений от 0,25 до 100 МПа; измерения вакуума «Сапфир 22ДВ» с верхними пределами измерений от 0,25 до 100 кПа и др.

Для примера рассмотрим схему преобразователя «Сапфир-22ДИ» (рис. 1.10), предназначенного для измерения избыточного давления. Преобразователь состоит из измерительного блока и электронного устройства.

Рис. 1.10. Преобразователь «Сапфир-22ДИ»

Чувствительным элементом (ЧЭ) преобразовательного блока является мембранный полупроводниковый преобразователь 3, размещенный внутри основания 9. ЧЭ выполняется на основе пластины из монокристаллического сапфира с кремниевыми пленочными тензорезисторами (структура КНС – кремний на сапфире), прочно соединенной с металлической мембраной. Внутренняя полость 4 тензопреобразователя заполнена кремнийорганической жидкостью и отделена от измеряемой среды металлической гофрированной мембраной 6, приваренной по наружному контуру к основанию 9. Измеряемое давление подается в камеру фланца 5. Между основанием 9 и фланцем помещена уплотняющая прокладка 8. Полость 10 сообщена с окружающей атмосферой.

Измеряемое давление воздействует на мембрану 6 и через жидкость передается на мембрану тензопреобразователя 3, вызывая ее прогиб и соответствующее изменение сопротивления тензорезисторов, соединенных в мостовую схему. Электрический сигнал по проводам через герметический вывод 2 поступает в электронный блок 1, который содержит корректоры для плавной подстройки диапазона и нуля выходного сигнала. При измерении абсолютного давления полость 10 откачивается и герметизируется. Как при измерении избыточного давления, так и абсолютного давления в данной конструкции измеряемое давление воздействует через жидкость непосредственно на мембрану тензопреобразователя.

Выходной сигнал преобразователей аналоговый и может быть в диапазонах 0 – 5, 0 – 20, 4 – 20 мА. Предел допускаемой основной погрешности преобразователей составляет 0,25 и 0,5 %.

В 1992 году компанией «Метран» г. Челябинск был создан датчик давления нового поколения «Метран–45», а в 2001 году – первый серийный интеллектуальный микропроцессорный датчик Метран –100 [4].

Датчики давления Метран-100 предназначены для работы в системах автоматического контроля, регулирования и управления технологическими процессами. Они обеспечивают непрерывное преобразование измеряемых величин – давления избыточного, абсолютного, разрежения, давления – разрежения, разности давлений, гидростатического давления нейтральных и агрессивных сред в унифицированный токовый выходной сигнал дистанционной передачи, цифровой сигнал на базе HART-протокола, цифровой сигнал на базе интерфейса RS-485 с протоколами обмена ICP или Modbus [5].

Датчики моделей 1110 – 1173 охватывают максимальный верхний предел измерения от 0,04 кПа до 100 МПа.

Для примера на рис. 1.11 представлена конструкция датчиков избыточного давления моделей 1131, 1141, датчиков разрежения моделей 1231, 1241, датчиков давления-разрежения моделей 1331, 1341.

Сенсорный блок датчика состоит из корпуса 1, рычажного тензопреобразователя 2, измерительной мембраны 3, жесткого центра со штоком 4, электронного преобразователя 5, штуцера 6.

В датчиках моделей 1131, 1141 измеряемое избыточное давление Р воздействует на мембрану 3 и преобразуется в усилие на жестком центре, которое через шток 4 передается на рычаг тензопреобразователя 2. Перемещение конца рычага вызывает деформацию измерительной мембраны тензопреобразователя. На измерительной мембране размещены тензорезисторы. Тензорезисторы соединены в мостовую схему. Деформация измерительной мембраны вызывает изменение сопротивления тензорезисторов и разбаланс мостовой схемы.

Рис. 1.11. Датчик Метран 100: модели 1131, 1141;

1231, 1241; 1331, 1341

Электрический сигнал, образующийся при разбалансе мостовой схемы, подается в электронный преобразователь 5, который преобразует электрический сигнал от тензопреобразователя в стандартный токовый выходной сигнал.

В датчиках разрежения (модели 1231, 1241) давление разрежения перемещает мембрану 3 в противоположную сторону.

Датчики с HART-протоколом могут передать информацию об измеряемой величине в цифровом виде по двухпроводной линии связи вместе с сигналом постоянного тока 4-20 мА. Этот цифровой сигнал может приниматься и обрабатываться любым устройством, поддерживающим протокол HART.

Таким образом, по двухпроводной связи передается два типа сигналов – аналоговый сигнал 4-20 мА и цифровой сигнал на базе протокола HART, который накладывается на аналоговый выходной сигнал датчика, не оказывая на него влияния.

В 2007 г. на рынок было выведено новое поколение датчиков давления – Метран-150. Во многом этому способствовало тесное сотрудничество Промышленной Группы “Метран” с компанией Emerson Process Management – крупнейшим мировым производителем средств автоматизации. Для датчика Метран-150 Инженерным центром были разработаны новые преобразователи давления с чувствительными элементами на основе емкостной ячейки (для фланцевых моделей) и пьезорезистивного сенсора кремний-на-кремнии (для штуцерных моделей).

Интеллектуальные датчики давления серии Метран-150 [6] предназначены для непрерывного преобразования в унифицированный токовый выходной сигнал и/или цифровой сигнал в стандарте протокола HART входных измеряемых величин: избыточного давления; абсолютного давления; разности давлений; давления–разрежения; гидростатического давления (уровня).

Диапазоны измеряемых давлений: минимальный 0–0,025 кПа; максимальный 0–68 МПа.

Выходные сигналы: 0–5 мА; 4-20 мА с HART– протоколом.

Основная приведенная погрешность до ± 0,075 %; опции до ± 0,2 %; ± 0,5 %

В зависимости от измеряемого давления датчики имеют следующие коды исполнения: A – абсолютное; G – избыточное; D – разность давлений.

Схема измерительного блока датчиков Метран-150 фланцевого исполнения (CD, CG), копланарного исполнения (CDR, CGR, L) представлена на рис. 1.12а.

Измерительный блок датчиков этих моделей состоит из корпуса 1 и емкостной измерительной ячейки Rosemount 2. Емкостная ячейка изолирована механически, электрически и термически от измеряемой и окружающей сред. Измеряемое давление передается через разделительные мембраны 3 и разделительную жидкость 4 к измерительной мембране 5, расположенной в центре емкостной ячейки. Воздействие давления вызывает изменение положения измерительной мембраны 5, что приводит к появлению разности емкостей между измерительной мембраной и пластинами конденсатора 6, расположенным по обеим сторонам от измерительной мембраны. Разность емкостей измеряется АЦП и преобразуется электронным преобразователем в выходной сигнал.

а б

Рис. 1.12. Схема измерительного блока датчик Метран-150: а – фланцевое, копланарное и гидростатическое исполнение; б – штуцерное исполнение

Датчики Метран-150 штуцерного исполнения представлены на рис. 1.12б. В измерительных блоках моделей TG, TGR, TA , ТАR используется тензорезистивный тензомодуль на кремниевой подложке. Чувствительным элементом тензомодуля является пластина 1 из кремния с пленочными тензорезисторами (структура КНК – кремний на кремнии). Давление через разделительную мембрану 3 и разделительную жидкость 2 передается на чувствительный элемент тензомодуля.

Воздействие давления вызывает изменение положения чувствительного элемента, при этом изменяется электрическое сопротивление его тензорезисторов, что приводит к разбалансу мостовой схемы. Электрический сигнал, образующийся при разбалансе мостовой схемы, измеряется АЦП и подается в электронный преобразователь, который преобразует это изменение в выходной сигнал. В моделях 150ТА и 150ТАR полость над чувствительным элементом вакууммирована и герметизирована.

Применение в датчиках Метран-150 новых чувствительных элементов позволило установить основную приведенную погрешность не более ± 0,075 % в пределах перенастройки до 10:1 и длительную стабильность “нуля”. Существенно, по сравнению с датчиками Метран-100, повышен предел перегрузки для низкопредельных моделей.

HART-протокол использует принцип частотной модуляции для обмена данными на скорости 1200 Бод. Схема, поясняющая работу приборов по HART-протоколу, представлена на рис.1.13. Для передачи логической «1» HART использует один полный период частоты 1200 Гц, а для передачи логического «0» – два неполных периода 2200 Гц.

Из рис. 1.13 видно, что HART составляющая накладывается на токовую петлю 4-20 мА аналогового сигнала. Так как среднее значение синусоиды за период равно «0», то HART сигнал никак не влияет на аналоговый сигнал 4-20 мА.

HART-протокол построен по принципу «главный – подчиненный», то есть полевое устройство отвечает по запросу системы.

Протокол допускает наличие двух управляющих устройств (управляющая система и коммуникатор).

Существует два режима работы датчиков, поддерживающих обмен данными по HART-протоколу.

Режим передачи цифровой информации одновременно с аналоговым сигналом. В этом режиме датчик работает в аналоговых АСУ ТП, а обмен по HART-протоколу осуществляется посредством HART коммуникатора или компьютера. При этом можно на расстоянии до 3000 м осуществлять полную настройку и конфигурирование датчика. Теперь оператору нет необходимости обходить все датчики на предприятии, он может их настроить непосредственно со своего рабочего места.

Рис. 1.13. Принцип обмена данными по HART-протоколу

В многоточечном режиме датчик передает и получает информацию только в цифровом виде. Аналоговый выход автоматически фиксируется на минимальном значении (питание устройства – 4 мА) и не содержит информации об измеряемой величине. Информация о переменных процесса считывается по HART – про-токолу.