[sape_tizer]
Менеджмент и консалтинг

ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ ДАТЧИКИ ДАВЛЕНИЯ

Датчики дифференциального давления (датчики разности давления) — в датчиках данного типа давление подается на обе стороны измерительной мембраны, а выходной сигнал зависит от разности давлений. Датчики дифференциального давления используют для регулирования и управления технологическими процессами в различных отраслях промышленности.

Кроме датчиков дифференциального давления, другими типами датчиков и преобразователей давления, классифицируемых на основе того, какое давление является опорным, являются абсолютного давления, датчики избыточного давления и датчики разрежения.

Недавно была выполнена разработка датчиков давления и датчик дифференциального давления серии DPharp EJX с усовершенствованным кремниевым резонансным чувствительным элементом. В датчиках серии DPharp EJX реализуется технология мультисенсорности, позволяющая одновременно измерять дифференциальное и статическое давление. Эта технология исключает необходимость использования дополнительных датчиков давления, что способствует уменьшению затрат при вводе в действие производственной установки. Кроме того, кремниевый резонансный чувствительный элемент, обладающий долговременной стабильностью, позволяет улучшить качество и надежность работы, что уже было продемонстрировано проверенными на производстве приборами серии EJA.

Использование новейших технологий обеспечило для этих интеллектуальных датчиков дифференциального давления достижение минимального времени отклика и компактность конструкции.Удобный для пользователя многофункциональный ЖК-дисплей, расширенная функция самодиагностики и удобство эксплуатации обеспечивают пользователю максимальную эффективность работы. Приборы серии DPharp EJX представлены широким разнообразием моделей, включая датчики избыточного давления и датчики дифференциального давления с выносными разделительными мембранами, датчики избыточного давления ввертного типа и многопараметрические датчики дифференциального и абсолютного давления с функциями вычисления расхода. Кроме того, они соответствуют различным стандартам, включая стандарты пожаробезопасного, взрывобезопасного и искробезопасного исполнения, нормы техники безопасности SIL и директивы EC. Приборы этой серии также совместимы с протоколами связи HART и Foundation fieldbus.

Благодаря гибкости и универсальности модельного ряда и расширенной функциональности, приборы серии EJX располагают широкими возможностями, отвечающими требованиям разностороннего применения, внося в результате существенный вклад в минимизацию для заказчика величины полной стоимости владения (TCO).

Внешний вид прибора серии EJA и EJX

Рис. 1. Внешний вид прибора серии EJA (слева) и серии EJX (справа)

 

Введение

После выпуска в 1991 году приборов серии DPharp EJ, а в 1994 году приборов серии DPharp EJA во всем мире используется около 1,2 миллиона этих датчиков.

Недавно компанией YOKOGAWA на базе кремниевого резонансного чувствительного элемента (сенсора) были разработаны также датчики серии EJX, являющиеся еще более компактными, легкими и усовершенствованными приборами, реализующими функцию мультисенсорности.

На рис. 1 показан внешний вид приборов серий EJA и  EJX.

 

Возможности

Мультисенсорность

Датчики дифференциального давления измеряют перепад давления между сторонами высокого и низкого давления. Однако, при измерении расхода часто необходимо также измерять давление на стороне высокого давления (в дальнейшем изложении называется статическим давлением), например, для того, чтобы выполнить коррекцию по плотности потока жидкости. Датчики дифференциального давления серии EJX могут выполнять считывание значений статического давления, обеспечивая решение двух задач (измерение дифференциального и статического давления) с использованием одного прибора. Прибор также можно легко сконфигурировать так, чтобы в качестве статического давления он регистрировал давление на стороне низкого давления. В результате при измерении уровня в резервуаре можно также с помощью того же датчика ps500 hk instruments измерять внутреннее давление в резервуаре. Кремниевый резонансный сенсор, встроенный в прибор серии DPharp, имеет два резонатора (формируемых с использованием технологии MEMS), расположенных на кремниевой мембране так, что в одном из них при приложении дифференциального давления происходит деформация растяжения, а в другом — деформация сжатия. Резонансные частоты этих резонаторов можно представить следующим уравнением.

Резонансные частоты резонаторов

где

f – резонансная частота;
E – модуль Юнга;
ρ – плотность кремния;
l, h – длина и толщина резонатора;
ε – напряжение (плотность силы) растяжения;
ε– начальное напряжение растяжения;
εdp – изменение напряжения растяжения, обусловленное дифференциальным давлением;
εsp – изменение напряжения растяжения, обусловленное статическим давлением.

Сигналы дифференциального и статического давления можно вычислить, выполняя дифференцирование и суммирование для двух резонаторов соответственно. Для простоты объяснения вычисление резонансной частоты здесь сведено к следующему уравнению:

где
f– резонансная частота при нулевой силе растяжения;
G– возведенная в квадрат чувствительность резонатора (= 0,2366 * (1/h)2).

Изменения (Δf 2) резонансных частот f1 и f2 двух резонаторов, расположенных на одной кремниевой мембране, обусловленные давлением, задаются следующими уравнениями (1):

Как видно из этих уравнений, вычисление выражения Δf1? a Δf22 позволяет исключить члены, относящиеся к статическому давлению, и получить сигнал дифференциального давления. Аналогично, вычисление выражения Δf12 + b Δf22 позволяет исключить члены, относящиеся к дифференциальному давлению и получить сигнал статического давления. Основное свойство кремниевого резонансного сенсора заключается в том, что предварительное определение каждого коэффициента на основе фактически измеренных соответствующих данных позволяет рассчитать сигналы дифференциального и статического давления на основе деформации одной мембраны посредством выполнения простых операций вычитания и суммирования.

Реальная погрешность определения статического давления

Рис. 2. Реальная погрешность определения статического давления 1 MПа

На рис. 2 показана реальная погрешность определения статического давления 1 MПа при допустимой согласно спецификации погрешности ±0,2%. В более сложном датчике дифференциального давления с функциями вычисления расхода благодаря этому свойству стало возможным реализовать гарантированную точность для статического давления в 1 МПа даже более высокую — ±0,1%.

Датчики дифференциального давления серии EJX с протоколом Foundation fieldbus могут одновременно передавать сигналы дифференциального и статического давления. В приборах серии EJX с протоколом HART предусмотрена возможность отображения на дисплее также и статического давления.

Уже существует многопараметрические датчики, которые выполняют измерение дифференциального и статического давления с использованием нескольких сенсоров. Приборы серии EJX являются первой в мире серией датчиков дифференциального давления, которые могут выполнять измерения дифференциального и статического давления с использованием одного сенсора, а также обеспечивать считывание и вывод значений давления.

Высоконадежный чувствительный элемент

Стабильность кремниевого резонансного чувствительного элемента, используемого в приборах серии EJX, обусловлена принципом его действия. Превосходную рабочую стабильность приборов этой серии демонстрируют не только записи долговременной эксплуатации, но также и результаты 15-летней проверки долговременного дрейфа (рис. 3).

Результаты проверки долговременного дрейфа

Рис. 3. Результаты проверки долговременного дрейфа

Давайте снова рассмотрим свойства кремниевого резонансного сенсора, которые заключаются в следующем:

  1. Сенсор имеет отличные упругие свойства кремния.
  2. Сенсор имеет большой коэффициент тензочувствительности (±2000) и соответственно высокую чувствительность измерения давления.
  3. Поскольку резонансные частоты резонаторов зависят от их механических и конструктивных размеров, сенсор имеет очень малые температурные коэффициенты и очень низкую чувствительность к примесям по сравнению с пьезорезистивными сенсорами. В результате сенсор обеспечивает высокую долговременную стабильность.
  4. Резонансную частоту можно считывать непосредственно с использованием счетчика центрального процессора, тем самым обеспечивая высокую точность обработки данных. Поэтому такой сенсор идеально подходит для использования в интеллектуальных датчиках. Кроме того, поскольку сенсор не подвержен влиянию ошибок аналого-цифрового преобразования, присущих датчикам давления, основанных на других принципах работы, точность датчика можно очень легко увеличивать дальше.
  5. Используя большую часть возможностей кремниевого резонатора с большим коэффициентом тензочувствительности, и всего лишь обрабатывая сигналы от двух резонаторов, можно получить значения дифференциального и статического давления с гораздо большей стабильностью, чем то же самое с использованием пьезорезистивных датчиков.
  6. Имеется возможность измерения температуры кремниевой мембраны через сопротивление резонатора. Температурная зависимость коэффициента упругости кремния хорошо изучена и достаточно четко определена(3) hk-instruments.ru. При этом, в дополнение к тому, что она и так значительно меньше аналогичной зависимости упругости металлических и керамических мембран, применяемых в емкостных датчиках, информация о температуре сенсора позволяет делать дополнительную коррекцию на этот эффект, также как и на другие факторы влияния температуры капсулы на дрейф показаний сенсора.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Можно использовать следующие HTML-теги и атрибуты: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <s> <strike> <strong>