Устройство и принцип работы датчиков давления, расхода и уровня

Устройство и принцип действия

На сегодняшний день существует огромное количество датчиков уровня жидкости, которые отличаются как конструкцией, так и способом выполнения замера. В виду чего рассмотрим устройство на примере наиболее простой поплавковой модели уровнемера. Конструктивно поплавковый датчик уровня жидкости состоит из следующих компонентов:

• поплавок 1 – предназначен для взаимодействия с поверхностью жидкости;
• сильфон 2 – представляет собой чувствительный гофрированный элемент, способный сохранять свои свойства при многократных механических деформациях;
• фланец 3 – используется для соединения с монтажной поверхностью, позволяет увеличить плотность крепления
• микропереключатель 4 – срабатывает от перемещения поплавка в геометрической плоскости, для предотвращения взаимодействия с влагой помещается в герметичный корпус.
• прокладка 5 – используется для герметизации отверстия, предотвращает протекание жидкости из емкости.

Принцип действия такого датчика основывается на архимедовой силе любой жидкости.

При помещении датчика в емкость с жидкостью происходит взаимодействие поплавка с поверхностью. За счет архимедовой силы поплавок выталкивается наружу и находится в том же положении, что и уровень.

При среднем положении жидкости 1 поплавок останется в нейтральном положении, сигнал от переключателя не поступает на пульт управления или панель сигнализации. В случае наполнения резервуара до позиции 2 поплавок поднимется выше и переведет микропереключатель в соответствующее положение. Если жидкость в резервуаре опустится ниже номинального уровня, поплавок переместится в нижнюю позицию 3 и переведет контакты микропереключателя. Каждый раз на выходе датчика будет появляться соответствующий сигнал о степени наполнения, однако принцип действия будет отличаться в зависимости от типа устройства.

Установка

Учитывая то, что большинство датчиков протока воды конструктивно входят в состав приборов, установка их требуется только в случае замены при выходе из строя. Однако, встречаются ситуации, когда датчик протока воды необходимо устанавливать отдельно, например, когда возникает необходимость увеличить напор подачи воды.

Ведь нередко случаются ситуации, когда в системе центрального водопровода недостаточное давление, и для включения газового котла в режим горячего водоснабжения необходимо создать хороший напор. В таком случае устанавливается дополнительный циркуляционный насос, оборудованный датчиком протока воды.

В данном случае датчик устанавливается после насоса, таким образом, при начале движения воды датчик включает насос, и давление воды повышается.

Реализуемая продукция

Для удобства монтажа датчика и дальнейшего его регулирования НПП «Прома» предлагает выбрать следующие типы установок:

• механический датчик представляет собой мембрану с контактами, которые реагируют на изменение давления и приводят в действие насос;
• электронный датчик давления воды не только запускает систему подачи водоснабжения, но и регулирует напор автоматически.

Достоинством механических преобразователей выступает их цена и простота монтажа, подкручиванием пружин выставляется максимальный и минимальный порог рабочего давления. Электронные приборы сокращают количество стартовых запусков оборудования, продлевая его срок эксплуатации, сдерживают возникновение гидроударов.

Представленные товары подходят под бытовые насосы:

• циркуляционные;
• повышенного давления;
• прямоточные.

Рекомендации по установке

При размещении датчика давления в магистрали необходимо соблюдать следующие рекомендации:

• Чтобы прибор работал правильно, диапазон температур, в котором он эксплуатируется, не должен превышать -4 – +40 С.
• Автоматику размещают не только в помещении дома, но и кессоном колодце, после насоса в линию следует установить фильтры тонкой и глубокой очистки воды – это предотвратит забивание грязью штуцера с мембраной, которое может привести к некорректной работе прибора.
• Многие устройства рассчитаны на работу только с холодной водой, при эксплуатации ее температура не должна превышать допустимые пределы, к примеру, не более +55 С. для моделей РД.
• Мощность подключаемого через прибор электронасоса не должна превышать значений, указанных в паспортных данных – нарушение этого правила может привести к залипанию контактов и выходу реле из строя.

Рис. 11 Пример размещения гидрореле с глубинным электронасосом

Датчик или реле давления является основным прибором для обеспечения автоматической работы водозаборного оборудования, он входит в состав любой электронасосной станции или системы водоснабжения с глубинным электронасосом. Его установка и подстройка не представляет особых трудностей даже для неподготовленного домовладельца, а соблюдение основных правил размещения и монтажа обеспечит бесперебойную работу прибора в течение десятка лет.

Достоинства и недостатки различных методов преобразования давления в электрический сигнал

Достоинства	Недостатки
Тензометрический метод (КНС-преобразователи)
Высокая степень защиты от агрессивной среды Высокий предел рабочей температуры Налажено серийное производство Низкая стоимость	Неустранимая нестабильность градуировочной характеристики Высокие гистерезисные эффекты от давления и температуры Низкая устойчивость при воздействии ударных нагрузок и вибраций
Пьезорезистивный метод (на монокристаллическом кремнии)
Высокая стабильность характеристик Устойчивость к ударным нагрузкам и вибрациям Низкие (практически отсутствуют) гистерезисные эффекты Высокая точность Низкая цена Возможность измерять давление различных агрессивных средств	Ограничение по температуре (до 150ºC)
Емкостной метод
Высокая точность Высокая стабильность характеристик Возможность измерять низкий вакуум Простота конструкции	Зачастую, нелинейная зависимость емкости от приложенного давления Необходимо дополнительное оборудование или электричекая схема для преобразования емкостной зависимости в один из стандартных выходных сигналов
Резонансный метод
Высокая стабильность характеристик Высокая точность измерения давления	При измерении давления агрессивных сред необходимо защитить чувствительный элемент, что приводит к потери точности измерения Высокая цена Длительное время отклика Индивидуальная характеристика преобразования давления в электрический сигнал
Индукционный метод
Возможность измерять дифференциальные давления с высокой точностью Незначительное влияние температуры на точность измерения	Сильное влияние магнитного поля Чувствительность к вибрациям и ударам
Ионнизационный метод
Возможность измерение высокого вакуума Высокая точность Стабильность выходных параметров	Нельзя использовать подобные приборы при высоком давлении (низкий вакуум является порогом) Нелинейная зависимость выходного сигнала от приложенного давления Высокая хрупкость Необходимо сочетать с другими датчиками давления

Установка и настройка

Штатные системы контроля давления, устанавливаемые на заводах, дополнительных действий не требуют. Необходимо только периодически проверять исправность узлов системы.

Дополнительную систему в виде датчиков с цветовым информированием уровня давления устанавливают на ниппеля вместо защитных колпачков.

Внештатная система в виде внешних датчиков с передачей информации требует установки приемника в консоли и подключения к одному из салонных устройств с экраном.

Система с внутренними датчиками требует установку датчиков внутри шин вместо вентилей, предварительную настройку блока на минимальный и максимальный уровень давления, настройку сигнализации.

“Прописка”, активация, электронных датчиков производится по кругу – вначале переднее левое колесо, затем переднее правое, заднее правое и заднее левое колесо.

Штатные и самостоятельно устанавливаемые системы обеспечивают качественный контроль за давлением в соответствии с техническим уровнем изделия.

Проверка датчика давления в шинах

Показания датчиков проверяются контрольными измерениями давления обычными манометрами. Их точность составляет 0,1 бар, что вполне достаточно. Более глубокая проверка датчиков и всей системы осуществляется специальными приборами. Если сигнал о низком давлении продолжает гореть, то рекомендуется выполнить следующие действия:

• визуально внимательно оглядеть колесо на предмет наличия дефектов;
• в шиномонтажной мастерской накачать до требуемых параметров;
• проехать какое-то время со скоростью не более 80 км/час.

Сигнал ошибки должен прекратиться и система заработает в штатном режиме.

Сброс датчика давления в шинах

При продолжении наличия ошибки на мониторе рекомендуется полностью спустить колесо и заново накачать, а также произвести перезагрузку программного устройства системы контроля за давлением (бортового компьютера, специального блока монитора и т.д.).

Отключение датчика давления в шинах

В случае неисправности одного из датчиков, до произведения его замены, разрешается отключить его. Отключение датчика давления производится в соответствии с инструкцией системы. В этом случае система продолжает контролировать остальные 3 колеса. При отсутствии кнопки отключения звукового сигнала разрешается отсоединить неисправный датчик от блока.

Как работает датчик абсолютного давления

Благодаря ДАД удается проконтролировать, какой объем воздуха поступает сквозь дроссельную заслонку. Опираясь на этот показатель, формируется команда-импульс, определяющая количество топлива, необходимого для образования сбалансированной по составу топливо-воздушной смеси. Внутри датчика есть вакуумная камера, воздух из которой удален изначально. Она соотносит показатель давления во входном штуцере с давлением в вакуумной камере и согласно полученной разнице создает исходящий сигнал. Чтобы датчик определил давление, необходима целая цепочка действий:

• Высокочувствительная диафрагма ДАД деформируется под воздействием давления во впускном коллекторе.
• Растяжение диафрагмы обуславливает изменение сопротивления на тензорезисторах поверхностного положения, другими словами имеет место так называемый пьезорезисторный эффект.
• Пропорционально динамике сопротивления тензорезисторов наблюдаются колебания напряжения.
• Способ соединения тензорезисторов обеспечивает высокую чувствительность, которая благодаря чипу ДАД повышается еще больше, в итоге чего выходное напряжение варьируется в интервале 1-5 В.
• Согласно поступающему на вход ЭБУ напряжению формируется импульс, уходящий на форсунки. Он и определяет давление на впускном клапане. При этом напряжение и давление связаны между собой прямо пропорциональной зависимостью.

Как подключить датчик давления к водопроводу и электропитанию

Приспособление (РД, РМ) вкручивается в переходник при помощи накидной гайки (резьбовое соединение типа американка) – это позволяет при подсоединении оставлять корпус в неподвижном положении, не вращая его вокруг своей оси. В таком приборе резиновая прокладка под накидной гайкой обеспечивает герметичность соединения, но бывают и другие разновидности приборов с неподвижным штуцером, имеющем наружную или внутреннюю резьбу без прокладок. В этом случае для герметизации используют льняное волокно или специальную нить для гидроизоляции фитингов сантехнической арматуры, вариант установки уплотнителя из популярной ФУМ ленты не слишком эффективен – она часто прорезается острой резьбой.

Подключение прибора к электрическому напряжению переменного тока в 220 вольт не вызывает особых трудностей – два конца одного из проводов питания электронасоса подключаются к клеммам М1 и М2 и фиксируются винтами, если в электропитании присутствует заземляющая жила, она присоединяется к колодке, расположенный в нижней части корпуса, с помощью прижимной пластины и винта.

Рис. 8 Реле в автоматике погружного насоса – схема подключения через пятивходовой фитинг

Резистивные

Другим названием этот датчик называется тензорезистор. Это элемент, который меняет собственное сопротивление при деформации.

Такие тензорезисторы монтируют на мембрану, которая чувствительна к изменяющемуся давлению. В результате при приложении силы на мембрану происходит ее изгиб, из-за этого изгибаются тензорезисторы, которые на ней закреплены. На тензорезисторах меняется сопротивление и значение тока цепи.

Растяжение элементов из проводников на каждом тензорезисторе ведет к увеличению длины и снижению сечения. В итоге сопротивление повышается.При сжатии процесс происходит наоборот.

Изменения сопротивления незначительные, поэтому для обработки сигнала применяются усилители. Деформация переделывается в изменение сопротивления проводника или полупроводника, а затем в сигнал тока.Тензорезисторы выполнены в виде проводящего зигзагообразного элемента, или из полупроводника, который расположен на гибкой подложке, приклеенной к мембране. Подложка сделана из слюды, полимерной пленки или бумаги.

Элемент проводника – из полупроводника, тонкой проволоки или фольги, напыленных на металл в вакуумном состоянии.Чувствительный элемент соединяют с цепью измерения выводами из проволоки или площадками контактов. Тензорезисторы чаще имеют размер площади до 10 мм2. Они более подходят для замера давления, веса, силы нажатия.

Датчики уровня

В последнее время наиболее распространенными устройствами считаются поплавковые датчики. Поплавковый датчик будет состоять из: поплавка, промежуточного и выходного органа. Поплавок – это орган, который позволяет воспринимать уровень жидкости. Преобразующий орган позволяет механическое воздействие выходному органу.

Датчики уровня могут быть основаны на измерении веса и гидростатического давления, а также на использовании электрических свойств жидкости.

Отечественная промышленность старается выпускать датчики давления разнообразного типа. Теперь вы точно знаете, принцип работы датчиков давления, расхода и уровня. Надеемся, что эта информация была полезной и интересной.

электромагнитное реле.

Задачи

Задача 1

В канистру налит бензин и высота столба составляет 0,6 м. Плотность бензина — 710 кг/м2. Определите давление бензина на дно канистры.

Решение:

Нам известно:

h = 0,6 м;

ρ = 710 кг/м2.

Ускорение g равно 9,8 H/кг.

Согласно формуле, определяющей давление жидкости на стенки сосуда:

Р = ρgh;

P = 710 × 9,8 × 0,6 = 4174,8 Па = 4,7 кПа.

Ответ: 4,7 кПа.

Задача 2

На поршень, погруженный в цилиндр с маслом, положили груз весом 3 кг. Площадь поршня составляет 2 см2, а его вес — 300 гр. Чему равна сила давления под поршнем?

Решение:

Итак, у нас дано:

G₁= 3 кг;

G₂= 300 гр = 0,3 кг;

F = 2 см2 = 0,0002 м2;

Ускорение g равно 9,8 H/кг.

Ответ: 161,7 кПа.

Принцип работы и устройство датчика давления масла

«Загорелся или запищал идентификатор датчика давления масла» — ситуация, однозначно знакомая многим

Ничего страшного в ней нет, но оставлять без внимания загоревшуюся лампу давления масла на панели приборов точно нельзя, особенно когда речь идёт о работе столь важного узла машины как двигатель внутреннего сгорания (ДВС). При этом совершенно неважно, ВАЗ у вас или топовая иномарка

Сегодня конструкция автомобилей предполагает использование двух видов датчиков указания давления масла в двигателе:

Аварийный идентификатор, который необходим для информирования водителя в тех ситуациях, когда уровень масла в картере мотора находится на предельно низком уровне, и его недоливка способна вызвать серьёзные поломки ДВС. Работает датчик аварийного давления масла по мембранному принципу. Если быть точнее, то в структуру мотора в области картера встраивается специальный механизм датчика с мембраной, который чутко реагирует на любое изменение давления в системе. В той ситуации, когда последнее падает ниже допустимой нормы, мембрана расправляется, давит на соответствующие контакты и замыкает их, что отражается на приборной панели автомобиля в виде горящей лампочки давления масла. Стоит отметить, что загорается идентификатор всегда при запуске мотора, но до тех пор, пока масло в картере не нагреется до некоторой температуры, после чего он успешно тухнет. Если этого не происходит, то значит уровень смазки в двигателе упал и требуется его доливка. В противном случае работающий мотор при недостатке масла попросту «убъёт» себя. Электротехнические характеристики идентификатора таковы, что сопротивление датчика давления масла совершенно не влияет на итоговые показатели на приборной панели, поэтому он всегда работает максимально достоверно, естественно, с тем условием, что полностью исправен

Важно понимать, что аварийные датчики — неотъемлемая часть любого автомобиля (от ВАЗ 2101 или 2114 до какого-нибудь «Гелика» или «Мерса» серии AMG);

Вспомогательный идентификатор, который точно показывает уровень масла в картере ДВС (то есть — полнейший аналог шкалы топлива). Работает он, к слову, аналогично датчику уровня топлива. Устанавливается вспомогательный идентификатор непосредственно в картере двигателя, и постоянно отслеживает точный уровень смазки в ДВС. Такой датчик не имеет лампочки, которая загорается при недостатке масла, а представлен обычной шкалой, которая показывает то, насколько картер мотора заполнен. Отметим, что данные устройства можно найти в конструкции далеко не каждого современного автомобиля, поэтому если у вас его нет — ничего страшного. Зачастую в простых моделях, типа классики ВАЗа или «старых» японцев, установленных вспомогательных датчиков масла не имеется, а вот уже в более новых моделях они стоят. Электротехнические характеристики идентификатора полностью аналогичны описанным для аварийного контроллера.

Как видите, работает датчик и контрольная лампа давления масла в картере мотора крайне просто. По сути, данные устройства — это совершенно обычная электрическая цепь в конструкции машины, коих в ней полно.

Лучше понять суть работы и технические характеристики датчика поможет рассмотрение его типовой схемы подключения в структуру машины (актуально и для обычных ВАЗов, и для Мерседесов или Ауди, например).

Что такое манометр

Термин «манометр» в основе имеет два греческих слова: «измерять» и «неплотный». Из этого понятны его назначение и основные функции — измерения в неких неплотных средах (жидкостях и газах).

Манометр — это прибор для измерения искусственно созданного давления газа или жидкости в замкнутой системе.

Не следует путать его с барометром, который тоже показывает давление, но только атмосферное. В то время как с помощью манометра можно измерить, с какой силой жидкость или газ давит на стенки герметично закрытой емкости. Условно говоря, он показывает плотность воздуха внутри закрытого пространства.

Если рассматривать функционал, манометр — более широкое понятие, а барометр является его частным случаем.

Единица измерения давления: паскаль (Па). Она отражает силу в 1 Н, которая равномерно действует на площадь 1 кв. м. Также давление иногда измеряют в барах, атмосферах, миллиметрах ртутного или водяного столба.

Для чего нужен манометр

В зависимости от модификации манометры могут использоваться в самых разных сферах:

• при накачивании автомобильных шин;

• в обслуживании систем кондиционирования и отопления;

• в гидравлических узлах для передвижения железнодорожной стрелки;

• для контроля давления в пневматических агрегатах на производстве;

• в нефтяной и газодобывающей промышленности;

• для обслуживания двигателей на морских судах и т. д.

Основное назначение манометра — проинформировать об избыточном или недостаточном давлении воды, пара, газа или иной рабочей среды. В промышленности также выделяют сигнальные приборы, которые помогают предотвратить взрывы и техногенные катастрофы из-за разрыва емкостей с опасными веществами (например, аммиаком или горячим паром).

Рабочие характеристики

В настоящем разделе даются примеры характеристик прибора EJX110 (капсула M; диапазон измерения давления ±100 кПа), являющегося наиболее типовой моделью приборов серии EJX.

Характеристики

На рис. 12 показаны характеристики входа-выхода для диапазонов 0–100 кПа, 0–10 кПа и 0–1 кПа. На рис. 13 показан дрейф нулевой точки при изменении температуры окружающей среды от -40 до 80°C. На рис. 14 показан дрейф нулевой точки при изменении статического давления от 0 МПа до максимального рабочего давления ±16 МПа.

Рис. 14. Влияние изменений статического давления на нулевую точку (Диапазон: Максимальный диапазон ? 1/10)

Влияние перегрузки по давлению

При нормальных условиях датчик дифференциального давления часто монтируется с использованием 3-х вентильного блока. При этом достаточно часто возникают ситуации, когда в зависимости от положения вентилей 3-х вентильного блока во время запуска установки или работы по обслуживанию к одной из сторон датчика может быть приложено чрезмерное давление, выходящее за пределы диапазона измерения дифференциального давления.

Чтобы избежать возможного сдвига выхода или повреждения кремниевой мембраны за счет перегрузки по давлению, датчик оснащен механизмом защиты от чрезмерного дифференциального давления.

Рис. 15. Влияние перегрузки по давлению (Диапазон: Максимальный диапазон)

На рис. 15 показано влияние односторонней перегрузки по давлению.

Поскольку влияние перегрузки по давлению является незначительным, и датчик достаточно легкий, многие пользователи могут монтировать его непосредственно на оборудовании без применения 3-х вентильного блока.

Представленные на рынке модели

Датчики Arduino, относящиеся к давлению, делятся согласно средам применения и конструктивным особенностям, непосредственно связанным с получением конечного результата. Есть модели, защищенные от влаги и предназначенные для применения в жидкостях, другие работают только в качестве анероидов атмосферы, иные устанавливаются в разрыв движения потока, четвертые в качестве определителей внутреннего давления наполняющего емкость газа. Их всех объединяет наличие общих интерфейсов подключения к микроконтроллеру и низкое, не более нескольких милливатт (реже Ватт), потребление энергии.

Наименование	Питание (V)	Точность	Разрешение (hPa)	Диапазон (hPa)	Рабочая температура (°C)	Интерфейсы	Примечание
SPI	I2C	UEXT
Атмосферные
MOD-BMP085	1.8–3.6	0.03 hPa	0.01	300–1100 (от 500 м ниже уровня моря до 9 км. высоты	–40..+85		+	+	Измерение температуры
GY-BMP280	3.3	0.12 hPa	0.0016	300–1100	–40..+85	+	+		Измерение температуры до +65, с точностью 0.01
MD-PS002	5V	±0.2%		–100–+150	–40..+125		+		Только не агрессивные среды
Жидкостные
MS5803-02BA	1.8–3.6	20 см жидкости		30–1100 (10–2000)	–40..+85	+	+
MS5803-07BA	1.8–3.6			0–7 мбар (70 м погружения)	–20..+85	+	+
Open-Smart 5V G1/4 0-1.2 MPa Hydraulic Pressure Sensor for Non-Corrosive Water	5	1.5 %		1–2.4 мбар (max 3)	0..+85				Собственный коннектор, соединяемый к I2C через резистор, датчик оснащен термометром

Конечно, в приведенном списке числятся далеко не все существующие модели. В нем указаны только те, которые обладают определенной популярностью и затребованы пользователями.

Критерии выбора

При подборе подходящего устройства обязательно учитывают:

• место установки, тип технологического процесса и оборудования;
• диапазон измерений;
• тип и температура транспортируемой среды;
• тип унифицированного выходного сигнала;
• необходимая точность проведения измерений (чем ответственнее технологический процесс, тем выше нужна точность).

предлагает наиболее востребованные датчики, задатчики, регистраторы, сенсоры и преобразователи давления с высокой точностью. Также здесь можно приобрести цифровые манометры.

Все это — продукция швейцарской компании KELLER. Такое оборудование высокой точностью, стабильностью, надежностью электрических разъемов и технологических присоединений. Для подбора подходящего измерительного устройства в соответствии с требованиями технологического процесса и оборудования достаточно оставить онлайн-заявку или заказать обратный звонок.

Датчики уровня

В последнее время наиболее распространенными устройствами считаются поплавковые датчики. Поплавковый датчик будет состоять из: поплавка, промежуточного и выходного органа. Поплавок – это орган, который позволяет воспринимать уровень жидкости. Преобразующий орган позволяет механическое воздействие выходному органу.

Датчики уровня могут быть основаны на измерении веса и гидростатического давления, а также на использовании электрических свойств жидкости.

Отечественная промышленность старается выпускать датчики давления разнообразного типа. Теперь вы точно знаете, принцип работы датчиков давления, расхода и уровня. Надеемся, что эта информация была полезной и интересной.

Оптоэлектронные датчики

Они просто детектируют давление, обладают высокой разрешающей способностью. У них высокая чувствительность и термостабильность. Работают на основе интерференции света, используют для измерения небольших перемещений интерферометр Фабри-Перо. Такие электронные датчики давления встречаются крайне редко, но являются достаточно перспективными.

Основные компоненты прибора:

1. Кристалл оптического преобразователя.
2. Диафрагма.
3. Светодиод.
4. Детектор (состоит из трех фотодиодов).

К двум фотодиодам пристраиваются оптические фильтры Фаби-Перо, у которых небольшая разница в толщине. Фильтры – это кремниевые зеркала с отражающей лицевой поверхностью. Они покрыты слоем оксида кремния, на поверхность наносится тонкий слой алюминия. Оптический преобразователь очень схож с емкостным датчиком давления.