Сообщение
Ошибка
В корзине нет товаров
15.09.2015 Реле и преобразователи давления
Реле и преобразователи давления являются одним из самых важных и необходимых узлов любой пневматической или гидравлической системы. Данные устройства выполняют несколько различных функций:
1) Система индикации давления. Необходима для информирования пользователей о текущем давлении рабочей среды.
2) Аварийная система. Требуется для сигнализации опасного (низкого или высокого) давления. 
3) Концевой датчик. Отвечает за включение/выключение насосов или компрессоров.
4) Обеспечение обратной связи с иными исполнительными механизмами (регуляторы давления, регулирующие клапаны и т.п.).

Внедрение подобных систем зачастую носит обязательный характер, поэтому их проектирование – задание, к которому следует относиться с повышенным вниманием и осторожностью.

Несколько подробнее об устройстве данных механизмов.

Реле давления.

Реле давления представляет собой простейшее электромеханическое устройство, состоящее из чувствительного элемента и микропереключателя, замыкающего или размыкающего электрическую цепь. Микропереключатели могут иметь способность замыкать/размыкать как одну, так и несколько пар электрических контактов (последовательно или параллельно). Вот основные из них:

SPST (Single pole, single throw) – одиночный микропереключатель одинарного действия. В данном случае имеется лишь одна пара контактов, которая замыкается/размыкается в зависимости от настройки.

perekluchatel1.jpg

SPDT (Single pole, double throw) – одиночный микропереключатель двойного действия. В данном случае имеется три контакта. При активации микропереключателя происходит одновременное размыкание пары L1-COM и замыкание пары L2-COM (или в обратном порядке, в зависимости от настройки).

perekluchatel2.jpg 

DPST (double pole, single throw) – эквивалентен двум микропереключателям типа SPST.

perekluchatel3.jpg 

DPDT (double pole, double throw) – эквивалентен двум микропереключателям типа SPDT.

perekluchatel4.jpg 

Кроме того, немаловажной характеристикой является материал (или покрытие) контактов микропереключателя. Основными материалами являются серебро и золото. Серебряные контакты позволяют подключать электрические цепи с напряжением до 250 В и силой тока до 10 Ампер (как постоянного, так и переменного тока). А в отдельных случаях напряжение может достигать и 480 Вольт, но, как правило, это возможно только при работе с переменным током.

Золотое покрытие контактов предназначается для работы с низкими напряжением и силой тока (как правило, до 24 В и 1 А). Однако столь небольшие характеристики компенсируются лучшей проводимостью данных контактов, что повышает чувствительность микропереключателя в целом.

А теперь разберёмся, как и на каких принципах устроены чувствительные элементы реле давления.

Мембрана.

Первый тип – мембранные реле давления. Как можно догадаться из названия, чувствительным элементом в данном случае является металлическая мембрана, напрямую взаимодействующая с микропереключателем. Данный механизм обеспечивает высокую чувствительность (среди механических устройств), но имеет значительные ограничения по рабочему давлению (10-40 бар). Также мембрана позволяет работать и с отрицательным избыточным давлением.

Risunok1.jpg 

Рисунок 1. Устройство мембранного реле давления.

Поршень.

Второй тип – поршневые реле давления. Данный механизм позволяет работать при более высоких давлениях (до 600 бар), имеет компактные размеры, простую конструкцию. Однако, к недостаткам данной схемы можно отнести пониженную чувствительность, связанную с необходимостью использования кольцевого уплотнения вокруг поршня, что увеличивает силу трения между элементами механизма.

Risunok2.jpg 

Рисунок 2. Устройство поршневого реле давления.

Risunok3.jpg 

Рисунок 3. Пример внешнего вида поршневого реле давления (на примере Barksdale Series 8000).

Трубка Бурдона.

Третий тип – трубка Бурдона. Всем известный и хорошо зарекомендовавший себя чувствительный механизм, представляющий собой трубку, закрученную в спираль. На конце трубки устанавливается контактная площадка, предназначающаяся для активации микропереключателя. Принцип работы прост и полностью аналогичен манометру: при повышении давления трубка раскручивается (распрямляется).

Чувствительность данного типа реле лежит между поршневым и мембранным типами. Однако, трубка бурдона позволяет работать при гораздо более высоких давлениях, чем мембранные или поршневые механизмы: до 950-1000 бар (иногда выше).

Risunok4.jpg 

Рисунок 4. Устройство реле давления с трубкой Бурдона.

Одним из примеров применения является установка подобного реле давления во взрывозащищённом корпусе (ATEX Ex d) в шкаф управления гидроприводом шарового крана или задвижки на газо- или нефтепроводе.

Risunok5.jpg 

Рисунок 5. Взрывозащищённое исполнение реле давления с трубкой Бурдона

(на примере Barksdale B1X/B2X).

Электронный преобразователь давления - устройство, физические параметры которого изменяются в зависимости от давления измеряемой среды (жидкости, газы, пар). Давление измеряемой среды преобразуется в унифицированный пневматический, электрический сигналы или цифровой код.

Рассмотрим основные методы измерения давления:

1) Тензометрический метод – в основе лежит измерение сопротивления тензорезисторов, размещённых на упругом элементе, который деформируется под давлением. Способ измерения устаревший и практически не применяется.

2) Пьезорезистивный метод – чувствительный элемент содержит упругую мембрану, закреплённую на стеклянном основании. На основании размещается так называемый мост Уитстона (см. рисунок 6), преобразующий деформацию мембраны в электрический сигнал.

Risunok6.jpg 

Рисунок 6. Мост Уитстона. 

Мембрана изготавливается из кремния, а резисторы изготавливаются методом диффузии. Давление передаётся на мембрану через силиконовое масло и наружные разделительные мембраны для предотвращения повреждений. Одним из наглядных примеров применения данного метода измерения является электронный преобразователь давления Barksdale BPS3000, имеющий данный тип сенсора для диапазонов давления.

BPS3000_web.jpg 

Рисунок 7. Преобразователь давления Barksdale BPS3000.

3) Ёмкостный метод - метод основан на зависимости изменения электрической ёмкости между обкладками конденсатора. К одной из обкладок прикреплена упругая керамическая мембрана. Подобный датчик весьма прост конструктивно, имеет высокую точность и подходит для измерения низких давлений.

Risunok8(2).jpg 

Рисунок 8. Схема ёмкостного сенсора датчика давления. 

4) Резонансный метод – основан на изменении частоты колебания резонаторов при деформации упругой кремниевой мембраны, на которой он закреплён. При изгибе мембраны один резонатор сжимается, а второй растягивается. При этом частота первого резонатора увеличивается, а второго – уменьшается. Электронным модулем датчика производится измерение разности этих частот и, таким образом, вычисляется разность давлений. Метод является одним из самых точных. Подобный сенсор не имеет гистерезиса (менее 0,001% измеряемой величины), практически лишён нелинейности, нечувствителен к вибрации, изменениям температуры (менее 0,001%/°С). Параллельно сенсор позволяет измерять температуру (сдвиг температуры вызывает сдвиг резонансных частот колебаний на одну величину на обоих резонаторах). Подобные характеристики позволяют добиться погрешности измерения в 0,04%.

5) Индуктивный метод – Основан на регистрации вихревых токов (токов Фуко). Чувствительный элемент состоит из двух катушек, изолированных между собой металлическим экраном. Преобразователь измеряет смещение мембраны при отсутствии механического контакта. В катушках генерируется электрический сигнал переменного тока таким образом, что заряд и разряд катушек происходит через одинаковые промежутки времени. При отклонении мембраны создается ток в фиксированной основной катушке, что приводит к изменению индуктивности системы. Смещение характеристик основной катушки дает возможность преобразовать давление в стандартизованный сигнал, по своим параметрам прямо пропорциональный приложенному давлению.

6) Пьезоэлектрический метод – основан на прямом пьезоэлектрическом эффекте. При деформации керамической подложки сенсора возникает разность потенциалов между контактами датчика, которая преобразуется электроникой в выходной сигнал требуемого формата. Для защиты чувствительного пьезоэлектрического элемента он оснащается мембраной из нержавеющей стали, а пространство под ним заполняется силиконовым маслом.

Примеры применения преобразователей давления.

Преобразователи давления могут использоваться везде, где требуется мониторинг давления рабочей среды в режиме реального времени. Также, подобные устройства могут использоваться в качестве устройств обратной связи для управления какими-либо механизмами, например, система автоматического регулирования давления на базе Tescom ER5000 и преобразователя давления Barksdale BPS3000. В данном случае преобразователь давления служит для получения данных о полученном выходном давлении и последующей его корректировки до достижения заданной установки.

Risunok9.jpg 

Рисунок 9. Автоматическая система регулирования давления Tescom ER5000 и датчик обратной связи Barksdale BPS3000.