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.).
  5. 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.

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).

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

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

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.

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.

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).

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.

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.

    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.

  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.
  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.