Датчик абсолютного давления, относительного давления или дифференциального давления? Этот вопрос возникает в начале измерения давления. В этой статье объясняется, что необходимо учитывать в различных областях применения, и подробно рассказывается о различных типах измерения давления, конструкциях датчиков и принципах измерения.
Различные типы индикации давления
Абсолютное давление – это давление относительно нулевого давления в абсолютном вакууме, т.е. абсолютно пустое место. Абсолютное давление в атмосфере составляет около 1 бар. Дифференциальное давление относится к разности давлений между двумя давлениями, т.е. два абсолютных давления. Особой формой дифференциального давления является относительное давление: относительное давление представляет собой разницу давлений между абсолютным давлением атмосферы и другим значением абсолютного давления. В некоторых публикациях относительное давление также называют избыточным давлением. В компании Trafag используется только термин «относительное давление», чтобы избежать путаницы с термином «избыточное давление», который указывает на устойчивость измерительной ячейки к перегрузкам.
Атмосферное давление составляет около 1 бар. Однако она сильно зависит от высоты над уровнем моря и погодных условий. Стандартное атмосферное давление при 15°С на уровне моря составляет 1013,25 гПа (101,325 кПа). На высоте 500 м над уровнем моря оно по-прежнему составляет около 950 гПа, а на высоте 2000 м над уровнем моря — около 780 гПа. Барометрические датчики — это те датчики, которые в основном предназначены для измерения атмосферного давления. Эти датчики измеряют абсолютное давление в диапазоне обычно прибл. от 700 гПа до прибл. 1200 гПа.
Различные датчики давления
В промышленности чаще всего используются датчики относительного давления. Однако также используются датчики абсолютного давления. Датчики для измерения относительного давления наиболее просты по конструкции. Измеряемая жидкая или газообразная среда подается на так называемую сторону давления. С обратной стороны на мембрану измерительной ячейки действует атмосферное давление (рис. 2а).
У датчиков для измерения абсолютного давления задняя сторона изолирована от атмосферы. Если на задней стороне имеется закрытое пространство, допускающее деформацию измерительной мембраны, в этом пространстве должен преобладать вакуум с абсолютным давлением 0 бар (рис. 2б).
Датчики перепада давления в принципе аналогичны датчикам относительного давления. На их обратную сторону также действует определенное давление. Однако существуют дополнительные проблемы, связанные с конструктивной реализацией, поскольку измеряемая среда на обратной стороне, в отличие от датчиков относительного давления, не является (чистым) воздухом при давлении около 1 бар. В так называемых датчиках дифференциального давления Wet/Wet любая среда может подаваться на обратную сторону при любом давлении. Это, конечно, должно быть герметизировано относительно конструкции измерительного моста. Мокрые/мокрые датчики перепада давления – это те конструкции, в которых любая измеряемая среда может быть нанесена на обе стороны мембраны. В датчиках перепада давления Wet/Dry только сухой, чистый, неагрессивный газ может контактировать с датчиком в качестве измеряемой среды с одной стороны - с обратной стороны датчика.
Датчик абсолютного или относительного давления?
Следует ли использовать датчик абсолютного или относительного давления, зависит от нескольких факторов. Два основных критерия можно разделить на критерии, специфичные для приложения, и критерии, специфичные для устройства.
Критерии для конкретных устройств
Поскольку датчики относительного давления обычно дешевле из-за их более простой конструкции, в зависимости от принципа измерения возникает вопрос, необходимо ли измерять абсолютное давление, или же требование измерения может быть также решено с помощью измерения относительного давления. Для очень высоких диапазонов измерения, напр. 400 бар в гидравлических системах обычно используют датчики относительного давления и при необходимости добавляют желаемое атмосферное давление в качестве константы. При этих высоких давлениях измерения влияние атмосферы и уровня моря настолько мало, что ошибка становится незначительной по сравнению с другими неопределенностями измерения.
Другим важным аспектом является требуемая точность измерения: чем точнее должно быть измерение, тем более критичным становится влияние изменений атмосферного давления и тем выше должен быть диапазон измерения, поэтому фактически этим влиянием все же можно пренебречь.
В таблице 1 показано, насколько большим должен быть диапазон измерения, чтобы влияние на результат измерения не превышало определенной погрешности (в процентах от диапазона) в случае возможного изменения атмосферного давления по отношению к расчетному нормативу.
Критерии для конкретных приложений
Несмотря на то, что все еще существуют довольно общие указания и правила для критериев конкретного устройства относительно того, следует ли использовать датчики абсолютного или относительного давления, вряд ли возможно дать общие рекомендации для критериев конкретного применения. Поэтому следующие примеры показывают, скорее в качестве примера, некоторые потенциальные критерии, которые необходимо учитывать.
Закрытые системы: В закрытых системах, таких как контуры охлаждения, давление среды реагирует независимо от давления окружающей среды. Поэтому иногда измеряют абсолютное давление. Однако из соображений стоимости используются преобразователи относительного давления. Поскольку, если все датчики относительного давления измеряют одно и то же атмосферное давление, атмосферное влияние уравновешивается, если используются только различия между отдельными точками измерения, а не абсолютный уровень давления.
Параметры процесса: поскольку соотношение воздуха и топлива является решающим во многих процессах сгорания, эти расчеты обычно основаны на значениях абсолютного давления для идеального соотношения. Поэтому во многих случаях при исследовании процессов горения измеряют абсолютное давление. Альтернативой является использование датчиков относительного давления и сопоставление их с барометрическим датчиком, который точно измеряет атмосферное давление. Недостатком этого метода является то, что погрешности датчика относительного давления и барометрического датчика складываются в общую погрешность измерения.
Какой датчик давления выбрать?
Поскольку каждый принцип измерения предлагает немного разные возможности для измерения абсолютного и относительного давления, будут обсуждаться только наиболее распространенные принципы измерения в промышленной среде: тонкопленочные датчики на стали, толстопленочные датчики на керамике и пьезорезистивные датчики.
Тонкопленочные датчики на стали: Тонкопленочные датчики на стали используются везде, где это возможно, благодаря их превосходной стойкости к перегрузкам и долговременной стабильности, особенно при высоких температурах или во время пиков давления. Однако из-за конструкции реализовать тонкопленочный датчик абсолютного давления на стали очень сложно. Поэтому он используется только в приложениях, где размер (тонкопленочные датчики на стали очень компактны) или требования к долговременной стабильности не позволяют использовать керамические или пьезорезистивные датчики.
Толстопленочные датчики на керамике: Керамические датчики также могут быть изготовлены как абсолютные датчики относительно экономичным способом. В силу принципа их точность несколько ниже, чем у тонкопленочных или пьезодатчиков, но достаточна для большинства промышленных применений. Поэтому их очень часто используют в качестве датчиков абсолютного давления. В качестве датчиков относительного давления они в основном выбираются, если измеряемая среда является коррозионно-активной и может повлиять на стальную мембрану.
Пьезорезистивные датчики: полупроводниковые чипы внутри пьезорезистивных датчиков имеют гораздо более высокий уровень сигнала, чем резисторы тонкопленочных и толстопленочных датчиков. Следовательно, пьезорезистивные датчики достигают более высокой точности при соответствующих усилиях по калибровке. Однако они более чувствительны к более высоким температурам и, следовательно, более склонны к дрейфу сигнала, особенно в жарких условиях. Это снижает их долговременную стабильность. Поэтому они либо используются в качестве эталонных датчиков давления и регулярно калибруются, либо используются там, где возможный дрейф сигнала может быть без проблем принят приложением. Пьезорезистивные датчики также могут быть выполнены относительно просто как датчики абсолютного давления. Как уже упоминалось, в дополнение к выбору измерения абсолютного или относительного давления, многие другие критерии играют роль в выборе идеального датчика давления.
