Когда датчики давления измеряют относительное давление, давление окружающей среды или атмосферное давление должно быть на обратной стороне измерительной мембраны.
Поскольку у обычных промышленных датчиков давления эта сторона расположена внутри корпуса, требуется вентиляция для выравнивания давления между внутренней частью корпуса и окружающей средой.
Самый простой способ добиться необходимого выравнивания давления, упомянутого в начале, - это сделать отверстие в корпусе. Однако это может привести к попаданию жидкостей и твердых веществ, которые могут повредить передатчик изнутри. Эффективная защита IP (защита от проникновения газов и жидкостей) имеет решающее значение для обеспечения надежной работы датчика давления, особенно в суровых промышленных условиях, где строительные машины подвергаются воздействию ветра и погодных условий.
Поэтому производители датчиков давления разработали ряд решений, которые позволяют выполнять выравнивание давления, обеспечивая при этом высокую степень защиты IP. Все эти решения всегда представляют собой компромисс между эффективной вентиляцией и высокой степенью защиты IP, с одной стороны, и низкими затратами, с другой. Все без исключения они хуже герметичного передатчика. Вот почему вентиляция датчиков давления производится только тогда, когда этого требуют условия эксплуатации.
Когда требуется выравнивание давления в датчике?
В идеале давление на обратной стороне мембраны должно быть точно таким же, как давление окружающей среды. Только тогда можно добиться точного измерения относительного давления. Давление внутри преобразователя предназначено для адаптации к колебаниям давления окружающей среды, которые могут быть вызваны изменениями погоды, суточными колебаниями или изменениями высоты над уровнем моря (например, в транспортных средствах). Если этого не происходит, возникает ошибка измерения. Допускается ли эта ошибка измерения, зависит от диапазона измерения: изменение на 100 мбар из-за изменения погоды оказывает большее влияние, когда диапазон измерения составляет всего несколько бар, чем при высоком давлении в несколько сотен бар. . Требуемая степень точности также играет роль: чем точнее должно быть измерение, тем менее терпимым будет любое отклонение.
Также необходимо учитывать нагрев датчика давления и, следовательно, расширение воздуха внутри датчика. Воздух, находящийся внутри передатчика, расширяется при повышении температуры. Однако, если корпус герметичен, давление внутри увеличивается, и это заставляет его давить на измерительную мембрану. На графике, основанном на уравнении идеального газа, показано, как давление внутри корпуса увеличивается, как только захваченный воздух нагревается. Чтобы предотвратить это повышение давления, захваченный воздух должен либо выходить наружу, либо иметь возможность свободно расширяться в одном направлении.
Поперечное сечение датчика давления. Из-за датчиков относительного давления внутреннее пространство над измерительной мембраной должно быть связано с окружающей средой, чтобы могло происходить выравнивание давления с атмосферным.
Помимо вопроса о необходимости выравнивания давления, важна скорость, с которой такое выравнивание происходит. Это связано с тем, что не все представленные ниже решения предлагают одинаковую скорость выравнивания давления; некоторые из них имеют более медленную скорость из-за малых поперечных сечений потока.
Время, необходимое для выравнивания до 90% перепада давления (типичное эталонное значение), варьируется от нескольких миллисекунд до нескольких минут или даже нескольких часов в случае чрезвычайно плотных растворов. Когда какое время еще приемлемо? Ответ на этот вопрос, в свою очередь, зависит от конкретного приложения: изменения погоды обычно происходят относительно медленно, и даже относительно жесткие передатчики способны правильно воспроизвести такие изменения. То же самое и с суточными вариациями. Напротив, изменения высоты над уровнем моря могут происходить относительно быстро в определенных ситуациях, например, когда рельсовый транспорт пересекает горные хребты. Крайними случаями таких обстоятельств являются самолеты и вертолеты. Поэтому в таких приложениях обычно измеряется абсолютное давление.
Изменение давления, вызванное изменением температуры в самом датчике или в окружающей среде, особенно опасно и часто недооценивается: если двигатель строительной машины запускается при температуре около нуля, он достигает рабочей температуры всего за несколько минут и нагревают даже те агрегаты, которые непосредственно не монтируются, до температуры выше 30 ° C. Именно здесь эффективная вентиляция важна для получения правильных результатов измерения.
График показывает, как давление газа внутри замкнутого объема повышается, когда газ нагревается с 20 ° C комнатной температуры до 100 ° C, то есть в условиях, возникающих в моторном отсеке.
Какие есть решения?
Вентиляция через корпус
Начиная с простого отверстия в корпусе, упомянутого выше, существует множество способов защиты этого корпуса от воздействий окружающей среды: наиболее распространенными защитными механизмами являются механические крышки или аэрационные диафрагмы, например, заглушки. Эти решения в целом обладают преимуществом высокоэффективного выравнивания давления. Однако для этого мембраны должны быть чистыми. Но поскольку датчики давления часто устанавливаются в открытых местах, они не защищены от масел, воды и пыли. Во время работы эти элементы могут превращаться в слои грязи, которые закупоривают воздушный канал, ведущий внутрь преобразователя, и, следовательно, препятствуют выравниванию давления.
Еще один недостаток - относительно плохая защита от агрессивных чистящих средств или методов очистки под высоким давлением. Поэтому мембраны Gore никогда не должны контактировать с жидкостями, так как это приведет к их прекращению работы. Решения с механическими защитными колпачками уязвимы для проникновения воды, которая может попасть внутрь корпуса, например, в ветреную или дождливую погоду или когда потоки скольжения вызваны железнодорожным транспортом. Капиллярные эффекты через узкие зазоры или более низкое давление внутри корпуса также позволяют жидкостям проникать внутрь преобразователя давления.
Поэтому необходимо, чтобы преобразователь давления оставался относительно чистым или, по крайней мере, регулярно очищался от грязи даже при хорошей герметичной конструкции.
Удаление воздуха через кабель
Другая возможность удаления воздуха из датчиков давления касается электрическое соединение, т.е. вентиляция через штекер или кабель. Давление Передатчики с подключенным напрямую соединительным кабелем в некоторых случаях могут вентилироваться через кабель. Давление выравнивается через небольшие промежутки между жилами кабеля. Чем меньше эти промежутки и чем длиннее кабель, тем менее эффективно выравнивается давление. Испытания Trafag показали, что кабели длиной около двух метров, любое изменение занимает несколько минут при атмосферном давлении внутри преобразователя. Специальный кабели со встроенной вентиляционной трубкой используются для длинных кабелей или в тех случаях, когда необходимо быстро выровнять изменение давления. Эта пластиковая трубка, расположенная рядом с жилами внутри кабеля, обеспечивает надежное выравнивание давления с окружающей средой. Поскольку конец кабеля обычно находится в защищенной зоне, это решение также подходит для мест установки преобразователя, подверженных загрязнению. Важно не допустить, чтобы кабель и, следовательно, пластиковая трубка, раздавливание или перекручивание кромок во время сборки.
Удаление воздуха через заглушку
Если вентиляция должна осуществляться через заглушку, мы должны знать, что заглушки разрабатываются не только для датчиков давления, но и в качестве стандартных для многочисленных датчиков и исполнительных механизмов. Однако удаление воздуха относится только к датчикам относительного давления. В других случаях идеальным решением является герметичная заглушка, поскольку она лучше защищает внутреннюю часть устройства.
По уровню выравнивания давления пробки можно разделить на две группы. В первую группу входят вилки, принципиально предлагают относительно низкую степень защиты IP, например заглушки по EN 175301-803-A (DIN43650-A) или промышленному стандарту (DIN 43650-C). Такие заглушки не особенно герметичны для газов и почти всегда позволяют быстро выравнивать давление. Во вторую группу входят несколько более плотные заглушки, например, M12, Deutsch или MIL-C. С этими заглушками процесс удаления воздуха должен иметь другую форму. Используются решения с вентиляцией через корпус, как указано выше, или вентиляция происходит сначала через внутреннюю часть заглушки, а затем через кабель. Удаление воздуха через кабель обеспечивает наилучшую защиту преобразователя давления от загрязнения извне. Однако это решение требует устройства для вентиляции на конце кабеля. Часто используемые кабели с литым штекером или оболочкой в этих случаях не подходят. Кабели с формованным штекером и оболочкой не совсем подходят, поскольку впрыскиваемый пластик проникает через оболочку и, следовательно, позволяет незначительное выравнивание давления.
По запросу Trafag предлагает в сотрудничестве с производителем кабеля версию с литой заглушкой M12 и встроенной вентиляционной трубкой. У вас есть приложения, требующие надежной вентиляции? Вы не уверены, какой датчик давления наиболее подходит? Или вы уже используете датчики давления, которые дают ложные измерения, что может быть связано с проблемами при вентиляции? Тогда свяжитесь с нами. Наши специалисты будут рады проконсультировать вас и свяжутся с вами, чтобы найти решение, отвечающее вашим требованиям к измерению давления.
Сравнение различных концепций вентиляции для датчиков давления. Слева направо: вентиляционная трубка в кабеле (здесь с датчиком уровня); штекер прибора по DIN 43650-A с низким уровнем защиты; Заглушка M12x1 с отверстием в защищенной области резьбы (прокладка мембраны не видна); Заглушка Deutsch с вентиляционным отверстием в корпусе (пропилочная мембрана не видна); Заглушка MIL-C с отверстием и пропитанной мембраной для вентиляции через кабель.
Уравнение идеального газа
Теория идеальных газов описывает поведение газа с помощью простой формулы.
pV = nRT
p = абсолютное давление
V = объем
n = количество молекул газа (в молях)
T = температура (в К)
R = постоянная идеального газа
Для постоянного объема газа уравнение преобразуется так, чтобы установить различные состояния по отношению друг к другу.
p1V1 / T1 = p2V2 / T2
При рассмотрении изменения давления в датчиках давления захваченный воздух можно простыми словами считать идеальным газом. Также, говоря простым языком, для небольших изменений температуры объем можно считать постоянным. Следовательно, отношение давления к температуре должно всегда оставаться неизменным. Другими словами, давление повышается пропорционально повышению температуры.
p1V1 = p2V2