Как датчик давления с заполненным маслом чувствительным элементом обеспечивает изоляцию среды и точную передачу давления? Понимание взаимосвязи между разделительной мембраной, заполняющей жидкостью и чувствительным элементом помогает техническим специалистам определить, подходит ли прибор для фактических условий по среде, температуре и давлению.

I. Основная конструкция чувствительного элемента с заполнением жидкостью

Датчик давления с заполненным жидкостью чувствительным элементом обычно состоит из технологического присоединения, разделительной мембраны, герметичной заполняющей жидкости, чувствительного элемента давления и схемы обработки сигнала. Конструкция и способ герметизации могут различаться у разных производителей, однако основная задача — преобразовать давление среды в электрический сигнал, пригодный для использования системой управления.

Измеряемая среда сначала контактирует с разделительной мембраной, а не непосредственно с внутренним чувствительным элементом. Обратная сторона мембраны контактирует с заполняющей жидкостью в герметичной камере; давление передаётся через жидкость к чувствительному элементу, вызывая в нём электрические изменения, связанные с давлением.

Здесь «заполнение маслом» означает, что герметичная камера чувствительного элемента заполнена жидкостью, подходящей для передачи давления. Это не означает, что во время эксплуатации в датчик требуется периодически доливать масло. Тип заполняющей жидкости, технология герметизации и диапазон рабочих температур должны соответствовать документации конкретного изделия.

Какую роль выполняет разделительная мембрана

Разделительная мембрана — это упругая металлическая плёнка, обычно изготовленная из коррозионностойкого материала. Под действием давления среды на поверхность мембрана слегка деформируется и передаёт усилие заполняющей жидкости с другой стороны.

Мембрана отделяет измеряемую среду от чувствительного элемента, снижая риск прямого контакта среды с ним и внутренними компонентами. Однако «изоляция» не означает пригодность для любой среды: коррозионная стойкость мембраны, сварных швов и уплотнений должна оцениваться отдельно.

Толщина, форма и эффективная площадь мембраны влияют на её жёсткость и динамические характеристики. Чрезмерно жёсткая мембрана может снизить чувствительность при измерении низкого давления; деформация после перегрузки, удара или коррозии может вызвать смещение нуля и даже отказ.

II. Как давление передаётся через заполняющую жидкость

При изменении давления со стороны процесса разделительная мембрана смещается на небольшую величину, в результате чего изменяется давление заполняющей жидкости в герметичной камере. В нормальном рабочем диапазоне заполняющая жидкость практически несжимаема и передаёт изменение давления на поверхность чувствительного элемента.

Передача давления не является процессом непрерывного движения жидкости по каналу. В нормально герметизированном чувствительном элементе мембране и чувствительному элементу достаточно сместиться на очень небольшую величину, чтобы давление в камере изменялось вместе с внешним давлением.

Заполняющая жидкость также влияет на температурную приспособляемость, динамический отклик и долговременную стабильность. В качестве заполняющей среды часто используют, например, силиконовое масло. Выбор зависит от рабочей температуры, риска контакта со средой и конструкции изделия; область применения нельзя определять только по признаку «заполнен маслом».

От изменения давления к стандартному сигналу

В качестве примера можно рассмотреть распространённый пьезорезистивный чувствительный элемент. Заполняющая жидкость передаёт давление на кремниевую чувствительную мембрану. При её деформации изменяется сопротивление пьезорезистивных элементов. Мостовая схема преобразует это изменение в слабый сигнал напряжения.

Электронная схема датчика усиливает исходный сигнал, компенсирует влияние температуры и при необходимости корректирует линейность, а затем преобразует его в выходной сигнал, считываемый системой управления. К распространённым вариантам относится токовый сигнал 4～20mA; в зависимости от модели могут быть доступны и другие интерфейсы.

Например, у датчика с диапазоном 0～1MPa и линейным выходом 4～20mA в идеальных условиях давлению 0MPa соответствует ток 4mA, давлению 1MPa — 20mA, а давлению 0.5MPa — 12mA. На фактические показания также влияют класс точности, температура и условия монтажа.

III. Факторы, влияющие на результаты измерений

Изменение температуры может привести к изменению объёма заполняющей жидкости, а также повлиять на напряжённое состояние мембраны и чувствительного элемента, вызывая изменения нуля или диапазона. Особенно при измерении низкого давления это влияние необходимо оценивать с учётом показателей температурной погрешности изделия.

Остаточный газ в герметичной камере повышает сжимаемость системы и может повлиять на измерение низкого давления и стабильность отклика. Поэтому заполнение жидкостью, удаление газа и качество герметизации являются важными этапами производства чувствительного элемента.

Кроме того, на показания на месте эксплуатации могут влиять пульсации давления среды, гидроудары, кристаллизация и засорение, отложения на мембране и электромагнитные помехи. При возникновении отклонений следует одновременно проверить условия эксплуатации, место установки, питание и подключение, а не ограничиваться проверкой чувствительного элемента на наличие повреждений.

Особенности эксплуатации в вакууме и при высокой температуре

Для вакуумных условий необходимо убедиться, что чувствительный элемент и заполняющая жидкость подходят для соответствующего диапазона абсолютного давления. Характеристики некоторых изделий могут иметь ограничения при сочетании низкого абсолютного давления и высокой температуры; выбирать модель только по параметрам, полученным при атмосферном давлении, нельзя.

Высокая температура среды не означает, что изделие можно длительно эксплуатировать при температуре выше допустимой для чувствительного элемента. В зависимости от условий на месте можно рассмотреть отвод тепла, изоляцию или конструкцию с удалённой передачей давления, однако следует уточнить допустимую температуру, быстродействие и дополнительную погрешность.

Если измеряемая среда чувствительна к загрязнению заполняющей жидкостью, следует также оценить потенциальные последствия повреждения мембраны и согласовать с поставщиком материал заполняющей жидкости и требования к применению. Для пищевой, фармацевтической и других подобных отраслей необходимо дополнительно учитывать действующие нормативные требования и технологические стандарты.

IV. Что следует проверить при выборе и монтаже

При выборе прежде всего определите, требуется ли измерение избыточного, абсолютного или дифференциального давления, и уточните нормальное рабочее давление, возможные пиковые значения и условия перегрузки. Несоответствие типа давления и диапазона измерений может привести к тому, что даже при нормальном выходном сигнале прибор не будет отражать нужную технологическую переменную.

Затем проверьте совместимость среды с мембраной, соединением и уплотнениями, а также требования к технологическому присоединению, питанию, выходному сигналу и степени защиты. Для коррозионных, вязких или склонных к кристаллизации сред могут потребоваться специальные материалы, контактирующие со средой, или особая конструкция мембраны.

При монтаже не касайтесь мембраны твёрдыми предметами и соблюдайте указанные в документации положения затяжки и момент затяжки. После ввода в эксплуатацию, если это безопасно, проверьте ноль и выходной сигнал и установите периодичность калибровки с учётом частоты использования и рисков условий эксплуатации.

Различие между измерением давления среды и механического усилия

Датчики давления с заполненным маслом чувствительным элементом предназначены главным образом для измерения давления жидких или газообразных сред; для взвешивания, запрессовки и измерения механической нагрузки обычно применяются датчики силы. Хотя оба типа устройств преобразуют механическое воздействие в электрический сигнал, способы монтажа, единицы измерения диапазона и методы калибровки у них различаются, поэтому они не взаимозаменяемы.

Например, китайский датчик веса LCS-C2A, тензодатчик силы радиального типа с круглым квадратным основанием, датчик давления предназначен для измерения и контроля усилия, выпускается в диапазоне 5kg～20t, выдерживает растягивающую и сжимающую нагрузку и подходит для взвешивания или контроля механических нагрузок. Он не является заполненным маслом чувствительным элементом для непосредственного измерения давления среды в трубопроводе.

Чтобы определить подходящий вариант датчика давления, предоставьте компании Xi'an Shenghongchuang Instrument Co., Ltd. название среды, нормальное и пиковое давление, температуру среды, технологическое присоединение и желаемый выходной сигнал. Технические специалисты проверят соответствие материалов и диапазона конкретным условиям эксплуатации.