Частотная характеристика высокочастотного датчика давления напрямую влияет на точность воспроизведения формы волны давления. При выборе следует учитывать не только быстродействие самого датчика, но и частоту сигнала давления, допустимую погрешность, конструкцию монтажа и полосу пропускания системы сбора данных.

I. Сначала определите, какой сигнал давления необходимо измерять

Различайте периодические колебания и кратковременные ударные воздействия

Периодические колебания давления обычно имеют основную частоту и гармоники. Например, пульсации на выходе насоса могут зависеть от частоты вращения и числа лопастей. При быстрых переключениях гидравлического клапана, торможении локомотива или гидравлическом ударе в трубопроводе важнее учитывать фронт нарастания и пиковое значение давления.

Если требуется только наблюдать за медленным изменением среднего давления, требования к частотной характеристике относительно невысоки. Если необходимо сравнивать амплитуды пульсаций, определять момент удара или анализировать детали формы волны, следует определить максимальную эффективную частоту в диапазоне измерений, а также допустимые амплитудную и фазовую погрешности.

У несинусоидальных сигналов, таких как прямоугольные волны и короткие импульсы, основная частота не отражает всю полезную информацию. Чем круче фронт сигнала, тем больше в нём, как правило, высокочастотных составляющих. Если выбирать датчик только по основной частоте, измеренное пиковое значение может оказаться заниженным, а фронт нарастания — сглаженным.

Определите, на что обратить внимание, исходя из цели испытаний

Если частота сигнала неизвестна, её можно предварительно оценить по частоте вращения оборудования, циклу срабатывания и данным предыдущих испытаний, а затем определить целевой частотный диапазон с помощью пробных измерений или спектрального анализа. Для редких ударных воздействий следует также зафиксировать ожидаемое пиковое значение, длительность и число повторений.

II. Выбирайте частотную характеристику с учётом требований к погрешности

Не приравнивайте частоту среза к диапазону точных измерений

Частотная характеристика описывает способность датчика давления отслеживать изменения давления на разных частотах. При закупке запросите у производителя условия испытаний амплитудно-частотной характеристики, допустимое отклонение и применимые варианты выходного сигнала. Желательно получить график характеристики в целевом частотном диапазоне, а не только одно значение «частоты отклика».

Типичная частота среза по уровню −3 дБ соответствует амплитуде около 70,7% от амплитуды на низкой частоте, то есть ослаблению примерно на 29,3%. Если к амплитуде пульсаций предъявляются повышенные требования, целевая частота обычно должна быть ниже частоты среза; запас следует определить по фактической частотной характеристике.

Например, при условии применимости модели фильтра нижних частот первого порядка, если частота среза втрое превышает целевую частоту синусоидального сигнала, ослабление амплитуды составляет около 5,1%; при пятикратном превышении — около 1,9%. Это лишь предварительная оценка: у реального изделия возможны резонанс, фильтрация и фазовая задержка, поэтому одной только кратности частот недостаточно, чтобы гарантировать точность измерений.

Различайте время нарастания и частотные показатели

Время нарастания характеризует, насколько быстро выходной сигнал следует за ступенчатым входным, однако необходимо уточнять, как именно оно определено. Для системы, приближённо описываемой моделью первого порядка, полосу пропускания можно оценить как примерно 0,35, делённое на время нарастания от 10% до 90%. Если производитель использует другие начальный и конечный уровни или иные условия испытаний, напрямую применять эту формулу нельзя.

III. Проверьте фактическую полосу пропускания с учётом монтажа и системы сбора данных

Конструкция монтажа может изменить измеренную форму волны

При передаче сигнала давления от точки измерения к чувствительной мембране на него влияют канал подвода давления, соединители, трубопровод и состояние среды. Длинная или узкая импульсная трубка может вызывать задержку, ослабление сигнала или резонанс в трубопроводе. Остаточные пузырьки воздуха внутри трубки также могут влиять на передачу пульсаций давления в жидкости.

При измерении быстрых изменений давления следует по возможности сократить путь подвода давления и уменьшить число ненужных соединителей и полостей, соблюдая требования безопасности и технологического процесса. В некоторых условиях, например при склонности к засорению или необходимости уменьшить влияние камеры подвода давления, монтажные преимущества имеет конструкция с плоской мембраной. Однако сама по себе плоская мембрана не гарантирует высокой полосы пропускания всего прибора.

При высокой температуре, сильной вибрации или работе с коррозионной средой нельзя пренебрегать теплоизоляцией, герметичностью и совместимостью материалов ради повышения быстродействия. Если необходимо использовать разделительное устройство или длинный соединительный трубопровод, следует оценить его влияние на динамический отклик всей измерительной цепи и проверить его испытаниями на объекте.

Скорость дискретизации и защита от наложения спектров не менее важны

На конечный результат могут влиять полоса пропускания аналогового входа системы сбора данных, фильтры и частота дискретизации. Частота дискретизации должна как минимум вдвое превышать максимальную целевую частоту. Если требуется более наглядно наблюдать форму волны, в качестве предварительного инженерного ориентира можно рассмотреть частоту, в 5–10 раз превышающую целевую, и установить подходящий фильтр защиты от наложения спектров. Фактические требования зависят от целей восстановления формы волны и допустимой погрешности.

IV. Сопоставьте характеристики отклика с конкретным изделием по каждому параметру

Одновременно проверьте диапазон измерений, выходной сигнал и условия эксплуатации

При выборе датчика для динамического измерения давления нельзя ориентироваться только на частоту. Диапазон измерений должен охватывать нормальное давление и ожидаемые пиковые значения при переходных процессах; также следует учитывать направление давления, наложение статического давления и запас по безопасности. Допустимое давление перегрузки — одно из предельных условий, которые изделие способно выдержать, а не диапазон для длительных штатных измерений.

Например, китайский датчик давления SP-872 с плоской мембраной для санитарного применения, предназначенный для систем водоснабжения с постоянным давлением, выпускается с различными диапазонами измерений и вариантами выходного сигнала и подходит для систем водоснабжения с постоянным давлением, гидравлических и пневматических систем, а также контроля промышленных процессов. В документации указано, что время нарастания составляет ≤5 мс до достижения 90% FS, однако начальный уровень ступенчатого сигнала и полные условия испытания частотной характеристики не уточнены. Поэтому по этому показателю нельзя напрямую определить точную полосу пропускания по уровню −3 дБ.

В документации на эту модель перечислены выходные сигналы 4～20 mA, 0～5 V и 0～10 V, смачиваемые материалы — нержавеющая сталь 304 или 316, температура среды — −30～+85℃. Пригодность конкретных диапазона измерений, соединения и конфигурации выходного сигнала для определённой среды и динамических испытаний следует подтверждать при подборе изделия.

Перед закупкой уточните данные, которые можно проверить

Компания Xi'an Shenghongchuang Instrument Co., Ltd. предоставляет услуги по подбору датчиков и техническую поддержку. При запросе информации об изделии рекомендуется указать измеряемую среду, рабочее давление и пиковое значение, максимальную целевую частоту или время нарастания, допустимую погрешность, монтажное соединение и параметры системы сбора данных, а также запросить данные о динамическом отклике для соответствующей конфигурации. Для критически важных испытаний ударных воздействий можно предварительно организовать проверку формы волны на объекте с использованием опытного образца.