Auto Instrument | Как датчики давления измеряют давление: принципы, сигналы и поиск неисправностей

Введение

Опираясь на практический опыт технического обслуживания на местах, техническая команда Auto Instrument подробно разбирает весь процесс преобразования, посредством которого датчики давления определяют давление. Это помогает инженерам по техническому обслуживанию понять внутреннюю логику работы приборов и разработать четкие процедуры поиска и устранения неисправностей при обнаружении аномальных показаний давления, дрейфа нуля и колебаний выходного сигнала.

Начинающие специалисты, только начинающие работать с датчиками давления, часто задаются вопросом, какой компонент внутри прибора измеряет давление в трубопроводе. Значение давления, отображаемое в диспетчерской, проходит полный набор физических процессов и процессов преобразования сигнала. Освоение всего этого рабочего процесса позволит более систематизировать обработку неисправностей на месте.

1. Как давление воздействует на передатчик.

Суть промышленного измерения давления заключается в передаче давления среды на чувствительные измерительные компоненты. Базовая формула давления: $\boldsymbol{(\boldsymbol{P=F/A})}$ Давление = Сила ÷ Площадь приложения силы. При одинаковой приложенной силе разные площади приложения силы дают разные значения давления.

Промышленные датчики давления получают механическое давление из трубопроводов и резервуаров через технологические соединения. Основными внутренними компонентами являются чувствительные элементы, обычно включающие металлические диафрагмы, керамические диафрагмы, тензометрические датчики и различные упругие измерительные компоненты. В качестве примера рассмотрим широко используемую диафрагменную конструкцию: давление среды воздействует на поверхность диафрагмы и вызывает крошечную, невидимую деформацию. Деформация увеличивается с повышением давления, и диафрагма возвращается в исходное положение при падении давления. Прибор фиксирует эту деформацию для измерения давления. Датчики давления пара, используемые в котлах и тепловых трубопроводах, также используют деформацию диафрагмы для измерения давления. Для работы в условиях высоких температур необходимо тщательно оценить термостойкость компонентов, чтобы соответствовать требованиям высокотемпературных датчиков давления.

2. Три основных принципа измерения для обнаружения деформаций.

В передатчиках разных моделей используются различные внутренние принципы считывания. В полевых условиях широко применяются три типа: пьезорезистивные, емкостные и резонансные.

Пьезорезистивный датчик давления В основе конструкции лежит свойство материала изменять сопротивление при сжатии. Среднее давление деформирует диафрагму; внутренние пьезорезистивные элементы подвергаются нагрузке, и их сопротивление соответственно изменяется. Плата регистрирует сигналы сопротивления, выполняет расчет усиления и температурной компенсации, а также выдает соответствующие измерительные сигналы. Эта структура широко используется в гидравлических системах и при измерениях в обычных технологических трубопроводах. Повреждение микросхемы датчика также является распространенной причиной неисправностей на месте эксплуатации.

Емкостной датчик давления Принцип работы основан на изменении расстояния между электродами для изменения емкости. Внутри установлены два комплекта электродов. Давление смещает измерительную диафрагму, синхронно изменяя расстояние между электродами и емкость. Модуль схемы считывает изменение емкости и преобразует его в значения давления. Емкостные датчики давления такого типа часто выбирают для высокоточных измерений в нефтехимической и энергетической промышленности.

Резонансный датчик давления Механическое напряжение, вызванное давлением, изменяет собственную частоту колебаний резонансных элементов. Схема считывает сдвиги частоты и преобразует их в показания давления. Она в основном применяется в условиях эксплуатации, требующих строгой долговременной стабильности.

3. Почему 4 20 мА — это общий выход, и почему интеллектуальные версии поддерживают HART?

Большинство полевых датчиков давления подключаются к системам DCS, PLC или цифровым дисплеям. 0 МПа соответствует 4 мА, а полная шкала — 20 мА. Основная причина отказа от использования значений 0–20 мА — идентификация неисправностей. Если нулевая точка равна 0 мА, обрыв провода также выдает 0 мА, и система управления не может определить, упало ли технологическое давление до нуля или произошел обрыв линии. При нулевой точке 4 мА контур продолжает выдавать 4 мА при отсутствии давления. Если кабель отсоединен, ток падает почти до 0, поэтому система управления может напрямую идентифицировать неисправности контура. При этом сигналы тока менее подвержены помехам от сопротивления проводов, что поддерживает передачу данных на большие расстояния в промышленных условиях. Тем не менее, экранирование, заземление и схема проводки должны быть надлежащим образом продуманы, чтобы избежать электромагнитных помех. Многие интеллектуальные датчики давления поддерживают наложенную цифровую связь. Операторы могут изменять диапазоны и считывать диагностическое состояние прибора с помощью ручного коммуникатора.

4. Манометрическое, абсолютное и дифференциальное давление — различные опорные точки.

Измерение давления подразделяется на избыточное, абсолютное и дифференциальное давление, различающиеся главным образом по их опорному давлению.

· Манометрическое давление: Относится к местному атмосферному давлению. Используется для большинства измерений на трубопроводах и оборудовании непосредственно на месте.

· Абсолютное давление: Относительно идеального вакуума. Абсолютное давление = избыточное давление + местное атмосферное давление. Датчики абсолютного давления используются для расчета вакуума, процессов дистилляции, вакуумных систем и газотехнологий.

· Разница давлений: $\boldsymbol{\Delta P=P1-P2}$. Измеряет разницу давлений между двумя точками. Используется для обнаружения засорения фильтров и измерения расхода через диафрагму.

5. Приоритетные шаги по устранению неполадок, связанных с неточными показаниями давления.

Отклонение показаний от нормы не всегда означает повреждение самого передатчика. Устранение неисправностей следует проводить в следующем порядке:

1. Врезка под давлением и импульсные трубопроводыНакопление газа в импульсных трубках для работы с жидкостями, засорение кранов для сред, содержащих примеси, и неправильное открытие/закрытие основных клапанов — все это приводит к искажению сигнала. Проверьте краны, наличие газа в импульсных линиях и состояние клапанов.

2. Температурные помехиТепло, передаваемое от высокотемпературной среды к прибору, изменяет характеристики чувствительных элементов и вызывает дрейф нуля. Для работы при высоких температурах требуются сифонные петли, конденсатоотводчики и теплоизоляционные меры, соответствующие допустимой температуре среды, к которой относится прибор.

3. Реальные колебания технологического давленияНа выходах насосов, компрессоров и после клапанов неизбежно возникают пульсации давления, вызывающие колебания выходного сигнала датчика. Необходимо отличать реальные колебания технологического процесса от повреждений прибора в результате удара.

4. Сопоставление диапазоновИзбыточный запас по диапазону, например, использование преобразователя с диапазоном 0–10 МПа при фактическом рабочем давлении всего 0,3 МПа, ограничит точность измерений в низкотемпературном участке. Выбранный диапазон должен соответствовать фактическому технологическому интервалу.

6. Ключевые моменты выбора датчиков давления

Помимо диапазона измерений, необходимо всесторонне оценить следующие условия:

1. Диапазон измерений: охватывает нормальный режим работы, запуск и давление при скачках давления;

2. Класс точности: Проверьте соответствие определениям точности, указанным в техническом паспорте производителя;

3. Устойчивость к избыточному давлению: Выдерживает мгновенные скачки давления;

4. Материал, контактирующий с жидкостью: материал диафрагмы, совместимый с коррозионными средами;

5. Условия эксплуатации: взрывозащита, высокие температуры, влажность и другие требования к окружающей среде.

7. Резюме

Полная цепочка обработки сигнала интеллектуального датчика давления: Среднее давление деформирует диафрагму → датчик фиксирует мельчайшие изменения → плата выполняет вычисления и преобразование → сигнал 4 20 мА подается в систему управления → показания давления отображаются в диспетчерской.

Поиск и устранение неисправностей на месте не должны ограничиваться только корпусом датчика. Отводы давления, импульсные трубопроводы, монтаж, настройка параметров и сигнальные кабели — все это является частью полной системы измерения давления. Как производитель приборов для измерения давления, компания Auto Instrument поставляет датчики абсолютного давления, датчики давления пара, датчики давления при высоких температурах и емкостные датчики давления для широкого диапазона технологических условий. Правильная оценка требований к среде, температуре и взрывозащите при выборе значительно снижает количество отказов при последующем техническом обслуживании. Понимание принципа работы упрощает выбор, установку и устранение неисправностей датчика.