Датчики измерения перепада давления чаще всего применяются комплектно с первичными преобразователями расхода (сужающими или напорными устройствами). Датчики перепада осуществляют преобразование измеренной разности давлений в непрерывный аналоговый выходной унифицированный сигнал тока, напряжения или индуктивности. Датчики разности давления с индуктивным выходом (типа ДМ, например, работающие совместно с вторичными приборами КСД) устарели и в настоящее время практически не применяются. Наибольшее распространение получили датчики с унифицированным токовым выходом (0-5, 0-20, 4-20 мА).
Датчик перепада
Чувствительным элементом датчика перепада является упруго деформируемая измерительная мембрана с закрепленными на ней тензорезисторами. Измерительная мембрана изолирована от рабочей среды. Давление среды прикладывается к защитным мембранам, расположенным с обоих сторон от измерительной мембраны. Полости между защитными и измерительной мембранами заполнены специальной жидкостью. Под действием приложенных давлений защитные мембраны деформируются, деформируя измерительную мембрану - в след за ней деформируются тензорезисторы. При этом их сопротивление изменяется. Это изменение сопротивления воспринимается электроникой датчика перепада и соразмерно преобразуется в то или иное значение выходного аналогового сигнала. В отличие от обычного датчика давления, у которого измеряемое давление прикладывается только к одной стороне мембраны, к мембране датчика разности давления измеряемое давление среды прикладывается с обеих сторон. Поэтому корпус датчика перепада имеет два присоединительных штуцера: плюсовой и минусовой штуцеры.
Датчик разности давлений
Штуцеры располагаются параллельно друг другу с одной стороны датчика, но встречаются датчики и с соосным расположением штуцеров. Если давление среды, приложенное к плюсовому штуцеру, больше давления среды в минусовом штуцере, то датчик проведет измерение перепада давления и покажет со знаком плюс. Если к плюсовому штуцеру приложено меньшее давление чем к минусовому, то перепад будет со знаком минус.
Чувствительный элемент
Датчики измерения разности давления чаще всего рассчитаны на измерение сравнительно небольших значений давлений среды – предельные значения измеряемого давления от нескольких десятков миллиметров водяного столба (мм.вод.ст), до нескольких сотен кПа. С первичными преобразователями расхода, такими как диафрагмы, трубы Вентури, трубки Пито-Прандтля и др. датчики перепада соединяются посредством двух импульсных трубок.
Импульсные трубки (импульсная трубная проводка) в большинстве случаев выполняют из толстостенной металлической трубки диаметром 14…16 мм. Прокладка импульсных труб выполняется в соответствии с требованиями правил измерения расхода газов и жидкостей стандартными сужающими устройствами РД 50-213-80. Особое внимание при монтаже импульсной трубной проводки уделяется наличию и направлению уклонов, одинаковой длине плюсовой и минусовой линий, расположению отборов и изгибов на одном уровне. Импульсная линия должна быть минимально возможной длины, так как с увеличением ее протяженности возрастает задержка распространения импульса давления, что особенно критично для контуров регулирования интенсивно протекающих процессов. Рассчитать приблизительное (без учета коэффициентов затухания и т.п.) время запаздывания импульса давления Δt (в секундах) в импульсной трассе в зависимости от длины трассы L (в метрах) и скорости прохождения звука в заполненной трассе С (в м/с) можно по следующей формуле:
Время запаздывания
Скорость распространения звука С внутри заполненной импульсной трассы зависит от показателя адиабаты среды х внутри трассы, абсолютного давления среды Р в импульсной трассе (в кПа) и плотности среды ρ при рабочих условиях (в кг/м3).
Для воды с температурой от 20 до 100°С показатель адиабаты можно принять равным 1,327.
Кроме того чем длиннее импульсная линия, тем больше она склонна к засорению или перемерзанию. Окрашивание импульсных трасс производиться краской того же цвета, что была использована для окрашивания основного трубопровода в соответствии с указаниями ГОСТ 14202-69.
Присоединение датчика перепада к импульсным трассам осуществляется через игольчатые вентиля или специальные вентильные блоки. На одной импульсной трассе устанавливается два вентиля: один вентиль непосредственно перед датчиком перепада, второй в месте отбора импульса давления для отсоединения импульсной трассы от процесса. Первый вентиль на импульсной трассе со стороны трубопровода называется технологическим и обслуживается (заменяется, перекрывается) технологическим персоналом: аппаратчиками, водопроводчиками или газовщиками. Дополнительный уравнительный вентиль монтируется непосредственно перед датчиком перепада на перемычке, соединяющей плюсовую и минусовую импульсные трассы.
Присоединение датчика перепада
В процессе работы датчика перепада вентиля на плюсовой и минусовой трассах должны быть полностью открыты, а уравнительный вентиль полностью закрыт. При проверке датчика перепада на ноль вентиля на плюсовой и минусовой трассах закрываются, а уравнительный вентиль открывается. После чего производиться настройка нуля датчика перепада регулировочными резисторами или средствами встроенного программного обеспечения датчика. После того как настройка нуля датчика выполнена уравнительный вентиль перекрывается, а отсечные вентиля открываются. Для некоторых устаревших моделей датчиков перепада давлений, например, типа Сапфир, в первую очередь открывается вентиль на плюсовой трассе, а уже потом вентиль на минусовой трассе. Это связано с конструктивным исполнением чувствительного элемента. Современным датчикам перепада последовательность открытия плюсового и минусового вентилей безразлична.
Вентильный блок
Наиболее часто датчики перепада давления с аналоговым выходом используются совместно с напорными и сужающими устройствами для измерения расхода жидкостей, газов или пара. Но выходным сигналом датчика перепада является именно величина перепада давлений, а не расход. Для того чтобы преобразовать измеренное значение перепада давлений контролируемой среды в соответствующий этому перепаду расход применяются блоки извлечения корни. Блок извлечения корня представляет собой либо отдельное преобразовательное устройство, либо функцию внутреннего программного обеспечения датчика перепада. В случае если в датчике перепада давлений имеется и активирована функция корнеизвлечения, то выходным сигналом датчика будет уже не величина перепада, а нескорректированный расход.
Влияние наклона датчика
Датчики перепада давления (особенно низкопредельные) довольно чувствительны к наличию вибрации в месте их установки, что проявляется в существенном знакопеременном дрейфе нуля. Для того чтобы вибрация элементов конструкций (например, трубопровода газохода) не влияла на показания датчика перепада его следует монтировать на основании не связанном механически с вибрирующими частями и в конструкции импульсных трасс по возможности должны быть предусмотрены элементы гашения вибрации. Отклонение положения установки датчика перепада от строго вертикального также может привести к уходу нуля. При наклоне датчика в сторону плюсовой камеры возникает дрейф нуля со знаком минус. При наклоне датчика в сторону минусовой камеры дрейф нуля будет со знаком плюс. Поэтому монтажная площадка для установки датчика перепада должна быть ровной и установлена строго по уровню. Датчик перепада должен быть жестко зафиксирован на монтажной площадке.
При измерении расхода пара импульсные трубки должны быть заполнены конденсатом. Если импульсные трубки (или одна из двух) не будут заполнены конденсатом до необходимого уровня, то возникнут существенные искажения показаний. Несмотря на высокую температуру пара импульсные трубки, после того как они заполнятся конденсатом, должны быть холодными. В холодное время года для увеличения скорости образования конденсата импульсные трубки охлаждают прикладыванием льда или снега. Если импульсные трубки остаются горячими необходимо проверить их на наличие утечек и на плотность закрытия уравнительного вентиля.
Датчик перепада давления может быть использован также в качестве датчика давления или датчика разряжения в зависимости от схемы подключения к процессу. Например, если плюсовую камеру датчика перепада соединить с трубопроводом с разряженной атмосферой, а вторую (минусовую) камеру датчика оставить незадействованной, т.е. сообщить с атмосферным давлением, то датчик перепада будет работать как датчик разряжения. И показывать разряжение со знаком минус. Если же плюсовую камеру датчика соединить с трубопроводом с избыточной атмосферой, а вторую (минусовую) камеру датчика оставить незадействованной, то датчик перепада будет работать как датчик давления. И показывать давление со знаком плюс.
Если минусовую камеру датчика соединить с трубопроводом с разряженной атмосферой, а вторую (плюсовую) камеру датчика оставить незадействованной, то датчик перепада будет работать как датчик разряжения, но показания будут со знаком плюс вместо минуса. Если минусовую камеру датчика соединить с трубопроводом с избыточной атмосферой, а вторую (плюсовую) камеру датчика оставить незадействованной, то датчик перепада будет работать как датчик давления, но показания будут со знаком минус вместо плюса.
Довольно широко применяются механические датчики дифференциального давления (перепада давления) для контроля степени загрязнения фильтров систем вентиляции, водоподготовки, газоснабжения и др. Конструкция механических датчиков перепада схожа с конструкцией реле давления. Единственное отличие заключается в том, что на упругодеформируемую диафрагму измеряемое давление прикладывается не с одной, а с обеих сторон.
Дифференциальный датчик давления
Схема контроля чистоты фильтра работает следующим образом. Плюсовая камера дифференциального датчика давления соединяется с пространством трубы до фильтра, минусовая камера с трубой после фильтра. Если фильтр чистый, то рабочая среда (газ, воздух, вода и т.п.) беспрепятственно проходят через фильтр. Давления среды до и после фильтра практически равны. По мере загрязнения фильтра его сопротивление протекающему потоку возрастает, а значит, возрастают потери давления на фильтре. В результате давление среды после фильтра становиться меньше чем давление среды до фильтра. Возникшая разность (перепад) давлений воздействует на мембрану датчика перепада, изгибает ее в определенном направлении, что в результате приводит либо к замыканию встроенной контактной группы, либо к перемещению стрелки датчика перепада в "красную" зону.
Замкнувшийся контакт датчика перепада либо включает сигнализирующую лампу "Засорение фильтра", либо запускает схему автоматической очистки (промывки) фильтра. Нахождение стрелки датчика перепада в "красной" зоне (для датчиков перепада без выходной контактной группы) сигнализирует обслуживающему установку персоналу о необходимости проведения технического обслуживания фильтра - его очистке.
