Датчики барометрического давления

Барометрические датчики давления

Температура процесса: 0 °C – 50 °C
Диапазон давления: 80 000 Pa – 110 000 Pa

. Кимо CP 116 измеряет атмосферное давление воздуха в диапазоне от 800 до 1100 гПа. Диапазон измерения: от 800 до 1100 гПа 0-10 В или 4-20 мА выход С 10-разрядным ЖК-дисплеем или без него Корпус с упрощенной системой крепления Программное .

Температура процесса: -10 °C – 60 °C
Диапазон давления: 700 bar – 1 100 bar

. Цифровой датчик атмосферного давления для атмосферного давления Цифровой датчик атмосферного давления с температурной компенсацией Конструкции и технические характеристики см. в спецификации Технические данные и функции Цифровой датчик .

Температура процесса: -25 °C – 85 °C
Диапазон давления: 600 mbar – 1 100 mbar

. Датчики давления HCA-BARO выполняют прецизионную цифровую обработку сигнала и одновременно обеспечивают аналоговый и цифровой выход. Датчики откалиброваны, температурная компенсация и линеаризованы и предназначены для барометрического .

Температура процесса: -40 °C – 60 °C
Диапазон давления: 60 000 Pa – 106 000 Pa

. Датчик давления воздуха PTB110 измеряет атмосферное давление и предназначен для установки в защищенном от излучения распределительном шкафу или защитном кожухе. Обладает высокой долговременной стабильностью и может использоваться в суровых .

Температура процесса: 22 °C
Диапазон давления: 1 bar – 350 bar

. Монокремниевый датчик давления SP19FR, установленный заподлицо с мембраной, представляет собой устройство защиты от перегрузки с двойной мембраной, легко выдерживает испытание на перегрузку, изолированная конструкция воздушной полости .

Температура процесса: -40 °C – 135 °C
Диапазон давления: 0 bar – 10 bar

. Подробности: Особенности и возможности использования Керамический датчик движения является очень эластичным, коррозионностойким, износостойким, ударостойким и виброчувствительным материалом, который имеет небольшие размеры и легко упаковывается. .

Температура процесса: 0 °C – 50 °C
Диапазон давления: 0 Pa – 5 000 Pa

. Калибруемые датчики давления PREMASGARD® 1161 и PREMASREG® 1160 используются для измерения атмосферного, пониженного атмосферного или дифференциального давления воздуха для индикации расхода воздуха. Пьезорезистивный измерительный элемент .

Температура процесса: -20 °C – 70 °C
Диапазон давления: 10,9 psi – 16,7 psi

. Прецизионный барометрический индикатор и регистратор Высокоточный индикатор и регистратор Druck, разработанный для барометрического мониторинга в лабораториях, на аэродромах и в других областях применения. Особенности – Использует .

Температура процесса: -40 °C – 60 °C
Диапазон давления: 50 000 Pa – 106 000 Pa

. PTB110 Барометр Для промышленного использования Барометр Vaisala BAROCAP® Barometer PTB110 предназначен как для точного барометрического измерения давления при комнатной температуре, так и для общего контроля давления окружающей среды .

Температура процесса: -30 °C – 60 °C
Диапазон давления: 800 mbar – 1 100 mbar

Температура процесса: -40 °C – 130 °C
Диапазон давления: 0,8 bar – 1,4 bar

. Эта ячейка измерения давления, барометрически настроенная с защитным кожухом, подходит для монтажа вилки на печатную плату. Выходной сигнал линейный, температурная компенсация и усиление. Надежный Конструкция гарантирует долговременный .

Температура процесса: 10 °C – 50 °C
Диапазон давления: 15 000 Pa – 115 000 Pa

Температура процесса: -40 °C – 100 °C
Диапазон давления: 500 mbar – 1 500 mbar

Температура процесса: -40 °C – 130 °C
Диапазон давления: 15 000 Pa – 115 000 Pa

. Калибровка, температурная компенсация и усиление. Наши барометрические датчики давления воздуха (BAP) измеряют колебания давления, оказываемого атмосферой или соотношением воздуха и топлива в двигателе автомобиля, чтобы обеспечить топливную .

Температура процесса: -20 °C – 60 °C
Диапазон давления: 0 Pa – 120 000 Pa

. ES101AT – атмосферный датчик воздуха для наружной метеорологической станции Наружный защитный дизайн – Предотвращение прямого ультрафиолетового излучения на датчики – Избегайте быстрого старения датчиков в суровых условиях окружающей .

Ремонт и техническое обслуживание автомобилей

Датчики давления

Общие сведения

Давление – одна из важных физических характеристик текучих сред – жидкостей, расплавленных металлов и газов. В машиностроении разнообразные жидкости и газы широко используются в качестве рабочих тел систем машин и механизмов, поэтому нередко возникает необходимость измерения и контроля над давлением в этих средах.

Конструкции современных автомобилей также используют большое число датчиков давления различных жидкостных и газообразных текучих сред, и их количество постоянно растет.
Независимо от метода измерения, датчики могут определять избыточное, абсолютное или дифференциальное давление. При этом могут использоваться разные единицы измерения давления.
Чтобы исключить возможную путаницу в этих единицах, в таблице 1 приведены соотношения между используемыми в различных технических источниках единицами измерения давления.

Таблица 1. Единицы измерения давления

* внесистемная единица измерения давления, иногда употребляемая в США и некоторых англоязычных странах.

В таблице 2 приведены некоторые узлы автомобиля, где имеется необходимость измерения давления с целью получения управляющих сигналов для ЭСАУ.

Таблица 2. Некоторые датчики давления, применяемые в автомобильной технике

Абсолютное давление во впускном коллектореБарометрическое давлениеДавление в системе рециркуляции выхлопных газовДавление топливаДавление топлива Common RailДавление маслаДавление тормозной жидкостиДавление газа

Датчики барометрического и абсолютного давления во впускном коллекторе

Такие датчики используются в ЭСАУ автомобильных двигателей для определения объемного расхода воздуха, с целью регулирования количества впрыскиваемого за рабочий цикл топлива. Это регулирование необходимо для обеспечения заданного состава топливовоздушной смеси на различных режимах работы ДВС и при различных внешних условиях.

Этот способ измерения дешевле в реализации по сравнению с непосредственным измерением массового расхода воздуха, но менее точен и используется в бортовых диагностических системах второго поколения OBD-II.

В некоторых конструкциях ЭСАУ двигателей такой датчик давления используется совместно с расходомером воздуха, а в двигателях с наддувом могут использоваться несколько датчиков давления.

Датчики барометрического (атмосферного) давления адаптируют ЭБУ двигателя к перепадам высоты и изменениям атмосферного давления. Обычно применяются совместно с объемным расходомером воздуха в одном корпусе.

Измерение атмосферного давления производится при включении зажигании до запуска ДВС. Если автомобиль эксплуатируется в условиях больших перепадов высот (например, в горах), для адаптации подачи топлива к новой высоте необходимо останавливаться и перезапускать двигатель.

Рис. 1. Комбинированный датчик барометрического давления и разрежения:
а) Ford, б) Chrysler; 1 – трубка соединения вакуумного шланга с впускным коллектором; 2 – трубка соединения с атмосферой

Часто в системах управления двигателем используются комбинированные датчики, измеряющие и атмосферное давление, и давление во впускном коллекторе (рис. 1). Такие датчики иногда называют MAP-сенсорами (Manifold Air Pressure) и крепят непосредственно к стенке впускного коллектора.

Датчики, применяемые для измерения разрежения во впускном трубопроводе, могут быть различных конструкций.

Датчики давления дискретного действия представляют собой устройство, где замыкание и размыкание контактов происходят под действием упругой мембраны, испытывающей измеряемое давление.

Датчики давления непрерывного действия представляют собой либо потенциометр, ползунок которого связан с мембраной, либо катушку индуктивности, в которую мембрана под действием давления вдвигает магнитный сердечник.

Интегральные датчики давления подключаются к ЭБУ через коммутатор и АЦП. В зависимости от разрядности контроллера шаг дискретизации показаний датчика может составлять до 4 мс (8-разрядный), до 2 мс (16-разрядный). Эти датчики отличаются небольшими размерами, высокой надежностью и унифицированным выходным сигналом, благодаря чему, они используются для подключения к аналоговым или импульсным входам микроконтроллера.

В современных ЭСАУ применяются микромеханические или толстопленочные датчики давления . Микромеханические датчики давления (рис. 2) имеют более прогрессивную конструкцию, и обеспечивает более высокую точность измерений. Большинство современных датчиков давления построены по микромеханической технологии.
Микромеханические датчики, это полупроводниковые датчики с преобразователем давления на кремниевом кристалле в работе которых используется пьезорезистивный эффект (рис. 2, 3).

На поверхности кремниевого кристалла сформирован мост из четырех тензорезисторов, ток через которые изменяется под действием прогиба чувствительной диафрагмы. С одной стороны диафрагмы расположена камера с вакуумом, с другой на диафрагму воздействует давление воздуха во впускном коллекторе.
В зависимости от конструкции датчика, давление воздействует непосредственно на диафрагму или через защитный слой.

Рис. 2. Микромеханические пьезорезистивные датчики T-MAP BOSCH абсолютного давления до 400 кПа: а) типичный внешний вид датчика; б) конструкция сенсорной ячейки: 1-защитный гель; 2-давление; 3-сенсорный чип; 4-присоединяемые выводы; 5-керамическая подложка; 6-стеклянное основание; в) конструкция датчика давления: 1-присоединяемые выводы; 2-крышка; 3-сенсорный кристалл; 4-керамическая подложка; 5-корпус с фитингом измеряемого давления; 6-прокладка; 7-NTC-элемент

Рис. 3. Упрощенная электрическая схема датчика абсолютного (атмосферного) давления с цепями компенсации:
А – цепь температурной компенсации, В – измерительный мост, С – подстройка нуля, D – коэффициент усиления, Е – термокомпенсация усилителя

В корпусе датчика также размещается независимый датчик температуры воздуха для температурной компенсации и усилитель мостового напряжения, на выходе которого формируется сигнал в пределах 0,5…5 В.
На основании выходного напряжения ЭБУ оценивает давление во впускном коллекторе, чем больше давление воздуха, тем выше напряжение (обычно зависимость давления и выходного напряжения является линейной, т. е. график представляет собой наклонную прямую линию).

Информацию о давлении в зависимости от конструкции датчика несет величина выходного напряжения или его частота.
Погрешность датчика абсолютного давления во впускном коллекторе обычно составляет порядка 1%, а датчика барометрического давления – около 1,5%, причем, по краям рабочего диапазона погрешность растет как по температуре, так и по давлению.

Датчики давления в жидкостных средах

Работа таких датчиков, как правило, основана на преобразовании перемещения упругой диафрагмы в положение переключателя или движка потенциометра. На таком принципе, например, в старых конструкциях, работали датчики давления масла в ДВС.

В современных автомобилях все больше используются кремниевые или керамические интегральные датчики. Непосредственно в корпусе датчика размещают унифицирующие преобразователи. Имеется защита от электромагнитных помех, микросхемы работают при температуре -40. +150 °С в условиях вибраций, при различных давлениях в агрессивных химических средах.

Датчик давления топлива в аккумуляторе системы Common Rail (рис. 4) вворачивается непосредственно в топливную рейку высокого давления. Топливо попадает в датчик через отверстие в аккумуляторе и канал в корпусе датчика и под давлением воздействует на диафрагму.
Чувствительный полупроводниковый элемент датчика, расположенный на диафрагме, преобразует давление в электрический сигнал, который усиливается в обрабатывающем контуре и поступает в ЭБУ.

Рис. 4. Датчик давления топлива в аккумуляторе системы Common Rail:
1 – электрические выводы; 2 – чип со схемой обработки сигнала; 3 – диафрагма с чувствительным элементом; 4 – топливный канал

Читайте также:  Датчики давления

В таких датчиках прогиб диафрагмы приблизительно на 1 мм при давлении 1500 бар, изменяет электрическое сопротивление чувствительного элемента и вызывает изменение напряжения в измери-тельном мосту, на который подается питание 5 В.
Первичный сигнал изменяется в диапазоне 0…70 мВ, в зависимости от прилагаемого давления, и затем усиливается в контуре обработки сигнала до 0,5…4,5 В.
Точность измерения давления датчиком в главном рабочем диапазоне составляет ±2% от полной шкалы.

В автомобилях с автоматической трансмиссией применяются датчики измеряющие давление масла в коробке передач.
Для работы антиблокировочной системы тормозов (ABS) необходимо измерять давление в тормозных контурах.
Давление жидкости в тормозной гидравлической системе выше, чем в коробке переключения передач. Например, в тормозной системе автомобиля оно составляет до 10…15 бар, а в контурах ABS оно может достигать 35 бар.
Конструкция и принцип работы таких датчиков подобен рассмотренным выше датчикам.

Датчики давления в газовых средах

Известно, что автомобиль производит токсичные отходы в процессе эксплуатации: 60% в виде выхлопных газов, 20% в виде картерных газов и 20% за счет испарений топлива. Со всеми этими выбросами успешно борются соответствующие системы в составе ЭСАУ двигателем.

Для уменьшения вредного влияния испарений топлива они из бака поступают в адсорбер с активированным углем, объемом 850. 1000 см 3 , где накапливаются и сжигаются в двигателе в определенное время. На рис. 5 показана система улавливания паров бензина из топливного бака, в которой для управления продувкой адсорбера используется клапан с дифференциальным датчиком давления между давлением в задроссельной зоне впускного коллектора и давлением паров топлива в баке с рабочим диапазоном ±3,5 кПа.

Рис. 5. Система улавливания паров бензина

В современных двигателях для уменьшения содержания окислов азота (NOx) в выхлопных газах используется система EGR (exhaust gas recirculation) рециркуляции выхлопных газов. Это система является частью ЭСАУ двигателем.
Окислы азота возникают в камере сгорания при температуре выше 1370 °С. В присутствие солнечного света NOx вступает в реакцию с углеводородом, образуя канцерогенный фотохимический смог.

На частичных режимах работы двигателя ЭСАУ снижает температуру сгорания рабочей смеси, путем введением небольшого количества (6. 10%) выхлопных газов из выпускного во впускной коллектор. Так как выхлопные газы инертны, то они разбавляют топливовоздушную смесь, не изменяя соотношения воздух/топливо.
Регулирование количества подаваемых отработавших газов производится клапаном EGR, исправность работы которого постоянно контролируется ЭБУ.
Например, на некоторых автомобилях в трубе между EGR и впускным коллектором измеряется дифференциальное давление по обе стороны с помощью датчика дифференциального давления. Когда клапан EGR открывается, это давление убывает, когда клапан EGR закрыт, давление по обе стороны вставки становится одинаковым.

При сгорании топлива в дизеле образуются частицы сажи – микроскопические углеродистые частицы диаметром около 0,05 мкм на которых адсорбируются различные углеводородные соединения, оксиды металлов и сера. Состав частиц сажи зависит от параметров рабочего процесса, режимов работы двигателя и состава топлива. Некоторые углеводородные соединения опасны для здоровья человека.
Сажевый фильтр задерживает содержащиеся в газах частицы сажи. При заполнении фильтра сажей до определенной величины система управления двигателем запускает процесс активной регенерации. Степень заполнения фильтра сажей определяется блоком управления по его газодинамическому сопротивлению с помощью дифференциального датчика перепада давления до сажевого фильтра и после (рис. 6).

Рис. 6. Дифференциальный датчик давления перепада давления

Мембранные потенциометрические датчики давления

В таких датчиках чувствительным элементом является гибкая диафрагма или мембрана. При изменении давления ее перемещение преобразуется в положение движка потенциометра.
Недостатки потенциометрических датчиков заключаются в износе, а также в статическом трении из-за чего затруднено регулирование в диапазоне менее 0,5% от номинала.

Рис. 7. Потенциометрический датчик давления:
1 – преобразователь; 2 – щетка; 3 – контакты разъема; 4 – щеткодержатель; 5 – ось поводка; 6 – поводок; 7 – возвратная пружина; 8 – рычаг; 9 – шток; 10,13 – корпус; 11 – мембрана; 12 – канал

Резистивный проволочный потенциометр со скользящим контактом – один из наиболее простых и эффективных преобразователей перемещения, в котором скользящий контакт (движок) соединен с перемещающейся под действием давления мембраной, а остальная часть потенциометра закреплена неподвижно.
Движок потенциометра контактирует с отдельными витками на катушке, поэтому выходной сигнал (напряжение) преобразователя изменяется не непрерывно, а в виде чередующихся малых и больших скачков. Малый скачок возникает, когда движок замыкает два соседних витка, большой – в момент перехода движка к следующему витку и размыкания контакта с предыдущим витком.
Следовательно, разрешение такого преобразователя зависит от диаметра провода и может быть повышено путем использования более тонкого провода. Потенциометр с плотностью намотки 50 витков на миллиметр имеет предельное разрешение 20 мкм, что близко к практическому пределу.

В современных автомобилях используются потенциометры, выполненные по пленочной технологии, где резистивный элемент представляет собой керамическое основание с нанесённой топологией проводникового, резистивного и защитного слоёв.
Такие датчики могут эксплуатироваться в достаточно жёстких условиях.

Датчики давления на основе линейных дифференциальных трансформаторов (ЛДТ)

Линейный дифференциальный трансформатор – это электромеханическое устройство, вырабатывающее выходной электрический сигнал, пропорциональный перемещению ферромагнитного сердечника под действием смещения диафрагмы. ЛДТ состоит из первичной и двух вторичных обмоток, симметрично расположенных на цилиндрическом каркасе. Свободно движущийся внутри обмоток ферромагнитный сердечник в форме стержня обеспечивает связь этих обмоток через магнитный поток (рис. 8 ).

Рис. 8. Принципиальная схема линейного дифференциального трансформатора

При подаче переменного напряжения U1 на первичную обмотку (3. 15 В с частотой 2. 5 кГц) в двух вторичных обмотках наводятся ЭДС взаимной индукции.
Вторичные обмотки включены последовательно и встречно, поэтому результирующий выходной сигнал U0 преобразователя представляет собой разность этих напряжений и равен нулю, когда сердечник находится в центральной (нулевой) позиции.
При перемещении сердечника из нулевой позиции напряжение, индуцируемое во вторичной обмотке, к которой движется сердечник, возрастает, а напряжение, индуцируемое в другой вторичной обмотке, уменьшается.
В результате вырабатывается дифференциальный выходной сигнал, величина которого линейно зависит от положения сердечника. Фаза выходного напряжения изменяется скачком на 180° при переходе через нулевую позицию. Информацию о перемещении несет амплитуда и фаза выходного сигнала.
Погрешность подобного преобразования перемещения сердечника в напряжение составляет около 0,25%. Коэффициент трансформации дифференциального трансформатора 10:1. 2:1.

На автомобилях ЛДТ обычно не используются, но могут применяться, например, для измерения абсолютного давления во впускном коллекторе, давления масла, топлива и т.п. ЛДТ характеризуется отсутствием трения, стабильностью выходного сигнала и способностью работать в агрессивных средах.

Емкостные датчики давления

Емкостные датчики давления используют метод изменения емкости конденсатора при изменении расстояния между обкладками-электродами. Принципиально конструкция состоит из конденсатора, одна из обкладок которого закреплена на упругой металлической мембране (или выполнена в виде мембраны). При изменении давления мембрана с электродом деформируется, и расстояние между обкладками конденсатора изменяется.

Рис. 9. Емкостной датчик с кремниевым чувствительным элементом

На приведенном рисунке одна из обкладок конденсатора выполнена в виде упругой мембраны, которая прогибается при изменении действующего на нее давления. Мембраны для таких датчиков обычно выполняются из кремния (рис. 9) или керамики, при этом конструкции датчиков аналогичны независимо от материала мембраны.

На кремниевой подложке расположен твердый слой, являющийся нижней обкладкой конденсатора. В изолирующем слое стекла и кварца закрепляется кремниевая мембрана, являющаяся второй обкладкой конденсатора. В этом же изолирующем слое имеются токопроводящие электроды от обеих обкладок конденсатора. Между обкладками образуется герметичная полость или вакуум. Иногда пространство между обкладками заполняется маслом или какой-нибудь органической жидкостью.

Подобные датчики все чаще используются в различных системах автомобиля, например, для измерения давления в шинах, во впускном коллекторе двигателя и т.п. Например, емкость подобных конденсаторов применяемых для измерения давления впуска в двигатель и меняется линейно примерно от 32 до 39 пФ при изменении давления от 17 до 105 кПа. Размеры такого датчика 6,7×6,7 мм.

Датчики давления

Принцип работы датчиков давления

Единицы измерения давления

  • Паскаль
    1 Па = 1 Н/м 2
  • Бар
    1 бар = 10 5 Па
  • Физическая Атмосфера – атмосферное давление на уровне моря 1 атм = 101325 Па = 1,01325 бар = 10,33 м вод. ст.
  • Метр водяного столба – гидростатическое давление столба воды высотой в 1 метр 1 м вод. ст. = 9806,65 Па = 9,80665×10 -2 бар = 0,096784 атм (напор в водопроводе удобно измерять в метрах водяного столба).

Классификация датчиков по типу измеряемого давления

  • Датчики абсолютного давления
    (Absolute Pressure Sensor)
    Эти датчики измеряют давление относительно абсолютного вакуума.
    Применение: пищевые и химические производства.
  • Датчики избыточного (относительного) давления, манометры
    (Gauge Pressure Sensor)
    Эти датчики измеряют давление относительно атмосферного давления в этом месте.
    Барометры измеряют атмосферное давление.
    Применение: водоснабжение и водоотведение.
  • Датчики дифференциального (перепада) давления
    (Differential Pressure Sensor)
    Эти датчики измеряют перепад (разность) давления в двух точках.
    Применение: контроль загрязнения фильтров, измерение расхода и уровня жидкости (гидростатический метод).
  • Вакуумные датчики, датчики разряжения
    (Vacuum Pressure Sensor)
    Измеряют давление, которое ниже атмосферного (вакуум).

Классификация датчиков давления по принципу действия

  • Пьезорезистивные (Piezoresistive Strain Gage)
    Используется эффект изменения электрического сопротивления полупроводников под действием механической нагрузки.
  • Пьезоэлектрические (Piezoelectric)
    Используется пьезоэлектрический эффект – способность некоторых кристаллов (кварца) и керамики генерировать электрическое поле или разность потенциалов пропорционально силе давления (сжатия).
  • Тензометрические (Strain Gauge)
    Используется тензоэффект – изменение электрического сопротивления тензорезисторов при их деформации под воздействием нагрузки.
  • Емкостные (Capacitive)
    Используется эффект зависимости ёмкости конденсатора от расстояния между обкладками.
  • Резонансные (Resonant)
    Используется эффект зависимости частоты собственных колебаний (кварцевого резонатора) от давления.
  • Индуктивные (Electromagnetic)
    Принцип действия основан на регистрации токов Фуко, возникающих в металлическом экране, расположенном между двумя катушками, одна из которых связана с измерительной мембраной – при её приближении или удалении от экрана изменяется индуктивность системы.
  • Ионизационные (Ionization)
    Используется эффект зависимости плотности потока ионов от разряжения в катодно-анодной лампе.

Вентильные блоки

Позволяют отключать датчик от процесса, проводить профилактические работы, промывку и калибровку.

Разделители давления

Разделители давления служат для разнесения в пространстве преобразователя и среды измерения. Измеряемое давление передается с разделительной мембраны на наполнительную жидкость и дальше по капиллярной трубке или напрямую в измерительную камеру преобразователя.

  • При использовании в пищевой и фармацевтической промышленности быстросъёмные мембранные разделители можно легко промывать
  • Измеряемое вещество может закупорить или разъесть импульсные трубки
  • Нестандартный температурный диапазон.
Читайте также:  ГРМ двигателя

Как выбрать датчик давления

Измеряемое давление

  • Абсолютное
  • Избыточное (относительное)
  • Дифференциальное (перепад)
  • Вакуум (разрежение)
  • Гидростатическое давление (уровень).

Измеряемая среда

  • Измеряемая среда
  • Диапазон рабочих температур измеряемой среды
  • Максимальное статическое давление измеряемой среды.

Окружающая среда

  • Температура окружающей среды
  • Влажность
  • Наличие агрессивных сред
  • Взрывоопасная зона.

Метрологические характеристики

  • Единицы измерения (градуировка)
  • Погрешность измерений
  • Перестраиваемый интервал измерений
  • Влияние температуры окружающей среды
  • Влияние статического давления
  • Влияние питания
  • Влияние вибрации
  • Долговременный дрейф
  • Межповерочный период
  • Электромагнитная совместимость.

Подключение к процессу

  • Штуцерное
  • Фланцевое
  • Ниппель
  • Гигиеническая конструкция
  • Разделитель давления
    • наполнитель.

Вентильный блок

  • 2-х ходовой
  • 3-х ходовой
  • 5-ти ходовой.

Преобразователь

  • Индикатор
  • Диагностические функции
  • Степень защиты корпуса
  • Материал корпуса
  • Питание
  • Кабельный ввод
  • Выходной сигнал:
    • токовый 4..20мА
    • HART
    • PROFIBUS PA
    • Foundation Fieldbus.

Датчики абсолютного давления

В технологических процессах, где важен показатель давления, а возможности произвести измерения вручную не представляется возможным, применяется датчик абсолютного давления. Эксплуатируется в качестве преобразователя измеряемых величин в доступную информацию пользователю, выводя ее на дисплей. Подходит для статистического замера давления газов, жидкостей. Конструкция позволяет ему работать в агрессивной среде. Отличительной особенностью этого вида устройств является то, что опорной величиной (точкой отсчета) является абсолютный ноль (вакуум), что делает показатели именно этого прибора наиболее корректными, точными. Например, датчики, берущие за свою опорную величину атмосферное давление, могут иметь погрешности, так как это давление может изменяться, и значения в этот момент не будут отображать значения реального давления.

Принцип работы

Датчик не имеет вентиляционного отверстия и состоит из предмембранной камеры, из которой выкачан весь воздух (максимально низкое значение 5.10-4 PSI), создан практически абсолютный вакуум. С другой стороны от камеры располагается сенсор. Информация о значении давления передается за счет смещения положения защитной пластины внутри устройства. Смещение происходит с увеличением давления и приводит в движение разделительные ячейки, а те затрагивают мембрану. Мембрана в свою очередь передает информацию на сенсор, а сенсор преобразует информацию в сигнал, делая понятными величины давления для пользователя.

Измеритель абсолютного избыточно давления работает за счет давления на мембрану жидкости – входное давление через отведенный разъем приводит в движение защитную конструкцию в ячейке, осуществляющей замер. Показатель передает величину сенсору.

Сфера применения

Использование датчика абсолютного давление в различных средах позволяет понимать насколько давление закрытой системы отклоняется от нулевого состояния. Делает возможными своевременное вмешательство и коррекцию работы автоматических систем. Это не дает прерваться технологическому процессу, тем самым позволяя избежать убытков, связанных с простоем и неисправностью ценного оборудования и утратой сырья.

Промышленность. Пищевая, химическая и пр. ДАД позволяет контролировать параметры технологического процесса переработки, эффективность и качество результата которого зависит от абсолютного значения применяемых величин давления;

Пневматические насосные, гидравлические системы, компрессорные и иные установки. Здесь важен как датчик низкого абсолютного давления в тяжелых условиях, например в водной среде;

Метео-барометрические установки. Расположенные, перемещаемые в атмосфере. Для этих целей используются преимущественно электронные устройства со встроенными аналого-цифровыми микросхемами;

Системы компенсации крена и иных отклонений. ДАД устанавливается как преобразователь давления и статично мониторит работу электротехнических систем;

Энергетика, газовая и нефтяная промышленность. Требуется для контроля уровня давления относительно абсолюта величины в условиях полной герметичности. Контролирует понижение/увеличение давления. Это дает возможность контролировать рабочие характеристики систем и избегать аварийных ситуаций.

Так же находят применения в переработке, в фармацевтике, лабораторных и иных исследованиях.

Незаменим во взрывоопасных средах – под воздействием агрессивной среды или температурного воздействия, ломаясь – не несут угрозы системе, в которой применяется.

Классификация по видам

Сфера применения диктует некоторые особенности конструкции датчиков АД.

Чувствительный элемент. Возможен в кремниевом, керамическом или пьезорезистивным исполнении.

По типу выходного сигнала. Это может быть аналоговый, цифровой или ратиометрический.

По метрологическим характеристикам. Классы точности – имеется в виду диапазон возможной погрешности прибора и пр.

Варианты исполнения и технические характеристики разнообразны. Подобрать можно под любой технологический процесс, с учетом среды и климатических, механических особенностей эксплуатации.

Например, в автомобильной промышленности используются биометрический преобразователь абсолютного давления с встроенным датчиком температуры, который устанавливается в устройстве впускного коллектора. Сигналы, подаваемые датчиком необходимы блоку управления для рациональной подачи топлива и воздуха в рампу. Т.е. пока двигатель не запущен, показатели датчика равны нулю, не зависят от величин атмосферного давления.

Также, биометрического типа датчик абсолютного давления газа используется в современном газобаллонном оборудовании, обеспечивая надежность функционирования.

Как выбрать датчик абсолютного давления

Используя каталог НПП Прома, можно выбрать и купить датчик абсолютного давления, соответствующий необходимым параметрам и характеристикам:

  • предельные значения выходящего постоянного тока;
  • напряжения питания;
  • диапазон нагрузочного сопротивления;
  • предел допустимой погрешности;
  • доп. температурная и иная погрешность;
  • климатическое исполнение датчика и температура рабочей среды;
  • степень защиты по ГОСТ;
  • наработка на отказ.

Стоимость прибора варьируется в зависимости от функционала и типа устройства, а также от корпуса, метода крепления и технических и эксплуатационных характеристик. Даже для работ одной отрасли могут использоваться абсолютно разные датчики.

НПП Прома специализируется на разработке и внедрении приборов автоматизации в производственный технологический процесс. Несколько десятков лет плодотворной работы конструкторского бюро, применение инноваций в технологии производства – позволяет НПП на должном уровне комплектовать устройствами своего изготовления ведущие промышленные, производственные объекты РФ.

Простота обслуживания приборов – датчиков абсолютного давления, упрощает монтаж, замену, чистку преобразователей, не отражаясь на производственных скоростях, не допуская снижения мощностей. Соотношения цена/качество – лучшее на рынке измерительного приборостроения. Сервисное обслуживание и широкая география поставок – делают сотрудничество с НПП Прома экономически привлекательным, максимально комфортным.

Ардуино: датчик давления BMP180 (BMP085)

Барометр — это устройство, которое измеряет атмосферное давление. То есть давление воздуха, который давит на нас со всех сторон. Еще со школы мы знаем, что первый барометр представлял собой тарелку с ртутью, и перевернутой пробиркой в ней. Автором этого устройства был Эванджели́ста Торриче́лли — итальянский физик и математик. Снять показания ртутного барометра можно так же просто, как и показания спиртового термометра: чем давление снаружи колбы больше, тем выше столбик ртути внутри неё. Пары ртути, как известно, весьма ядовиты.

Позже, появился более безопасный прибор — барометр-анероид. В этом барометре ртуть была заменена на гофрированную коробку из тонкой жести, в которой создано разрежение. Под воздействием атмосферы, коробочка сжимается и через систему рычагов поворачивает стрелку на циферблате. Вот так выглядят эти два барометра. Слева — анероид, справа — барометр Торричелли.

Зачем нам может понадобиться барометр? Чаще всего, этот прибор используют на летательных аппаратах для определения высоты полета. Чем выше аппарат поднимается над уровнем моря, тем меньшее давление испытывает бортовой барометр. Зная эту зависимость, легко определить высоту.

Другой распространенный вариант использования — самодельная погодная станция. В этом случае мы можем использовать известные зависимости грядущей погоды от атмосферного давления. Помимо барометра, на такие станции ставят датчики влажности и температуры.

Электронный барометр

Такие громоздкие барометры мы не сможем использовать в робототехнике. Нам нужен миниатюрный и энергоэффективный прибор, который легко подключается к той же Ардуино Уно. Большинство современных барометров делают по технологии МЭМС, так же как и гиротахометры с акселерометрами. МЭМС барометры основаны на пьезорезистивном, либо на тензометрическом методе, в которых используется эффект изменения сопротивления материала под действием деформирующих сил.

Если открыть корпус МЭМС барометра, можно увидеть чувствительный элемент (справа), который находится прямо под отверстием в защитном корпусе прибора, и плату управления (слева), которая осуществляет первичную фильтрацию и преобразование измерений.

Датчики BMP085 и BMP180

К самым доступным датчикам давления, которые часто используются полетных контроллерах и в разного рода самодельных электронных устройствах, можно отнести датчики компании BOSH: BMP085 и BMP180. Второй барометр более новый, но полностью совместимый со старой версией.

Немного важных характеристик BMP180:

  • диапазон измеряемых значений: от 300 гПа до 1100 гПа (от -500м от +9000м над уровнем моря);
  • напряжение питания: от 3.3 до 5 Вольт;
    сила тока: 5 мкА при скорости опроса — 1 Герц;
  • уровень шума: 0.06 гПа (0.5м) в грубом режиме (ultra low power mode) и 0.02 гПа (0.17м) а режиме максимального разрешения (advanced resolution mode).

Теперь подключим этот датчик к контроллеру, и попробуем оценить атмосферное давление.

Подключение BMP180

Оба датчика имеют I2C интерфейс, так что их без проблем можно подключить к любой платформе из семейства Ардуино. Вот как выглядит таблица подключения к Ардуино Уно.

BMP 180GNDVCCSDASCL
Ардуино УноGND+5VA4A5

Принципиальная схема

Внешний вид макета

Программа

Для работы с датчиком нам понадобится библиотека: BMP180_Breakout_Arduino_Library

Скачиваем её из репозитория, и устанавливаем в Arduino IDE. Теперь все готово для написания первой программы. Попробуем получить сырые данные из датчика, и вывести их в монитор COM порта.

Процедура получения заветного давления из датчика не такая тривиальная, и состоит из нескольких этапов. В упрощенном виде алгоритм выглядит так:

  1. запрашиваем у барометра показания встроенного датчика температуры;
  2. ждем время A, пока датчик оценивает температуру;
  3. получаем температуру;
  4. запрашиваем у барометра давление;
  5. ждем время B, пока датчик оценивает давление;
  6. получаем значение давления;
  7. возвращаем значение давления из функции.

Время B зависит от точности измерений, которая задается в функции startPressure. Единственный аргумент этой функции может принимать значения от 0 до 3, где 0 — самая грубая и самая быстрая оценка, 3 — самая точная оценка давления.

Загружаем программу на Ардуино Уно, и наблюдаем поток измерений атмосферного давления. Попробуем поднять датчик над головой, и опустить до уровня пола. Показания будут немного меняться. Осталось только разобраться, как нам преобразовать эти непонятные числа в высоту над уровнем моря.

Преобразование давления в высоту над уровнем моря

Датчик BMP180 возвращает величину давления в гектопаскалях (гПа). Именно в этих единицах принято измерять атмосферное давление. 1 гПа = 100 Паскалей. Известно, что на уровне моря давление в среднем составляет 1013 гПа, и каждый дополнительный метр над уровнем моря будет уменьшать это давление всего на 0.11 гПа (примерно).

Таким образом, если мы вычтем из результата функции getPressure число 1013, и разделим оставшуюся разность на 0.11, то мы получим значение высоты над уровнем моря в метрах. Вот так изменится наша программа:

Читайте также:  Безопасность работы на токарном станке

В действительности, давление зависит от высоты над уровнем моря нелинейно, и наша формула годится лишь для высот на которых мы с вами обычно живем. Благо, человечеству известная более точная зависимость давления от высоты, которую мы можем применить для получения более точных результатов.

Здесь p — измеренное в данной точке давление, p0 — давление относительно которого идет отсчет высоты.

В библиотеке SFE_BMP180 уже есть функция, которая использует указанную. формулу для получения точной высоты. Используем её в нашей программе.

Я не стал полностью копировать функцию getPressure, чтобы сохранить читабельность текста.

В программе появилась еще одна переменная P0 — это давление, которое мы измерим на старте программы. В случае летательного аппарата, P0 будет давлением на взлетной площадке, относительно которой мы начнем набор высоты.

Визуализация

Теперь попробуем отобразить показания давления в программе SFMonitor, и посмотрим как меняется давление при движении датчика на высоту 2 метра.

В результате работы программы получим график давления в Паскалях:

Заключение

Как мы уяснили из урока, определение высоты над уровнем моря не такая тривиальная задача. Мало того, что давление зависит от высоты нелинейно, так еще картину портят различные внешние факторы. Например, давление у нас дома постоянно меняется с течением времени. Даже за несколько минут, высота измеренная нашим прибором может варьироваться в диапазоне 0.5 — 1 метра. Температура так же сильно влияет на качество измерений, поэтому нам приходится учитывать её при расчете давления.

Для летательных аппаратов рекомендуется использовать датчики повышенной точности, такие как MS5611. У этого барометра точность измерений может достигать 0,012 гПа, что в 5 раз лучше, чем у BMP180. Также, для уточнения барометрической высоты полета применяют координаты GPS.

Датчик атмосферного давления BMP280

Товары

Обзор модуля атмосферного давления BMP280

Модуль представляет из себя высокоточный цифровой измеритель атмосферного давления на базе микро-чипа BMP280 от фирмы BOSH. После изготовления каждый датчик проходит индивидуальную калибровку в заводских условиях. Его малые размеры, низкое энергопотребление и высокая измерительная способность позволили завоевать популярность среди множества разработчиков Arduino-проектов. Модуль BMP280 был разработан фирмой как более технологичная модель своего предшественника BMP180. Данная модификация, в отличие от своего младшего брата, предоставляет пользователю целых 2 последовательных интерфейса обмена данными (SPI и I2C), а также 3 режима работы:

NORMAL – в данном режиме модуль просыпается с определённой периодичностью, выполняет необходимые измерения и снова засыпает. Частота измерений задаётся программным путём, а результат считывается при необходимости.

SLEEP – режим максимально пониженного энергопотребления.

FORCED – этот режим позволяет будить модуль подачей внешнего управляющего сигнала. После выполнения измерений, модуль автоматически переходит в режим пониженного энергопотребления.

Помимо способности измерять показания атмосферного давления, разработчик наделил BMP280 возможностью определять температуру окружающей среды. Все производимые вычисления могут быть отфильтрованы настраиваемым программным фильтром. На рисунке №1 показан внешний вид модуля и его электрическая схема.

Рисунок №1 – внешний вид и схема модуля BMP280

Как видно из вышеприведенной схемы на модуле предусмотрены конденсаторы для фильтрации по питанию и подтягивающие резисторы интерфейсов ввода/вывода.

Технические характеристики BMP280

К основным техническим характеристикам можно отнести следующие:

Напряжение питания: 1.71V – 3.6V;

Интерфейс обмена данными: I2C или SPI;

Ток потребления в рабочем режиме: 2.7uA при частоте опроса 1 Гц;

Диапазон измерения атмосферного давления: 300hPa – 1100hPa (±0.12hPa), что эквивалентно диапазону от -500 до 9000 м над уровнем моря;

Диапазон измерения температуры: -40°С … +85°С (±0.01°С);

Максимальная частота работы интерфейса I2C: 3.4MHz;

Максимальная частота работы интерфейса SPI: 10 МГц;

Размер модуля: 21 х 18 мм;

Подключение BMP280 к плате Arduino

Как упоминалось выше, модуль BMP280 может быть подключен к плате Arduino посредствам двух интерфейсов I2C или SPI. Какой выбрать – каждый решает сам исходя из возможностей используемого микроконтроллера и специфики проекта. На рисунке №2 показан вариант подключения датчика к плате Arduino Nano по I2C.

Рисунок №2 – подключение BMP280 по I2C-интерфейсу

Как известно, аппаратный интерфейс I2C у Arduino UNO, Nano, Mini и.т.п. расположен на пинах A4 (SDA) и A5 (SCL). Следовательно, в таком режиме обмена данными понадобиться всего 4 провода, два из которых используются для питания модуля, а два других – непосредственно как информационная шина. Для работы по SPI требуется немного больше проводов – целых 6 штук и подключать их необходимо согласно схемы на рисунке №3.

Рисунок №3 – подключение BMP280 по SPI-интерфейсу

Вышеприведенная схема подключения составлена согласно расположению аппаратного интерфейса SPI на платах Arduino UNO, Nano, Mini и.т.п. Исключением является вывод CSB модуля BMP280. В данной схеме он подключен к 10-му пину Arduino, но может быть соединён с любым цифровым выводом, указанным при составлении программы.

Как правило, для BMP280 в Интернете можно найти с десяток библиотек, упрощающих работу с ним. Библиотека Adafruit_BMP280.h позволяет максимально сократить время на освоение данного модуля, не урезая его функционал. Методы библиотеки дают возможность пользователю выбрать способ подключения, а также настроить периодичность и точность измерений в зависимости от режимов работы. Ниже будут рассмотрены некоторые приёмы работы с данной библиотекой.

Итак, для того чтобы начать работу с BMP280 необходимо установить вышеуказанную библиотеку, подключить сам заголовочный файл Adafruit_BMP280.h, а также ещё два файла Wire.h и SPI.h, для доступа к необходимым интерфейсам.

Далее должен быть создан экземпляр класса Adafruit_BMP280, через который можно получить доступ ко всем функциям датчика атмосферного давления. Экземпляр может быть создан тремя разными способами в зависимости от типа подключения модуля, а именно:

Следует помнить, что при составлении программы должен быть указан только один из трёх возможных вариантов, иначе будет работать самый последний.

Теперь через объект bmp мы имеем возможность работать с функциями библиотеки, но изначально необходимо инициализировать модуль. Делать это целесообразно внутри функции setup() перед основным циклом:

Таким образом при выводе сообщения об ошибке следует проверить правильность подключения и соответствие его используемому интерфейсу. При успешной инициализации можно переходить к настройке самой микросхемы BMP280. Для этих целей в библиотеке предусмотрена функция setSampling(. ), с помощью которой задаётся режим работы модуля, точность измерения атмосферного давления и температуры окружающей среды, степень фильтрации и период активности датчика. Ниже приведён пример настроек, заданных по умолчанию.

Рассмотрим подробнее данную функцию. Её первый параметр отвечает за режим работы датчика. Всего доступно 4 варианта, а именно:

MODE_NORMAL – в данном режиме модуль циклически выходит из режима сна через установленный интервал времени. В активном состоянии он проводит измерения, сохраняет их в своей памяти и заново уходит в сон.

MODE_FORCED – в этом режиме датчик проводит измерения при получении команды от Arduino, после чего возвращается в состояние сна.

MODE_SLEEP – режим сна или пониженного энергопотребления.

MODE_SOFT_RESET_CODE – сброс на заводские настройки.

Второй и третий параметры отвечают за точность измерения температуры и атмосферного давления соответственно. Они могут принимать следующие значения:

SAMPLING_NONE – минимальная точность;

SAMPLING_X1 – точность АЦП 16 бит;

SAMPLING_X2 – точность АЦП 17 бит;

SAMPLING_X4 – точность АЦП 18 бит;

SAMPLING_X8 – точность АЦП 19 бит;

SAMPLING_X16 – точность АЦП 20 бит.

Четвёртый параметр отвечает за уровень фильтрации измеренных данных. Значения этого параметра могут быть следующие:

FILTER_OFF – фильтр выключен;

FILTER_X2 – минимальный уровень фильтрации;

FILTER_X16 – максимальный уровень фильтрации.

Последний, пятый параметр функции setSampling(. ) отвечает за период перехода модуля в активное состояние с целью выполнения измерений. Параметр может принимать следующие значения:

STANDBY_MS_1 – модуль просыпается каждую миллисекунду;

STANDBY_MS_63 – модуль просыпается каждые 63 миллисекунды;

STANDBY_MS_125 – модуль просыпается каждых 125 миллисекунд;

STANDBY_MS_250 – модуль просыпается каждых 250 миллисекунд;

STANDBY_MS_500 – модуль просыпается каждых 500 миллисекунд;

STANDBY_MS_1000 – модуль просыпается каждую секунду;

STANDBY_MS_2000 – модуль просыпается каждые 2 секунды;

STANDBY_MS_4000 – модуль просыпается каждых 4 секунды;

На этом стадию настройки параметров датчика BMP280 можно считать завершённой. Библиотека Adafruit_BMP280 предоставляет пользователю три функции, с помощью которых можно считать показания температуры, атмосферного давления и высоты над уровнем моря. Ниже приведён фрагмент программного кода, с помощью которого эти данные выводятся в окно терминала. Считывание происходит в основном цикле loop().

Следует пару слов сказать о функции bmp.readAltitude(1013.25) и откуда берётся число 1013.25. Это значение давления над уровнем моря конкретной локации, где находится в данный момент датчик. Параметр задаётся в сотнях Ра. Он уникален для каждой местности и по своей сути является отправной точкой или калибровочной константой для корректного измерения высоты. Такой подход обусловлен специфическим алгоритмом вычисления, который построен на принципе фиксации уменьшения атмосферного давления с ростом высоты и наоборот. В любом случае данную константу можно подсмотреть в Интернете на одном из профильных сайтов. Результат вывода значений в терминал показан на рисунке №4.

Рисунок №4 – результат чтения данных с модуля BMP280

Как видно из рисунка, давление выводится в Паскалях, что для восприятия не очень удобно. Гораздо привычнее получать значения в миллиметрах ртутного столба. Как известно 1Ра = 0,00750062 мм. рт. ст., следовательно необходимо полученное с помощью функции readPressure() значение умножить на 0,00750062.

ОБРАТИТЕ ВНИМАНИЕ. Может возникнуть такая ситуация, при которой модуль не будет определяться при подключении его по шине I2C. Дело в том, что каждое устройство на этой шине должно иметь свой уникальный адрес. Данная серия модулей в зависимости от модификации может иметь адреса 0x77 или 0x76. Библиотека Adafruit_BMP280.h использует по умолчанию адрес 0х77. Чтобы изменить его на 0х76 необходимо открыть файл Adafruit_BMP280.h установленной библиотеки любым текстовым редактором и найти там нижеследующую строку:

#define BMP280_ADDRESS (0x77) /**

FAQ. Часто задаваемые вопросы

1. Подключаю датчик по шине I2C, заливаю тестовый скетч из библиотеки Adafruit_BMP280.h, но датчик не обнаруживается. В чём может быть причина?

Большинство датчиков BMP280 имеют адрес 0х76, а библиотека Adafruit_BMP280.h по умолчанию работает с адресом 0х77. Чтобы это исправить необходимо открыть файл Adafruit_BMP280.h любым текстовым редактором, найти строку вида:

Ссылка на основную публикацию