Для экстремальных условий: металлические датчики давления Honeywell S&C

Рубрика: Датчики

Статьи по схожей тематике: Honeywell, Датчики давления

Сергей Зубов (г. Фрязино)

Металлические датчики давления от компании Honeywell предназначены прежде всего для работы в условиях агрессивных сред, высоких и низких температур, ударов и вибрации. Сферы их применения – от медицинской техники и техники ЖКХ до военных приложений. В статье рассмотрены пять серий датчиков для использования в качестве компонентов в составе измерительных систем и одна серия, где датчики представляют собой законченное устройство.

Подразделение Sensing and Control (Honeywell S&C) известного гиганта индустрии, компании Honeywell [1], давно занимает лидирующие позиции в разработках и поставках широкой гаммы датчиков давления. Датчики применяются в медицине - в установках искусственной вентиляции легких и аппаратуре гемодиализа, в военной технике - в системах контроля двигателей и топливных систем, для контроля скорости и параметров окружающей среды, на транспорте - в системах контроля двигателей и трансмиссии, тормозных системах. В промышленности - в рефрижераторных установках, компрессорах, в измерительных установках, системах газо- и нефтепроводов, теплотехнических сооружениях, в системах управления лифтами и подъемниками. Кроме того, Honeywell S&C обеспечивает запросы научных и исследовательских подразделений многих компаний, занимающихся разработками или тестированием гидравлических систем и механизмов.

Линейка металлических датчиков
для тяжелых условий эксплуатации

Датчики давления, выпускаемые Honeywell S&C, делятся на два типа: пластмассовые датчики давления, монтируемые на плату и предназначенные для измерения относительно невысоких давлений, и металлические датчики, рассчитанные, как правило, на более высокие давления и предназначенные для работы в тяжелых условиях эксплуатации. В данной статье мы рассмотрим датчики второго типа. В линейку металлических датчиков давления входит пять серий датчиков в корпусах из нержавеющей стали, чувствительный элемент которых отделен от измеряемой среды металлической мембраной. В таблице 1 приведены параметры условий окружающей среды для работы этих изделий.

Таблица 1. Диапазоны применимости металлических датчиков давления Honeywell S&C различных типов

Факторы	Серия
Факторы	13ММ	19ММ	PX2	MLH	SPT
Диапазон термокомпенсации, °C	0...82	0...82	-40...125	-40...125	-10...85
Рабочая температура, °C	-40...125	-40...125	-40...125	-40...125	-40...125
Температура хранения, °C	-40...125	-40...125	-40...125	-40...125	-40...125
Предельно допустимая вибрационная нагрузка, g	10 (в диапазоне 20...2000 Гц)	10 (в диапазоне 20...2000 Гц)	10 (в диапазоне 20...2000 Гц)	Случайная вибрация ~20 (по стандарту MIL-STD-810C)	10 (в диапазоне 20...2000 Гц)
Устойчивость к одиночным ударам, g	100 (длительностью 11 мсек)	100 (длительностью 11 мсек)	100 (по MIL-STD 202F)	100 (длительностью 11 мсек)	100 (длительностью 11 мсек)

Серия 13MM

Эти датчики (рисунок 1) сконструированы для измерения высоких давлений агрессивных сред и для работы в тяжелых условиях эксплуатации. Серия использует проверенные полупроводниковые пьезорезистивные чувствительные элементы в маслостойких корпусах. Конструкция датчиков обеспечивает точность и надежную, стабильную работу. Особенностью конструкции является сварной кольцевой воротник и заднее поддерживающее кольцо, что обеспечивает долговечность. Датчики выпускаются в 5 типах корпусов из нержавеющей стали с обычной или конической резьбой, а также в виде цилиндрического элемента с упором. Выпускаются в термокомпенсированном (13С) и нетермокомпенсированном (13U) исполнениях с заводской калибровкой.

Рис. 1. Датчик давления 13 MM

Датчики измеряют абсолютное и дифференциальное давление и рассчитаны на давления от 0 до 5000 psi (от 0 до 350 атм).

Следует отметить, что датчики этой серии (как, впрочем, и датчики серии 19ММ, о которых пойдет речь ниже) используются только как компоненты для изготовления измерительных систем. Они не имеют никаких других стандартизированных выходов кроме милливольтовых.

Рабочий диапазон температур - от -40 до 125°C, диапазон термокомпенсации от 0 до 82°C. Датчики устойчивы к вибрациям до 10g в диапазоне 20...20000 Гц и одиночным ударам до 100g длительностью 11 мсек.

Питание датчиков осуществляется в одной модификации - от источника постоянного напряжения +10 В, в другой модификации - от источника постоянного тока 1,5 мА, что определяется при заказе. Напомним, что источники напряжения и тока отличаются друг от друга величиной внутреннего сопротивления. В идеальном случае - это, ноль и бесконечность.

Сопротивление изоляции составляет не менее 100 МОм при приложенном постоянном внешнем напряжении в 50 В.

Как было сказано выше, датчики 13ММ предназначены для использования в ОЕМ-приложениях. Это дает производителям возможности для создания на их базе собственных устройств измерения и контроля давления. Типичные области применения - управление промышленными процессами в гидравлических системах, а также в трубопроводах и хранилищах.

Серия 19MM

Серия (рисунок 2) была разработана для обеспечения измерений в агрессивных средах при жестких условиях эксплуатации, поэтому корпуса датчиков изготавливаются из нержавеющей стали, а сам чувствительный элемент изолирован мембраной. В состав серии, кроме компенсированных и некомпенсированных датчиков давления (19С и 19U соответственно) входят датчики разряжения 19VG для применения в вакуумных системах.

Рис. 2. Датчик давления 19 MM

Датчики предназначены для измерения давлений в диапазоне от 3 до 500 psi (от 0,21 до 35 атм.).

Рабочий диапазон температур - от -40 до 125°C, диапазон термокомпенсации лежит в пределах от 0 до 82°C. Датчики устойчивы к вибрациям до 10g в диапазоне 20...20000 Гц и одиночным ударам до 100g длительностью 11 мсек.

Питание датчиков осуществляется в одной модификации - от источника постоянного напряжения, а в другой модификации - от источника постоянного тока, что определяется при заказе. Сопротивление изоляции составляет не менее 100 Мом при 50 В внешнего напряжения.

Датчики выпускаются в девяти модификациях корпуса, как в виде круглого соединительного элемента euro ring, так и с обычной либо конической резьбой, причем есть даже вариант присоединения порта давления, когда со стороны датчика используется внутренняя резьба. Столь обширная вариация типов корпусов объясняется тем, что они, как и датчики серии 13ММ, предназначены для производителей оборудования, которые приспосабливают эти изделия к своим нуждам. Типичные применения - в промышленных гидравлических системах, в системах автоматизации и контроля производственных процессов, а также в измерительной технике в качестве элемента измерительных приборов и калибраторов давления.

PX2

Эта серия высокопрочных преобразователей давления (рисунок 3) представляет собой линейку конфигурируемых заказчиком датчиков давления, которая использует пьезорезистивную технологию и специализированные интегральные микросхемы для улучшенной обработки выходного сигнала. Датчики преобразователей полностью калиброваны и термокомпенсированы. Для исключения смещения, изменения чувствительности и нелинейности используется встроенная в преобразователь специализированная интегральная микросхема. Такое решение позволяет достичь погрешности не более ±2% во всем диапазоне рабочих температур - от -40 до 125°С.

Рис. 3. Датчик давления PX2

Преобразователи выдерживают вибрацию в 20g в диапазоне частот от 10 до 2000 Гц и удары 100g в соответствии со стандартом MIL-STD 202F, метод 213В.

Преобразователи предназначены для измерения абсолютного и избыточного давлений. Преобразователи для измерения абсолютного давления имеют встроенный вакуумированный объем, что позволяет измерять давление от абсолютного нуля (вакуума). Преобразователи избыточного давления измеряют давление, избыточное по отношению к фиксированному атмосферному, существовавшему на момент изготовления и герметизации данных датчиков (стандартное давление воздуха на уровне моря). Верхний предел измеряемого давления 35 атм. Конкретные предельные давления из ряда 100, 150, 200, 250, 300, 500 psi указываются в обозначении модели.

Преобразователи выпускаются с несколькими типами выходов: пропорциональным с амплитудой до 90% питающего напряжения, нормированным с регулируемой амплитудой от 0,25 до 10 В или выходом типа токовая петля 4...20 мА.

Преобразователи применяются в системах автоматизации промышленных предприятий, где задействованы гидравлические или пневматические устройства; для контроля уровней, потока и давления жидкостей в технологических процессах; в компрессорных системах и холодильных установках, на транспорте в тормозных системах; системах контроля давления масла в двигателях, газопроводах и нефтепроводах, станциях перекачки, а также в упаковочном оборудовании и формовочных машинах.

SPT

Данная серия преобразователей выпускается в жестких корпусах из нержавеющей стали и предназначена для работы в агрессивных газовых и жидких средах и наиболее тяжелых условиях эксплуатации (рисунок 4). Преобразователи в настоящий момент выпускаются с пятью типами портов давления.

Рис. 4. Датчик давления SPT

Преобразователи выдерживают вибрации 10g в диапазоне частот от 20 до 2000 Гц и одиночные удары 100g длительностью 11 мсек. Сопротивление изоляции - не менее 100 МОм.

Диапазон рабочих температур преобразователей от -40 до 85°C, диапазон термокомпенсации от -10 до 85°C.

Преобразователи могут иметь три типа выходов: пропорциональный с амплитудой выходного сигнала от 1 до 5 В («вольтовый выход»), от 0 до 100 мВ («милливольтовый выход») и с выходным током от 4 до 20 мА (выход типа «токовая петля»).

Преобразователи предназначены для измерения абсолютного и избыточного давления (причем одни конструктивы измеряют избыточное давление по отношению к текущему атмосферному, а другие - по отношению к фиксированному давлению, которое существовало на момент изготовления и герметизации этих датчиков). Версия с милливольтовым выходом пригодна для измерения глубокого вакуума. Выходной сигнал может передаваться через байонетный разъем или по кабелю длиной 2 фута (60 см).

Преобразователи могут использоваться в системах управления технологическими процессами, в промышленной автоматике и гидравлике, а также - как погружной элемент измерительных устройств.

Датчики давления серии MLH

Эта серия преобразователей (рисунок 5) использует полупроводниковый пьезорезистивный датчик, принцип действия которого достаточно подробно изложен в [2]. Все датчики термокомпенсированы и калибруются при изготовлении. Сам датчик изолирован от воздействия агрессивной среды металлической мембраной и вместе с ней заключен в корпус из нержавеющей стали. По сравнению с вышеописанной серией SPT, серия MLH является менее дорогой, но и менее точной. А отличие MLH от серий 13ММ и 19ММ состоит в том, что датчики MLH являются законченными устройствами (которым не хватает только дисплея и блока питания, чтобы считаться самостоятельным прибором) с широким опциональным набором стандартных выходов и огромным набором возможных типов портов давления.

Рис. 5. Датчики давления серии MLH

Сигнал датчика усиливается и обрабатывается специализированной микросхемой, при этом возможны следующие варианты выходов: пропорциональный; регулируемый, когда зависимость выходного напряжения может задаваться в различных диапазонах; и токовый, когда при изменении давления изменяется выходной ток. Благодаря встроенной обработке удается получить точность при определенных заданных условиях (в частности при давлении больше 6,8 атм) до ±0,25%, а величина суммарной погрешности в отдельных случаях не превышает 2 % в температурном диапазоне от -40 до 125°С.

Преобразователи предназначены для измерения избыточного давления (в одних устройствах - измеренного по отношению к текущему атмосферному, в других случаях - по отношению к фиксированному на момент изготовления атмосферному). Наиболее полное представление о преобразователях можно получить, рассмотрев структуру обозначения датчиков при заказе.

Первая часть - обозначение серии, разумеется, MLH.

Вторая часть - диапазон давлений, на который рассчитан преобразователь. Давления выбираются из ряда 050, 100, 150, 200, 250, 300, 500, 01К (т.е. 1000), 02К, 03К, 05К, 08К (цифры означают фунты на квадратный дюйм), и маркируются в следующей позиции буквой Р. Выпускаются также преобразователи, откалиброванные в Барах, тогда размерный ряд выглядит так: 006, 010, 016, 025, 040, 060, 100, 160, 250, 350, 500, 550 и в следующей позиции будет буква В.

Следующая за единицами позиция отводится под тип измеряемого преобразователем давления: G (gage) означает давление, избыточное по отношению к текущему атмосферному, S (sealed gage) - давление избыточное по отношению к фиксированному на момент изготовления атмосферному. При этом компания сообщает, что преобразователи избыточного давления этой серии не выпускаются на диапазон меньше 6,8 атм.

Далее следует обозначения типа электрического выхода. Доступны как соединители разного типа, так и кабельные выводы. Возможные значения приведены в таблице 2.

Таблица 2. Маркировка типа электрического вывода в датчиках давления MLH

Символ	Обозначение типа вывода	Внешний вид
B	Packard Metripack
C	Hirschmann G4W
G	Din 43650 form C
H	AMP 1.4 Superseal
L M P	Кабель 1 м Кабель 2 м Литцпровод (20 скрученных проводников) 5 см	Красный – А Белый – B Черный – С
D	M12-1 Brad Harrison
N	Deutsch DTM04-3P

Предпоследняя позиция обозначает тип присоединительного разъема (порта) для подвода измеряемого давления (таблица 3). Здесь также существует богатый выбор, практически на все наиболее употребительные стандарты.

Таблица 3. Маркировка типа присоединительного разъема в датчиках давления MLH

Символ	Тип присоединения.
01	1/4-18 NPT
02	M12 x 1.5 (ISO 6149) *
03	M14 x 1.5 (ISO 6149) *
04	3/8-24 UNF (SAE-3 O-ring boss) *
05	M18 x 1.5 (ISO 6149)
06	1/8 in-27 NPT
07	1/2 in-20 UNF (SAE-5 O-ring boss)*
08	M10 x 1 (ISO 6149)
09	4 in SAE female Schrader (7/16-20 UNF-2B внутр. резьба)
10	7/16-20 UNF (SAE-4 O-ring boss)*
11	1/2 in NPT
12	9/16-18 UNF (SAE-6 O-ring boss)*
13	R 1/4-19 BSPT (ISO 7-1 коническая резьба)
14	G 1/4-19 (DIN 3852-2)*
15	G 1/8 with O-ring groove*
16	M16 x 1.5 (ISO 6149)*
17	G 1/4 with O-ring groove*
18	G 1/8 (DIN 3852-2)*
19	R 1/8-28 BSPT (ISO 7-1 коническая резьба)
20	M20 x 1.5 (ISO 6149)*
21	1/2-20 (SAE J514)*
* – означает наличие в комплекте уплотнительного кольца.

Датчики со всеми типами присоединительных разъемов, кроме конических и внутренних резьб, поставляются с прокладками.

И последний по месту, но не по значению, символ определяет тип выходного сигнала:

пропорциональный с выходным напряжением от 0,5 до 4,5В при питании от 5В обозначается буквой А
токовый (токовая петля 4...20мА) обозначается буквой В
регулируемое выходное напряжение в диапазонах от 1 до 6В (обозначается как С), от 0,25 до 10В (соответственно, D), от 0,5 до 4,5В (Е) и от 1 до 5В (G)

В качестве примера рассмотрим расшифровку хорошо зарекомендовавшей себя у отечественных производителей модели MLH300PSL06A. Этот датчик рассчитан на измерение давления, избыточного по отношению к фиксированному атмосферному в диапазоне до 20,4 атм. Он имеет кабель длиной 1 м и резьбу порта подвода давления типа NPT 1/8 in-27. Тип выходного сигнала - пропорциональный (называемый также радиометрическим), изменяющийся в диапазоне от 0,5 до 4,5 В постоянного напряжения.

Такие вариации исполнений дают более двухсот тысяч возможных комбинаций, что вынуждает компанию предупреждать о возможном отсутствии на складе выбранного варианта исполнения и обращаться с просьбой присылать предварительный запрос региональным дилерам. С другой стороны, такое обилие сочетаний позволяет считать данный тип преобразователя полностью конфигурируемым по требованию заказчика (кастомизированным). И, тем не менее, компания декларирует возможность учета других пожеланий заказчика.

Основные области применения позиционируются традиционно как транспорт, компрессорное и холодильное оборудование, жилищно-коммунальное хозяйство и медицина.

На сайте компании приводится пример использования датчика в нефтегазовой области, точнее в установках добычи газа и нефти плунжерного типа. Интересной особенностью использования является питание преобразователей от солнечных батарей.

Известно успешное их применение в автомобилях, использующих сжатый природный газ, для устранения ошибки определения запаса топлива при изменении окружающей температуры. Применение преобразователя серии MLH позволило снизить ошибку в определении запаса топлива до 8% [3]. Использование преобразователей этой серии в гидравлических системах специальных машин типа подъемных кранов, бульдозеров, экскаваторов, в тормозных системах и системах контроля расхода топлива [4] повышает их эффективность и экономичность.

Датчики этой серии применяются в медицине - в аппаратах для наркоза, для контроля давления воздуха, кислорода и закиси азота [5], аппаратах искусственной вентиляции легких [6].

Естественно, область применения преобразователей не исчерпывается указанными примерами. Они могут использоваться в системах управления потоками жидкостей и газов, например, на нефте- и газопроводах и станциях перекачки, в системах теплоснабжения.