Датчик давления газа

Что такое датчик давления газа?

Датчик давления газа — это устройство, преобразующее сигналы давления газа в измеримые электрические сигналы. Он регистрирует изменения давления газа с помощью чувствительных компонентов и преобразует их в стандартизированные электрические сигналы, такие как напряжение, ток или частота, для вывода на выход. Эти сигналы могут считываться, записываться и удаленно контролироваться с помощью ПЛК, АСУ ТП, цифрового дисплея или SCADA-системы.

В отличие от традиционных механических стрелочных манометров, которые могут считывать значения только локально, главное преимущество газовых датчиков давления заключается в возможности передачи, записи и интеграции сигналов в системы автоматизации. Одна сигнальная линия может обеспечивать обратную связь в режиме реального времени с данными о давлении на объекте в диспетчерскую, что делает процесс автоматизации более эффективным. измерение давления фундаментальная часть современной промышленной автоматизации и интеллектуального производства.

Благодаря зрелости технологии MEMS (микроэлектромеханических систем), современные датчики давления газа быстро развиваются в направлении миниатюризации, высокой точности, низкого энергопотребления и массового производства.

Принцип работы датчика давления газа

Основной принцип работы датчики давления газа Задача состоит в преобразовании сигналов давления газа в измеримые электрические сигналы. Ключевым моментом является использование физических свойств чувствительных к давлению компонентов, которые изменяются с давлением, а затем преобразование этого изменения в стандартизированные электрические сигналы через последующие схемы для вывода.

К числу современных основных принципов измерения относятся следующие:

• Пьезорезистивный эффект: Использование пьезорезистивного эффекта полупроводниковых кремниевых материалов — когда кремниевый чип деформируется под давлением, его сопротивление соответственно изменяется, и это изменение сопротивления преобразуется в выходное напряжение через мостовую схему Уитстона. В настоящее время это наиболее широко используемая технология в промышленности, обладающая преимуществами высокой чувствительности, быстрой реакции и относительно низкой стоимости, подходящая для работы в газовых и жидкостных условиях в диапазоне 0-1000 бар.

• Емкостной Обнаруживает изменения значений емкости, вызывая изменение расстояния между пластинами конденсатора под воздействием давления. Обладает высокой устойчивостью к перенапряжениям и хорошей долговременной стабильностью, подходит для измерения низкого и микродавления или воздействия агрессивных сред.

  

• Пьезоэлектрический эффект: Некоторые материалы (например, кристаллы кварца) генерируют заряды под давлением и выдают электрические сигналы, что делает их пригодными для измерения динамического давления.
• Оптический метод: Использование изменений оптических характеристик оптических волокон или решеток под давлением для проведения измерений, подходит для условий сильных электромагнитных помех.

Типы датчиков давления газа

В зависимости от используемых стандартов измерения, датчики давления газа в основном делятся на следующие категории:

• Датчик абсолютного давления: измеряет давление относительно абсолютного вакуума, обычно используется для мониторинга атмосферного давления и измерения высоты.
• Датчик манометрического давления : измеряет давление относительно атмосферного давления, например, система контроля давления в шинах (TPMS).
• Датчик дифференциального давления: измеряет разницу между двумя точками давления и широко используется для регулирования потока в трубопроводах и мониторинга падения давления в фильтрах.
• Герметичный датчик давления: основан на фиксированном герметичном эталонном давлении, подходит для конкретных промышленных сценариев.

Типичные сценарии применения датчиков давления газа

1. Нефтегазовая промышленность

Нефтегазовая отрасль является одной из наиболее сложных областей применения датчиков давления газа. Рабочее давление в магистральных газопроводах может достигать 35-100 бар, и требования к номинальному давлению, взрывозащищенности и выбору материалов для датчиков давления чрезвычайно строгие. Процесс транспортировки природного газа охватывает пять диапазонов давления: магистральные газопроводы высокого давления (35-100 бар), региональные газопроводы (16-35 бар), городские газопроводы высокого давления (1,6-4 бар), распределительные трубопроводы среднего давления (0,1-1,6 бар) и конечные потребители низкого давления (ниже 0,1 бар), каждый из которых имеет совершенно разные требования к приборам.

В нефтегазовой отрасли основным критерием выбора оборудования является наличие взрывозащищенного сертификата. Природный газ относится к газу группы IIC, и для взрывоопасных зон (зона 1/зона 2) необходимо выбирать взрывозащищенные приборы с уровнем взрывозащиты Ex db IIC T6. Кроме того, природный газ часто содержит следы сероводорода (H₂S), который вызывает коррозию обычных мембран из нержавеющей стали. Поэтому для компонентов, принимающих жидкость, необходимо использовать нержавеющую сталь марки 316L.

2. Промышленная автоматизация и управление технологическими процессами

В области промышленной автоматизации датчики давления газа широко используются для контроля давления в трубопроводах, управления пневматическими системами, мониторинга работы компрессоров и в других сценариях. Будь то контроль давления в реакционных сосудах химических заводов или регулирование давления в трубопроводах компрессорных систем, высоконадежные датчики давления газа незаменимы.

3. Автомобильная электроника

Автомобильная электроника является важным рынком применения датчиков давления газа, в основном в системах контроля давления во впускном коллекторе двигателя (датчики MAP) и системах контроля давления в шинах (TPMS).

4. Медицинское оборудование

В сфере здравоохранения такое оборудование, как аппараты искусственной вентиляции легких, наркозные аппараты и тонометры, использует высокоточные датчики давления газа для обеспечения точного контроля потока и давления газа.

5. Экологический мониторинг и системы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха.

Измерение давления на метеорологических станциях, определение давления в системах мониторинга качества воздуха, а также мониторинг давления и перепада давления в системах отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха — все это основано на использовании датчиков давления газа.

Общее руководство по выбору датчиков давления газа

Правильный выбор — залог обеспечения точности, стабильности и безопасности измерений. Ниже перечислены шесть распространенных факторов, которые необходимо учитывать при выборе:

1. Диапазон давления

Диапазон измерения — это наиболее важный параметр, определяющий характеристики датчиков давления газа. При выборе необходимо убедиться, что диапазон измерения датчика охватывает максимальное значение целевого давления, оставляя при этом определенный запас прочности. Обычно диапазон варьируется от кПа до МПа.

2. Тип выходного сигнала

Выберите соответствующий выходной сигнал в соответствии с требованиями интерфейса системы управления (ПЛК/РСУ):

• Двухпроводной токовый сигнал 4-20 мА: наиболее распространенный стандартный сигнал в промышленности, обладающий высокой помехоустойчивостью и подходящий для передачи на большие расстояния.
• Сигнал напряжения 0-5 В/0-10 В: подходит для передачи на короткие расстояния.
• Цифровая связь HART: позволяет накладывать цифровые сигналы 4-20 мА, поддерживает удаленную настройку параметров и диагностику.
• RS-485 Modbus: подходит для многоточечного сетевого взаимодействия и удаленного централизованного мониторинга.

3. Совместимость с медиаконтентом

Химические свойства измеряемого газа напрямую определяют выбор материала датчика. При измерении коррозионных газов (таких как природный газ, содержащий H₂S, хлор, аммиак и т. д.) необходимо использовать нержавеющую сталь 316L или специальные сплавы для контактирующих частей. При измерении специальных газов, таких как водород, также необходимо учитывать проблемы водородного охрупчивания.

4. Уровень точности

Точность промышленных датчиков давления газа обычно выражается в процентах от полной шкалы (% от полной шкалы), при этом распространенные уровни точности включают ± 0,1% от полной шкалы, ± 0,25% от полной шкалы, ± 0,5% от полной шкалы и т. д. Для высокоточных применений, таких как измерения в торговле, рекомендуется использовать изделия с точностью 0,1 или 0,25.

5. Сертификация взрывозащиты

Датчики давления, используемые в средах с легковоспламеняющимися и взрывоопасными газами, должны пройти соответствующую взрывозащитную сертификацию:

• Взрывозащищенный тип (Ex d): Корпус выдерживает внутренние взрывы без повреждений и не воспламеняет внешние взрывоопасные вещества.
• Искробезопасность (Ex ia/Ex ib): электрические искры или тепловые эффекты, возникающие при нормальной работе и в условиях неисправности, недостаточны для воспламенения взрывоопасной среды.
• При выборе необходимо указать тип опасного газа, температурную группу и уровень зоны (зона 0/1/2) в зоне установки.

6. Диапазон рабочих температур

Датчики давления газа должны адаптироваться к различным температурам окружающей среды. Типичный диапазон рабочих температур для изделий промышленного класса составляет от -40 °C до 85 °C. В экстремальных условиях с высокими или низкими температурами следует выбирать изделия с широким диапазоном рабочих температур.

Специальное руководство по выбору различных газовых сред.

Химические свойства различных газов сильно различаются, что требует использования совершенно разных материалов, процессов и конструкций для датчиков. Ниже представлен подробный анализ выбора распространенных методов измерения давления промышленных газов:

Датчик давления азота

Азот — один из наиболее широко используемых инертных газов в промышленности, и измерение его давления само по себе не представляет сложности, однако к нему предъявляются особые требования в условиях высокой чистоты и высокого давления.

• Традиционные методы измерения: Для обычных азотных трубопроводов достаточно универсального датчика давления, соответствующего требованиям.
• Азот высокой чистоты: В таких отраслях, как производство полупроводников, где требуется чрезвычайно высокая чистота (например, ≥ 99,999%), необходимо выбирать датчики из нержавеющей стали SUS 316L, чтобы избежать загрязнения газами, вызванного соединениями из медных сплавов и других материалов.
• Баллон с газом высокого давления: При измерении давления в баллонах с азотом высокого давления рекомендуется выбирать изделия с диапазоном давления в 1,5–2 раза превышающим рабочее давление, и отдавать приоритет наполнению амортизирующей жидкостью (например, глицерином), чтобы компенсировать скачки давления и вибрацию во время заправки и опорожнения баллона.
• Требования к взрывозащищенности: В опасных зонах, таких как нефтехимическая промышленность, необходимо выбирать взрывозащищенные изделия, сертифицированные по стандартам ATEX или IECEx.

Датчик давления воздуха/кислорода

Измерение содержания кислорода в воздухе является наиболее распространенным методом, однако измерение содержания чистого кислорода предъявляет самые высокие и специфические требования безопасности среди всех газов.

• Сжатый воздух: В качестве наиболее распространенной среды измерения обычно выбирают универсальный датчик давления. В пневматических системах, таких как воздушные компрессоры, рекомендуется выбирать датчики со стандартными выходными сигналами, например, 4-20 мА, для адаптации к управлению с переменной частотой.
• Кислород: Сам по себе кислород не является легковоспламеняющимся веществом, но обладает сильными свойствами, способствующими горению. Под высоким давлением он бурно реагирует с органическими веществами, такими как масла и жиры, создавая риск взрыва.
• Основное требование: Обработка с соблюдением требований "запрета на использование нефти": это первостепенный приоритет при выборе датчиков кислорода. Датчики должны производиться, очищаться и упаковываться с использованием процесса, не требующего использования нефти.
• Специальная заправочная жидкость: Во избежание реакции окисления между обычным силиконовым маслом и кислородом, датчик необходимо заполнить инертным маслом (например, фторсодержащей смазкой) (см. раздел «Масло»).

Датчик давления углекислого газа (датчик давления CO₂)

Измерение давления CO₂ в основном делится на два направления: мониторинг окружающей среды и промышленное охлаждение, с существенными различиями в технических требованиях.

• Экологический мониторинг: в основном измеряет низкие концентрации (например, 400-10000 ppm), часто используя датчики концентрации CO₂ вместо датчиков чистого давления.
• Промышленное холодильное оборудование: В системах охлаждения на основе CO₂ давление очень высокое (обычно превышает 30 бар), поэтому необходимо выбирать датчики давления, специально разработанные для работы при высоком давлении, чтобы обеспечить их устойчивость к давлению и защиту от перегрузки, соответствующие требованиям экстремальных давлений.

Датчик давления водорода

• Измерение содержания водорода представляет собой серьезную проблему в области промышленных приборов, суть которой заключается в решении двух основных проблем: «водородного охрупчивания» и «водородной проницаемости».
• Водородное охрупчивание: Атомы водорода проникают в кристаллическую решетку металла, вызывая хрупкость мембраны и ее внезапное разрушение под воздействием напряжения, значительно ниже нормальной прочности.
• Проникновение водорода: Атомы водорода проникают через мембрану из нержавеющей стали и попадают во внутреннюю камеру с силиконовым маслом, образуя пузырьки, что вызывает дрейф нулевой точки и диапазона датчика и в конечном итоге приводит к его выходу из строя.
• Мембрана с золотым покрытием: золотое покрытие поверхности мембраны из нержавеющей стали является эффективным методом подавления проникновения водорода.
• Специальные материалы: В средах, подверженных высокому давлению или воздействию водорода высокой чистоты, может потребоваться использование материалов с лучшей устойчивостью к водородному охрупчиванию, таких как хастеллой и инконель.

⚠️ Категорически запрещено использовать обычные маслонаполненные сердечники: стандартные маслонаполненные датчики давления категорически запрещено использовать в водороде или смесях газов с концентрацией водорода более 30%, поскольку их отказы носят систематический характер.

Датчик давления хлора/коррозионных газов

Для этого типа газа выбор материала датчика напрямую определяет безопасность и надежность измерения.

• Коррозионные газы (например, хлор Cl₂): токсичные газы желто-зеленого цвета при комнатной температуре и давлении. Сухой хлор по-прежнему вызывает коррозию стали, железа и т. д., но при наличии небольшого количества водяного пара он образует высококоррозионные хлорноватистая и соляная кислоты. Диафрагма и корпус должны быть изготовлены из коррозионностойких материалов, таких как тантал или титановый сплав.
• Другие коррозионно-активные газы (такие как аммиак NH3, сероводород H₂S): аналогично хлору, для защиты от электрохимической коррозии следует использовать мембраны с покрытием из сплава Hastelloy или политетрафторэтилена (PTFE). При измерении давления природного газа, содержащего H₂S, следует выбирать специализированный серостойкий манометр.

Датчик давления природного газа

Измерение параметров природного газа в основном направлено на предотвращение взрывов и анализ материалов, при этом диапазон давления охватывает как трубопроводы большой протяженности, так и бытовой газ.

• Сертификация взрывозащиты: Природный газ относится к группе опасных газов IIC, и в зонах 1/2 необходимо выбирать взрывозащищенные приборы высокого уровня, такие как Ex db IIC T6.
• Требования к материалам: Если природный газ содержит сероводород (H₂S), то материал, контактирующий с жидкостью, необходимо улучшить для предотвращения коррозионного растрескивания под напряжением.
• Широкий диапазон измерений: от транспортировки газа под высоким давлением (>100 бар) до микродавления городского газа (<30 мбар) — для выбора соответствующего диапазона и точности необходимо учитывать конкретные условия эксплуатации.

Основные проблемы и ключевые моменты выбора типов газа

• Для работы с высокочистым азотом требуется азот высокой чистоты (N₂), а для работы с высокотемпературным ударопрочным азотом необходима нержавеющая сталь 316L; для условий высокого давления следует выбирать модели с диапазоном измерения в 1,5-2 раза большим диаметром и жидкостным наполнением для защиты от ударов.
• Риски для безопасности, связанные с воздухом и кислородом (O₂) (способствующие горению), должны устраняться путем «запрета на использование масла»; внутренняя поверхность заполнена инертным маслом; применяются специализированные методы очистки.
• Датчик концентрации для планового мониторинга углекислого газа (CO₂) под высоким давлением (в холодильной системе); для холодильной системы необходимо выбрать специальный датчик высокого давления.
• Водородное охрупчивание (H₂) и золочение мембран, пропускающих водород; использование специальных сплавов для условий высокого давления; строго запрещено использование обычных сердечников, заполненных маслом.
• Для защиты от высокой коррозии газообразного хлора (Cl₂) мембрана и оболочка изготавливаются из коррозионностойких материалов, таких как тантал или титановый сплав.
• Для защиты от взрыва природного газа и коррозии, вызванной содержанием серы, необходимо наличие взрывозащитного сертификата (Ex db IIC T6); при наличии H₂S следует выбирать серостойкие материалы.

Меры предосторожности при установке

Правильная установка — залог обеспечения стабильной работы датчиков давления газа в течение длительного времени:

1. При измерении давления газа штуцер для измерения давления следует открыть в верхней части технологического трубопровода, а датчик также следует установить в верхней части трубопровода для обеспечения обратного потока накопившейся жидкости в трубопровод.
2. Перед установкой необходимо убедиться в соответствии размеров интерфейса. Если они не совпадают, следует использовать подходящий адаптер.
3. Избегайте установки в зоне излучения источников тепла или вблизи источников сильной вибрации. При необходимости установите теплоизоляционные покрытия или виброгасящие устройства.
4. Не следует смешивать сигнальные кабели с силовыми, а также следует избегать сильных электромагнитных помех вблизи датчиков.
5. Монтаж должен производиться без давления или подачи электроэнергии.
6. При работе с кислородом и другими безмасляными средами необходимо обеспечить тщательную очистку всех контактирующих с ними деталей без использования масла перед установкой.

Датчики давления газа, являясь ключевым компонентом современных промышленных систем измерения и управления, способствуют развитию автоматизации и интеллектуальных систем в различных отраслях промышленности благодаря технологическим достижениям. Высокоточные и надежные решения для измерения давления газа незаменимы в таких областях, как нефте- и газопроводы большой протяженности, управление химическими процессами, автомобильная электроника и медицинское оборудование.

При выборе измерительного оборудования, помимо таких общих параметров, как диапазон, точность и выходной сигнал, тип измеряемого газа часто является ключевым фактором, определяющим материал датчика, технологический процесс и конструкцию с точки зрения безопасности. От обычного сжатого воздуха до специальных газов, таких как кислород, водород и хлор, каждый газ предъявляет уникальные технические требования к измерительному оборудованию.

Компания Silverinstruments много лет работает в сфере промышленного оборудования, стремясь предоставлять клиентам высококачественные датчики давления. Наши датчики давления газа охватывают широкий диапазон диапазонов, выходных сигналов и взрывозащищенных уровней, удовлетворяя потребности самых разных областей применения: от общей промышленности до нефтегазовой отрасли, от комнатной температуры до широкого диапазона температур, от обычных зон до взрывоопасных зон. В то же время, для специальных газов, таких как кислород, водород, хлор и др., мы можем предложить решения с индивидуальной обработкой «без масла», золотым покрытием и использованием специальных сплавов.