Проблемы в области измерения давления и пути их решения
Фетисов Александр
По материалам доклада на Международной научно-практической конференции «Измерения: Состояние, перспективы развития», сентябрь 2012 год.
Я и мои коллеги разрабатываем датчики давления на протяжении многих лет. Сегодня мне хочется вспомнить, как шло развитие нашего приборостроения, где мы находимся, правильно ли мы все делали и посмотреть, что необходимо сделать сейчас, по какому пути надо идти. И главное - не сделать ошибки!
В России измерение давления приборами с токовым стандартным выходным сигналом началось с появления датчика давления «Сапфир», в котором в измерительном блоке в качестве первичного преобразователя использовались мембранно-рычажные тензопреобразователи (сенсоры) – для измерения низких давлений и мембранные сенсоры – для высоких давлений.
Измерительный блок датчика «Сапфир» был удачной конструкцией и отвечал требованиям времени. Измерительный блок датчиков разности давлений состоял из двух измерительных гофрированных мембран и профильных упоров для них, сенсора и фланцев.
Измерительный блок с мембранным сенсором (датчик избыточного и абсолютного давления) имел простую конструкцию: сенсор размещался в штуцере динамической полости.
Датчики «Сапфир» имели электронный аналоговый преобразователь одной конструкции для всех моделей.
В течение многих лет данная констркуция считалась идеальной для мембранного измерительного блока и не менялась более двадцати лет. Но в части электроники, конечно, шли большие изменения: появлялись новые электронные компоненты, разрабатывались выходные сигналы у датчиков с различными протоколами передачи данных, повилась собственная диагностика параметров работы датчика, предусматривается возможность диагностики технологического процесса, внедряются беспроводные протоколы передачи цифровых данных (Wireless HART), которые позволяют эксплуатировать датчики давления в таких областях и процессах, где проводные соединения и кабельная передача информации в принципе невозможны, осуществлено превращение проводного датчика в беспроводной.
Такие значительные изменения электроники превратили новые поколения датчиков давления в, казалось бы, супер датчики, но принципиальная конструкция измерительного блока оставалась на 100 % от приборов типа «Сапфир».
Датчики давления стали выходить под разными брендами: «Метран», «Манометр», «Элемер» и др., но различались только электронным преобразователем.
Например, Промышленная Группа «Метран» в 2000 году выпустила датчик давления «Метран-100» с выходными сигналами протокола HART, Modbus, с индикатором, кнопками управления и диагностикой параметров датчик,а и уже менее чем через 2 года появились с такими же опциями датчики с брендами других известных российских компаний. Заказчикам даже не нужно было менять модели, все делалось «под копирку».
Однако, реальные исполнения конструкции датчиков отличались возможностями встроенной электроники, сопутсвующим программным обеспечением и технологией использования: – функциональностью, - погрешностью, - диагностикой, - разными видами выходных сигналов, а также - сроком службы и - интервалом между поверками.
Но абсолютно все датчики с конструкцией 2-х измерительных мембран типа «Сапфир» не были свободны от целого ряда существенных недостатков.
нестабильность выходного сигнала при изменении статического давления, т.к. объем заполняющей жидкости очень большой (более 4,5 см3), а жесткость измерительных мембран не может быть абсолютно одинаковой, то изменение статического давления даже на 10 -15 % приводит к изменению погрешности датчика в разы. Поэтому применение таких датчиков там, где необходимы точные измерения, например для коммерческого учета, было недопустимо, не отвечало требованиям времени;
нестабильность после односторонних максимальных перегрузок давлением, всегда требуется корректировка выходного сигнала, т. к. высокое перегрузочное давление вызывает остаточные деформации в мембране и сенсоре, изменяет положение измерительной мембраны и это обуславливает наличие погрешности выходного сигнала после снятия перегрузки;
значительная погрешность при изменении температуры.
Датчики давлений с мембранным сенсором (ДИ, ДА) имеют низкий предел перегрузочного давления (не более 1,5 от максимального настроечного давления сенсора, что приводит к разрушению сенсора при гидроударах или технологических превышениях давления).
Такие проблемы датчиков ДД, ДИ, ДВ, ДА невозможно исправить никакой электроникой, а эти характеристики – наиважнейшие. Вышеприведенные проблемы измерительных блоков только метрологические, но еще есть проблемы при изготовлении измерительных блоков: технологически конструкция измерительных блоков датчиков типа «Сапфир» весьма трудоемка.
