Сенсор давления — дифференциальный конденсатор и датчики давления на его основе

В качестве сенсора в электронных датчиках давления широко применяется дифференциальный конденсатор.

В этой конструкции чувствительный элемент — тугая металлическая диафрагма, расположенная равноудаленно между двумя неподвижными металлическими поверхностями, образуя с ними пару электрических конденсаторов. Жидкость (обычно кремнийорганическая), заполняющая пространство между обкладками конденсатора, является хорошим эффективным диэлектриком и выполняет функцию передачи давления от разделительной диафрагмы к чувствительной диафрагме.

Любая разница давления поперек ячейки заставит диафрагму изгибаться в направлении меньшего давления. Чувствительная диафрагма — изготовленный с высокой точностью упругий элемент, смещение которого — предсказуемая функция приложенной силы. Приложенная сила в этом случае является функцией дифференциального (разностного) давления, действующего перпендикулярно поверхности диафрагмы.

Так как диафрагма является, по сути, одной из обкладок пары конденсаторов, то ёмкость конденсаторов будет изменяться при перемещении диафрагмы из-за изменения расстояния между обкладками.

Электронная схема датчика давления, выполненного на основе такого сенсора, подаёт на сенсор сигнал переменного тока и непрерывно измеряет разницу электрических емкостей пары дифференциальных конденсаторов, которая является функцией измеряемого давления.

Эти датчики давления являются очень точными, стабильными, и быстродействующими. Интересная особенность этой конструкции (две разделительные диафрагмы для передачи давления жидкости или газа технологического процесса единственной чувствительной диафрагме через внутреннюю заполняющую жидкость)-то, что твердая структура ограничивает движение разделительных диафрагм так, что ничто не может заставить чувствительную диафрагму деформироваться выше её пределов упругости.

Таким образом, решается задача устойчивости к давлениям, существенно превышающим пределы измерения прибора. Следует отметить, что задача защиты приборов, измеряющих разностное давление, от сверхдавления всегда является актуальной.

Классический пример датчика давления, основанного на дифференциальном конденсаторе — Rosemount модель 1151.

Дифференциальный датчик давления, показанный в собранном виде, на следующей фотографии:

Убрав четыре болта, мы можем отделить фланцы от капсулы давления и увидеть разделительные диафрагмы:

Фотография крупным планом показывает устройство одной из разделительных диафрагм, которая в отличие от чувствительной диафрагмы разработана, чтобы быть очень гибкой. Концентрические складки в металле диафрагмы позволяют ей легко изгибаться от прикладываемого давления, передавая давление процесса через кремнийорганическую жидкость заполнения к упругой чувствительной диафрагме в дифференциальной емкостной ячейке:

На фото того же самого дифференциального емкостного датчика в разрезе, видны разделительные диафрагмы, чувствительная диафрагма, и порты, соединяющие их вместе:

Особенность, хорошо заметная на этой фотографии — маленькое расстояние между разделительной диафрагмой и внутренней металлической структурой, по сравнению с большим объемом полости, в которой находится чувствительная диафрагма.

Вспомните, что все внутренние полости заполняет жидкость, цель которой передавать давление от разделительных диафрагм к чувствительной диафрагме. Как упомянуто прежде, твердая металлическая структура ограничивает перемещение каждой разделительной диафрагмы таким образом, что они упираются в металлическую структуру прежде, чем чувствительная диафрагма может быть деформирована выше её упругого предела. Таким образом, чувствительная диафрагма защищена от повреждения сверхдавлением, потому что разделительным диафрагмам просто не позволено двигаться немного дальше.

Сенсор на базе дифференциального конденсатора по своей природе измеряет разницу давлений, приложенных между двух его сторон. В соответствии с этими функциональными возможностями, датчик давления на основе такого сенсора имеет два резьбовых порта, для подключения к технологическому процессу. Вся электронная схема, необходимая чтобы преобразовывать дифференциальную емкость датчика в электронное представление сигнала давления, размещена в синем корпусе выше капсулы давления и фланцев.

Более современная реализация датчика дифференциального давления на дифференциальном конденсаторе — Rosemount модель 3051:

Как и все датчики дифференциального давления, этот прибор имеет два порта, через которые давление может быть подано на датчик. Датчик, в свою очередь, реагирует только на разницу в давлениях между портами.

Конструкция узла дифференциального конденсатора более сложная в этом конкретном приборе для измерения давления. Разделительные диафрагмы находятся в одной плоскости, которая перпендикулярна плоскости чувствительной диафрагмы. Такой «планарный» дизайн делает датчик более компактным, чем прежние датчики. Но самое главное, он избавляет чувствительную диафрагму от воздействия натяжения болтов, стягивающих фланцы, что было одним из основных источников ошибки в предыдущих конструкциях. Не только при приложении усилий при затягивании болтов появляется погрешность измерения в прежних моделях 1151, но изменение температуры также приводит к изменению натяжения болтов, что также отрицательно сказывается на точности. По этим причинам в большинстве современных образцов датчиков давления стремятся изолировать сборку диафрагм от воздействия натяжения болтов, стягивающих фланцы.

Разрез датчика Rosemount модель 3051S («супермодуль») показывает, как это всё выглядит в реальной жизни:

Как и в классической конструкции модели 1151 Rosemount, мы видим, что заливка жидкостью выполняет множество функций:

  • Заливка жидкостью защищает точную чувствительную диафрагму от контакта с грязными или коррозионными жидкостями или газами процесса.
  • Заливка жидкостью позволяет применить разделительные диафрагмы для обеспечения защиты чувствительной диафрагмы от избыточного давления.
  • Заливка жидкостью обеспечивает постоянную диэлектрическую проницаемость для дифференциальной емкости.

В серии «supermodule» (3051S) датчиков давления Rosemount электроника помещена в модуль сенсора из нержавеющей стали, а не в окрашенный синим верхний корпус. Эта позволяет уменьшить размер датчика, что бывает необходимым для применений в конструкциях с ограниченным пространством.