液压系统中的压力峰值:对传感器和其他设备的危害

液压系统中的压力峰值:对传感器和其他设备的危害

几乎所有的气体和充满液体的管道都会产生压力峰值。在几毫秒内产生的压力会超过所使用压力传感器的过载压力并损坏它们。

压力峰值,或在短时间内存在的非常高的压力,通常只有在损害已经完成时才会被注意到。它们是压力激增的结果,同时也是液体或气体流经管道时发生的物理现象(气穴现象,狄狄塞尔效应) 。由于具有较高的压缩性,压力峰值在气体中不是那么重要。因此也不那么突出它的危险性。

在有关水管的描述中,经常会提到“水锤现象”。有了 这些条件,液体的动态压力最终被显示出来。举例来说,当一个阀门被快速关闭时,水流会瞬间停止。从而引起压力波,它通过介质向流体的方向以声速流动,然后再反射回来。在几毫秒内,急剧的压力增加会对压力传感器和其他设备造成损害(对管件,管箍,泵等的损害)。然而首当其冲收到影响的是测量仪器,我们将集中在以下方面。这些损害表现为微小的裂隙或变形(详见Fig 1 和2)。

Figure 1: 压力峰值造成的“裂隙”
Figure 2: 压力峰值造成的变形

如果施加在压力传感器上的压力超出了它的 exceeds the 过载压力, 会对传感器造成永久损害。有两种可能的情况:虽然听起来很矛盾,但由于压力峰值而造成的测量仪器的彻底毁坏是最温和的结果。毕竟用户会立刻注意到这里的损坏。如果传感器仅仅是由于压力峰值而变形,它将继续工作,但只提供不准确的测量数据。因此造成的经济损失会比完全损坏传感器要大得多。

如何避免压力峰值造成的损害

防止压力峰造成损害的最好方法在于脉动阻尼器或阻压的集成上。其他的方法,诸如阀门的使用,结果不尽如人意,因为它们对压力峰值的反应太慢,而压力峰值会出现在在仅仅几毫秒内。

阻压的目的是为了降低压力峰值使得它们不再超过压力传感器的过载压力然后损坏它们。基于此,阻压器安装在传感器芯体前面的压力管道里。因为他们必须首先经过阻压本身,所以压力峰值不会再直接接触到膜。

Figure 3: 带阻压的压力通道

 由于能够更好的避免压力峰值造成的损坏,阻压的使用仍是最好的选择。然而这种改变也有它的弊端。由于钙化和沉积物,它会导致压力管道的拥堵,尤其是在固体和悬浮物介质中。这会导致测量信号的减慢。如阻气门在与此相关的应用中使用,那么需做定期的维护。

压力峰值的保护可以通过更高的超压阻力来实现而不是标准压力。这是否可取取决于具体的应用:如果需要高精度度的读数,在某些情况下,相对于测量范围,这些测量值就无法达到很高的超压阻值。

预防食品行业中侵蚀性液体腐蚀

预防食品行业中侵蚀性液体腐蚀

碳酸和乙醇对测量设备会产生一定的影响。一些自动在线实验室液体分析仪的制造商通过STS找到了持久和精确的压力传感器。

当用于酒精或碳酸等腐蚀性液体时,标准材质会受到腐蚀。例如,碳酸会导致氢离子浓度增加从而导致氢蚀。一旦压力传感器的膜片受到腐蚀,传感器就无法使用了。这就是为什么普通的不锈钢不能满足强碳酸应用的需求。

除了具有较强的耐腐蚀能力外,在罐装厂的这种特殊应用的压力传感器必须能够处理接近真空的极低压力。由于此应用属于食品行业的一部分,对卫生标准要求特别高。设备经常处于真空也是杀菌过程的一部分(类似于高压灭菌器,但是没有那么极端). 压力低于0bar会给压力传感器的完整性造成影响。真空可能会使传感器里的膜片移位。也由此导致错误的测量结果和传感器的损坏。

基于这些要求,我们必须在压力传感器 ATM.ECO. 基础上,为自动在线实验室液体分析仪的生产商提供相应的解决方案。我们选择了及其耐腐蚀的哈氏合金材料。为了确保在低压力条件下的膜的固定,我们用一种特殊的胶粘剂把膜片固定在特定的位置。

由于在此应用中,压力传感器在室温条件下工作,所以不需要特殊的温度补偿。对于这个特殊应用程序来说,0.25%的精度也足够了。满量程测量范围在1…15000psi非常适用于小压力测量。

泥浆脉冲遥测:压力传感器传输随钻测量数据

泥浆脉冲遥测:压力传感器传输随钻测量数据

液压数据传输需要能够承受高压的灵敏压力传感器。在钻井测量(MWD)应用中,这一点尤为突出。

随钻测量已成为一种标准应用,尤其是在近海定向钻井方面。实时数据采集对于测量钻孔的轨迹是至关重要的。为此,钻头上安装了各种各样的传感器,以便实时提供钻井环境的信息。当然也会用到倾角传感器、温度传感器、超声波传感器和辐射感测器。

这些传感器表面或是数字上接入到一个逻辑单元从而将信息转换成二进制数字。井下数据通过泥浆脉冲遥测传输到地表。除检测和控制钻井外,这些数据也用于以下方面:

  • 钻头情况信息
  • 钻孔的地质形成记录
  • 性能数据统计以确保方案改进
  • 未来钻探的风险分析

泥浆脉冲遥测技术是一种用于液体的二进制编码传输系统。这是通过一个阀门实现的,这个阀门可以改变钻柱内的钻井泥浆的压力,从而将安装在钻头上的传感器的记录转换成压力脉冲。压力脉冲是通过压力传感器测量的,并转换成电子信号传输到电脑被数字化。

STS为海上定向钻井公司提供模拟信号压力传感器,优化了泥浆脉冲遥测技术。这些传感器必须非常灵敏才能可靠地记录哪怕是最小的压差。同时,这些传感器必须能承受高达1000bar的压力。在深井钻孔中需要很大的压力为钻头提供动力。用于泥浆脉冲遥测的压力传感器也需要承受此压力。

除了高灵敏度外,还需要非常快的响应时间来确保实时数据通信。为了排除错误的测量结果,测量仪器应该低噪音。尤其是泥浆泵在钻孔中会产生很大的噪音。钻孔的驱动器是另外一个干扰源。为此,采用 4 – 20 mA输出模拟量传感器是泥浆脉冲遥测技术的最佳解决方案。

合适的泄露测试设备

合适的泄露测试设备

许多应用中的组件要求必须防泄漏以确保正常的运行。泄露测试通常是由高标准的压力传感器进行的。

需要防漏的应用和组件,包括:

  • 发动机,制动系统,空调系统,气缸盖,阀门,过滤器,燃油喷射系统
  • 食品工业或是医疗技术行业的包装
  • 电器用品
  • 制冷系统
  • 液压系统

紧密部件通常在安装前就已经密封好。因此,泄露测试设备在生产过程中要求非常安全可靠。

通常泄露测试是通过压力测量来实现的。压力作用在组件上,片刻之后再次测量压力。如果在两次压力测量后压力下降,那么这个组件就会被认为是泄露。 

压力传感器的稳定和精确性对于泄露检测是至关重要的。尤其关于稳定性和大气噪声的负面影响要求特别高。即使细微的压力损失也要检测到。

例如,一个10bar的压力传感器,精度之不能超过10…20pa,或是满量程的0.001% … 0.002%。

多年来,STS一直在生产用于泄漏检测的传感器。产品包括 ATM 系列模拟量压力变送器 4 … 20 mA 输出信号。高精度测量元件可以检测到mbar范围内的压力损失从而满足泄露测试应用的高要求。

机械设计(压力连接和电气连接)并不会影响到传感器的功能,并由于STS模块化设计可以进行配置。

ATM系列的压力传感器可提供不同输出信号。然而在此应用中,4…20mA在很大限度上不受大气噪音的影响。

更多泄露测试信息请点击 这里.

精确的压力测量对于安全、高性价比的机动车开发至关重要

精确的压力测量对于安全、高性价比的机动车开发至关重要

从古埃及以来,利用液压原理来承担劳动就被采用。但随着工具系统的发展,设计和开发这些复杂的,常常是关键的电路所需的原件也是如此。

从17世纪Evangelista Torricelli发明的最早的压力计到波尔登管式压力计,最后到今天的压阻式压力传感器,研发者一直在寻找测量压力和优化设计的最佳设备。最近,特别是汽车工程师,在进行汽车测试和开发时,已经开始依赖这些高质量、精确的压力传感器。

当今的这些压力传感器通常能够在-40℃至150℃的温度下记录350 mbar至700 bar的满量程范围;最重要的是,像STS生产的这种高质量的传感器,其迟滞和重复性通常在0.001%左右!

Image 1:高精度压力传感器 ATM.1ST 精度高达 0.05% FS

高质量的压力传感器用于关键汽车系统的开发

这种可重复性在冷却和燃料输送系统的设计和开发中至关重要。在开发过程中,工程师依靠稳定的压力测量设备来准确记录信息,这样即使最小的设计变化的影响也可以被记录下来,而不必担心传感器无法重复结果。

在最近的一次发动机冷却系统的重新设计中,一个强大的OEM的工程团队最初面临的泵压降约为250kPa,以利用电气化带来的压降。在重新设计新的电动泵之前,必须记录准确的压力测量,让工程师有机会识别到问题。在研究了压力传感器阵列记录的结果后,对设计进行了修改,将压降降低到100kPa以下,并将寄生损耗减少500W。

虽然电气化和电子控制在车辆系统中发挥着越来越重要的作用,但液压仍然是保证许多关键电路顺利运行的重要因素。

举例来说,在自动变速器的开发过程中,必须实时测量端口管路压力,然后与设计规范进行比较,以确定是否满足设计参数。同时,对换班时间和质量进行测量和主观评估,以确保驾驶性能满足客户的要求。

尽管高质量压力传感器在测试和开发过程中可以记录有价值的数据,但在未来技术的工业化过程中,这些工具也可以显著降低设计成本。

压力传感器确保未来技术达到预期

为了改善严重缩小的发动机的性能,制造商正在利用48V电气化提供的额外动力,用电动增压器取代涡轮增压器。

作为一个成熟的技术,没有太多的研究和测试数据可供工程师希望优化e充电增压器。尽管流体动力学和电气工程提供了一个可靠的平台,但理论在实际测试条件下验证仍然至关重要。

为了实现这一点,必须映射歧管压力,以优化发动机性能,同时最大限度地从废气中回收能量。为此,需要具有非常精确的压力传感器,能够在多种增压压力和温度范围内提供精确读数。这些传感器还必须耐振动和化学降解。

当世界各地的制造商继续开展电动汽车的研究时,一些组织正在考虑利用氢来发电,而不是依赖于蓄电池。

氢燃料电池采用质子交换膜,也被称为聚合物电解质膜(PEM)燃料电池(PEMFC),已经在丰田的Mirai等汽车上看到了有限的系列生产。

虽然小型PEM燃料电池通常在正常气压下工作,但更高功率的燃料电池(10kW或更多)通常在高压下工作。与传统内燃机一样,增加燃料堆压力的目的是通过从相同尺寸的电池中提取更多的功率来增加比功率。

通常,PEM燃料电池的工作压力从接近大气压到大约3Bar,温度在50到90°C之间。虽然通过增加操作压力可以获得更高的功率密度,但由于压缩空气所需的功率,系统的净效率可能会降低;因此,平衡压力以满足特定燃料电池的要求是很重要的。

与内燃机增压一样,这只能通过使用高质量的压力传感器进行精确的压力测量来实现。这些测量然后与燃料堆栈输出进行比较,以最小化寄生损耗,同时优化电力输出的增益。

因此,无论汽车行业未来选择何种技术,精确的压力传感器仍将是安全高效汽车发展的关键。