Введение
Группа компаний Kistler является одним из ведущих мировых поставщиков датчиков давления, силы и ускорения, а также связанного с ними оборудования и программного обеспечения. Аппаратура Kistler используется для анализа физических процессов, оптимизации и управления производственными процессами. Датчики Kistler применяются в автомобильной и обрабатывающей промышленности, в производстве пластмасс, на транспорте, для контроля качества продукции. Акселерометры Kistler способны измерять силу ударов с ускорениями до 100 000 g и колебания с ускорениями в доли g.
Компания Kistler Instrumente AG (г. Винтертур, Швейцария) ведёт свою историю с 1950 г., когда учёный-физик и изобретатель Вальтер Кистлер создал и запатентовал усилитель заряда (УЗ), благодаря которому стало возможным обрабатывать сигналы пьезоэлектрических датчиков акселерометров с очень высоким импедансом. Кистлер имеет более 50 патентов на изобретения. За вклад в разработку датчиков он в 1980 г. был удостоен престижной премии международного общества автоматизации (ISA) имени Альберта Ф. Сперри [1].
В 1951 г. Кистлер переехал в США и приступил к работе в компании Bell Aerosystems, где он создал серво-акселерометр с импульсным ограничением (Pulse Constraint Servo-Accelerometer), впоследствии использованном в ракетах Agena. За эту разработку в 1968 г. Кистлер получил премию Aerospace Pioneer Award Американского института аэронавтики и астронавтики (AIAA). В 1955 г. Кистлер основал компанию Kistler Instrument Corporation, однако в 1957 г. компания была продана, а в 1959 г. получила современное название Kistler Instrumente AG.
В 1961 г. компания приступила к выпуску собственных усилителей заряда и датчиков высокого давления (до 1500 бар). В 1965 г. Kistler Instrumente представила первый в мире кварцевый датчик силы. В последующие годы компанией были разработаны и другие оригинальные изделия, в их числе:
- двухпроводная линия для пьезоэлектрических датчиков Piezotron (1968 г.);
- трёхосевой датчик силы в сочетании с популярным усилителем заряда 5001 (1969 г.);
- пьезорезистивные датчики силы (1973 г.);
- бездиафрагменные датчики высокого давления для литья пластмасс (1975 г.);
- сверхчувствительный кварцевый датчик сжатия/растяжения (1979 г.);
- кварцевый динамометр для измерения усилий вращения колёс (1983 г.);
- усилитель заряда 5011 с микропроцессорным управлением (1988 г.);
- высокотемпературный датчик давления для использования внутри двигателей (1989 г.);
- модуль усилителя заряда на основе керамики (1991 г.);
- четырёхосевой вращающийся динамометр для измерения усилий резания с беспроводной передачей данных (1992 г.);
- установка с датчиками нагрузки на оси движущихся транспортных средств (1994 г.);
- ёмкостные датчики ускорения K-Beam (1995 г.);
- универсальный усилитель заряда 5015 с ЦОС (2000 г.);
- 1-миллиметровый датчик давления для литья пластмасс под давлением (2003 г.);
- комбинированный 2,5-миллиметровый датчик давления/температуры (2004 г.).
Компания активно развивалась, создавая группы компаний и представительства в различных странах мира. В настоящее время холдинг Kistler, объединяющий предприятия и представительства в десятках стран по всему миру, носит название Kistler Group. В России интересы компании представляют организации «ФИЗИОКОМ», «Сенсорика-М», «БЛМ Синержи» и Kistler RUS LLC [2].
Организационно группа Kistler имеет три подразделения: автомобильных исследований и испытаний, управления промышленными процессами и сенсорных технологий. Последнее подразделение специализируется на развитии датчиков в таких областях, как биомеханика, дорожное движение, усилия резания и других. Следует отметить, что Вальтер Кистлер после ухода из компании сыграл важную роль в организации ряда высокотехнологичных компаний, включая Kistler Products, SRS, ICI, Interpoint, Paroscientific, SPACEHAB (в настоящее время Astrotech). В 1993 г. учёный стал одним из основателей компании Kistler Aerospace Corporation (в настоящее время Rocketplane Kistler), целью которой стало создание многоразового коммерческого космического аппарата [3]. В 2003 г. Кистлером учреждена книжная премия ($10 000) для авторов, внёсших важный вклад в понимание общественных процессов, способных повлиять на долгосрочное будущее человечества [4].
В настоящее время группа Kistler выпускает широчайшую номенклатуру датчиков. В каталоге компании 2016 г. представлены датчики давления, силы, ускорения и крутящего момента. Кроме датчиков компания выпускает большую номенклатуру усилителей заряда, измерительных мониторов, модулей сжатия/расширения, а также комплексные системы, оборудование для калибровки датчиков и различные принадлежности.
Далее рассмотрены некоторые типы датчиков давления и силы, представленные в каталоге компании 2016 года [5].
Датчики и преобразователи давления
В эту категорию входят 23 типа датчиков давления (Pressure Sensor) и преобразователей давления (Pressure Transmitter) в различных исполнениях, рассчитанных для измерения давления с максимальными пределами от 1,5 бар до 1000 бар. Основные области применения приборов: исследования и разработка систем контроля давления для машиностроения, мониторинг процессов литья под давлением, испытания оборудования, судовые и стационарные силовые машины. В составе изделий данной категории представлены исполнения для специальных условий применения, в том числе для работы в агрессивных и абразивных средах. Датчики могут быть выполнены в виде вставных конструкций или с резьбовыми фланцами. Выходные сигналы приборов, в зависимости от вида, могут быть представлены зарядом (вид РЕ), током или напряжением (IEPE).
Для измерения давления в широком диапазоне температур предназначены следующие типы датчиков:
- 6005 (PE) – 0…1000 бар, –196…+200°С (см. рис. 1);
- 601Н (PE) – 1000 бар, –196…+200°С (см. рис. 1);
- 603В (PE) – 0…200 бар, –196…+200°С (см. рис. 2).
Приборы выполнены в миниатюрных корпусах диаметром 6,33 мм с резьбой М4.
Датчики 6005 отличаются высокой собственной частотой, малыми габаритами (15,6 × Ø 6,33 мм) и большим сроком службы в жёстких условиях эксплуатации (при быстрых изменениях температуры, давления и больших ударных нагрузках). Датчики отлично подходят для измерения давления в гидравлических и пневматических системах. Основные параметры приборов:
- чувствительность –10 пКл/бар;
- собственная частота 140 кГц;
- линейность менее ±0,8% от полной шкалы (FSO);
- ударопрочность 5000 g.
Датчики 601Н отличаются несколько меньшей чувствительностью (–16 пКл/бар), более высокой собственной частотой (150 кГц), лучшей линейностью (±0,5% FSO) и ударопрочностью (10 000 g). Прибор 603В отличается меньшими габаритами (11,8 × 6,33 мм), его чувствительность составляет –5 пК/бар, собственная частота – 300 кГц, а ударопрочность – 10 000 g.
Пьезорезистивные преобразователи давления разработки 2015 г. 4260А (IEPE, см. рис. 3) предназначены для измерения давления в различных узлах автомобилей и их двигателей, барометрах, системах кондиционирования, топливных, водяных и масляных насосах, а также в различном испытательном оборудовании. Приборы обеспечивают преобразование абсолютного или избыточного давления в единицы psi (фунт-сила на квадратный дюйм), диапазон измеряемых давлений составляет –14,7…+5000 psi (точность 0,05% полной шкалы), компенсированный диапазон температур равен –40…+250°F. Аналогичный по назначению прибор 4262А (см. рис. 4) калиброван в барах и градусах Цельсия. Диапазон измеряемых давлений составляет –1…+350 бар, компенсированный диапазон температур равен –40…+120°С.
Сверхвысокочувствительный датчик давления 7261 (PE, см. рис. 5), имеет чувствительность 2200 пКл/бар в калиброванных диапазонах –1…+10, 0…+1 и –1…0 бар. Прибор построен на основе резонатора Гельмгольца с ниппельной трубкой. Основные области применения прибора:
- динамические и квазистатические измерения, в том числе в трубопроводах охладителей или компрессоров;
- измерение давления в карбюраторах двигателей внутреннего сгорания;
- измерение перепадов давления в системах автоматики газовых электростанций;
- измерение звукового давления в окружающей среде.
Серия пьезоэлектрических датчиков давления 211В (IEPE, см. рис. 6) общего назначения характеризуется высоким уровнем выходного напряжения, низким выходным сопротивлением, компенсацией ускорения, высокой собственной частотой (500/300 кГц) и удовлетворяет директивам ЕС.
В состав серии входят 6 типов датчиков (в каталог 2016 г. включены 211В1 и 211В2), отличающихся диапазоном измеряемых давлений и чувствительностью:
- 211В1 – 689 бар / 7,3 мВ/бар;
- 211В2 – 345 бар / 14,5 мВ/бар;
- 211В3 – 34 бар / 145 мВ/бар;
- 211В4 – 14 бар / 362 мВ/бар;
- 211В5 – 7 бар / 725 мВ/бар;
- 211В6 – 3,4 бар / 1450 мВ/бар.
Приборы серии могут быть использованы для измерения давления в гидравлических и пневматических системах, трубопроводах, закрытых резервуарах, при проведении автомобильных испытаний, а также для измерения давления дутья и звукового давления. Приборы могут измерять колебания давления в диапазоне от 0,0007 Гц до 100 кГц (211В1), время установления равно 1 мкс (10–90%). Датчики отличаются высокой вибростойкостью (1000 g) и ударопрочностью (20 000 g).
Пьезоэлектрические датчики серии 601С разработки 2015 года (см. рис. 7) предназначены для измерения динамического давления в диапазоне 0…250 бар. Приборы могут быть использованы для измерения пульсаций давления в насосах и компрессорах, динамических измерений в закрытых резервуарах, при проведении испытаний пиротехнических приборов и энергетических материалов. В состав серии входят 7 типов приборов IEPE, отличающихся диапазоном измеряемых давлений и чувствительностью:
- 601СВА00255.0 – 0–250 бар / 20 мВ/бар;
- 601СВА00070.0 – 0–70 бар / 71 мВ/бар;
- 601СВА00035.0 – 0–35 бар / 143 мВ/бар;
- 601СВА00014.0 – 0–14 бар / 357 мВ/бар;
- 601СВА00007.0 – 0–7 бар / 714 мВ/бар;
- 601СВА00003.5 – 0–3,5 бар / 1429 мВ/бар;
- 601СВА00001,5 – 0–1,5 бар / 3333 мВ/бар.
Диапазон рабочих температур датчиков составляет –55…+120°С, собственная частота – более 215 кГц, время установления – менее 1,4 мкс (10–90%), нижняя граница частотного диапазона измеряемых пульсаций давления – 0,05 Гц.
В состав серии также входит и датчик РЕ 601САА/САВ с чувствительностью –37 пКл/бар и диапазоном рабочих температур –196…+350°С.
Пьезоэлектрические преобразователи давления серии 4080А (IEPE, см. рис. 8) разработки 2015 г. предназначены для испытательного оборудования и измерительных систем. В состав серии входят 5 типов приборов с диапазонами измеряемых давлений 0…5, 0…10, 0…20, 0…130 и 0…250 бар. Полный размах выходного напряжения с постоянной составляющей – 4,2 В (VDC), дрейф нуля выходного сигнала составляет не более 0,2 В, диапазон частот пульсации давления 0…5000 Гц. Диапазон рабочих температур равен –40…+150°С, компенсированный диапазон температур +25…+120°С. Напряжение питания приборов составляет 8–16 В, ток потребления – не более 5 мА.
Пьезоэлектрический датчик давления 7005 (РЕ, см. рис. 9) обеспечивает измерение динамического давления в диапазоне 0…600 бар с чувствительностью –50 пКл/бар, диапазон рабочих температур составляет –196…+200°С, собственная частота равна 70 кГц, линейносоть – ±0,8% FSO.
Датчики силы
В данную категорию входят 92 типа приборов, рассчитанных на измерение силы с максимальным пределом от 500 Н до 950 кН. К основным областям применения датчиков относятся: системы защиты транспортных средств, испытания продукции и мониторинг процессов прессования и сборки в промышленности, динамические испытания и тесты на прочность транспортных средств, измерение усилий резания, биомеханика. Устройства измерения силы могут быть выполнены в виде датчиков, динамометров и измерительных платформ. Рассмотрим особенности некоторых датчиков силы компании, разработанных в последние годы.
Многоосевой датчик силы 9257В (см. рис. 10) с размером контактной пластины 100 × 170 мм позволяет измерять силы по трём ортогональным осям при резании, фрезеровании и шлифовании. Приборы защищены от коррозии, водяных брызг и охлаждающих жидкостей. Диапазон измерения сил по трём осям Fx, Fy и Fz составляет –5…+5 кН, чувствительность равна –7,5 пКл/Н (Fx, Fy) и –3,7 пКл/Н (Fz).
Плоские кварцевые датчики силы (SlimLine Sensors, SLS) серии 9130В–9137В (см. рис. 11) обеспечивают измерение силы в диапазоне от 0…3 кН до 0…80 кН и отличаются высокой чувствительностью (порядка –3,8 пКл/Н), а также малыми размерами (диаметр от 8 до 36 мм). Датчики предназначены для измерения сил сжатия (по оси Z) во время сборки, испытаний, штамповки и других процедур промышленного производства. Приборы не требуют калибровки, очень компактны и могут работать в диапазоне температур –20…+120°С. Возможно параллельное подключение нескольких датчиков к одному усилителю заряда, в этом случае выходное напряжение УЗ пропорционально сумме сил, приложенных ко всем подключённым датчикам.
Аналогичные по внешнему виду датчики силы серии 9143В–9147В обеспечивают измерение боковых сил сжатия и расширения по оси Y (вдоль кабеля) в диапазоне от 0…±0,9 кН до 0…±8 кН. Чувствительность датчиков составляет порядка 6–8 пКл/Н.
Датчики силы серии 9301В–9371В (на рисунке 12 представлен датчик 9311В) предназначены для измерения динамических и квазистатических сил сжатия и растяжения. Диапазоны измерения составляют от ±2,5 кН (9301В) до ±120 кН (9371В), чувствительность – около –4 пКл/Н, диапазон рабочих температур равен –40…+120°С. Для совместной работы с датчиками предназначены монитор maXYmos BL 5867D (см. рис. 13) и усилители заряда типов 5867B, 5015A и 5073A111.
Серия датчиков 93Х3А Press Force (см. рис. 14) предназначена для измерения динамических и квазистатических сил. За счёт применения пьезоэлектрических измерительных элементов обеспечивается высокая точность измерений в широком диапазоне сил. Датчики обеспечивают измерение сил сжатия и растяжения по оси Fz в диапазонах от 0…100 Н до 0…700 кН. Большой ряд типоразмеров (исполнений) датчиков предопределяет широкий спектр их применения в различных отраслях промышленности.
Двухосевые датчики силы 9345В и 9365В (см. рис. 15) предназначены для измерения сил сжатия/растяжения по оси Z и крутящего момента Mz. Диапазоны измерения составляют –10…+10 кН / –25…+25 Нм (9345В), –20…+20 кН / –200…+200 Нм (9365В), чувствительность – около –3,7 пКл/Н, –140 пКл/Н или –190 пКл/Н. Приборы могут быть использованы для измерения силы и вращающего момента при бурении, нарезании резьбы, испытаниях пружин, для контроля резьбовых соединений, опорных подшипников и фрикционных сцеплений, а также для измерения пусковых и рабочих моментов механизмов и инструментов.
Измерительные платформы 9347C предназначены для контроля сил по трём ортогональным осям X, Y и Z (см. рис. 16). Диапазоны измерения сил –15…+15 кН по осям X, Y и –30…+30 кН по оси Z, размеры платформы составляют 55 × 55 мм, а высота – 60 мм. Приборы могут быть использованы для измерения сил резания, при проведении краш-тестов, измерениях сил отдачи, вибраций транспортных средств и биомеханических платформ, ветровых нагрузок на конструкции и тому подобного. Аналогичные по назначению и внешнему виду приборы 9377С с размерами платформы 120 × 120 м и высотой 125 мм обеспечивают измерение сил в диапазонах –75…+75 кН по осям X, Y и –150…+150 кН по оси Z.
В категории датчиков силы каталога компании 2016 года также представлены различные динамометры (на рисунке 17 показан многоосевой динамометр 9129АА) и измерительные молотки (Impulse Hammer). На рисунке 18 показан измерительный молоток на 20 000 Н весом 1500 грамм 9728А20000.
