Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Технические измерения и приборы

..pdf
Скачиваний:
25
Добавлен:
15.11.2022
Размер:
9.09 Mб
Скачать

изменения взаимной индуктивности в пропорциональный токовый сигнал. Предельная приведенная погрешность не превышает 1 %.

7.2.4.Манометры с компенсацией магнитных потоков

Впреобразователях давления, имеющих на выходе унифицированный токовый и пневматический сигнал, часто используется принцип статического уравновешивания. Схема трубчатого пружинного манометра с компенсацией магнитных потоков типа МПЭ представлена на рис. 7.6.

Свободный конец манометрической пружины 1 связан с постоянным магнитом 2, который перемещается между двумя магнитопроводами 3.

Врезультате взаимодействия поля постоянного магнита 2 с полями, создаваемыми обмотками возбуждения и обратной связи, на входе усилителя возникает небаланс измерительного моста, преобразуемый

ввыходной унифицированный сигнал.

Поскольку в манометрах МПЭ отрицательная обратная связь используется для компенсации магнитного потока постоянного магнита, упругий чувствительный элемент и магнитный преобразователь не охвачены обратной связью, в связи с этим изменение характеристик упругого чувствительного элемента и магнитных преобразователей в прямом канале и в цепи обратной связи влияют на коэффициент передачи преобразователей давления.

Манометры МПЭ выпускаются в соответствии со стан-

Рис. 7.6. Схема пружинного манометра МПЭ

231

дартным рядом с верхними пределами измерения от 4 до 60 МПа, на выходе приборы имеют токовый унифицированный сигнал 0 5 мА при сопротивлении нагрузки до 2,5 кОм, класс 1.

7.2.5. Преобразователи давления с силовой компенсацией

Эти преобразователи характеризуются увеличением числа элементов, охваченных обратной связью. Схема пружинного манометра с силовой компенсацией типа МП-Э представлена на рис. 7.7, а. Усилие от манометрической пружины 1, приложенное к Т-образному рычагу 2, компенсируется усилием от электросилового механизма обратной связи, включающего постоянный магнит 7 и подвижную катушку 8, обтекаемую выходным током 1. Начальная установка рычажной системы производится пружиной 3, изменение натяжения которой осуществляется через отверстие 9 в крышке прибора (рис. 7.7, б).

Рис. 7.7. Схема электрического манометра с силовой компенсацией типа МПЭ

232

При неравенстве моментов, развиваемых манометрической пружиной и электросиловым механизмом обратной связи, рычаги 2, 4 вместе с подвижной опорой 5 перемещаются, при этом отклоняется сердечник дифференциально-трансформаторного преобразователя 6, вызывая последовательно изменения сигнала на входе и выходе усилителя УП, а также силы, развиваемой электросиловым механизмом обратной связи. Для снижения жесткости подвижной системы все рычаги крепятся на ленточных опорах.

Преимуществом преобразователей с силовой компенсацией является то, что на коэффициент передачи не влияют характеристики чувствительного элемента и элементов, охваченных обратной связью: дифференциально-трансформаторного преобразователя, усилителя. Это обеспечило возможность создания на рассмотренном принципе действия образцовых преобразователей давления типа ИПД, имеющих класс точности 0,06 и верхний предел измерения 16 МПа. Недостатком приборов с силовой компенсацией является их низкая виброустойчивость.

Манометры с силовой компенсацией типа МП-Э выпускаются с верхним пределом измерения от 4 до 100 МПа, выходной сигнал – постоянный ток 0 5 (20) мА, суммарное сопротивление нагрузки не должно превышать 2,5 кОм, класс точности – 0,6; 1; 1,5.

С использованием одной и той же элементной базы выпускаются трубчато-пружинные манометры с унифицированным пневматическим выходным сигналом 0,02 0,1 МПа (0,2 1 кгс/см2). Манометры пневматические типа МП-П выпускаются на те же пределы измерения, что и МП-Э, класс точности приборов – 0,5; 1, давление питающего воздуха – 0,14 МПа, предельная длина линий связи от преобразователя до вторичного прибора составляет 300 м.

7.2.6. Сильфонные манометры и дифманометры

Чувствительные сильфонные элементы используются в механических показывающих и самопишущих приборах.

В приборах внутри сильфона может находиться пружина, определяющая диапазон измерения прибора.

233

Сочленение рабочей точки сильфона с показывающим или регистрирующим устройством выполняется так же, как и у пружинных манометров.

Сильфонные манометры имеют диапазон измерения более узкий, чем пружинные. Так, верхний предел измерения у приборов МС составляет 0,025÷0,4 МПа, класс точности манометров – 1; 1,5.

Вакуумметры и мановакуумметры имеют нижний предел измерения – 0,1 МПа, верхний: в первом случае 0, а во втором – избыточное давление 0,06 0,3 МПа; класс точности приборов – 1,6; 2,5.

Напоромеры НС и тягомеры ТмС выпускаются соответственно

сверхним и нижним пределом измерения от 0,25 до 25 кПа, а тягонапоромеры ТмНС с пределами измерения от ±0,12 до ±12 кПа, класс приборов – 2,5.

Дифманометры ДС имеют верхний предел измерения от 6,3 кПа до 0,16 МПа при статическом давлении 16 и 32 МПа, класс точно-

сти – 1; 1,5.

Сильфоны широко используются в качестве чувствительных элементов в преобразователях давления со статическим уравновешиванием: в приборах с компенсацией магнитных потоков, в электрических и пневматических преобразователях давления с силовой компенсацией.

Вэлектрических и пневматических преобразователях давления

ссиловой компенсацией сильфонные чувствительные элементы являются основными.

7.2.7. Мембранные манометры и дифманометры

Мембранные упругие чувствительные элементы, чаще в виде мембранных коробок, используются в приборах для измерения напора и разрежения.

Схема профильного напоромера типа НМП и его внешний вид представлены на рис. 7.8. Измеряемое давление через штуцер 1 на задней стенке прибора подается во внутреннюю полость мембранной коробки 2. С помощью системы рычагов и тяг 3, изображенных на схеме упрощенно, перемещение центра мембранной коробки пре-

234

образуется в пропорциональный угол поворота оси 4, на которую насажена показывающая стрелка 5, перемещающаяся вдоль профильной шкалы 6.

Рис. 7.8. Схема и внешний вид мембранного напоромера НМП

Для настройки начального положения показывающей стрелки используется корректор 7, находящийся на лицевой панели. Эти приборы выпускаются так же, как тягомеры и тягонапоромеры. Диапазон измерения приборов достигает 25 кПа в соответствии стандартному ряду при классе точности 1,5; 2,5.

Чувствительные мембранные элементы применяются в преобразователях давления как с прямым преобразованием измеряемой величины, так и со статическим уравновешиванием.

Саналогичным мембранным блоком выпускаются дифманометры

ис компенсацией магнитных потоков.

В дифманометрах с силовой компенсацией электрических и пневматических типа ДМ-Э, П; ДМ-ЭР в качестве чувствительных элементов используется вялая мембрана с жестким центром и упругой винтовой пружиной.

Дифманометры могут использоваться в качестве напоромеров, тягомеров и тягонапоромеров. Диапазон измерения приборов составляет 0,16 6,3 кПа при статическом давлении 0,25 и 1 МПа, класс точности – 1; 1,5.

235

В теплофизических испытаниях манометры с чувствительными мембранными элементами используются для измерения быстрых изменений давления и его пульсаций. При высокой жесткости мембраны и малом диаметре частоты ее собственных колебаний достигают 10 15 кГц и выше, а полоса пропускания манометров 2 4 кГц. Для преобразования перемещений мембраны в электрический сигнал используются индуктивные и емкостные преобразователи. Схема индукционного датчика давления ДД представлена на рис. 7.9.

 

При

изменении зазора

между

 

мембраной 1 и индуктивным преобра-

 

зователем 2 по гиперболической зави-

 

симости

меняется

его

индуктивное

 

сопротивление, которое

измеряется

 

с помощью

моста

переменного тока.

 

Подключение последнего

к

датчику

 

осуществляется с помощью разъема 3.

 

Для исключения

влияния

динамики

 

подводящих линий на характеристики

 

манометра

датчики

ввинчиваются

 

в стенку

трубопровода,

где произво-

 

дится измерение давления.

 

 

 

Разнообразие

рассмотренных

 

выше конструкций упругих чувстви-

Рис. 7.9. Схема индукционного

тельных элементов в сочетании с воз-

можностью

изменения

в

широких

датчика давления ДД

пределах

их эффективной площади

 

обеспечивает деформационным манометрам наиболее широкий диапазон измеряемых давлений по сравнению с другими типами манометров. В связи с этим из пяти упомянутых выше групп общепромышленных приборов четыре относятся к деформационным.

236

7.3. ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАНОМЕТРЫ

Принцип действия пьезоэлектрических манометров основан на пьезоэлектрическом эффекте, сущность которого состоит в возникновении электрических зарядов на поверхности сжатой кварцевой пластины, которая вырезается перпендикулярно электрической оси кристаллов кварца. Схема пьезоэлектрического манометра представлена на рис. 7.10.

Рис. 7.10. Схема пьезоэлектрического манометра

Измеряемое давление с помощью мембраны 1 преобразуется в усилие, сжимающее кварцевые пластины 2. Электрический заряд, возникающий на металлизированных плоскостях 3 под действием усилия F со стороны мембраны 1, определяется выражением

Q kп F kп Sp ,

где p – давление, действующее на металлическую мембрану 1 с эффективной площадью S; k – пьезоэлектрическая постоянная, Кл/Н.

Напряжение на входе усилителя, подключенного к выходу пьезопреобразователя, определяется общей емкостью измерительной цепи C,

u QC .

237

Кварц в отличие от других сегнетоэлектриков, обладающих пьезоэффектом, является механически прочным и имеет высокую жесткость, что исключает влияние упругой характеристики мембраны 1 на коэффициент передачи пьезоэлектрического преобразователя.

Частота собственных колебаний преобразователя достигает десятков килогерц, вследствие чего они широко применяются на технологических объектах, характеризуемых высокочастотными изменениями давления.

Пьезоэлектрическая

постоянная кварца,

составляющая около

2 10 12 Кл/Н, отличается

стабильностью и

слабой зависимостью

от температуры, что позволяет использовать пьезопреобразователи для измерения давления высокотемпературных сред.

Из-за утечки заряда пьезоэлектрические преобразователи не используются для измерения статических давлений.

С целью повышения чувствительности несколько кварцевых пластин включаются параллельно. Верхний предел измерения давления у этих приборов достигает 100 МПа (1000 кгс/см2).

7.4. МАНОМЕТРЫ С ТЕНЗОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯМИ

Манометры с тензорезистивными преобразователями по быстродействию приближаются к пьезоэлектрическим манометрам.

Представляют собой мембраны, на которых размещены проволочные, фольговые или полупроводниковые резисторы, сопротивление которых меняется при деформации мембраны под действием давления.

Они проволочные тензорезисторы проще в изготовлении, но их коэффициент тензочувствительности, определяемый отношением относительных изменений сопротивления к деформации, на порядок меньше, чем у полупроводниковых.

В настоящее время получили широкое применение приборы давления серии «Сапфир» и «Метран» (промышленная группа «Метран»), «Мида» (промышленная группа «Микроэлектронные датчики»), в которых для преобразования силового воздействия давления в электрический сигнал используется сапфировая мембрана с напыленными кремниевыми резисторами (структура КНС). Рассмотрим данные датчики более подробно. Основные характеристики их приведены в табл. 7.3.

238

Т а б л и ц а 7 . 3

Датчики давления

Тип

Примене-

Основное

Измерительные

Предел

Основные

Исполне-

датчика

ние

отличие

среды

измере-

погрешно-

ние элек-

 

 

 

 

ния

сти

тронной

 

 

 

 

 

 

части

1

2

3

4

5

6

7

ДМЭ-МИ

ДД, ДИ,

Преобразова-

Жидкость

 

0,6; 1,0;

АП

ДСЭ-МИ

ДВ, ДГ

тели с компен-

 

 

1,5

 

 

 

сацией магн.

 

 

 

 

 

 

потоков

 

 

 

 

«Сапфир-

ДА, ДИ,

 

Жидкость,

До

0,15; 0,5

АП

22М»

ДВ,

 

пар, газ

100 МПа

 

 

 

ДИВ, ДД

 

 

 

 

 

«Метран-

ДА, дИ,

Взаимозаме-

 

 

0,25; 0,5;

АП

22»

ДВ, дИВ,

няемость с

 

 

1,0

МП

 

дД

«Сапфир-22М»,

 

 

 

(МП1)

 

 

но лучше

 

 

 

 

«Метран-

ДИ, ДВ,

Многовариант-

 

 

0,25; 0,5

 

43»

ДИВ, ДД

ность конст-

 

 

 

 

 

 

рукции

 

 

 

 

«Метран-

ДГ

Гидростатиче-

Нейтральные

До 0,4

 

 

43»

 

ское давление

или агрессив-

или до

 

 

 

 

(уровень)

ные, высоко-

10 МПа

 

 

 

 

 

вязкие жидко-

 

 

 

 

 

 

сти

 

 

 

«Метран-

ДИ, ДВ,

Особонизко-

 

До 6,3

0,25; 0,5;

 

45»

ДИВ, ДД

предельные

 

кПа

1,0

 

«Метран-

ДД

Коррозионно-

Газ, в т.ч.

От 4 до

0,25; 0,5

МП

44»

 

стойкость за

сероводород,

630 кПа

 

(МП1)

 

 

счет трехмем-

нефтепродук-

 

 

 

 

 

браности

ты, кислоты,

 

 

 

 

 

 

щелочь и т.д.

 

 

 

«Метран-

ДИ, ДВ,

Коррозионно-

 

До 100

 

 

49»

ДИВ, ДД

стойкость за

 

МПа

 

 

 

 

счет трехмем-

 

 

 

 

 

 

браности

 

 

 

 

«Метран-

ДА, ДИ,

Малогабарит-

Жидкость, пар,

 

0,25; 0,5;

АП

55»

ДВ, ДИВ

ные

газ

 

1,0

 

«Метран-

ДА, ДИ,

На замену

Жидкость, пар,

 

 

МП

100»

ДВ,

«Сапфир-22»,

газ

 

 

(МП1)

 

ДИВ,

«Метран-22, -

 

 

 

МП2

239

О к о н ч а н и е т а б л . 7 . 3

1

2

3

4

5

6

7

 

ДД, ДГ

43, -44, -45»

 

 

 

(МП3)

 

 

 

 

 

 

+HART

 

 

 

 

 

 

МП4

 

 

 

 

 

 

(МП5)

 

 

 

 

 

 

RS-485

«МИДА»

ДА, ДИ,

Малогабарит-

Жидкость,

До 160

0,25; 0,5;

АП

 

ДВ,

ные

шар, газ

МПа

1,0

МП

 

ДИВ, ДД

 

 

 

 

 

1151 Fish-

ДА, ДВ,

Аналогичен

Жидкость,

До 40

1,0; 0,2;

МП+

er-

ДД, ДГ

«Метран-100»,

шар, газ

МПа

0,25

HART

Rosemount

 

но лучше

 

 

 

 

3051 Fish-

ДА, ДВ,

Один

Жидкость,

До 70

0,05;

МП+

er-

ДД, ДГ

из лучших

шар, газ

МПа

0,075; 0,1

HART

Rosemount

 

 

 

 

 

 

МТ-100

ДА, ДИ,

Аналогичен

Жидкость,

До 100

0,5; 1,0

АП

 

ДВ, ДИВ

«Метран»

газ

МПа

 

 

Рис. 7.11. Схема измерительного преобразователя давления ДИ

Схема преобразователя «Сап- фир-22» типа ДИ, предназначенного для измерения избыточных давлений, представлена на рис. 7.11.

Чувствительным элементом манометра является двухслойная мембрана 1. Измеряемое давление действует на металлическую мембрану, к которой сверху припаяна сапфировая мембрана с тензорезисторами. Элементы измерительной схемы и усилитель находятся в блоке 2.

Принципиальная схема размещения резисторов на поверхности сапфировой мембраны представлена на рис. 7.12, a. При деформации мембраны в соответствии с эпюрой, приведенной на рис. 7.12, б, касательные

240