Технические измерения и приборы
..pdfизменения 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