Лекция 15
15.1 Датчики давления, расхода и уровня
Датчики давления. Большинство датчиков давления строятся на принципе преобразования давления в механическое перемещение. Кроме механических систем, в которые входят мембраны, сильфоны и трубчатые пружины, для измерения давления применяются также электрические и тепловые системы.
К датчикам давления с механическими воспринимающими органами относятся:
а) жидкостные датчики давления (U-образные системы);
б) поршневые системы;
в) пружинные системы: мембранные (плоские, гофрированные, мягкие); сильфонные; манометрические трубчатые пружины.
Рассмотрим устройство некоторых наиболее часто встречающихся датчиков давления.
Наиболее широко применяются пружинные датчики давления. Действие их основано на возникновении упругой деформации пружины, являющейся чувствительным элементом прибора. Деформация возникает при изменении давления внутри или снаружи пружины. Изменение формы элемента передается на подвижную часть прибора со стрелкой, перемещающейся по шкале; при снятии давления чувствительный элемент принимает первоначальную форму.
В технических манометрах и вакуумметрах обычно применяются упругие пружины: одновитковые, многовитковые, плоские мембраны и сильфоны.
На рис. 34 показаны виды пружинных преобразователей давления.
Одновитковая трубчатая пружина (рис. 34а) согнута по дуге почти в форме окружности на 270°. В сечении пружина имеет вид эллипса. Изготавливается из латуни (или из стали - для больших давлений). Один конец пружины запаян и является свободным. Второй конец пружины неподвижен и к нему подводится измеряемое давление «Р». Давление вызывает деформацию пружины и перемещение ее свободного конца.
Раскручивание пружины происходит по следующей причине. При увеличения внутреннего давления эллиптическое сечение пружины стремиться принять круглую форму, т.е. малая ось эллипса начинает увеличиваться, а большая - уменьшаться. В результате возникают напряжения, которые будут раскручивать трубчатую пружину. Свободный конец пружины при этом будет перемещаться пропорционально давлению внутри нее. Таким образом, измеряемое давление преобразуется в механическое перемещение свободного конца пружины. Величина этого перемещения обычно составляет 5-7 мм.
Рис. 33 Пружинный преобразователь давления:
а – с одновитковой трубчатой пружинкой; б – с многовитковой трубчатой пружинкой; в – с плоской гофрированной мембраной; г – с сильфоном
Многовитковая трубчатая пружина (рис. 34б) имеет 6-9 витков диаметром около 30 мм. Перемещение свободного конца значительно больше, чем у одновитковой пружины (до 15 мм). Гораздо большим является здесь и тяговое усилие. Обычно преобразователи в виде одновитковой трубчатой пружины применяются в показывающих приборах, а преобразователи в виде многовитковых трубчатых пружин - в самопишущих. Это объясняется тем, что в самопишущих приборах преобразователь должен обладать большим усилием, достаточным для преодоления трения не только в сочленениях механизма, но и трение пера о бумагу.
Плоская гофрированная мембрана (рис. 34в) используется или в отдельности, или в коробке из двух гофрированных мембран. Применяется также мягкая мембрана из плоской прорезиненной ткани, соединенной с плоской калиброванной пружиной.
Сильфон (рис. 34г) представляет собой цилиндрическую коробку со стенками, имеющими равномерные поперечные складки (гофры). Измеряемое давление подается внутрь сильфона или снаружи его.
По сравнению с плоской мембраной и мембранной коробкой сильфон (гармоникообразная мембрана) обладает наибольшей чувствительностью. Сильфонные приборы предназначаются для измерения и записи избыточного давления и разрежения. Кроме того, эти приборы используются в качестве вторичных приборов к устройствам, снабженным приспособлением для пневматической передачи показаний на расстояние. Пружинные преобразователи давления в схемах автоматизации измерений преобразуют механическое перемещение в электрический сигнал при помощи индуктивного, реостатного или контактного датчиков.
Преобразователи расхода бывают механические, термические, ионизационные, индукционные, акустические.
М
еханические
преобразователи расхода разделяются
на преобразователи переменного,
постоянного перепада и преобразователи
уровня.
Преобразователи расхода переменного перепада действуют по принципу возникновения перепада давления в сужающем устройстве, которое устанавливается на пути движущейся силы. Перепад давления является здесь функцией расхода. Сужающее устройство является воспринимающим органом преобразователя расхода.
П
Рис.
34 Схема ротаметра с индуктивным датчиком
Ротаметр состоит из конической трубки 1 и поплавка 2. При движении жидкости или газа в кольцевом зазоре между поплавком 2 и стенками трубки создается перепад давления, который создает силу, действующую навстречу силе поплавка. Положение поплавка в конической трубке определяется величиной расхода. Ротаметры выполняются как показывающие приборы и как датчики. Обмотка индуктивного датчика помещена снаружи на трубке сопла. Железный поплавок является сердечником катушки 3 индуктивного датчика. При изменении расхода поплавок перемещается и изменяет индуктивность катушки; таким образом, расход преобразуется в электрический сигнал.
П
Рис.
35 Поплавковые преобразователи уровня
Преобразователи уровня могут быть основаны на измерении веса и гидростатического давления жидкости, на использовании электрических свойств жидкости (изменения сопротивления, емкости, индуктивности). На рис.36 приведена схема поплавкового преобразователя уровня с реостатным преобразователем R на выходе. По показаниям милливольтмера mV судят об уровне жидкости Н в сосуде.