16

ЛЕКЦИЯ- 10, Тема- Приборы для измерения и регулирования давления

Давление является показателем соотношения расходов газовой фазы на входе в аппарат и на выходе из него. Постоянное давление свидетельствует о соблюдении материального баланса по газовой фазе.

Виды давлений.

Различают абсолютное, избыточное, барометрическое и вакуумметрическое давление.

Абсолютное давление – параметр состояния вещества, под которым находится жидкость, газ и пар).

Избыточное давление представляет собой разность между абсолютным давлением и барометрическим давлением (т.е. давлением окружающей среды):

,

Если абсолютное давление ниже барометрического, то оно является давлением разрежения (вакуумметрическим), измеренное вакуумметром.

,

По виду измеряемого давления манометры подразделяют на приборы измерения:

- избыточного и абсолютного давления — собственно манометры,

- разрежения — вакуумметры,

- давления и разрежения — мановакуумметры,

- атмосферного давления — барометры;

- разностного давления — дифференциальные манометры (дифманометры).

САМОСТОЯТЕЛЬНО повторить: [Лит. Мурин, с.207-208]

Изменение давления обычно преобразуется в следующие параметры:

- изменение высоты столба жидкости;

- перемещение упругих элементов;

- изменение электрических параметров.

По этому принципу действия манометры можно подразделить на следующие основные группы:

- жидкостные, в которых измеряемое давление уравновешивается гидростатическим столбом жидкости соответствующей высоты;

- деформационные, в которых давление определяется по величине деформации и перемещения упругого чувствительного элемента (мембраны, трубчатой пружины, сильфона);

- электрические действие которых основано на зависимости электрических параметров сопротивления, емкости, заряда, частоты чувствительного элемента от измеряемого давления.

САМОСТОЯТЕЛЬНО: [Лит. Кант. и Подлип. с.101-102]

1. Жидкостные манометры

Простейшим прибором этого типа является U-образный жидкостной манометр.

Под действием давления газа Р_абс внутри сосуда (рис.1,а) жидкость вытесняется из левой части U-образной трубки (пьезометра) в правую и поднимается над уровнем 1-1 на высоту h.

Уровень жидкости h показывает разность между давлением в сосуде Р_абс и барометрическим давлением Р_б:

,

где ρ - плотность жидкости;

g – ускорение свободного падения.

Измеряемое давление будет пропорционально высоте столба жидкости:

Вакуумметр показывает разность между атмосферным (барометрическим) давлением Р_б и давлением Р_абс . Высота h’ подъема жидкости в левой части трубки (рис.1,б) вакуумметра показывает, на какую величину давление в сосуде меньше атмосферного.

Абсолютное давление определяется по формуле:

,

где: Р_м – манометрическое (избыточное ) давление;

Для сосудов, в которых имеется разрежение:

Р_вак –показание вакуумметра.

2. Деформационные манометры. В таких манометрах используют упругость различных пружин — трубчатой, многовитковой (геликоидальной), трубчатой одновитковой, пластинчатой (мембраны) и гармоникообразной (сильфона), показанных на рис.2.

С АМОСТОЯТЕЛЬНО: [Лит. Иванова, с.99-102; Мурин, с.216-220]

Рисунок 2. - Упругие элементы: а — трубчатая пружина; б — многовитковая трубчатая пружина; в — мембрана; г — сильфон.

Принцип действия основан на изменении величины деформации упругого элемента в зависимости от давления.

Манометр с трубчатой пружиной применяют для измерения давления в очень широких пределах. На рис.6.2 показана конструкция такого манометра с секторным передаточным механизмом.

3. Дифференциальные манометры.

Предназначены для измерения разности давлений Р₁ и Р₂: ΔР=Р₁- Р₂

В качестве упругих элементов используются сильфоны и мембраны (Лит. Канторович, с.62, рис.31,ж,з).

В мембранных дифманометрах обе полости корпуса должны быть герметичными, что снижает их чувствительность.

Дифманометры с двухсильфонными элементами отличаются высокой чувствительностью вследствие отсутствия уплотнения для вывода штока.

Угол поворота сильфонного элемента пропорционален разности давлений:

Δα=k(Р₁- Р₂), а мембранного Δh=k(Р₁- Р₂).

Рассмотрим мембранный дифманометр, который представляет собой устройство снабженное унифицированным линейным дифференциально-трансформаторным преобразователем, схема которого показана в упрощенном виде на рисунке 3. Чувствительным элементом прибора является мембранный блок, состоящий из верхней и нижней мембранных коробок 3, и закрепленных на основании 2. Основание с верхней и нижней крышками корпуса прибора образует две камеры: нижнюю — «плюсовую» и верхнюю «минусовую». внутренние полости мембранных коробок, заполненные дистиллированной водой, сообщаются через отверстие в перегородке.

Рис. 1

Рисунок 7.6 — Мембранный дифманометр

С центром мембраны верхней коробки с помощью немагнитного штока связан сердечник 4 дифференциально — трансформаторного преобразователя 5. Сердечник находится внутри разделительной трубки 6, изготовленной из немагнитной нержавеющей стали.

В дифманометре предусмотрено устройство, которое позволяет перемещать катушку дифтрансформатора вдоль разделительной трубки для первоначальной корректировки нулевого значения выходного параметра. Во время эксплуатации дифманометра корректировка нуля производится корректором нуля вторичного прибора.

Рис. 1

Давления Р1 и Р2 к камерам дифманометра подводятся через два запорных вентиля, расположенных на вертикальных трубках. Для сообщения между собой плюсовой и минусовой камер служит уравнительный вентиль, расположенный ниже запорных вентилей. Уравнительный вентиль служит для принудительного создания нулевого перепада давлений в обоих камерах при корректировке (установки нуля) вторичного прибора в процессе эксплуатации устройства. Под воздействием разности давлений Р1-Р2 нижняя мембранная коробка сжимается, жидкость из неё перетекает в верхнюю коробку, вызывая перемещение центра мембраны верхней коробки, а вместе с ней и сердечника дифференциально — трансформаторного преобразователя. Это перемещение приводит к изменению взаимной индуктивности между первичной и вторичной обмотками преобразователя, а значит и к изменению напряжения на выходе пропорционально измеряемому перепаду давления.

Принципиальная электрическая схема дифтрансформатора с плунжерной катушки датчика приведена на рисунке 7.7.

Рисунок 7.7 — Электрическая схема дифтрансформатора плунжерной катушки

Первичные обмотки (I) датчика и прибора соединены последовательно, на них подается напряжение. Две вторичные обмотки датчика соединены последовательно встречно, поэтому напряжение на обмотке (II) будет равно разности напряжений этих двух обмоток. Если плунжер находится в среднем положении, напряжение на обоих вторичных обмотках одинаково, и разность их напряжений равна нулю. При перемещении плунжера вверх, на верхней обмотке будет индуцироваться напряжение больше, чем на нижней и на выводах 3 и 4 появится некоторое напряжение, фаза которого будет совпадать с фазой верхней вторичной обмоткой.

При опускании плунжера вниз (от его среднего положения) тоже будет происходить увеличение напряжения на обмотке (II), но фаза напряжения при этом поменяется на обратную.

Пьезоэлектрические преобразователи

Автор: Administrator

26.10.2009 17:46

В пьезоэлектрических преобразователях используется эффект появления электрических зарядов на поверхности некоторых кристаллов (кварц, турмалин, сегнетова соль и др.) под влиянием механических напряжений.

Устройство пьезоэлектрического преобразователя для измерения переменного давления газа показано на рис.6.6. Давление Р через металлическую мембрану 1 передается на зажатые между металлическими прокладками 2 кварцевые пластинки 4. Шарик 4 способствует равномерному распределению давления по поверхности кварцевых пластинок. Средняя прокладка соединена с выводом 5, проходящим через втулку из хорошего изоляционного материала.

Рисунок 6.6 — Устройство пьезоэлектрического преобразователя

При воздействии давления Р между выводом 5 и корпусом преобразователя возникает разность потенциалов:

U = 2Q /(Cn + C0) =2 k•s•p/(Cn + C0), (6.3)

где Q — заряд, возникающий на пластинке кварца;

Cn — емкость преобразователя;

C0 — емкость проводов и входной цепи прибора, измеряющего разность потенциалов;

k — пьезоэлектрический модуль кварца;

s — площадь поверхности мембраны, подверженная давлению.

По разности потенциалов U судят о значении давления Р. В пьезоэлектрических преобразователях главным образом применяют кварц, у которого пьезоэлектрические свойства сочетаются с высокой механической прочностью и высокими изоляционными качествами, а также с независимостью пьезоэлектрической характеристики от температуры в широких пределах. Используют также поляризованную керамику из титаната бария, титаната и цирконата свинца. Пьезоэлектрические датчики обычно применяют для измерений быстропротекающих динамических процессов при ударных нагрузках, вибрациях, переменных усилиях и т.д.

Обновлено 26.10.2009 17:46