Королев Датчики и детекторы физико-енергетических установок 2011

Для измерения разности давлений используют два сильфона: измеряющий и компенсирующий, как показано на рис. 6.2, в. Подвижный конец каждого сильфона соединен с подвижным стержнем, перемещение которого пропорционально разности давлений, действующих на каждый сильфон. Для измерения абсолютных величин давления компенсирующий сильфон вакуумируют и герметизируют. Тогда перемещение подвижного штока является мерой давления относительно вакуума. Недостатками сильфонов являются гистерезис и сдвиг нуля.

в

Рис. 6.2. Виды сильфонов

Диафрагмы по принципу действия похожи на сильфоны. Диафрагма представляет собой круглую пластину, закрепленную по всей кромке (рис. 6.3). При изменении разности давлений между обеими сторонами диафрагмы она приходит в движение. В датчиках используются плоские (рис. 6.3, а) и гофрированные диафраг-

мы (рис. 6.3, б).

121

Рис. 6.3. Виды диафрагм

Гофрированные диафрагмы имеют на поверхности несколько концентрических волн. Их диаметр обычно превышает диаметр плоских диафрагм. Гофрированные диафрагмы имеют большее смещение, чем плоские диафрагмы. Иногда две гофрированные диафрагмы соединяются по краям для получения чувствительного элемента под названием капсулы рис. 6.4. Капсулы бывают выпуклые (рис. 6.4, а) и вложенные (рис. 6.4, б). Пространство между диафрагмами заполняется нейтральной жидкостью, такой как силиконовое масло.

Помимо применения в качестве чувствительных элементов в датчиках давления, диафрагмы используются для изоляции техно-

122

логических сред от жидкостей в датчиках, обеспечивающих передачу давления.

6.2. Принципы построения датчиков давления

Для промышленных измерений давления применяются два класса датчиков: механические и электромеханические.

В механических датчиках измеряемое давление с помощью чувствительного элемента преобразуется в перемещение, которое отражается на шкале прибора. На рис. 6.5 показан принцип действия трех типичных механических датчиков давления.

Рис. 6.5. Механические датчики давления:

а– с трубкой Бурдона; б – с сильфоном; в – с диафрагмой

Вэлектромеханических датчиках давления измеряемое давле-

ние с помощью чувствительного элемента преобразуется в перемещение чувствительного элемента, а затем с помощью датчика перемещения – в электрический сигнал. Датчики перемещения достаточно подробно рассмотрены в гл. 5, здесь же будут рассмотрены конкретные примеры датчиков давления с различными методами измерения перемещения чувствительного элемента датчика.

Тензометрический метод использует измерение смещения диафрагмы с помощью тензометра. Тензометр сделан из материала, сопротивление которого изменяется в зависимости от степени деформации (рис. 6.6).

123

Рис. 6.6. Типичный тензометр

Если проводник подвергается растяжению или сжатию, то его сопротивлениеизменяетсяиз-заизмененийдлиныиплощадипопереч- ного сечения. Изменения в сопротивлении затем преобразуются в электрический сигнал с помощью моста для измерения сопротивле-

ний (рис. 6.7).

Рис. 6.7. Мостовая схема включения тензометра

Для установки тензометров для измерения смещений используют два метода: клеевой о молекулярно-связанный. При клеевом методе тензометр прикрепляется при помощи клея, а при молеку- лярно-связанном вместо клея используется поверхностная фиксация на молекулярном уровне. На рис. 6.8 показана установка тензометров на диафрагме.

Температура является для тензометров потенциальным источником ошибки: это объясняется тем, что сопротивление тензометра зависит не только от деформации, но и от температуры. Так как изменения сопротивления вследствие деформации часто невелики, влияние температуры и возникающие ошибки могут быть значи-

124

тельными. Еще одно влияние температуры проявляется в различном тепловом расширении тензометра и элемента конструкции, к которому он прикреплен. Это может привести к деформации и изменению сопротивления тензометра, не вызванных изменением внешней нагрузки.

Рис. 6.8. Установка тензометров на диафрагме

Температурные эффекты в тензометрах можно компенсировать различными способами. На рис. 6.9 показана схема с «холостым» тензометром.

Рис. 6.9. Схема соединения тензометров для температурной компенсации

125

Холостой тензометр идентичен рабочему и приклеен к образцу того же материала, что и рабочий. Его температура равна температуре рабочего тензометра, но при этом он не подвержен деформации вследствие прикладываемого давления. Холостой и рабочий тензометры помещаются в соседние плечи мостовой схемы таким образом, что изменения, вызываемые температурой, компенсируют друг друга и не оказывают влияния на выходное напряжение моста.

Другой подход состоит в использовании схем моста с собственной температурной компенсацией. На рис. 6.10 показаны четыре тензометра, прикрепленные к тонкой пластине, являющейся чувствительным элементом датчика давления. Такая конфигурация по своим свойствам обладает температурной самокомпенсацией и чувствительностью, в четыре раза превышающей чувствительность одиночного тензометра.

Рис. 6.10. Установка тензометров с самокомпенсацией температурных эффектов

Емкостной метод. Дифференциальный емкостной датчик (с тремя выводами) показан на рис. 6.11.

Мостовая схема для измерений его показаний приведена на рис. 6.12. Неподвижные пластины дифференциального конденсатора изготовлены из стеклянных дисков, в которых сделаны сферические впадины глубиной около 0,02 мм и на которые нанесено металлическое покрытие.

126

Рис. 6.11. Дифференциальный емкостной датчик с тремя выводами

клоняется, создавая на выходе сигнал, пропорциональный разности давлений.

Индуктивный метод основан на изменении индуктивности. На рис. 6.13 показаны два типа индуктивных датчиков, которые могут использоваться для измерения смещения чувствительных элементов в датчиках давления.

Рис. 6.13. Индуктивные датчики

127

Воднообмоточном датчике при смещении изменяется воздушный зазор, что меняет магнитную проводимость на пути потока, генерируемого в обмотке, и таким образом изменяет ее индуктивность. Это изменение индуктивности затем измеряется электрической схемой и соответствует смещению диафрагмы.

Вдвухобмоточном датчике поток первичной обмотки взаимодействует с вторичной обмоткой, с которой снимается выходной сигнал. Любое смещение якоря меняет взаимоиндукцию между обмотками. В конструкции, показанной на рис. 6.13, воздушный зазор между сердечником и якорем определяет степень взаимодействия обмоток. В других конструкциях степень взаимодействия может варьироваться путем изменения относительных линейных или угловых положений обмоток или якоря.

Дифференциальные трансформаторы. Работа дифференциаль-

ных трансформаторов основана на принципе электромагнитной индукции. Для измерений линейного перемещения наиболее часто используется прибор, называемый линейным измерительным дифференциальным трансформатором (ЛИДТ). ЛИДТ, показанный на рис. 6.14, имеет три обмотки: первичную и две вторичные обмотки, включенные навстречу друг другу.

Рис. 6.14. ЛИДТ

Если к первичной обмотке прикладывается переменное напряжение, то в двух вторичных обмотках наводятся напряжения. Когда сердечник находится посередине между двумя вторичными об-

128

мотками, напряжения, наведенные в каждой из них (Е1, и Е2), равны по величине, но сдвинуты по фазе на 180 градусов. Напряжения обеих катушек взаимно компенсируются, и сигнал на выходе Е0 будет равен нулю. Когда сердечник смещается от среднего положения, возникает дисбаланс в индукции между первичной и вторичными обмотками и возникает напряжениена выходесхемы. Выходное напряжение линейно зависит от положения сердечника до тех пор, пока движение сердечникапроисходитвпределахрабочегодиапазона ЛИДТ.

ЛИДТ является пассивным датчиком, требующим источника питания с редко используемыми значениями напряжения и частоты; по этой причине для использования ЛИДТ приходится пользоваться схемами преобразования. В настоящее время разработаны полупроводниковые электронные приборы, позволяющие создавать миниатюрные преобразовательные схемы, которые можно разместить внутри корпуса ЛИДТ. В результате получается самостоятельный датчик, известный как дифференциальный трансформатор посто-

янного тока (ДТПТ). ДТПТ может работать на батарейном питании или от регулируемого источника питания.

Датчик давления с ЛИДТ является примером датчика, использующего принцип равновесия сил (рис. 6.15). Как видно из рисунка, датчик состоит из передающего усилие рычага, прикрепленного к сильфону, пружины, позволяющейполучитьтребуемыйрабочийдиапазон, и ферритового диска.

Рис. 6.15. ДатчикдавлениясЛИДТ

129

Ферритовый диск используется в качестве сердечника ЛИДТ и взаимодействует с двумя поставленными одна на другую катушками с ферритовыми сердечниками, которые служат детектором. Между катушками и диском находится воздушный зазор. Любое движение ферритового диска приводит к изменению выходного сигнала дифференциального трансформатора и связанного с ним генератора. Выходной сигнал генератора преобразуется в постоянный ток и усиливается, чтобы получить стандартный выходной сигнал постоянного тока. Устройство обратной связи (электромагнит) возвращает передающий усилие рычаг в исходное равновесное положение.

Датчики изменяемой индуктивности. Устройство с переменной индуктивностью состоит из сердечника, на котором намотана обмотка (рис. 6.16). Перемещение обмотки относительно сердечника приводит к пропорциональному изменению индуктивности дросселя. Если дроссель включен в цепь генератора переменного тока, то небольшое перемещение сердечника дросселя приводит к изменению частоты генератора.

Рис. 6.16. Одиночный датчик переменной индуктивности

Датчики переменной индуктивности бывают нескольких типов. Часто магнитная диафрагма из нержавеющей стали служит движущимся сердечником между двумя катушками с Е-образными сердечниками (рис. 6.17, а). Катушки индуктивности включены в мостовую схему (рис. 6.17, б). В некоторых приборах применяются заменяемые диафрагмы, что позволяет измерять одним датчиком давления в диапазоне от 7 до 3500 кПа.

Эти датчики можно использовать для измерения давления или разности давлений, так как действию жидкости или газа могут подвергаться обе стороны диафрагмы. Собственная частота для самой мягкой диафрагмы составляет 5 кГц, с чувствительностью к ускорению, равной 0,2 %/g где g – ускорение свободного падения.

130