книги из ГПНТБ / Кондрашкова Г.А. Технологические измерения и приборы целлюлозно-бумажной промышленности учеб. пособие

Тензорезисторы, будучи наклеенными на деталь, связанную с упругим чувствительным элементом, или сам элемент реагируют на измеряемое давление Р изменением электрического сопротив­ ления К. Коэффициент тензочувствительности К зависит от относи­

мые к материалу проволоки, следующие: возможно большее зна­ чение К, малый температурный коэффициент сопротивления, вы­ сокое удельное электрическое сопротивление (при заданном зна­ чении Iq стремятся получить возможно большее сопротивление преобразователя).

Температурные коэффициенты линейного расширения прово­ локи и материала объекта, на который наклеивается преобразо­ ватель, должны быть близки по значению, иначе может появиться температурная погрешность.

Погрешности тензорезисторов во многом определяются точ­ ностью градуировки1. При градуировке партии тензорезисторов по среднему значению К, которое определяется для выборки из нескольких датчиков, погрешность градуировки не превышает ±1,5%. В силу незначительной тензочувствительности по сопро­ тивлению эти преобразователи обладают сравнительно большой температурной погрешностью. Последняя вызывает необходимость

1 Тензорезисторы не могут градуироваться индивидуально, так как являются элементами однократного использования.

144

применения мостовых измерительных цепей для измерения выход­ ного сопротивления тензорезисторов с дифференциальным вклю­ чением тензопреобразователей.

рис. 5—6 ,б, в качестве упругого чувствительного элемента имеет мембрану 1, прогиб которой под действием измеряемого давления преобразуется в прямо пропорциональное давлению перемещение свободного конца плоской пружины 2. На верхней и нижней плос­ костях этой пружины наклеены тензорезисторы 3, один из кото­ рых работает на растяжение, другой на сжатие.

Тензорезисторы включены в мостовую цепь, питающуюся от специального генератора. Сигнал с мостовой цепи поступает на электронный усилитель, демодулятор и измеряется магнитоэлек­ трическим прибором. Такие устройства получили название тензостанций и изготовляются для одновременного измерения тензоэффекта во многих точках.

Тензоманометр типа ЭДД-22 предназначен для измерений дав­ ления от 0,1 до 0,6 МПа. Основная приведенная погрешность его составляет ±1,5%.

Тензорезисторы находят применение в измерительных систе­ мах, не требующих предварительного преобразования давления в перемещение. Они могут быть наклеены на мембраны, сильфоны, трубки Бурдона и т. п., а также непосредственно на стенки иссле­ дуемого объекта. Такой способ применяется в целлюлозно-бумаж­ ном производстве при измерении веса варочного котла. В этом случае тензометры наклеиваются на опоры котла.

Вприборах для измерения давления в качестве вторичных преобразователей используются также индуктивные и емкостные преобразователи.

Виндуктивных преобразователях плоская мембрана из стали или пермиллоя прогибается под действием измеряемого давления, изменяя величину воздушного зазора между ней и магнитопроводом с катушкой. Это приводит к изменению магнитного сопротив­ ления, а следовательно, магнитной индукции преобразователя и его индуктивности [64].

Емкостные преобразователи основаны на изменении электриче­ ской емкости между подвижным электродом в виде упругого эле­ мента (плоской мембраны) и неподвижным электродом под дей­ ствием измеряемого давления [64].

Измерение индуктивности и емкости на выходе этих преобра­ зователей может быть реализовано в аналоговой или цифровой форме. Последняя имеет ряд существенных преимуществ: помехо­ устойчивость, значительную выходную мощность и т. д. [45]. С целью получения частотного сигнала на выходе емкостный или индуктивный преобразователи могут быть включены в цепь ко­ лебательного контура электронного генератора [45]. Добротность электрических колебательных контуров невелика (3—100).

Для преобразования давления в частотный сигнал целесооб­ разнее использовать механические колебательные системы, доб­ ротность которых достигает десятков тысяч. Такие колебательные системы могут быть созданы с помощью струны, плоской или ци­ линдрической трубки и других элементов. Частота колебаний струны, соединенной с мембраной, или тонкостенной трубки опре­ деляется напряженностью упругого элемента, т. е. давлением, ко­ торое воздействует на мембрану или трубку. Для возбуждения колебаний частотных датчиков и преобразования механических

колебаний в выходной электрический сигнал необходимы специ­ альные устройства — возбудители и приемники колебаний, кото­ рые часто совмещаются в одном устройстве, называемом обрати­ мым преобразователем. Для создания в частотном преобразова­ теле автоколебаний образуют замкнутую систему, в которую, кроме преобразователя и устройств возбуждения и приема коле­ баний, входит электронный усилитель. Такая замкнутая система называется генератором автоколебаний. Выходная частота гене­ ратора определяется резонансной частотой колебательной си­ стемы измерительного преобразователя (струны или трубки). Схемы некоторых частотных преобразователей давления приве­ дены на рис. 5-7.

Трубчатая колебательная система образована плоской труб­ кой 2, укрепленной в корпусе 1 консольно (рис. 5-7, а) . При изме­ нении измеряемого избыточного давления внутри трубки будет меняться частота f собственных колебаний консольной трубки

146

длиной /. При соответствующем подборе размеров системы можно получить практически линейную характеристику зависимости час­ тоты от давления. В качестве возбудителя и приемника (обрати­ мого электромеханического преобразователя) применена поляри­ зованная электромагнитная система 3.

Другая разновидность частотного преобразователя давления показана на рис. 5-7, б. Здесь измеряемое давление воспринима­ ется тонкостенной трубкой 1 цилиндрической формы. Непрерыв­ ные колебания трубки возбуждаются двумя взаимо перпендику­ лярными электромагнитами 2 с частотой

где /о — частота колебаний при Р —0; Ро — постоянная величина, имеющая размерность давления.

Частотный сигнал с рассмотренных преобразователей посту­ пает в измерительное устройство типа электронного цифрового частотомера, шкала которого градуируется в значениях измеряе­ мого давления.

До сих пор рассматривались приборы, построенные по методу прямого измерения давления. Их широкое распространение обус­ ловлено простотой, надежностью и малой стоимостью. Однако точ­ ность таких приборов во многом определяется погрешностями пер­ вичного преобразователя давления, упругого элемента, которые не могут быть ниже определенного предела.

Повысить точность измерения давлений удается путем построе­ ния уравновешенных манометров. Рассмотрим устройство некото­ рых из них.

Схема дифманометра типа ДМПК-4 с пневматической силовой компенсацией приведена на рис. 5-8.

Разность давлений Р± и Р2 действует на эластичную мембрану/ с жестким центром 2, создавая на последнем усилие, которое че­ рез стержень 3 и рычаг 4 перемещает заслонку 5 у сопла 6. Изме­ нение зазора между соплом и заслонкой вызывает изменение дав­ ления воздуха, поступающего через дроссель 7 к соплу. Одновре­ менно изменяется давление в камере г усилительного пневмореле и прогиб мембран 8 и 9, а также положение впускного 10 и выпу­ скного 11 клапанов. В результате изменяются давления в каме­ рах б и в , причем это изменение продолжается до тех пор, пока заслонка 5 не займет такого положения относительно сопла, при котором уравновесятся усилия на сильфоне 12 обратной связи и мембране 1. Поскольку деформации мембраны и сильфона не­ значительны, изменение жесткости этих упругих элементов не влияет на показания прибора.

Верхние пределы измерения давления дифманометром можно регулировать перемещением сильфона 12 вдоль рычага 13. Уплот­ нительный сильфон 14 служит для вывода рычага 4 из камеры давления. Пружина 15 предназначена для настройки начального

Дифманометры сильфонные электрические типа ДС-ЭиДС-ЭР, входящие в систему ГСП, также построены по методу электриче­

-1 ,0 )% .

Вотличие от рассмотренных дифманометров датчики типа

ДС-ЭР предназначены для измерения расхода. Дифманометрырасходомеры снабжены квадратичными преобразователями, даю­ щими выходной сигнал постоянного тока 0—5 мА, пропорциональ­ ный величине измеряемого расхода.

149

§ 4. Э Л Е К Т Р И Ч Е С К И Е М А Н О М Е Т Р Ы

Электрические манометры основаны на способности некоторых элементов менять свои электрические свойства под действием дав­ ления. Эти элементы применяются в качестве первичных преобра­ зователей давления в электрический сигнал. К таким преобра­ зователям для измерения давления относятся: омические (или манометры сопротивления), пьезоэлектрические магнитоупругие, тепловые, ионизационные, радиоактивные.

Манометры сопротивления применяются для измерения высо­ ких давлений. В качестве первичного преобразователя в этих приборах часто используется манганиновый проводник. Преимущество манганина перед другими материалами для манометров заклю­ чается в его ничтожно малом температурном коэффициенте электрического сопротивления, что обеспечивает независимость показаний манометра от темепратуры измеряемой и ок­ ружающей среды. Кроме того, при давлениях

в диапазоне от 100 до 400 МПа манганиновые

ііпреобразователи обладают постоянной отно­

сительной чувствительностью изменения со-

1противления под действием давления. В этом диапазоне давлений, как правило, и применя­ ются манганиновые манометры сопротивле­ ния.

Один из вариантов конструкции мангани­ нового датчика манометра представлен на рис. 5-11. Измеряемое давление подается в камеру, в которой расположена катушка 1 из манганиновой проволоки, намотанной би­

изолированной от стержня эбонитовыми втул­ ками 4 и 5. Для герметизации полости с из­ меряемым давлением предусмотрено уплотнение 6, поджимаемое

гайкой 7. Корпус манометра 8 снабжен ниппелем 9 для присоеди­ нения манометра к объекту измерения. Основная погрешность преобразования давления в активное сопротивление манганино­ вой проволоки не превышает ± 1% от предела измерения дав­ ления.

В пьезоэлектрических манометрах используется явление пьезо­ эффекта— свойства некоторых кристаллических веществ (кварца, титана бария, сегнетовой соли, турмалина и др.) создавать элек­ трические заряды под действием механической нагрузки. Явления пьезоэффекта достаточно полно освещены в литературе [59, 64].

Пьезоэлектрические преобразователи являются генераторными преобразователями. Их входной величиной является сила, а вы­ ходной — количество электричества.

150

Заряд, возникающий па гранях пьезоэлемента под действием внешних сил, сохраняется лишь при отсутствии утечки, т. е. при бесконечно большом входном сопротивлении измерительной цепи. Так как это условие практически невыполнимо, для статических измерений сил и давлений пьезоэлектрические преобразователи не используются.

При действии переменных сил количество электричества вос­ полняется и становится возможным потребление некоторого тока измерительной цепью. Поэтому эти преобразователи применяются исключительно для измерения динамических величин давления в частотном диапазоне от 20 до

7000 Гц.

Основными составляющими погрешности пьезоэлектрических преобразователей являются:

погрешность вследствие непра­ вильной (по отношению к градуи­ ровочной) установки пластин пьезоэлемента;

погрешность, вызванная изме­ нением параметров измеритель­ ной цепи (в первую очередь вход­ ной емкости);

погрешность, связанная с чув­ ствительностью пьезоэлемента к силам, действующим поперек из­ меряемой;

температурная погрешность от изменения под действием темпе­ ратуры пьезоэлектрической постоянной;

частотная погрешность, появляющаяся за счет дифференцирую­ щих свойств пьезоэлектрических преобразователей [59, 64].

В связи с тем что выходное (внутреннее) сопротивление пьезо­ электрического преобразователя велико, а развиваемая им мощ­ ность чрезвычайно мала, выходное напряжение преобразователя требует усиления. Поэтому в качестве вторичного измерительного преобразователя (измерительной цепи) используют усилители с большим входным сопротивлением (ІО8—ІО14 Ом).

Преимущественное применение в пьезоэлектрических маномет­ рах получили кварцевые преобразователи. Они отличаются боль­ шой механической прочностью, удовлетворительными пьезоэлек­ трическими и высокими изоляционными свойствами, а также ста­ бильностью пьезоэлектрической характеристики при изменении температуры в широких пределах и во времени.

Один из вариантов конструктивного исполнения датчика пьезо­ электрического манометра на основе кристалла кварца показан на рис. 5-12. Измеряемое давление в полости, ограниченной корпу­ сом 1 и гайкой 2, действует на плоскую мембрану 3, деформация которой через металлическую шайбу 4 передается нижней кварце­

151

вой пластине 5. Другая кварцевая пластина расположена сверху плитки 6 и поджимается к последней через металлическую шайбу 7 и шарик 8 гайкой 9, представляющей собой крышку датчика. К плитке 6 припаян проводник, выводимый через втулку 10. Квар­ цевые пластины расположены таким образом, чтобы грани с по­ ложительным зарядом имели контакт с шайбами 4 и 7, а с отри­ цательным зарядом — с плиткой 6. Вторичным прибором может служить, например, ламповый вольтметр постоянного тока в соче­ тании с электронным осциллографом [64]. Основная приведенная

нем разместить обмотку (или две трансформаторные обмотки), то индуктивное электрическое сопротивление обмотки (или вторич­ ной обмотки) будет меняться при изменении магнитной проницае­ мости сердечника, т. е. при изменении внешней механической нагрузки. Таким образом, магнйтоупругие преобразователи анало­ гичны по своим свойствам индуктивным и взаимоиндуктивным пре­ образователям. (Это касается требований к измерительным цепям, расчету обмоток этих преобразователей и происхождению ряда источников погрешностей) [59].

К недостаткам магнитоупругих преобразователей следует от­ нести несовпадение показаний при увеличении и уменьшении дав­ ления (из-за магнитного гистерезиса), влияние температуры окру­ жающей среды и напряжения питания на выходной сигнал преобразователя, нестабильность магнитных свойств сердечника во времени.

Основная приведенная погрешность магнитоупругих преобра­ зователей составляет 3—5%.

Несмотря на низкую точность, эти датчики благодаря простоте конструкции, отсутствию подвижных частей, высокой надежности и низкой стоимости широко применяются для измерения сил, давления и величин, связанных с ними, в труднодоступных местах, при тяжелых условиях эксплуатации оборудования и т. п.

152

Схема устройства магнитоупругого датчика давления и кривая изменения относительного значения магнитной проницаемости от напряжения материала датчика приведены на рис. 5-13, а и б. Под воздействием измеряемого давления Р растягивается внутренняя тонкостенная стальная трубка 1. Она передает растягивающее на­ пряжение на наружную трубку из инвара 2. Магнитная проница­ емость ее под действием механической напряженности а изменя­ ется в соответствии с зависимостью 5-13, а. При этом катушка 3 изменяет свою индуктивность. Изменение последней преобра­ зуется с помощью мостовой неравновесной цепи в напряжение раз­

баланса. Желательно использовать дифференциальное включение измерительного и уравновешивающего (нерабочего) преобразова­ телей [59]. На выходе измерение напряжения производится маг­ нитоэлектрическим прибором, включенным после выпрямителя.

Принцип действия тепловых манометров основан на изменении теплопроводности газа от степени его разреженности. При низких давлениях (от 0,0133 Па, т. е. 0,0001 мм рт. ст., до 1333 Па, т. е. 10 мм рт. ст.), когда длина свободного пробега молекул газа соиз­ мерима с геометрическими размерами измерительной системы пре­ образователя, появляется зависимость теплопроводности от дав­ ления.

Такой преобразователь представляет камеру, содержащую в себе нагреватель и измеритель температуры — контактную или бесконтактную термопару или терморезистор. В манометрах с тер­ морезисторами измеряется электрическое сопротивление провод­ ника. В приборах с термопарами измеряется т. э. д. с.

Ионизационные приборы для измерения давления предназна­ чены для измерения вакуума. Чувствительный элемент представ­ ляет собой баллон 1, соединенный с измеряемой средой и содер­ жащий катод 2, сетку 3 и анод-коллектор 4 (рис. 5-14,а). В зави­

153