Методичка Датчики давления и температуры

Составители: доцент Р.А. Сажин, старший преподаватель

В.В. Токарев

УДК 658.5 И39

Рецензент директор научно-образовательного центра энергосбережения

кандидат технических наук А.В. Ромодин (Пермский государственный технический университет)

Изучение устройства и принципа работы датчиков ИЗ 9 давления и температуры: метод, указания к лаб. работам по курсу «Автоматизация горного производства» / сост. Р.А. Сажин, В.В. Токарев. - Пермь: Изд-во Перм. гос. техн. ун-та, 2008. - 18 с.

Приведено описание устройства и принципа работы различного типа датчиков давления и температуры. Приведена методика исследования ха­ рактеристик этих датчиков.

Предназначено для студентов очного и очно-заочного отделений горно­ нефтяного факультета.

УДК 658.5

Методические указания выполнены в рамках программы «Гранты ТНК-BP для профильных вузов РФ»

© ГОУ ВПО «Пермский государственный

технический университет», 2008

1. Цель работы

Целью лабораторной работы является знакомство с устройством, принципом работы и характеристиками датчиков различного типа, предна­ значенных для замера величины давления и температуры и расположен­ ных на учебном стенде, позволяющем исследовать их характеристики.

2 Стенд для исследования характеристик датчиков температуры

Для получения информации с объектов управления о величине давления или температуры в системах автоматики используют соответст­ вующие датчики. На нашем стенде установлено несколько типов таких датчиков. Общий вид этого стенда показан на рис. 1.

Рис. 1. Общий вид стенда для исследования характеристик датчиков давления и температуры

На стенде представлены следующие элементы:

1 - Гидроцилиндр для нагрузки датчиков давления,

2 - Образцовый манометр.

3- Датчик давления типа «АИР-10».

4- Датчик давления типа «Сапфир».

5- Блок питания датчиков.

6- Пульт управления стендом.

10 - Датчик температуры типа «Метран».

На стенде все датчики питаются от единого блока питания 5 и под­ ключены через соответствующие тумблеры к входам многоканального вторичного регистрирующего прибора 7.

Установка давления на оба соответствующих датчика производится нагрузочным винтом гидроцилиндра 1, а установка необходимой темпера­ туры на входе соответствующих датчиков производится нагревателем, в полости которого находятся чувствительные элементы датчиков темпе­ ратуры. Величина самой температуры задается регулятором тока 8, пода­ ваемым на нагреватель.

3. Датчики давления

Группа датчиков давления расположена слева на панели стенда. Общий вид установки датчиков давления на этой панели показан на рис. 2.

На стенде датчики давления соединены в общую гидравлическую систему, давление в которой создается гидроцилиндром 1 с помощью за­ кручивания винтового штока 2, который рукояткой вворачивается в верх­ ний торец этого цилиндра. В нижнем торце цилиндра расположен запор­ ный вентиль 3, с помощью которого можно частично регулировать давле­ ние в гидросистеме от нуля до некоторого установленного максимума.

Образцовый манометр 4 регистрирует давление в гидросистеме, в которую одновременно встроены оба датчика давления. Датчик 5 совре­ менного типа марки «АИР-10» (предел измерения 0 - 2,5 МПа) серийно выпускается научно-производственным предприятием «ЭЛЕМЕР». Второй датчик 6 - это датчик старого образца марки «САПФИР- 22М-ДИ» (предел измерения 0-1,0 МПа).

Датчик давления «САПФИР- 22М-ДИ» состоит из измерительного блока и электронного устройства.

Рис. 1. Расположение датчиков давления на панели стенда

Схема измерительного блока датчика «САПФИР» показана на рис. 3. Чувствительным элементом этого блока является мембрана, которая де­ формирует под действием измеряемого давления в полости 8. Эта мембра­ на герметично размещена между половинками корпуса 7 датчика. Под действием измеряемого давления мембрана 6 деформирует, передавая дав­ ление жидкости, находящейся в надмембранной полости датчика.

За счет давления этой жидкости происходит деформация торца тензопреобразователя 4. На торцевой поверхности этого элемента помещен тензочувствительный элемент 2, который состоит из монокристаллической сапфировой изоляционной подложки и пленочного кремниевого тензорезистора, включенного в электронную схему этого датчика.

Рис. 3. Схема чувствительного элемента измерительного блока датчика «САПФИР»

Структура электронной схемы датчика «САПФИР-22М-ДИ» показа­ на на рис. 4. На вход этой электронной схемы подается с блока питания напряжение питания, которое может колебаться в пределах от 12 до 36В. Стабилизатор «СтН» датчика поддерживает необходимый постоянный уровень напряжения питания, а усилитель мощности «УМ» создает необ­ ходимую мощность сигнала на входе регулятора тока «РТ2».

Этот регулятор предназначен для обеспечения пропорционального тока выходного сигнала датчика в пределах от 4 до 20 мА. Сигнал управ­ ления на этот регулятор поступает с выхода усилителя «>» тензометрического сигнала, который, в свою очередь, получает сигнал от суммирую­ щего элемента. Вход и выход всего этого устройства шунтирует регулятор тока «РТ1». Принцип работы схемы электронного блока, представленной на рис. 4, следующий:

Тензосопротивление «ТР» совместно с резисторами Rl, R2, R3 подключается в схему резисторного моста, в диагональ 1, 2 которого подается стабилизированное напряжение питания, выходной сигнал рассогласования этого моста снимается в точках 3, 4. Рассогласование этого моста пропорционально изменению сопротивления тензорезистора «ТР».

Напряжение рассогласования моста подается через суммирующий элемент на вход усилителя сигнала, выходной сигнал которого подается на регулятор выходного тока (сигнала) датчика. Сигнал усилителя пропорционально отражает выходной сигнал датчика.

Для стабилизации характеристики усилителя на вход его через сумматор подключен регулятор тока «РТ1», который меняет коэффици­ ент усиления этой схемы, для балансировки тензометрического моста по­ тенциометр R3. Температурная стабилизация моста обеспечивается термосопротивлениями R4 и R5.

ТР

РТ1

Ш Ik 4 - 20 та

2 б

Рис. 4. Структура электронной схемы датчика «САПФИР- 22М-ДИ»

Датчик давления «АИР-10» также состоит из первичного преобразо­ вателя и электронного устройства. Первичный преобразователь этого дат­ чика работает по принципу, показанному на рис. 3.

Работа электронного устройства этого датчика, представленного на рис. 5, несколько отличается от выше описанной схемы. Прежде всего тем, что тензорезистор «ТР» подключен по схеме делителя напряжения на вход усилителя, который пропорционально усиливает сигнал от некоторого ис­ ходного (нулевого уровня), который обеспечивается блоком установки ну­ ля.

Цифр овой код давления

3

0 +

Рис, 5. Структура электронной схемы датчика давления «АИР-10»

датчика через «ЦАП» преобразуется в некоторый уровень аналогового сигнала, который в виде токового сигнала и появляется на выходе датчика.

Для стабилизации питания датчика в его схему включен стабилиза­ тор напряжения «СтН».

Нулевая балансировка датчика обеспечивается блоком установки нуля, который может быть подключен кнопкой «К1» или через геркон «ГК».

В схему датчика входит устройство выбора диапазона измерений, представляющее собой набор переключателей, с помощью определенной комбинации включения которых может быть установлен нужный диапазон измерений давления для этого датчика.

4. Датчики температуры

Группа датчиков температуры расположена в правой части стенда. На рис. 6 показан общий вид установки датчиков температуры на панели стенда.

Рис. 6. Расположение датчиков температуры на панели стенда

Один из этих датчиков 3 типа «ТСМУ 0104» (предел измерения 0 - 50°С) серийно выпускается научно-производственным предприятием «ЭЛЕМЕР». Второй датчик 4 - это датчик старого образца марки «МЕТРАН 200Т» (предел измерения 0 - 150"С ).

Принцип работы этих датчиков одинаков и основан на использова­ нии в качестве чувствительного элемента термосопротивления «ТС», со­ противление которого электрическому току пропорционально температуре его нагрева.

Оба датчика температуры состоят из первичного преобразователя (термосоиротивления), помещенного в герметичную трубку, которая подвержена нагреву, и электронного блока, формирующего выходной сиг­ нал датчика. Структура электронной схемы датчика «МЕТРАН» показана на рис. 7.

Как и в датчике «САПФИР», в датчике «МЕТРАН» чувствительный элемент «ТС» включен в схему делителя стабилизированного напряжения через усилитель мощности. Величина сопротивления элемента «ТС» опре­ деляет величину потенциала в точке 3 электронной схемы. Этот потенциал суммируется с сигналом обратной связи, снимаемого с выхода усилителя и корректируемого регулятором тока «РТ1». На вход сумматора термосо­ противлением R4 также подается сигнал температурной коррекции харак­ теристики усилителя. Балансировка нуля в точке 3 делителя напряжения производится через сопротивление R3.

2

Рис. 7. Структура электронной схемы датчика «МЕТРАН»

Структура электронной схемы датчика «ТСМУ 0104» показана на рис. 8. Отличительной особенностью этой схемы является то, что дели­ тель напряжения состоит из двух терморезисторов «ТС1» и «ТС2», ка­ ждый и которых имеет свой номинал сопротивления и подключается в схему через переключатель «Ш». Кроме того, в схему делителя на­ пряжения переключателем «Ш» могут быть включены в различной комбинации сопротивления Rl, R2, R3, R4, R5. Это позволяет изменять диапазон температур, которые может зафиксировать данный датчик.

Рис. 8. Структура электронной схемы датчика «ТСМУ 0104»

Общая монтажная схема всех приборов стенда показана на рис. 9. Основой этой схемы является многоканальный индикатор (термометр) «ТМ5103» 3, на четыре канала которого подключены вышеописанные датчики. Подключение датчиков производится по схеме «токовая пет­ ля». Питание датчиков в схеме производится от четырехканального бло­ ка питания 1.

ТМ5ДО

M E I P A H

Рис. 9. Схема включения датчиков в стенде

5. Блок питания

На стенде используется источник питания постоянного тока БП 96 /24-4/20DIN (блок питания), который серийно выпускается научнопроизводственным предприятием «ЭЛЕМЕР». Данный источник питания предназначен для обеспечения питания датчиков напряжением постоянно­ го тока величиной в 24В с максимальной нагрузкой до 120 мА. Этот блок питания имеет четыре независимых и гальванически развязанных канала питания, каждый из которых контролируется по перегрузке. При нормаль­ ной работе каждого из каналов постоянно горит зеленый светодиодный индикатор. В случае перегрузки одного из каналов выходной сигнал бло­ кируется и на панели блока питания загорается красный светодиодный ин­ дикатор, расположенный ниже зеленого. При снятии перегрузки с канала автоматически возобновляется подача выходного сигнала, красный инди­ катор гаснет и загорается зеленый.

ю

Подача сигнала с блока питания на соответствующий датчик обес­ печивается тумблером, номер которого проставлен на панели тумблеров 2 (рис. 10).

В И И

ШШШШШШШ'

шШШШШШШШШщШШьI. _

. 1,1- ••*( «, , 1 _

ImT^MTiri^iir TiiriiiimimitiiNiiiiiiiiciiiiiMiiiiiiiiiii'Mi 1ии11и^11Ш|1гот^|1Г|Т1«11атммш111П1№1Г('11»м1Г1Ш1щтщищй]!Ш

Рис.10. Расположение блока питания 1, органов управления 2

ицифрового индикатора 3 на панели стенда

6.Термометр многоканальный (индикатор)

Термометр многоканальный типа ТМ 5203 предназначен для кон­ троля (индикации) температуры или других неэлектрических параметров, поступающих с датчиков в виде сигналов постоянного тока или напряже­ ния.

Термометр многоканальный является многофункциональным мик­ ропроцессорным прибором, который может быть использован как индика­ тор сигнала, так и средством для передачи сигналов в компьютерных ин­ формационных сетях.

Измерительные каналы этого термометра могут быть сконфигуриро­ ваны для токовых сигналов на следующие диапазоны: 0...5 мА, 0...20 мА и 4...20 мА.

Входные сигналы на этот термометр могут быть поданы с термосо­ противлений или тензосопротивлений. Термометр многоканальный может

и встроенных фильтров на каждый канал, аналого-цифрового преобразова­ теля, микропроцессорного блока управления и цифровой индикации с кла-

п

виатурой управления, восьми исполнительных реле, клеммных соедините­ лей и модуля интерфейса.

Блок питания прибора обеспечивает стабилизированным напряже­ нием восемь канальных усилителей. Каждый из каналов защищен фильт­ ром от помех.

Аналого-цифровой преобразователь преобразует входной аналого­ вый сигнал в цифровой код, поступающий на модуль индикации и в мик­ ропроцессорный модуль.

Модуль индикации и клавиатуры обеспечивает выдачу информации через цифровые индикаторы. На лицевой панели прибора расположен че­ тырехразрядный цифровой индикатор (основное табло), предназначенный для отображения измеряемой величины или вводимой уставки.

Ниже основного табло расположен одноразрядный индикатор для отображения номера активного канала. Для выбора этого канала исполь­ зуются клавиши «V», « V » , расположенные за этим индикатором. На сле­ дующем уровне лицевой панели прибора расположена клавиша «>», по­ зволяющая выбрать один из четырех возможных режимов работы прибора. Каждый из этих режимов высвечивается после его выбора.

На первом режиме производится циклический, последовательный просмотр измерений по всем каналам. Время просмотра на отдельном ка­ нале предустанавливается. На втором режиме постоянно производятся из­ мерения только на выбранном канале. На третьем и четвертом режимах просматриваются уставки соответственно типа 1 или 2.

Микропроцессорный блок управления предназначен для выполнения следующих функций: расчет по данным АЦП измеряемой величины и пе­ ресылка ее на индикатор; управление модулем индикации и клавиатурой; управление модулем интерфейса; управление работой коммутируемых ре­ ле.

На самом нижнем уровне лицевой панели прибора расположены ин­ дикаторы коммутируемых реле, которые загораются только тогда, когда конкретное реле включается микропроцессором в работу.

При возникновении каких-либо сбоев в работе многоканального термометра на основном табло появляются сообщения об ошибке, ко­ торые могут быть следующими:

«Егг 0», «Егг 1», «Егг 4» - ошибка во внутренней памяти прибора; «Егг 2» - неправильно установлен сетевой номер; «Егг 5» - нет включенных каналов;

«-OU-» - переполнение. На вход измеряемого канала подан сигнал больше допустимого;

«-AL-» - обрыв датчика;

«—» - число, которое невозможно вывести на индикатор. Нужно уменьшить число знаков после запятой.

В случае возникновения этих ошибок микропроцессор автоматиче­ ски присваивает номер прибора «О». После устранения причины ошибки номер прибора восстанавливается.

Многоканальный термометр на стенде установлен на величину токо­ вого сигнала, который должен колебаться в пределах от 4 до 20 мА. Если сигнал выходит за пределы этого диапазона, то прибор указывает на пере­ грузку соответствующей «ошибкой».

7. Методика работы на стенде

7.1. Методика замера давления датчиками «АИР-10» и «Сапфир»

Для исследования нагрузочных характеристик датчиков необходимо включить питание всего стенда, при этом на пульте его управления заго­ рит индикатор включения сети и на основном табло прибора ТМ 5203 поя­ вится некоторая информация.

После этого клавишей « > » перевести прибор на режим 2, при этом загорится второй (слева) зеленый светодиод. Далее тумблером К1 нужно подать питание на датчик «АИР-10», а на приборе ТМ 5203 клавишей «V» или «v» выбрать канал с номером 1. После всего этого на основном табло многоканального термометра появится информация о давлении, которое воспринимает этот датчик в текущий момент. Если на образцовом мано­ метре 4 (см. рис. 2) в нагрузочной системе датчиков регистрируется нуле­ вое давление, то основное табло прибора должно показывать число «4.00», что соответствует начальному значению диапазона измерений это­ го прибора, т.е. 4 мА.

Если на стенде открыть запорный вентиль 3, а рукояткой нагрузоч­ ного винта 1 установить в системе давление «10» (что соответствует 1 кг/см"), то на основном табло прибора значение измеряемого параметра изменится. Величина этого параметра вычисляется по формуле

Для исследования нагрузочной характеристики датчика «АИР-10» необходимо последовательно устанавливать на образцовом манометре давление «Л,», значения которого приведены зо втором столбце табл. 1. На основном табло многоканального термометра нужно считать показания и записать их в третьем столбце табл. 1. По расчетной формуле (2) нужно рассчитать величину показаний датчика давления в атмосферах (кг/см2).

прибор ТМ 5203 на канал с номером 2. Аналогично устанавливать на об­ разцовом манометре давление Рм, значения которого приведены во втором столбце табл. 2.

Поскольку рабочий диапазон этого датчика меняется от 0 до 10 кг/см2, то формула для пересчета его показаний выглядит следующим об­ разом:

(/ - 4)- Ю

Если на образцовом манометре 4 в нагрузочной системе датчика «Сапфир» регистрируется нулевое давление, то основное табло прибора также должно показывать число 4.00, что соответствует начальному значе­ нию диапазона измерений этого прибора, т.е. 4 мА. Значит, начальные зна­ чения показаний обоих датчиков должны совпадать. Далее их характери­ стики расходятся.

По данным табл. 2 нужно построить зависимости /т =ДРм )и Рд = =/(Рм) и сравнить их с предыдущим графиком.

25

310

415

510

65

7 0

7.2.Методика замера температуры датчиками «ТСМУ 0104»

и«МЕТРАН»

Нагрузочную характеристику датчиков температуры «ТСМУ 0104» и «МЕТРАН» снимают следующим образом. Поскольку оба датчика по­ мещены в одном и том же нагревателе, значение температуры нагрева ко­ торого зависит от величины тока, подаваемого к нему с соответствующего регулятора, то эту температуру будем регулировать величиной этого тока.

Для этого тумблером КЗ подаем питание на датчик «ТСМУ 0104», а тумблером К4 соответственно включаем датчик «МЕТРАН». На приборе ТМ-5203 для датчика «ТСМУ 0104» выбираем канал 3, а для датчика «МЕТРАН» - соответственно канал 4.

Начальное значение температуры определяется температурой окру­ жающей среды лаборатории, которое мы замеряем комнатным термомет­ ром.

Значения показаний многоканального термометра на третьем канале определяются формулой (4), а на четвертом его канале - соответственно формулой (5):

Р

1 = — 1 6 - (4)

50

150

Из этих формул получим формулы (6) и (7), по которым показания прибора переводятся в температуру. Величину тока нагревателя регулиру-

ем последовательно и ступенчато в соответствии с данными, приведенны­ ми в табл. 3 и 4.

_ (У-4)-50 16

_ ( / - 4 ) 4 5 0

Для датчика «ТСМУ 0104» заполняем табл. 3.

Для того чтобы сохранить адекватность температурного нагрева для обоих датчиков, необходимо последовательно устанавливать значение тока нагревателя, указанное построчно в таблицах. Обеспечить выдержку вре­ мени, необходимую для прогрева датчика. Признаком такого прогрева бу­ дет неизменность показаний основного табло многоканального термометра сначала на канале 3, а затем на канале 4. После этого прогрева необходимо записать в каждую из таблиц показания прибора на соответствующем ка­ нале.

После этого регулятором установить очередное значение тока нагре­ ва и снова обеспечить выдержку времени для прогрева датчика.

После заполнения обеих таблиц производится расчет измеренной температуры соответственно но формулам (6) и (7). Расчетные данные за­ носятся в соответствующие столбцы таблиц.

По данным этих таблиц для каждого датчика нужно построить зави­ симости /т =/(/р) и Тд = Д/р), где /р-значение тока регулятора темпера­ туры нагрева датчика.