Лабораторная работа 3 Изучение и поверка преобразователя разности давлений

Тверь 2009

Цель работы: изучение принципа действия, схемы и конструкции преобразователя разности давлений, освоение методики его поверки.

Задание на работу:

изучить принцип действия, схему и конструкцию преобразователя разности давлений;
изучить методику поверки преобразователя разности давлений;
выполнить поверку преобразователя разности давления;
составить отчет по лабораторной работе.

Назначение и принцип действия преобразователя разности давления.

Преобразователь разности давлений предназначен для непрерывного преобразования значений разности давлений газов или жидкостей в унифицированный электрический сигнал постоянного тока 4-20 мА. Область применения такого преобразователя – системы автоматического контроля, автоматического регулирования и учета в различных отраслях промышленности.

Принцип действия преобразователя разности давлений основан на эффекте деформации упругой мембраны и преобразовании этой деформации в электрический сигнал с помощью преобразователя перемещений.

Чувствительным элементом преобразователя разности давлений (рис 1) в общем случае служит плоская упругая мембрана 1. Она размещается во внутренней полости преобразователя и закреплена по всему периметру между деталями корпуса 2. При этом образуются две камеры 3 и 4. В одной из этих камер размещается преобразователь перемещений 5. Мембрана находится под действием разности Р давлений Р₁ и Р₂. Возникающая при этом деформация мембраны преобразуется в электрический сигнал преобразователем перемещения.

В настоящее время в преобразователях разности давлений используются следующие виды преобразователей перемещений: пьезоэлектрические, емкостные, индуктивные, тензорезестивные и тензорезестивные полупроводниковые, которые принято называть пьезорезестивными, т.к. под действием деформации у них изменяется удельное электрическое сопротивление. Наиболее распространены последние. Существует несколько конструкций таких преобразователей. В одной из распространенных – к плоской мембране припаяна сапфировая мембрана с пьезорезисторами. В другой конструкции мембраны изготавливаются из кремния, а на ее поверхность метод планарной технологии наносятся 4 или 8 пьезорезистров.

На рис. 2а показана плоская мембрана 1 на поверхность которой нанесены 4 пьезоризистра, а на рис. 2б показаны распределения механических касательных и радиальных _r напряжений вдоль диаметра D мембраны. Как видно из рисунка 2б касательные напряжения имеют постоянный знак, а радиальные _r - меняют знак. В связи с этим у пьезорезистров R₁ и R₃ , размещенных вблизи края мембраны по радиусам, с увеличением разности давления сопротивление будет уменьшаться, а у касательно размещенных пьезорезистров R₂ и R₄ сопротивление будет возрастать. Т.к. пьезорезистры R₁ – R₄ включены в схему неуравновешенного электрического моста со стабилизированным источником питания 6, то одновременное увеличение сопротивлений R₁ и R₄ и уменьшение – R₁ и R₃ позволяет увеличить чувствительность преобразования разности давлений. Сигнал неуравновешенного моста снимается с измерительной диагонали a-b. Использование схемы (рис. 2а) позволяет также обеспечить в большей степени независимость сигнала преобразователя от изменений температуры. Преобразователи разности давлений с пьезорезистивными преобразователями перемещений имеют класс точности 0,5 – 1,0.

Конструкция преобразователя разности давлений показана на рис. 3. Здесь во внутренней полости корпуса 1 размещены: мембранный блок 2 с пьезорезисторами, плата 3 с электронными элементами преобразователя, клеммные колодки 4 и 5, служащие для подключения преобразователя, соответственно, к эталонному миллиамперметру и источнику питания постоянного тока. К штуцерам 8 и 9 с помощью трубок 6 и 7 подключены «плюсовая» и «минусовая» камеры преобразователя разности давлений.

Описание лабораторного стенда

Поверка преобразователя разности давлений обычно осуществляется методом сличения его сигнала с показаниями эталонного электрического манометра или эталонного U – образного жидкостного дифференциального манометра.

В данной лабораторной работе предусматривается поверка преобразователя разности давлений с использованием эталонного U – образного дифференциального манометра, в котором затворной жидкостью служит вода.

Поверка осуществляется в пяти принятых значениях сигнала измеряемой разности давлений в диапазоне измерений преобразователя при постепенном увеличении (прямой ход) и уменьшении (обратный ход) разности давлений.

Схема лабораторного стенда для поверки преобразователя разности давлений показана на рис. 4, а общий вид стенда – на рис. 5.

Стенд содержит поверяемый преобразователь 3, выход которого подключен к эталонному миллиамперметру 2, снабженному цифровым табло 1, U – образный эталонный жидкостной дифференциальный манометр 12 со шкалой 13, микрокомпрессор 7, служащий для создания потока сжатого воздуха, регулируемый 8 и постоянный 10 дроссели. Для питания преобразователя напряжением U_пит, равным 12-30 В, служит блок питания постоянного тока, находящийся в миллиамперметре. Для подачи сжатого воздуха к поверяемому преобразователю разности давлений и эталонному дифференциальному манометру служат гибкие трубки и тройники 9 и 11. Стенд предусматривает подачу сжатого воздуха только в «плюсовую» камеру преобразователя разности давлений через штуцер 6 и «плюсовую» трубку эталонного дифференциального манометра. «Минусовая» камера преобразователя разности давлений через штуцер 5 соединена с атмосферой.

Требуемые значения избыточного давления в камере и трубке формируются за счет того, что, поступающий от компрессора через регулируемый дроссель 8 поток сжатого воздуха, частично сбрасывается через постоянный дроссель 10 в атмосферу. Это позволяет плавно регулировать давление в «плюсовой» камере преобразователе разности давлений и в «плюсовой» трубке дифференциального манометра за счет изменения степени открытия переменного дросселя 8.

Порядок выполнения работы

С помощью вилки 14 (рис. 5) подключить лабораторный стенд к электрической сети, а тумблер 4 перевести в положение «ВКЛ». При этом все устройства стенда включаются в работу.
С помощью переменного дросселя (вращая его маховичок по или против часовой стрелки) установить уровень затворной жидкости в дифференциальном манометре на отметках 0-0.
Вращая маховичок переменного дросселя 8, установить по шкале дифференциального манометра разность давлений , равную 20 мм. вод.

ст. Считать показания N_i с цифрового табло 1 миллиамперметра 2 и занести их в графу 4 таблицы.

Операции по пункту 3 повторить для всех отметок шкалы дифференциального манометра, приведенных в графе 1 таблицы (прямой ход).
Выдержать преобразователь разности давлений при максимальном значении разности давлений в течении пяти минут.
Установить точное значение максимальной разности давлений и считать показания с цифрового табло миллиамперметра, а результат занести в графу 5 таблицы.
С помощью переменного дросселя 8 операции по пункту 6 выполнить для всех оставшихся и приведенных в таблице 1 значений разности давлений. Результаты занести в графу 5 таблицы.
С помощью переменного дросселя 8 установить значение уровня затворной жидкости в дифференциальном манометре, равным 0.
Выключить тумблер 4, а вилку 14 отключить из электросети.
Рассчитать значение разности давлений Р, в барах по их значениям в мм. вод. ст, приведенными в графе 1 таблицы, используя формулу