курсовой проект / Система автоматического управления гидравлическим прессом / датчики давления

1.1 Датчики давления с механическими воспринимающими органами

Датчики давления с механическими воспринимающими органами делятся на:

– жидкостные датчики давления;

– поршневые датчики давления;

– мембранные датчики давления;

– сильфонные датчики давления;

– датчики давления с манометрическими трубчатыми пружинами;

– датчики давления, основанные на измерении вязкости газа.

1.1.1 Жидкостные датчики давления. В жидкостных датчиках давления эффективная площадь, воспринимающая давление, определяется поверхностью жидкости, налитой в сосуд, или поверхностью жест­кой стенки. Усилие, противодействующее давлению, создается в большинстве систем силой тяжести. Обе эти величины могут быть заранее подсчитаны, легко измерены, изменения их с течением времени, а также вследствие воздействия внешних факторов, обычно невелики и могут быть сведены к минимуму. Сухое трение в жидкостных системах может быть сделано ничтожно малым.

В силу этих обстоятельств жидкостные датчики давления являются одними из наиболее точных и стабильных устройств подобного рода. Однако вследствие, ряда эксплуатационных неудобств (малые пределы измерения, необходимость строго вертикального расположения, большие габариты, вредность паров ртути и т. п.) датчики этой группы в последнее время вытесняются приборами с упругими элементами.

В свою очередь жидкостные датчики давления делятся на:

– U-образные системы;

– колокольные системы;

– гидростатические весы.

1.1.2 Поршневые датчики давления. В поршневых датчиках применение цилиндра с поршнем в качестве элемента, преобразующего давле­ние в усилие, является характерным для силовых систем.

Преимуществами этой системы перед другими являются жесткость конструк­ции и стабильность величины эффективной площади (равной площади поршня плюс половина площади кольцевого зазора между поршнем и цилиндром). В то же время эта система обладает весьма существенными недостатками (негерметич­ностью и сухим трением), сужающими область ее применения.

Благодаря высокой стабильности эффективной площади поршневые системы в сочетании с контрольными грузами применяются для тарировки манометриче­ских систем других типов.

Имеются исполнения датчиков с поршневыми системами, имеющие класс точности порядка 0,1. В этих системах сухое трение устраняется непрерывным вращением поршня.

1.1.3 Мембранные датчики давления. Мембраны, представляющие собой заделанные по периметру эластичные пластины, находят широкое применение в качестве воспринимающих органов датчиков давления. В зависимости от величины измеряемого давления, типа выходного преобразователя и условии работы применяют различные материалы и формы мембран. С помощью мембраны возможно преобразование давления в усилие. Величина прогиба мембраны, обладающей определенной собственной жесткостью, определяется давлением.

Для получения стабильной характеристики желательно иметь возможно более мягкую мембрану и создавать противодействующее усилие добавочным упругим элементом. Однако это требование не всегда может быть выполнено.

Мембранные датчики в свою очередь делятся на:

– плоские мембраны;

– металлические гофрированные мембраны;

– мягкие мембраны.

1.1.4 Сильфонные датчики давления. Сильфоны представляют собой гофрированные тонкостенные трубки, выполненные из упругого материала.

Сильфон представлен на рисунке 9.

Рисунок 9 – Сильфон

Срок службы сильфонов зависит от относительных величин хода и давления.

Характеристика сильфона, как пружины (F – сила, действующая вдоль оси сильфона) линейна в относительно узком диапазоне перемещений, эффективная же площадь сильфона отличается высоким постоянством. Из этого следует, что сильфон целесообразно использовать в режиме малых прогибов, совместно с выходными преобразователями силы.

1.1.5 Датчики давления с манометрическими трубчатыми пружинами. Манометрические трубчатые пружины находят широкое применение в мано­метрах и датчиках давления. Наибольшее применение находят одновитковые пружины эллиптического и плоскоовального сечений.

Датчики с манометрическими трубчатыми пружинами делятся на:

– одновитковые трубчатые пружины;

– винтовые и спиральные трубчатые пружины;

– витые пружины;

– цилиндрические трубки.

1.1.6 Датчики давления, основанные на измерении вязкости газа. Вязкость газа при низких давлениях зависит от малых давлений: абсолютной величины давления. На этом принципе ­строятся лабораторные вакуумметры. В них давление определяется по декременту затухания колебаний кварцевой нити или пластинки, упруго подвешенной в измеряемой среде. Пределы измерения 10^-3 – 10^-7 мм рт ст. Известны другие исполнения, в частности, в виде двух коаксиальных цилиндров, один из которых вращается со скоростью 3600 об/мин, другой удерживается пружиной. Отклонение последнего от нуле­вого положения является мерой величины давления. Это устройство может быть снабжено электрическим выходным органом, в качестве которого исполь­зуются датчики перемещения, обладающие ничтожно малым измерительным усилием (емкостные, фотоэлектрические, высокочастотные индуктивные или компенсационные датчики усилия).

1.2 Датчики давления с электрическими воспринимающими органами

Датчики давления с электрическими воспринимающими органами делятся на:

– электрические датчики давления;

– радиометрические датчики давления.

1.2.1 Электрические датчики давления. Электрические датчики давления в свою очередь делятся на:

– датчики с пъезосопротивлением;

– пъезоэлектрические датчики давления;

– емкостные датчики давления;

– ионизационный датчик с накаленным катодом;

– ионизационные датчики с холодным катодом;

– датчики ионизацией радиоактивным излучением (альфатрон).

1.2.2 Радиометрический датчик давления. Принцип действия радиометрического датчика поясняется схемой рисунка 22. Пластина 8 может поворачиваться относительно вертикальной оси. Пластины 9 неподвижны, а их температура Т₁ поддерживается выше тем­пературы окружающей среды Т₀. Молекулы газа, отраженные нагретыми пласти­нами, будут иметь большую кинетическую энергию и, ударяясь в пластину 8, создадут вращающий момент, показанный стрелками.

Приборы такого типа обычно снабжают световым отсчетом угла поворота пластины 8 и применяют в качестве лабораторных приборов.

1 – баллон; 2 – кварцевая нить; 3 – якорь; 4 – катушка; 5 – усилитель; 6 – фотоэлементы; 7 – зеркало; 8 – подвижная пластина; 9 – неподвижные пластины.

Рисунок 22 – Схема радиометрического датчика давления компенсационого типа

Применив компен­сационную схему, можно построить датчик давления с электрическим выходом. На кварцевой нити 2 подвешена пластина 8. Поверхности сосуда нагреваются током, проходящим по проволочным элементам пластин 9. Пластина 8 расположена несимметрично относительно нагретых поверхностей. Изменение давления газа вызывает появление вращающего момента. Этот момент компенсируется воздействием магнитного поля катушки 4 на железный якорь 3, укрепленный на подвижной системе. Катушка питается током от усилителя 5, на входе которого включены фотоэлементы 6, воспринимающие луч света, отра­женный зеркалом 7.

Диапазон измерения радиометрических приборов составляет 10^-3– 10^-8 мм рт. ст. Преимуществом этих приборов является независимость показа­ний от состава и свойств газовой среды. Выходным сигналом датчика является ток I, протекающий по катушке 5.

1.3 Датчики давления с термическими воспринимающими органами

Датчики давления с термическими воспринимающими органами делятся на:

– датчики давления, основанные на измерении теплопроводности газа;

– датчики абсолютного давления термокомпенсционного типа.

1.3.1 Датчики давления, основанные на измерении теплопроводности газа. Датчики давления, основанные на измерении теплопроводности газа делятся на:

– датчики давления с термопарой;

– датчики давления с термосопротивлением.

1.3.2. Датчик абсолютного давления термокомпенсационного типа. Принцип действия датчика абсолютного давления термокомпенсационного типа основан на компенсации измеряемого давления давлением газа, заключенного в герметическом объеме и регулируемого измене­нием его температуры. Схема датчика приведена на рисунке 21. В камере 1, закрытой мембраной 3, заключено постоянное количество газа. Увеличение внеш­него давления приводит к замыканию контактов и включению обмотки подогрева газа. Температура газа будет повышаться до тех пор, пока не уравняются да­вления внутри и снаружи камеры и не разомкнутся контакты. Выходной вели­чиной является температура газа внутри камеры, измеряемая датчиком тем­пературы.

Точность измерения составляет примерно 1 мм рт. ст. при давлениях порядка 740 мм рт. ст. Время установления режима 1 – 10 мин. Колебания внешней температуры в широких пределах не влияют на показания.

1 – камера; 2 – контакты; 3 – мембрана; 4 – измеритель температуры (термосопротивление); 5 – реле; 6 – нагревательная обмотка.

Рисунок 21 – Схема датчика давления термокомпенсационного типа