курсовой проект / Система автоматизированного несвязного регулирования ректификационной колонны / Курсовая ЭУСУу

2 ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ

2.1. Классификация и выбор датчиков давления

В системе регулирования автоматизированного производства аммиачной селитры необходимо производить регулиро­вание давления. Для этой цели используют датчик давления пара.

В настоящее время существует большое многообразие датчиков давления, по­этому, используя метод классифицирования, составим классификацию датчиков давления.

Классификация датчиков давления представлена на рисунке 2.1:

Рисунок 2.1 Классификация датчиков давления

По методу измерения.

а) прямые методы

Давление может быть определено непосредственно изменением силы, дейст­вующей на данную поверхность (прямой метод). На этом методе основаны гру­зопоршневые манометры, в которых сила, действующая на поршень с известной площадью, уравновешивается гирями. Модификацией такого манометра явля­ются жидкостные манометры, в которых измеряемое давление определяется по высоте и удельному весу столба жидкости. Жидкостные и грузопоршневые ма­нометры не требуют калибровки по эталонным измерителям давления, т.к. пока­зания их могут быть определены путем измерения линейного размера и массы. При измерении высоких давлений в качестве образцовых мер могут быть исполь­зованы точки затвердевания или фазового перехода различных веществ.

Жидкостные измерители давления применяют преимущественно для измере­ния низких давлений, но их можно использовать также для измерения небольших разностей давления при высоком статическом давлении. В качестве запорных жидкостей в основном применяют спирт, воду, ртуть или специальные жидкости с низким давлением пара.

Грузовые и поршневые манометры измеряют усилие, развиваемое измеряе­мым давлением на поршне, перемещающемся в полом цилиндре. В качестве уравновешивающей силы используется груз, усилие пружины или электромаг­нитная сила. Нагружаемые гирями приборы называются грузовыми маномет­рами. Основной областью применения манометров является диапазон средних давлений.

б) косвенные методы

Кроме двух названных прямых методов измерения давления, существует большое число косвенных методов, основанных на использовании различных за­конов прикладной физики. Косвенные механические методы измерения давления основаны на определении упругого прогиба отформованных определенным обра­зом чувствительных элементов под действием контролируемого давления, а также сжимаемости газов и жидкостей.

В области измерения взрывных давлений мерой достигнутого максимального давления может служить пластическая де­формация чувствительного элемента, а также электрические, оптические и хими­ческие явления, возникающие при определенных давлениях.

По диапазону измерения.

В настоящее время диапазон измеряемых для научных и прикладных целей давлений превышает 18 порядков. Ниже приведена абсолютная шкала давлений. В скобках указаны манометры, соответствующих определенному диапазону из­мерения.

а) глубокий вакуум (10^-12…10^-9 бар). (Ионизационный манометр)

б) глубокий вакуум технический (10^-9…10^-6 бар). (Манометр Мак-Леада, мано­метр Пирани)

в) вакуум (10^-6…10^-1 бар). (Трубчатые кварцевые-стеклянные пружины, мем­браны, плоские мембраны, анероидные коробки, кольцевые весы, колокольные манометры, ртутный манометр, газовый манометр, манометр с угольными шай­бами)

г) умеренные давления (10⁰…10¹ бар). (Металлические трубчатые пружины, пло­ские мембраны, анероидные коробки, поршневые манометры, ртутный мано­метр, компрессорный манометр, манометр с угольными шайбами)

д) средние давления (10¹…10² бар). (Металлические (медные) трубчатые пру­жины, плоские мембраны, поршневые манометры, дифференциально-поршневой манометр, каскадный манометр, компрессорный манометр среднего давления, манометр с угольными шайбами).

е) высокие давления (10²…10⁴ бар). (Стальные трубчатые пружины, поршне­вые манометры для высоких давлений, дифференциально-поршневой манометр, каскадный манометр, компрессорный манометр высокого давления, манометр сопротивления).

ж) сверхвысокие давления (10⁴…10⁵ бар). (Стальные трубчатые пружины, ком­прессорный манометр высокого давления, манометр сопротивления).

По конструкции и назначению.

а) регистрирующие приборы

При перемещении пера должна быть преодолена большая сила трения, чем при перемещении стрелки показывающего прибора. Поэтому рабочее усилие, развиваемое упругими элементами регистрирующих манометров, должно быть достаточно велико.

Под рабочим усилием при этом понимают величину работы, затрачиваемой на перемещение пера на полную шкалу. Усилие, необходимое для преодоления тре­ния, должно составлять лишь незначительную часть общего усилия, развивае­мого чувствительным элементом. В качестве чувствительных элементов, обеспе­чивающих большие рабочие усилия, применяют широкие винтообразные или спиральные трубчатые пружины, многорядные анероидные коробки, а также сильфоны. Для передачи углового перемещения чувствительного элемента на прямолинейно перемещающееся перо регистратора применяют эллиптические механизмы, обеспечивающие при соответствующем соотношении размеров про­порциональность между указанными перемещениями.

б) измерители давления с электрическими сигнальными устройствами (сигнализаторы)

Сигнальные устройства предназначены для включения и выключения элек­трических цепей в зависимости от положения стрелки показывающего мано­метра. В нормальных условиях эксплуатации при умеренной нагрузке приме­нимы скользящие контакты. При малом зазоре между контактами возникает опасность образования электрической дуги. В магнитных триггерных контактах для исключения образования дуги на стрелке задатчика помещен постоянный магнит, сближающий контакты при образовании некоторого зазора между ними. Одновременно такой магнит увеличивает контактное давление. Сигнальные кон­такты могут быть как нормально открытыми, так и нормально закрытыми. Одной из разновидностей контактных манометров являются сигнализаторы предельных давлений, выдающие акустический или оптический сигнал на выходе давления за установленные пределы.

в) измерители давления с дистанционными передачами (регуляторы)

В схемах контроля различных производственных процессов обычно совме­щают на щитах управления измерительную и регулирующую аппаратуру. Пере­дача выходных сигналов датчика давления на небольшие расстояния осуществля­ется пневматически, на значительные – электрически. Для дистанционной пере­дачи показаний датчиков давления используют различные устройства: реостат­ный преобразователь в виде потенциометра, ползунок которого связан с осью стрелки манометра; индуктивный, в котором связанный со стрелкой манометра ферромагнитный сердечник, перемещаясь в питаемой переменным напряжением в катушке, изменяет ее индуктивное сопротивление. Для точных измерений при­меняют мостовые схемы дистанционных передач.

г) приборы для особых условий эксплуатации

Влияющие на процесс измерения факторы (вибрации, ускорения, удары, тем­пература и т. д.) могут изменять механические свойства датчика и вносить ошибки, приводящие к увеличению погрешности измеряемой величины давле­ния. Эти факторы могут относиться как к рабочей среде, так и к окружающим ус­ловиям. Действие таких факторов как постоянные вибрации, агрессивная среда негативно влияют на работу датчика, действуя на него разрушительно. Поэтому часто встает вопрос об использовании устройств, имеющих определенную за­щиту, способных работать в особых условиях.

- Измерения сильно пульсирующих давлений контролируемой среды и измере­ние давлений при вибрациях контролируемого объекта.

Во многих областях техники необходимо контролировать быстро меняю­щиеся или колеблющиеся давления; при этом в задачу измерения не входит не­прерывный контроль за указанным процессом. Даже в тех случаях, когда чувст­вительный элемент выдерживает возникающие нагрузки, возможны заклинива­ние и износ передаточных механизмов, затрудняется точный отсчет показаний. Эти явления сказываются особенно сильно при пульсации давлений с частотой, приближающейся к собственной резонансной частоте манометра.

- Взрывозащитные манометры для газов высокого давления.

При измерении давления сжатых газов энергия, накапливающаяся в упругом чувствительном элементе, способствует возникновению взрыва. Особенно взры­воопасен кислород в присутствии незначительных количеств органических ве­ществ. Устройства защиты должны исключить возможность выброса отдельных деталей (например, циферблата) в направлении лицевой стороны прибора; это необходимо для безопасности персонала.

- Измерение давления агрессивных сред.

Защита чувствительных элементов мембранных манометров от агрессивных сред обеспечивается путем введения защитных слоев из нержавеющей стали, тантала, фторопласта, химически чистого серебра, а также путем нанесения за­щитных покрытий, цинкования и покрытия свинцом и фторопластом. В других случаях применяют разделительные устройства в виде мембран, тонкостенных трубок овального сечения или сильфонов.

По динамике измеряемого давления.

Датчики давления характеризуются областью применения и надежностью их использования в этой области. Давление является параметром процесса и может изменяться со временем. Оно может быть квазистационарным или медленно ме­няющимся в случае статического давления, либо более или менее быстро изме­няющимся в случае динамического давления. Чтобы отслеживать эти изменения, датчик должен обладать такими свойствами, как высокая собственная частота, обеспечивающая высокое быстродействие; минимальное обратное влияние на изменяемую величину, позволяющее избежать искажения пульсаций на поверх­ности чувствительного элемента.

а) приборы для измерения статического давления

б) приборы для измерения динамического давления

По способу преобразования сигнала давления, генерируемого чувстви­тель-

ным элементом, в измеряемый сигнал

Способов преобразования сигнала давления в какой-либо другой сигнал суще­ствует бесчисленное множество.

Перечислим самые применимые и чаще всего встречающиеся.

а) изменение пространственного положения

Это один из самых простых и наглядных способов в приведенной классифика­ции. Этот способ (в большинстве случаев) лежит в основе остальных способов преобразования. Давление, поступающее на чувствительный элемент (мембрану, трубку Бурдона или мембранную коробку), вызывает его деформацию. Деформа­ция приводит к изменению положения подвижной части чувствительного эле­мента.

х – чувствительный элемент;

р – давление, поступающее на чувствительный элемент.

Рисунок 2.2 Трубка Бурдона

б) изменение сопротивления

Чувствительный элемент связан (посредством понижающей передачи или без нее) с ползунком реостата. Изменение измеряемого давления вызывает переме­щение подвижной части чувствительного элемента, и, соответственно, изменение положения ползунка на реостате (рисунок 2.3).

Рисунок 2.3 Изменение сопротивления

в) изменение емкости

Чувствительный элемент (например, мембрана) связан с однойиз обкладок конденсатора. Вторая обкладка конденсатора закреплена неподвижно. Изменение давления вызывает перемещение подвижного конца чувствительного элемента и связанной с ним обкладки. Изменение расстояния между обкладками приводит к изменению емкости конденсатора (рисунок 2.4).

Рисунок 2.4 Изменение емкости

г) Изменение индуктивности

Через обмотку сердечника, закрепленного неподвижно, пропускают электри­ческий ток. Ток создает МДС, которая порождает в сердечнике магнитный поток, образующий контур между сердечником и подвижным якорем. Якорь связан с чувствительным элементом (например, с сильфоном). Изменение давления в сильфоне, приводит к перемещению днища сильфона, связанного с подвижным якорем. Таким образом, изменение давления приводит к изменению зазора между сердечником и якорем, и, следовательно, к изменению магнитного потока и ин­дуктивности (рисунок 2.5).

Рисунок 2.5 Изменение индуктивности

д) изменение освещенности

Из источника через отверстие свет падает на приемник.

Подвижная заслонка связана с чувствительным элементом (например, с трубкой Бурдона). Изменение давления в трубке, вызывает перемещение заслонки вдоль отверстия. Положение заслонки определяет степень освещенности приемника (рисунок 2.6).

Рисунок 2.6 Изменение освещенности

2.2 Выбор датчика давления

В соответствии с приведенной выше классификацией, учитывая условия ра­боты системы, производится выбор датчика для измерения давления пара. Датчик давления пара должен удов­летворять следующим требованиям:

- диапазон измерения давления от 0.1 до 0.7 ;

- возможность измерения в динамичной среде;

- рабочая среда – пар.

Выбранный датчик давления представлен на рисунке 2.7.

К основным достоинствам данного устройства относятся высокая надежность работы, простота конструкции, сравнительная дешевизна изготовления, низкая инерционность, а также соответствие требованиям рассматриваемой системы.

К недостаткам относятся ограниченный диапазон измерения, пониженная стойкость против коррозии. Не рекомендуется использовать в особых условиях эксплуатации (при вибрациях, в агрессивной среде).

7

8

5 6

4

3

2

1

Рисунок 2.7 Датчик давления типа ДД

Устройство и принцип действия.

Чувствительным элементом датчика является сильфон (1), уравновешен­ный винтом пружиной (2). При изменении давления, действующего на сильфон, перемешается шток (3). Когда давление поднимается выше определенного значе­ния, рычаг (4) выключателя переместится и мостик (5) отойдет от контакта (6). Когда давление понижается ниже минимального, под действием пружины, рычаг переместится в обратном направлении, и контакты замкнутся. Настройка данного датчика осуществляется с помощью винта (7) и ограничителей хода (8) и (9) ры­чажной системы. Рабочая среда – воздух, пар. Максимально допустимый ток че­рез контакты не более 5А, напряжение 380В; рабочая температура .

2.3 Расчет датчика давления типа ДД

Расчет датчика давления заключается в расчете чувствительного элемента. В рассмотренном датчике чувствительным элементом является сварной сильфон, то есть сильфон, изготовленный сваркой из кольцевых пластин (рисунок 2.8).

Сильфон представляет собой тонкостенную цилиндрическую оболочку с по­перечной гофрировкой, способную получать значительные перемещения под действием давления или осевой силы. Таким образом, сильфон предназначен для преобразования измеряемого давления в усилие. Сильфоны рассчитываются по приблизительным формулам, полученным из экспериментальных данных.

В приборостроение применяют сильфоны диаметром от 8-10 до 120-150 мм с толщиной стенки 0.1-1.3 мм. Сильфоны используют в широком диапазоне давле­ний: от сотых долей до сотен атмосфер.

Рисунок 2.8 Сварной сильфон

Таким образом, расчет датчика сводится к определению геометрических пара­метров сильфона и в подборе материала сильфона, в соответствии с заданными требованиями. Это означает, что необходимо выбрать такие параметры сильфона, чтобы давление p = 0.7 , действующее на сильфон, вызывало перемеще­ние потолка сильфона

Для стабильного функционирования системы сильфон должен обладать высокой чувствительностью. Достаточной чувствительностью обладают силь­фоны, изготовленные сваркой из кольцевых пластин (сварочные). Они рассчиты­ваются по следующей могучей формуле:

,

где - осевая деформация сильфона, мм;

- число рабочих гофр;

- давление, действующее на сильфон, ;

- наружный радиус сильфона, мм;

- модуль упругости материала, из которого изготовлен сильфон;

- толщина стенки, мм;

- коэффициент, зависящий от отношения , определяется по таб­лице [2.4. с 195].

- внутренний радиус сильфона по впадинам гофр, мм.

Используя метод подбора, следуя требованиям рассматриваемой системы, определены следующие пара­метры:

; ; ; (соответствует дисперсионно-твер­деющим сплавам); .

2.4 Модернизация датчика давления

Модернизацию описанного датчика можно проводить в двух направлениях, а именно:

а) модернизация (усовершенствование) уже имеющихся в датчике элементов

б) введение в датчик новых элементов, способствующих улучшению показа­телей датчика

Ограничимся усовершенствованием уже имеющихся в датчике элементов, так как введение новых элементов способствует усложнению устройства датчика (а всё гениальное - просто).

Чувствительным элементом рассмотренного датчика является сварной силь­фон (см. выше описание). Существенным недостатком сварных сильфонов явля­ется пониженная стойкость против коррозии из-за наличия большого количества сварных швов.

Для увеличения прочности или защиты от коррозии сильфоны из­готавливают многослойными. Также, для лучшей коррозийной устойчивости, можно заменить сварной сильфон на бесшвовый.

(Бесшвовым называют сильфон, изготовленный из тонкостенных цельнотянутых трубок.) Правда, при такой за­мене увеличивается себестоимость датчика - за все хорошее приходится платить.

Замена спиральной возвратной пружины на плоскую позволяет исключить лишние элементы датчика: рычаг (4) выключа­теля, мостик (5), ограничители хода (8) и (9) рычажной системы. Уменьшение количества элементов в устройстве увеличивает надежность его безотказной работы. Исключение перечисленных элементов позволяет умень­шить габаритные размеры и вес датчика. Модернизированный датчик легче реа­лизовать и экономически, и технологически.

Датчик давления, модернизированный данным способом, представлен на ри­сунке 2.9

Рисунок 2.9 Модернизированный датчик давления.

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

УИТС.400000.000 ПЗ

Лист.