курсовой проект / автоматического управления и регулирования ТП брагоректификации / Классификация

2 ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ

2.1 Классификация датчиков давления

В курсовом проекте для рассмотрения представлены датчики давления.

Давление является важным физическим параметром, характеризующим химические тех­нологические процессы. От измерения и регулирования давления часто зависят результаты химического производства.

В результате анализа литературных источников была разработана классификация датчиков давления. Общая схема классификации датчиков давления представлена в приложении А.

В соответствии с классификацией рассмотрим основные типы датчиков давления, их основные достоинства и недостатки.

2.1.1 По способу преобразования сигнала давления, генерируемого чувстви­тельным элементом, в измеряемый сигнал. Различают следующие виды датчиков:

а) датчики давления, основанные на изменении 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 (рисунок 2.2). Деформа­ция приводит к изменению положения подвижной части чувствительного эле­мента.

х – чувствительный элемент;

р – давление, поступающее на чувствительный элемент.

Рисунок 2.2 - Трубка Бурдона

б) датчики давления, основанные на изменении 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) датчики давления, основанные на изменении 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 2.4).

Рисунок 2.4 - Изменение индуктивности

г) датчики давления, основанные на изменении освещённости.

Из источника через отверстие свет падает на приёмник. Подвижная заслонка связана с чувствительным элементом (например, с трубкой Бурдона). Изменение давления в трубке, вызывает перемещение заслонки вдоль отверстия. Положение заслонки определяет степень освещённости приёмника (рисунок 2.5).

Рисунок 2.5 - Изменение освещённости

д) датчики давления, основанные на изменении ёмкости

Чувствительный элемент (например, мембрана) связан с одной из 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 2.6).

Рисунок 2.6 - Изменение ёмкости

2.1.2 По динамике измеряемого давления. Датчики давления характеризуются областью применения и надёжностью 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.

2.1.3 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).

2.1.4 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.

2.1.5 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 (рисунок 2.7).

Рисунок 2.7 - Принципиальная схема жидкостного датчика типа

ДЭМПМ-280

Грузовые и поршневые манометры измеряют усилие, развиваемое измеряе­мым давлением на поршне, перемещающемся в полом цилиндре (рисунок 2.8). 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.

1 – поршень

Рисунок 2.8 - Поршневой датчик давления типа ДПМ-2

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 (рисунок 2.9), а также электрические, оптические и хими­ческие явления, возникающие при определенных давлениях.

1- мембрана

Рисунок 2.9 - Мембранный датчик давления

2.1.6 По виду воспринимающего органа

а) Датчики давления с механическими воспринимающими органами.

К ним относятся жидкостные и деформационные средства измерения давления.

В жидкостных датчиках измеряемое давление или разность давлений уравновешивается давлением столба жидкости. В приборах используют принцип сообщающихся сосудов, в которых уровни рабочей жидкости совпадают при равенстве давлений над ними., а при неравенстве занимают такое положение, когда избыточное давление в одном из сосудов уравновешивается гидростатическим давлением столба жидкости в другом.

В деформационных датчиках давления используется зависимость деформации чувствительного элемента или развиваемой им силы от измеряемого давления. Пропорциональная последнему деформация или сила преобразуется в показания или соответствующие изменения выходного сигнала. В соответствии с используемым чувствительным элементом деформационные датчики давления подразделяют на трубчато-пружинные, сильфонные и мембранные.

б) Датчики давления с электрическими воспринимающими органами.

К электрическим приборам для измерения давления относятся датчики давления с тензопреобразователями и пьезоэлектрические. Чувствительным элементом датчиков с тензопреобразователями является мембрана, на которой размещены проволочные, фольговые или полупроводниковые резисторы. При деформации мембраны под действием контролируемого давления сопротивление резисторов меняется. Принцип действия пьезоэлектрических датчиков основан на пьезоэлектрическом эффекте, сущность которого заключается в возникновении электрических зарядов на поверхности сжатой кварцевой пластины, вырезанной перпендикулярно к электрической оси кристаллов кварца.

в) Датчики давления с термическими воспринимающими органами.

Датчики давления с термическими воспринимающими органами делятся на датчики давления, основанные на измерении теплопроводности газа и датчики 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 2.10. 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 2.10 – Схема датчика давления термокомпенсационного типа

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

УИТС.421415.323 ПЗ