4. Электрические преобразователи давления.

Электрический датчик давления без упругих элементов представляет собой проводник или полупроводник, сопротивление которого изменяется » зависимости от давления среды, в которой он находится. Его называют манометром сопротивления. Чувствительность таких датчиков невелика. Поэтому нужно исключить влияние других факторов, особенно температуры. Для измерения высоких давлений (более 100 МПа) используются преобразователи из манганина, сопротивление которого почти не зависит от температуры. Ведется поиск полупроводниковых материалов с высоким барическим и малым температурным коэффициентом электрического со­противления.

К электрическим обычно относят также емкостные, резистивные, магнитоупругие и пьезоэлектрические датчики, хотя все они содержат мембрану. Прогиб мембраны приводит к изменению емкости конденсато­ра или сопротивления тензодатчика. Передаваемое мембраной усилие из­меняет магнитную проницаемость ферромагнитного материала или вызы­вает появление электрических зарядов на гранях пьезоэлемента. Конструкции этих датчиков разнообразны и достаточно сложны.

5. Способы измерения быстрорастущих давлений производится мало­инерционными приборами. В лабораторных условиях преимущественно используются электрические датчики давления, выходные сигналы кото­рых регистрируются при помощи осциллографов. При исследовании рабо­чих процессов в поршневых машинах наряду с датчиком давления к ос­циллографу подключается датчик положения коленчатого вала. Это по­зволяет получить развернутую по времени индикаторную диаграмму с от­метками положений коленчатого вала, а следовательно, и поршня. Если второй датчик выдает напряжение, пропорциональное углу поворота ко­ленчатого вала, то на экране двухлучевого осциллографа можно получить свернутую индикаторную диаграмму как зависимость давления от хода поршня.

Для условий эксплуатации предназначены механические индикаторы поршневого типа с цилиндрической или стержневой пружиной. В первом случае перемещению поршня индикатора препятствует цилиндрическая пружина, работающая на сжатие, а во втором - стержневая пружина, рабо­тающая на изгиб. Шток поршня связан с пером, которое оставляет след на специальной бумаге, закрепленной на цилиндрическом барабане. С помо­щью тросикового привода барабан поворачивается пропорционально ходу поршня машины. Благодаря этому на бумаге получается свернутая инди­каторная диаграмма. Механические индикаторы применяют при частоте вращения коленчатого вала не более 20 с"'. Чаще их используют для индицирования двигателей внутреннего сгорания (ДВС).

6. Датчики-реле (сигнализаторы) давления и разности давления.

Все сигнализаторы имеют релейные статические характеристики. К сигнализаторам давления следует отнести электроконтактные манометры. Недостатками их являются малая разрывная мощность (10 В А) и нечеткое срабатывание контактов из-за колебаний стрелки, обусловленных измене­нием давления и вибрацией оборудования. Поэтому преимущественное распространение получили контактные датчики-реле давления и разности давлений. Они не показывают измеряемого давления, но четко переклю­чают контакты при заданных значениях.

Датчики-реле давления (ДРД) выпускаются разными фирмами и име­ют различные конструкции. В качестве чувствительного элемента чаще всего используется сильфон. Иногда применяется мембрана или мембран­ная коробка. Размеры чувствительного элемента и жесткость пружины, противодействующей его деформации, определяют диапазон контроли­руемых давлений. ДРД одного типа могут оснащаться разными контакт­ными системами. Этим определяется вид статических характеристик.

Для примера рассмотрим одинарный (одноблочный) ДРД типа RT, рис.6 а. Деформация сильфона 2 и положение штока 3 в нем зависят от контролируемого давления Р и затяжки пружин / и 8. Натяг пружины 8 можно изменять вращением винта с головкой в виде рукоятки 10. При этом гайка 9 с указателем заданного давления срабатывания Р_с контактов 4 перемещается вертикально. Статическая характеристика ДРД отражает состояние контактов, которые в зависимости от давления Р могут зани­мать два положения: 0 - разомкнуто; 1 - замкнуто, рис.6 г.

Когда давление Р ниже заданного, рычаг 7 действует на контактную систему так, что нижний контакт замкнут, а верхний - разомкнут. Левый конец рычага 7 находится в кольцевом зазоре между дисками 5 и б. По­этому обратное переключение контактов происходит при давлении, отли­чающемся от заданного на величину зоны возврата ΔВ . Чтобы изменить зазор, диск 5 выполняется в виде круглой гайки, на наружном ободе кото­рой нанесены значения настроенной зоны возврата. Поскольку рычаг 7 действует на контактную систему 4 через предварительно деформирован­ную плоскую пружину, изображенную в виде петли, контакты переклю­чаются резко, а зона возврата не может быть равной нулю даже при отсут­ствии зазора между дисками.

Некоторые ДРД рассматриваемого типа имеют защелку, которая фик­сирует контакты после срабатывания. Обратное переключение контактов в них происходит лишь после нажатия кнопки деблокировки при условии изменения давления на величину зоны возврата.

Чтобы осуществить трехпозиционное регулирование, ДРД оснащают контактной системой, имеющей два рычага, каждый из которых действует на свой подвижный контакт, рис.6 б, д. В дисках 6 и 12 сделаны коль­цевые проточки, в которых размещаются свободные концы рычагов 7а и 76. Высота проточек, а следовательно, и ширина зон возврата ΔВ неизменяемы. Зону нечувствительности ΔН можно настраивать вращением диска 12, с нижней частью которого соединяется указатель 11. Давление сраба­тывания Р_с сдвоенной контактной системы 13 определяется затяжкой пружины 8.

Пока давление Р находится в пределах зоны нечувствительности А_н, оба контакта разомкнуты. Когда оно становится ниже значения Р_с-0,5 ΔН, замыкается нижний контакт. После повышения давления на величину зо­ны возврата ΔВ этот контакт размыкается. Если давление Р достигает зна­чения Р_с+ 0,5 ΔН то замыкается верхний контакт. Он размыкается при снижении давления на величину ΔВ. Минимальная зона нечувствительно­сти получается, когда диск 12 соприкасается с диском 6. Она немного пре­вышает удвоенную ширину зоны возврата.

Датчик-реле разности давлений (ДРРД) содержит два сильфона, дей­ствующих на общий шток 3 в противоположных направлениях, рис.5.19 в, е. Размеры сильфонов 2 и 16 одинаковы. Усилие сжатия пружины 8 на­правлено сверху вниз. Оно настраивается при помощи диска 15, вращение которого передается штоку с резьбой. К патрубку 14 подводится высокое давление Р₁ а к патрубку 17 - низкое давление Р₂. Когда разность давле­ний АР = Р₁ -Р₂ становится ниже настроенной разности давлений сраба­тывания АР с, нижний контакт замыкается, а верхний - размыкается. При увеличении разности АР_с на величину зоны возврата А_в происходит обрат­ное переключение контактов. ДРРД также могут оснащаться контактной системой с двумя рычагами и иметь характеристику трехпозиционного реле.

Сдвоенный (двухблочный) ДРД применяется обычно для отключения компрессора при понижении давления всасывания Р_/ или повышении дав­ления нагнетания Р₂. Могут быть и другие варианты использования прибора. Принцип действия его основан на уравновешивании сил давле­ния, действующих на сильфоны, силами упругих деформаций пру­жин и сильфонов.

7. Дифференциальные манометры (дифманометры) применяют в раз­личных отраслях промышленности для измерения перепада давле­ния, расхода жидкостей, газов и пара по перепаду давления в су­жающем устройстве и уровня жидкости, находящейся под атмосферным, избыточным или вакуумметрическим давлением. Кроме того, некоторые типы дифманометров используются в качестве тягомеров, напоромеров и тягонапоромеров.

Ниже рассматриваются выпускаемые дифманометры следующих типов: колокольные, кольцевые, поплавковые, мембранные и сильфонные. Эти приборы в зависимости от наличия (или отсутствия) устройства для отсчета и дистанционной передачи показаний (элек­трической, пневматической и др.) подразделяются на следующие разновидности:

1. Дифманометры с отсчетными устройствами, у которых пере­мещение чувствительного элемента (подвижных частей механизма), вызываемое действием давления или разности давлений, непосред­ственно или при помощи дополнительных устройств в самом при­боре используется для показания или записи.

2. Дифманометры с отсчетными устройствами или без них, снабженные передающими преобразователями с унифицированными выходными сигналами переменного тока и составляющие с вторич­ными взаимозаменяемыми приборами отдельные измерительные комплекты.

3. Дифманометры с отсчетными устройствами или без них, снабженные передающими преобразователями с унифицированными выходными сигналами постоянного тока или пневматическим сиг­налом и предназначенные для работы с взаимозаменяемыми вторич­ными показывающими и самопишущими приборами и регуляторами, а дифманометры с выходным сигналом постоянного тока — с инфор­мационно-вычислительными машинами.

Указанные выше дифманометры или вторичные приборы, ра­ботающие в комплекте с ними, могут иметь дополнительные устрой­ства для сигнализации, интегрирования и др.

Дифманометры колокольные

Дифманометры колокольные могут быть использованы для изме­рения расхода газа по перепаду давления в сужающем устройстве. Эти дифманометры можно применять также для измерения малых избыточных и вакуумметрических давлений газа, а также перепадов давления.

Наибольшее распространение из числа колокольных дифманометров получили приборы, использующие один колокол, плавающий в жидкости и перемещающийся под воздействием давления или разности давлений газа. Таким образом, перемещение колокола может служить мерой измеряемого давления или перепада давле­ния газа. Бывают колокольные дифманометры с двумя колоколами и двухжидкостные, но они распространения не получили.

В приборах с колоколом, свободно плавающим в жидкости, измеряемый перепад давления уравновешивается силой, возникаю­щей вследствие увеличения силы тяжести при его подъеме. Этот способ уравновешивания обычно называют гидростатическим.

Уравновешивание измеряемого давления или перепада давле­ния, воспринимаемого колоколом, может осуществляться с помощью специального груза или упруги­ми силами винтовой пружины. Такой способ уравновешивания обычно называют механическим. Способ уравновешивания с по­мощью груза широкого распро­странения не получил и в при­борах, выпускаемых в настоящее время, не реализуется.

У дифманометров колоколь­ных с гидростатическим урав­новешиванием колокол должен быть толстостенным и с достаточ­но большой рабочей площадью. В качестве разделительной жид­кости в этих приборах применяют ртуть. Колокольные дифманомет­ры этого типа в настоящее время не изготовляют и не применяют, У дифманометров колокольных с уравновешиванием упругими си­лами винтовой пружины колоко­ла изготовляют тонкостенными, а в качестве разделительной жидкости применяют трансформатор­ное масло. Форма колоколов у дифманометров колокольной системы может быть разнообразной, но в большинстве случаев колокола выполняются цилиндрической формы, ход которых пропорционален измеряемому давлению или перепаду давления. Имеются также дифманометры с колоколами, внутренние стенки которых имеют профилированную форму, ход этих колоколов пропорционален квадратному корню из значения измеряемого перепада давления. Дифманометры этого типа вследствие сложности изготовления профилированного колокола и необходимости применения в каче­стве разделительной жидкости ртути распространения не получили.

Рассмотрим колокольный дифманометр, схематически показан­ный на рис. 12-2-1. У этого прибора колокол, подвешенный на постоянно растянутой винтовой пружине, частично погружен в раз­делительную жидкость (трансформаторное масло), налитую в сосуд.

Дифманометры кольцевые

Дифманометры кольцевые применяют в промышленности для измерения расхода газа по перепаду давления в сужающем устрой­стве. Дифманометры этого типа используются также для измерения малого вакуумметрического и избыточного давления газа.

Схема дифманометра кольцевого показана на рис. 12-3-1.

Дифманометр представляет собой замкнутое полое кольцо, разделенное

в ерху непроницаемой перегородкой, а в нижней своей части на угол, равный ά, заполненное разделительной жидкостью (водой или транс­форматорным маслом). Кольцо может поворачиваться на некоторый угол φ (обычно 40—50°) около оси, перпендикулярной плоскости окружности. "Осью кольца является опорная призма (одна или две), расположенная в центре кольца и опирающаяся на стальную подуш­ку (одну или две), заделанную в кронштейне, который на схеме не показан. К нижней части кольца прикреплен груз G, который соз­дает противодействующий момент и определяет максимальное зна­чение угла поворота кольца при заданном верхнем пределе измере­ния разности давлений.

Давления р₁ и р₂ к обеим полостям кольца, образованным пере­городкой и разделительной жидкостью, подводятся посредством гибких резиновых трубок. Противодействующий момент, создавае­мый резиновыми трубками, мал и не оказывает существенного влия­ния на угол поворота кольца. Подвижная система дифманометра до заполнения кольца разделительной жидкостью и снятом грузе G балансируется с помощью специальных грузов так, чтобы центр тяжести подвижной системы совпадал с осью вращения.

Дифманометры поплавковые

Дифманометры поплавковые изготовляют по типу жидкостных чашечных приборов, рассмотренных выше. Сосуды поплавковых дифманометров располагают обычно U-образно. У дифманометров этого типа измеряемый перепад давления уравновешивается давле­нием столба рабочей жидкости (ртути или трансформаторного мас­ла), залитой в прибор. Измерение высоты этого столба осуществ­ляется с помощью поплавка, пе­редающего положение уровня рабочей жидкости в одном из со­судов на отсчетное устройство. Передача хода от поплавка к отсчетному устройству может быть осуществлена механическим пу­тем или с помощью электриче­ского преобразователя на вто­ричный показывающий (самопи­шущий) прибор. У дифманомет­ров с масляным заполнением по­плавок выполняют пустотелым. Дифманометры с ртутным за­п олнением предназначены для измерения: расхода жидкости, газа и пара по перепаду давления в су­жающем устройстве; перепада давления жидкости и газообразных сред; уровня жидкости, находящейся под атмосферным, вакуумметрическим или избыточным давлением.

Рассмотрим принципиальную схему дифманометра поплавко­вого с цилиндрическими сосудами, расположенными U-образно (рис. 12-4-1). Здесь большее давление р₁ подается в широкий (плю­совый) сосуд, а меньшее р₂ действует на поверхность рабочей жид­кости другого сосуда, называемого минусовым или сменным. Для получения необходимой перестановочной силы диаметр поплавка должен иметь достаточные размеры. Диаметр поплавка в свою оче­редь определяет оптимальные размеры площади поперечного сечения сосуда, в котором он находится. Размеры минусового сосуда (диа­метр и высота) обычно выбираются.в зависимости от измеряемого перепада давления.

Таким образом, изменяя у поплавковых дифманометров этого типа только размеры минусового сосуда, представляется возмож­ность менять верхние пределы измерений в широком интервале от 0,063 до 1,0 кгс/см² (от 0,0063 до 0,10 МПа), что является большим достоинством поплавковых дифманометров с сосудами, располо­женными U-образно,

Под действием измеряемой разности давлений р₁ — р₂ рабочая жидкость в минусовом (сменном) сосуде поднимается на высоту h₁ а в широком (плюсовом) сосуде опустится на высоту h₂. Тогда раз­ность уровней рабочей жидкости в сосудах будет равна:

(12-4-1)

Если f— площадь сечения сменного сосуда, a F — широкого сосуда, то равенство объемов дает:

(12-4-2)

где D — внутренний диаметр широкого сосуда, м; d — внутренний диаметр сменного сосуда, м.

Уравнение равновесия рабочей жидкости в дифманометре имеет

вид: (12-4-3)

где р_р — плотность рабочей жидкости, кг/м³; р_В — плотность ве­щества, находящегося над рабочей жидкостью, кг/м³. Из уравнений (12-4-1) и (12-4-2) следует, что

(12-4-5)

Подставляя (12-4-4) в уравнение (12-4-3), получаем:

Если считать, что поплавок разгружен от действия сил трения в механизме прибора и сил поверхностного натяжения жидкости то высота перемещения уровня жидкости в широком сосуде А. будет одновременно являться и высотой хода поплавка,

Решая уравнение (12-4-4) относительно d, получаем:

Значение h, соответствующее предельному номинальному пере­паду давления Δр_н дифманометра, в общем случае выражается формулой

(12-4-9)

Дифманометры с упругими чувствительными элементами.

Рассмотренные выше дифманометры несмотря на их существенные достоинства (длительный срок службы и др.) и широкое применение в промышленности обладают рядом недостат­ков, обусловленных главным образом наличием в этих приборах рабочей жидкости. К числу основных недостатков указанных прибо­ров следует отнести: большое запаздывание показаний, малые рабочие частоты; возможность потери части рабочей жидкости, напри­мер, из-за односторонней перегрузки; непригодность таких прибо­ров для нестационарных установок, например судовых. Следует также отметить, что для дифманометров с ртутным заполнением к указанным выше недостаткам добавляются еще вредность ртути и необходимость производства работ при их ревизии в специально оборудованных ртутных комнатах.

Следует также отметить, что за последние годы раз­работан и освоен приборостроительной промышленностью ряд новых конструкций дифманометров с упругими чувствительными элементами.

В качестве упругих чувствительных элементов в выпускаемых в настоящее время и широко используемых в промышленности дифманометрах применяют мембранные блоки, вялые (неметаллические) мембраны с жестким центром, сильфоны и сильфонные блоки.

Дифманометры мембранные типа ДМ.

На рис. 12-5-1 показана в упрощенном виде схема устройства дифманометра типа ДМ. Чувствительным элементом прибора являет­ся мембранный блок, состоящий из двух мембранных коробок / и 3, закрепленных с обеих сторон в основании 2. Основа­ние с верхней и нижней крышками корпуса прибора образует две камеры: нижнюю — «плюсовую» и верхнюю — «минусовую». Внут­ренние полости мембранных коробок, заполненные дистиллирован­ной водой, сообщаются через отверстие в перегородке.

С центром мембраны верхней коробки с помощью немагнитного штока жестко связан сердечник 4 дифференциально-трансформатор­ного преобразователя 5. Сердечник находится внутри разделитель­ной трубки 6, изготовленной из немагнитной нержавеющей стали.

В дифманометре предусмотрено устройство, которое позволяет перемещать преобразователь вдоль разделительной трубки для первоначальной корректировки нулевого значения выходного параметра. Во время эксплуатации дифманометров корректировка нуля производится корректором нуля вторичного прибора.

Д авления р₁ и р₂ к камерам дифманометра подводятся через два запорных вентиля, расположенных на вертикальных трубках. Для сообщения между собой плюсовой и минусовой камер служит уравнительный вентиль, расположенный ниже запорных вентилей. Под воздействием разности давлений р₁ — р₂ нижняя мембранная коробка сжимается, жидкость из нее перетекает в верхнюю коробку, вызывая перемещение центра мембраны верхней коробки, а вместе с тем и сердечника дифференциально-тран­сформаторного преобразователя. Это пе­ремещение приводит к изменению взаим­ной индуктивности между первичной и вторичной обмотками преобразователя, а следовательно, и к изменению напря­жения на выходе его пропорционально измеряемому перепаду давления.

Если фактический перепад давления превышает предельный номинальный пе­репад давления дифманометра или одна' из мембранных коробок находится под воздействием односторонней перегрузки, повреждения (разрушения) коробки не произойдет, так как мембраны этой коробки сложатся по профилю, вытеснив всю жидкость во вторую коробку.

Изменение объема жидкости, заполняющей мембранный блок, под влиянием температуры окружающего воздуха не вызывает пере­мещения центра мембраны верхней коробки.

В зависимости от значения предельного номинального перепада давления в дифманометрах ДМ устанавливаются мембранные блоки необходимой жесткости.