Основные упругие деформационные элементы

1. Мембрана – зажатый между фланцами гофрированный диск, чаще всего из прорезиненной ткани с жестким диском в центре.

® преобразователь давления в силу.

Статическая характеристика – линейная: F = PS,

Где S – площадь, на которую действует давление.

2. Трубчатая пружина – согнутая в виде дуги трубка овального сечения, один конец которой запаян, а другой – неподвижно закреплен и через него подается измеряемое давление.

® преобразователь давления в перемещение.

Под действием давления трубка пытается распрямиться, вследствие чего ее свободный запаянный конец перемещается. Это перемещение пропорционально измеряемому давлению: l= kP, где k – коэффициент передачи трубчатой пружины.

3. Сильфон – гофрированная трубка, один конец которой закрыт (дно сильфона), а к другому подводится давление.

® преобразователь давления в перемещение.

Под действием давления сильфон растягивается. Статическая характеристика линейная: l=kP.

Если перемещению дна сильфона препятствует неподвижная опора, то выходным сигналом будет не перемещение, а действующая на опору сила.

Основные требования к упругому элементу – коррозийная стойкость, стабильность, отсутствие гистерезиса.

Достоинства деформационных средств измерения: простота, удобство и безопасность в работе.

Пружинные манометры

Упругий элемент – одно- и многовитковая пружина.

Измеряемое давление меняет кривизну трубчатой пружины 1. Ее свободный конец через тягу 2 перемещает зубчатый сектор и находящуюся с ним в зацепление шестерню 3. Вместе с шестерней поворачивается стрелка 4 отсчетного устройства.

Выпускают манометры и выкууметры.

Выпускают показывающие и самопишущие приборы, а также бесшкальные с дистанционной передачей показаний через электрический (токовый, напряжение переменного тока) или пневматический сигналы.

Снабжают приборы электроконтактным устройством, которые имеют два подвижных контакта, посредством которых можно выставить максимальное и минимальное пороговые значения.

Мембранные манометры

Упругие элементы – мембрана или мембранная коробка:

ü гофрированная мембрана;

ü мембранная коробка.

Наиболее широкое применение нашли дифманометры, напоромеры и тягонапоромеры, построенные на этом принципе действия.

Пример дифманометра, снабженного дифференциально-трансформаторным преобразователем перемещения в напряжение переменного тока.

Мембранный блок состоит из двух сообщающихся мембранных коробок, заполненных жидкостью. Перепад давлений в камерах дифманометра вызывает деформацию мембранных коробок.

При этом сжатие нижней коробки больше и жидкость вытесняется из нее в верхнюю мембранную коробку, вызывая тем самым ее расширение.

Деформация верхней мембраны передается жестко связанному с ней плунжеру дифференциально-трансформаторного преобразователя.

Дифманометр устанавливают для измерения перепада давлений до 0,63 МПа при статическом давлении до 63 МПа. Выпускаются дифманометры с промежуточными преобразователями, имеющими унифицированный токовый или пневматический сигналы.

Например, для получения токового сигнала применяются тензорезисторные промежуточные преобразователи, в которых сопротивление резистора изменяется при растяжении или сжатии. Это кремневые полупроводниковые резисторы, обладающие повышенной чувствительностью, т.к. перемещение мембраны мало.

Для манометров тензорезистор устанавливают на жесткой измерительной мембране, для дифманометров тензорезистор крепится к блоку неупругих мембран, соединенных между собой штоком.

Смещение штока 1под действием перепада давлений приводит к изгибу рычага 2 и деформации измерительной мембраны 3.

Для измерения агрессивных сред применяются датчики, снабженные защитной мембраной, изготовленной из коррозийно-стойкого материала. Тогда измеряемое давление передается к измерительной мембране через силиконовое масло, которым заполнена внутренняя полость датчика.

Примеры способов защиты материалов датчика от агрессивных сред.

1. Разделительные сосуды.

Полость сосуда заполнена жидкостью, инертной по отношению к материалу прибора, соединительных трубок и сосуда. Она не должна взаимодействовать с измеряемой средой и смешиваться с ней. Обычно это – глицерин, эфирные масла.

2. Мембранные разделители.

Измеряемая среда отделена от прибора мембраной с малой жесткостью из нержавеющей стали или фторопласта. Для переджачи давления верхнее полость заполняется жидкостью.

Измерение уровня

Важен как сам параметр-уровень, так и уровень, как косвенный параметр измерения другого параметра, например давления или количества вещества.

В зависимости от условий измерения применяются разные методы измерения уровня:

Уровнемер	Контактный/безконтактный
1. Поплавковый	Контактные
2. Буйковый
3. Гидростатический	Контактный или без- в зависимости от датчика давления
4. Емкостной	Контактный
5. Акустический и ультразвуковой	Безконтактные
6. Радиоизотопный

Поплавковый уровнемер

Принцип действия основан на преобразовании уровня в перемещение поплавка, плавающего на поверхности жидкости. Поплавок должен быть легким и изготовленным из коррозионно стойкого материала.

Используется в аппаратах, работающих под атмосферным давлением и в неагрессивных средах.

Буйковый уровнемер

Принцип действия основан на законе Архимеда. На погруженный (80% погружения) в жидкость буек действует сила равная весу жидкости, вытесненной буйком.

При неизменности площади резервуара по высоте и плотности жидкости изменение вытесненного ее количества будет пропорционально изменению высоты бака, т.е. уровню жидкости. Таким образом, измерение уровня преобразуется в выталкивающую силу..

В буйковых уровнемерах буек передает усилие на рычаг промежуточного преобразователя.

Выходной сигнал ППр либо унифицированный электрический, либо унифицированный пневматический.

Достоинства:

- линейность характеристик;

- широкий диапазон измерения (0-40мм до 0-16м) за счет смены буйка изменение передаточного отношения рычажного механизма.

Гидростатический уровнемер

Принцип действия основан на существовании гидростатического давления пропорционального уровню, т.е. расстояние от поверхности жидкости.

Поэтому для измерения уровня гидростатическим способом могут использоваться приборы для измерения давления (рис. а) или разности давлений, дифманометры (рис. б).

DР или Р_ГС (гидростатическое давление) ~ Н.

Рис. а. Рис. б

Схема с дифманометром целесообразна, если аппарат, в котором измеряется уровень находится под давлением. Тогда плюсовая камера дифманометра соединяется с пространством над жидкостью через уравнительный сосуд, который заполнен жидкостью и создает столб постоянного гидростатического давления в плюсовой камере:

DР = Р + Р_Г – Р_ГС – Р_Г = Р – Р_ГС ~ Н_УС(const) – Н ~ Н.

Для измерения уровня агрессивных сред дифманометр снабжается разделительным сосудом или мембранным разделителем, что позволяет заполнить его камеры неагрессивной жидкостью.

+

Еще один способ построения гидростатического уровнемера – это использование принципа барбатирования:

Р_ГС = g Н,

где g - удельный вес жидкости.

Емкостной уровнемер

Принцип действия основан на различии диэлектрической проницаемости жидкости и воздуха.

1 – электрод;

2 – вертикальная труба.

Вместе эти два коаксиально расположенных электрода образуют цилиндрический конденсатор, емкость которого зависит от уровня диэлектрической проницаемости и будет изменяться от диэлектрической проницаемости воздуха до диэлектрической проницаемости жидкости:

С_Ж = f(T) Þ конденсационный конденсатор.

Электрическая измерительная схема (электронный блок) – это электрический неуравновешенный мост постоянного тока.

Достоинства:

- измерение уровня не только жидкостей, но и твердых сыпучих материалов (например цемента);

- емкостные сигнализаторы уровня, при этом электрод располагается горизонтально и погрешность измерения не превышает 3 мм;

- диапазон измерения от 0-0,4 м до 0-20 м.