Краткие теоретические сведения. Основные понятия и определения

РАЗДЕЛ 1. ИЗМЕРЕНИЕ ДАВЛЕНИЯ

Основные понятия и определения. Давлением P называется отношение нормальной составляющей силы F_n к единице площади S, на которую действует эта сила:

(1.1)

При равномерном распределении сил

(1.2)

Значение давления обычно измеряется по результатам механического воздействия давления на чувствительный элемент, в котором это давле­ние преобразуется в силу упругости, деформацию, изменение электропроводности, теплопроводности, интенсивности ионизации и т. п.

Манометрические приборы подразделяется на барометры, измеряющие атмосферное давление, манометры абсолютного давления, манометры избыточного давления, вакуумметры, измеряющие разрежение, тягомеры – микроманометры для измерения малых разрежений, напоромеры – микрома­нометры для измерения малых избыточных давлений, дифференциальные ма­нометры, измеряющие разность давлений.

Основной единицей давлений является Паскаль (русское обозначение Па, международное Ра), 1 Па = 1 Н/м². Однако ввиду ее относительной малости (приблизительно одна стотысячная атмосферного давления) наибольшее распространение в технике в настоящее время имеют паскаль и внесистемная единица – техническая атмосфера, равная 1 кгс/см², или примерно 0,1 МПа.

Грузопоршневые манометры. Принцип действия грузопоршневых манометров основан на уравновешивании измеряемого давления калиброванным грузом, действующим на поршень. Они применяются для измерения давления до 10³ МПа, а также для градуировки и поверки манометров других типов.

Устройство грузопоршневого манометра показано на рисунке 1.1.

Манометр имеет грузовую и поршневую части. Грузовая часть состоит из колонки 1, в центральной части которой имеется полированный цилинд­рический канал, в который вставляется поршень 2. Поршень в верхней части имеет тарелку 3, на которую накладываются конт­рольные грузы 4. Канал колонки сообщается с горизонтальным каналом 5, который соединен со штуцерами 6 и 7, бачком с рабочей жидкостью 8 и прессовой частью манометра. Прессовая часть состоит из цилиндра 9 с поршнем 10, шток которого выполнен в виде винта со штурвалом 11. Вен­тили 12 - 15 служат для перекрытия соответствующих каналов. Полость системы заполнена рабочей жидкостью (трансформаторным маслом).

Рисунок 1.1 – Схема грузопоршневого манометра

В штуцер 6 устанавливают поверяемый манометр 16. Давление в системе изменяют, перемещая поршень 10 с помощью штурвала 11 (при этом вентиль 15 закрыт).

На поршень 2, свободно перемещающийся в канале колонки 1, действу­ют две противодействующие силы: сила, создаваемая давлением жидкости и сила тяжести поршня и грузов. При равенстве этих сил поршень уравновешивается и поднимается на определенную высоту. При равновесии поршня давление

, (1.3)

где G – вес поршня и грузов;

S – площадь поперечного сечения поршня.

Площадь поперечного сечения поршня обычно равно 1 см², поэтому создаваемое давление равно весу поршня и груза. Вес поршня с тарелкой равен 1 кг. Вес отдельных грузов указывается на них.

Возможно также подключения образцового манометра 17.

Деформационные преобразователи давления. Принцип действия деформационных преобразователей (ДП) основан на упругой деформации чувствительных элементов (ЧЭ) под действием измеряемого давления. Благодаря высокой точности, простоте конструкции, надежности и низкой стоимости ДП получили широкое распространение в промышленности для измерения давления, разряжения и разности давлений. ДП могут оснащаться дополнительными преобразователями, посредством которых измеряемое давление преобразуется в унифицированный сигнал измерительной информации, передаваемый по каналу связи. Манометры с ДП выпускаются показывающими, сигнализирующими или самопишущими.

В качестве чувствительных элементов ДП применяют трубчатые пружины, мембраны и сильфоны. Рассмотрим подробнее трубчатую пружину, называемую также манометрической пружиной, или трубкой Бурдона. Она представляет собой упругую криволинейную металлическую полую трубку, один из концов которой имеет возможность перемещаться, а другой – жестко закреплен. Трубка в свободном состоянии в сечении имеет форму эллипса (рисунок 1.2). При повышении давления внутри трубки она начинает раскручиваться. Это связано с тем, что под действием давления трубка "округляется", т.е. малая ось эллипса увеличивается, в то время как длина пружины остается неизменной.

Рисунок 1.2 – Процесс деформации трубки Бурдона

Под действием измеряемого давления Р_изм пружина Бурдона деформируется в поперечном сечении, принимая форму, изображенную на рисунке 1.2 пунктиром. Продольные волокна элемента пружины растягиваются наиболее значительно у малой полуоси. В продольных волокнах наружного радиуса трубки Бурдона будет возникать растяжение, а в волокнах внутреннего радиуса - сжатие. Вследствие того, что волокна стремятся сохранить свою первоначальную длину, трубка Бурдона будет разгибаться. При этом свободный конец трубки совершит некоторое линейное перемещение λ. Кривизна трубки уменьшится на угол ∆γ, а малая ось эллипса увеличится на ∆b. С учетом неизменности длины пружины можно записать

; (1.4)

, (1.5)

где R, r и R₁, r₁ – внешний и внутренний радиус трубок соответственно до и

после деформации.

После вычитания (1.5) из (1.4) получим:

, (1.6)

причем , а . С учетом того, что , а , выражение (1.6) можно привести к виду

. (1.7)

Это выражение представляет собой уравнение шкалы манометра с трубчатой пружиной.

Трубчатый манометр тем чувствительнее, чем больше радиус кривизны R трубки и чем меньше толщина δ ее стенок. Чувствительность пружины Бурдона, а также ее жесткость в сильной степени зависят от отношения а/b осей поперечного сечения и формы сечения (массы металла) вблизи концов большой оси.

Пружина круглого сечения практически нечувствительна к давлению, т. к. ее поперечное сечение не деформируется при воздействии давления.

Конструкция манометра с одновитковой трубчатой пружиной показана на рисунке 1.3.

Прибор состоит из трубчатой пружины 1, один конец которой впаян в отверстие держателя 2, а другой конец наглухо запаян и связан с тягой 3. Полость пружины связана с измеряемой средой через канал в держателе. Перемещение свободного конца пружины передается зубчатому сектору 4 и шестерне 5, на оси которой насажена стрелка прибора 6 для отсчета показаний на шкале. Шкала манометра равномерная, так как перемещение свободного конца пружины пропорционально измеряемому давлению. Прибор устанавливается на технологическом объекте с помощью штуцера 7.

Верхний предел измерения манометров с одновитковой трубчатой пружиной 10³ МПа.

Рисунок 1.3 – Схема манометра с одновитковой трубчатой пружиной

Тензометрические преобразователи давления. Принцип действия тензометрических преобразователей (ТП) основан на использовании тензоэффекта, суть которого состоит в изменении сопротивления тензорезисторов при их деформации. Чувствительный элемент воспринимает изменения давления и преобразует их в деформацию тензорезисторов, что приводит к изменению его сопротивления.

Наиболее распространенный чувствительный элемент представляет собой сапфировую мембрану, на которую напыляются полупроводниковые (кремниевые) тензорезисторы (монокристаллическая структура КНС – "кремний на сапфире"). Схема тензорезисторного ЧЭ показана на рисунке 1.4.

При деформации чувствительного элемента под воздействием входной измеряемой величины (например, давления или разности давления) изменяется электрическое сопротивление кремниевых тензорезисторов на поверхности чувствительного элемента, включенных в мостовую схему.

1 – упругий элемент преобразователя (сапфировая мембрана);

2 – однополосковые тензорезисторы; 3 – защитное покрытие;

4 – металлизированные чувствительные дорожки

Рисунок 1.4 – Тензорезисторный преобразователь давления:

а) вид сверху; б) вид сбоку

Измерительный преобразователь давления Сапфир – 22 ДИ. Эти преобразователи предназначены для работы в системах автоматического контроля, регулирования и управления технологическими процессами и обеспечивают непрерывное преобразование значения измеряемого параметра – избыточного давления в унифицированный токовый выходной сигнал дистанционной передачи.

Преобразователи относятся к изделиям ГСП.

Выходной предел измерения зависит от модели преобразователя и составляет от 0,4 до 100 МПа. Предел допустимой основной погрешности для всех моделей – 0,25; 0,5%.

Каждый преобразователь имеет корректор «нуля», позволяющий устанавливать значение выходного сигнала, соответствующее нижнему предельному значению измеряемого параметра, и корректор диапазона, позволяющий устанавливать верхнее предельное значение, т. е. он может быть перенастроен на любой верхний предел измерений, доступный для данной модели. Выходной сигнал - унифицированный токовый сигнал 4…20 мА.

Зависимость между выходным сигналом и измеряемым параметром для преобразователей с возрастающей характеристикой выходного сигнала 4-20 мА определяется по формуле:

, (1.8)

где I_p - расчетное значение выходного сигнала, соответствующее измеряемому

параметру Р, мА;

Р – значение измеряемого параметра, МПа или кгс/см²;

Р_max – верхний предел измерений, МПа или кгс/см²;

I_max – верхнее предельное значение выходного сигнала, мА;

I_o – нижнее предельное значение выходного сигнала, мА.

Преобразователь "Сапфир - 22 ДИ" состоит из измерительного блока и электронного устройства.

Измеряемое давление воздействует на мембрану тензопреобразователя измерительного блока, вызывает линейную деформацию чувствительного элемента и изменение электрического сопротивления тензорезисторов тензопреобразователя.

Электронное устройство датчика преобразует это изменение сопротивления в токовый выходной сигнал.

Чувствительным элементом тензопреобразователя является пластина из монокристаллического сапфира с кремниевыми пленочными тензорезисторами («кремний на сапфире»), прочно соединенная с металлической мембраной тензопреобразователя.

Схема преобразователей "Сапфир – 22 ДИ" моделей 2150, 2160, 2170 представлена на рисунке 1.5.

Мембранный тензопреобразователь 1 размещен внутри основания 2. Внутренняя полость 3 тензопреобразователя заполнена кремнийорганической жидкостью и отделена от измеряемой среды металлической гофрированной мембраной 4, которая приварена к основанию 2 по наружному контуру. В камеру 5 фланца 6 подается измеряемое давление. Фланец уплотнен прокладкой 7. Полость 8 сообщена с окружающей средой. Измеряемое давление воздействует на металлическую мембрану 4 и через жидкость действует на мембрану тензопреобразователя. В результате мембрана тензопреобразователя прогибается, что вызывает изменение сопротивления тензорезисторов.

Электрический сигнал от тензопреобразователя передается из измерительного блока в электронное устройство 9.

Рисунок 1.5 – Преобразователь давления "Сапфир – 22 ДИ" (модели 2150,

2160, 2170)

Преобразователь давления Метран-100. Интеллектуальные датчики давления серии Метран-100 предназначены для измерения и непрерывного преобразования в унифицированный аналоговый токовый сигнал и/или цифровой сигнал в стандарте протокола HART, или цифровой сигнал на базе интерфейса RS485 следующих входных величин:

- избыточного давления (Метран-100-ДИ);

- абсолютного давления (Метран-100-ДА);

- разрежения (Метран-100-ДВ);

- давления-разрежения (Метран-100-ДИВ);

- разности давлений (Метран-100-ДД);

- гидростатического давления (Метран-100-ДГ).

Управление параметрами датчика:

- кнопочное со встроенной панели;

- с помощью HART-коммуникатора или компьютера;

- с помощью программы ICP-Master и компьютера или программных средств АСУ ТП.

Датчик имеет:

- встроенный фильтр радиопомех;

- внешнюю кнопку установки "нуля";

- непрерывную самодиагностику.

Цифровые значения сигнала датчика выводятся на жидкокристаллический дисплей цифрового индикатора (ЦИ), встроенного в корпус электронного блока. ЦИ может также выполняться в виде выносного индикатора (ВИ), подключаемого к датчику через специальный разъем. С помощью встроенной кнопочной панели управления осуществляются:

- контроль текущего значения измеряемого давления;

- контроль настройки параметров датчика;

- установка нуля;

- настройка единиц измерения;

- настройка времени усреднения выходного сигнала (демпфирования);

- перенастройка диапазона измерений, в т.ч. на нестандартный;

- настройка на "смещенный" диапазон измерений;

- выбор прямой, инверсной или корнеизвлекающей характеристики выходного сигнала;

- калибровка датчика.

Принцип действия датчиков основан на использовании тензоэффекта.

Конструкция датчика Метран 100 – ВН – ДИ показана на рисунке 1.6.

Рисунок 1.6 – Конструкция датчика "Метран" (модели 1151, 1161, 1171,

1351, 1051, 1061)

Мембранный тензопреобразователь 3 размещен внутри корпуса 4. Измеряемое давление подается в камеру 5 и воздействует на мембрану тензопреобразователя, вызывая ее прогиб и изменения сопротивления тензорезисторов. Полость 2 сообщена с окружающей атмосферой. Электрический сигнал от тензопреобразователя передается из измерительного блока в электронный преобразователь 1.

Упрощенная блок-схема преобразователя "Метран 100" приведена на рисунке 1.7.

Измеряемое давление подается в рабочую полость датчика и непосредственно воздействует на измерительную мембрану 2 тензопреобразователя 3 (пластину монокристаллического сапфира с кремниевыми пленочными тензорезисторами, соединенную с металлической мембраной тензопреобразователя). Ее деформация приводит к пропорциональному изменению сопротивления тензорезисторов и разбалансу тензомоста 4. Электрический сигнал с выхода тензомоста поступает в дифференциальный усилитель 5. Встроенный в него регулятор коэффициента усиления обеспечивает перенастройку диапазонов измерений. Устройство термокоррекции 6 компенсирует влияние температурных воздействий на тензомост.

1 – корпус; 2 – измерительная мембрана; 3 – тензопреобразователь;

4 – тензомост; 5 – дифференциальный усилитель; 6 – устройство

термокоррекции; 7 – АЦП; 8 – энергонезависимая память;

9 – микроконтроллер; 10 – ЦАП

Рисунок 1.7 – Преобразователь давления "Метран 100"

В памяти 8 сенсорного блока хранятся в цифровом формате результаты калибровки сенсора во всем рабочем диапазоне давлений и температур. Эти данные используются микропроцессором для расчета коэффициентов коррекции выходного сигнала при работе датчика.

Цифровой сигнал с платы АЦП 7 сенсорного блока вместе с коэффициентами коррекции поступает на вход электронного блока, микроконтроллер 9 которого производит коррекцию и линеаризацию характеристики сенсорного блока, вычисляет скорректированное значение выходного сигнала датчика и передает его в цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) 10, который преобразует его в аналоговый выходной сигнал (унифицированный токовый сигнал 4 - 20 мА).

Поверка средств измерения давления. Основной недостаток трубчатых пружин и вообще упругих элементов - это непостоянство их показаний вследствие наличия у них остаточных деформаций, накапливающихся со временем. Поэтому пружинные манометры поверяются чаще, чем, например, жидкостные.

Результаты поверки дают возможность судить о соответствии точности показаний данного манометра установленному для него классу точности.

Класс точности показывает наибольшую допустимую для данного прибора величину приведенной погрешности. Если при поверке прибора окажется, что приведенная погрешность по всей шкале или в ее рабочей части не превышает класса точности данного прибора, то такой прибор пригоден к дальнейшей эксплуатации. В противном случае он должен быть подвергнут ремонту или переведен в более низкий класс точности.

Приборы поверяют путем сравнения их показаний Р_изм с показаниями рабочих эталонов Р_дейст. По ГОСТ 15614 – 70 абсолютная погрешность рабочего эталона должна быть в четыре раза меньше абсолютной погрешности поверяемого прибора. Верхний предел измерения поверяемого прибора должен быть не менее 3/4 шкалы рабочего эталона или равен ему.

Для поверки наиболее распространенных манометров среднего и высокого давления используют грузопоршневые манометры, класс точности которых 0,02 и 0,05.

Преобразователи давления тоже подлежат поверке. Для них основную погрешность определяют следующими способами:

1) по рабочему эталону на входе преобразователя устанавливают

измеряемый параметр, равный номинальному, а по другому рабочему эталону измеряют выходной сигнал преобразователя;

2) по рабочему эталону на выходе преобразователя устанавливают расчетное значение выходного сигнала, соответствующее номинальному значению измеряемого параметра, а по другому рабочему эталону измеряют действительное значение измеряемого параметра;

3) подают на вход поверяемого преобразователя и рабочего эталона номинальное значение измеряемого параметра и сравнивают их выходные сигналы.

При проверке пружинных манометров определяются следующие погрешности:

- абсолютная – разность между показаниями поверяемого прибора Р_изм и действительными значениями измеряемого давления Р_действ:

; (1.9)

- относительная – абсолютная погрешность в процентах от действительного значения измеряемого давления:

(1.10)

- приведенная – абсолютная погрешность в процентах от разности между верхним Р_в и нижним Р_н пределами шкалы данного прибора:

(1.11)

Об устойчивости показаний поверяемого манометра судят по величине размаха – разности показаний манометра при прямом и обратном ходе, соответствующем одному и тому же действительному значению измеряемого давления:

. (1.12)

Если поверяемый манометр имеет приведенную (основную) погрешность больше допустимой, определяемой классом точности на шкале прибора, то его подвергают регулировке или переводят в более низкий класс точности.

При проверке преобразователей определяются следующие погрешности:

- абсолютная - разность между действительными значениями выходного сигнала I_i и расчетными значениями I_p:

; (1.13)

- относительная - абсолютная погрешность в процентах от расчетного значения выходного сигнала:

; (1.14)

- приведенная – абсолютная погрешность в процентах от разности между верхним и нижним значениями выходного сигнала:

. (1.15)

Вычисления проводят с точностью до второй значащей цифры после запятой.

Приведенная погрешность преобразователя при периодической поверке не должна превышать предела допускаемой основной погрешности поверяемого преобразователя γ_п .

Основную погрешность определяют не менее чем на пяти значениях измеряемой величины, достаточно равномерно распределенных в диапазоне измерения, в том числе при значениях измеряемой величины, соответствующих нижнему и верхнему предельным значениям выходного сигнала.

Основную погрешность определяют при значении измеряемой величины, полученной при приближении к нему как от меньших значений, так и от больших (при прямом и обратном ходе).

Перед поверкой при обратном ходе преобразователь выдерживают в течение 5 минут под воздействием верхнего предельного значения измеряемого параметра, соответствующего предельному значению выходного сигнала.

Вариация выходного сигнала определяется как разность между значениями выходного сигнала, соответствующими одному и тому же значению измеряемого параметра, полученными при прямом и обратном ходе;

, (1.16)

где I₁ и I₂ – действительные значения выходного сигнала соответственно при

прямом и обратном ходе, мА.

Среднее значение вариации выходного сигнала в абсолютных единицах и в процентах от нормирующего значения вычисляют по формулам:

. (1.17)

Лабораторные работы

№ 101

"Изучение преобразователя давления Метран 100"

Цель работы. Ознакомиться с устройством и принципом действия грузопоршневых и пружинных приборов для измерения давления, преобразователя давления Метран-100, а также методикой их поверки.

Описание лабораторной установки. Лабораторная установка (рисунок 1.8) представляет собой поверочный грузопоршневой манометр МП-60 (далее пресс), на котором установлены образцовый манометр с пределом измерения 2,5 МПа и преобразователь давления Метран 100 с цифровым индикатором (жидкокристаллическим дисплеем) для представления значений измеренного давления в цифровой форме (в МПа). С помощью разъемов к преобразователю подключается мультиметр, позволяющий измерять значение унифицированного выходного сигнала 4 - 20 мА.

Рисунок 1.8 – Схема лабораторной установки

Порядок выполнения работы:

- провести поверку преобразователя давления Метран-100 с помощью грузопоршневого и рабочего эталона пружинных манометров;

- обработать результаты экспериментов и определить класс точности поверяемого преобразователя;

- построить градуировочную характеристику зависимости унифицированного токового сигнала I_вых от входного давления Р_вх;

- сделать выводы по работе.