Манометры и дифманометры с компенсацией магнитных потоков, преобразователи с силовой компенсацией пневматические и электрические.

Преобразователи давления с компенсацией магнитных потоков имеют на выходе унифицированный токовый сигнал 0...5 мА и работают с вторичными приборами КСУ, РП-160 и др. В преобразователях этого типа используются разнообразные чувст­вительные элементы: одновитковые трубчатые пружины (МПЭ, ВПЭ, МВПЭ), сильфоны (МСЭТ, МСЭН, МСЭТН, ДСЭР), мем­браны и мембранные коробки (ММЭ, МАДМЭ, ДМЭ, ДМЭР). Чувствительный элемент прибора соединен с постоянным магнитом 1, который перемещается между двумя индикаторными магнитопроводами 2, 3. На каждом из индикатор­ных магнитопроводов находятся обмотки возбуждения wв и обрат­ной связи wос. Обмотки wв1 и wв2 включены последовательно с равными постоянными резисторами соответственно R_}, R₂ и питаются однополупериодным током. Индуктивные сопротивления L1, L2 обмоток w_B1 , w_B2 зависят от состояния индикаторных магнитопрово­дов 2, 3. В среднем положении сердечника L1 = L2,токи I_1; I₂ равны и сигнал на входе усилителя ΔU и ток на его выходе I равны нулю. При смещении постоянного магнита вверх создаваемый им поток Ф_м рабочую точку магнитопровода 2 смещает в область насыщения, при этом L₁ снижается, увеличивается ток I1 возникает разность на­пряжений на резисторах R1, R2 и на входе усилителя ΔU. В этих приборах используется глубокая отрицательная обратная связь. При большом коэффициенте усиления выходной ток, проте­кающий через обмотку обратной связи, создает в индикаторном магнитопроводе поток Ф_ос, который компенсирует магнитный поток, создаваемый постоянным магнитом, возвращая значения L1, L2 близ­кие к исходным значениям. Как и в любых преобразователях с глу­бокими отрицательными обратными связями полной компенсации потоков Ф_м и Ф_ос не происходит, незначительный небаланс ΔU, за­висящий от коэффициента усиления усилителя, остается, обуслов­ливая пропорциональные изменения I. Поскольку в рассматриваемых преобразователях отрицательная обратная связь используется для компенсации магнитного поля постоянного магнита, упругий чувствительный элемент и магнит­ный преобразователь не охвачены обратной связью. В связи с этим изменение характеристик упругого чувствительного элемента и маг­нитных преобразователей в прямом канале и в цепи обратной связи влияют на коэффициент преобразования приборов. Стабилизация статической характеристики преобразователей давления достигается за счет увеличения числа элементов, охвачен­ных отрицательной обратной связью. Наиболее полно это реализовано в преобразователях давле­ния с силовой компенсацией пневматических и электриче­ских. В пнев­матических преобразователях изменениям измеряемого дав­ления соответствуют пропор­циональные в пределах от 20 до 100 кПа изменения давле­ния на его выходе. При посто­янном давлении воздуха пита­ния р_пш давление на выходе пневмоусилителя 7 зависит от истечения воздуха из со­пла 6. Усилие F_чэ от маномет­рической пружины 7, прило­женное к рычагу 2, равно pS_чэ, где S_чэ — эффективная площадь манометрической пру­жины. Это усилие создает вращающий момент aFчэ , ко­торый уравновешивается мо­ментом силы обратной связи. При увеличении измеряемого давления и неравенстве моментов, развиваемых манометрической пружиной и сильфоном обратной связи, aF_чэ > bF_ос, рычаг 2, соединенный с заслонкой 5 сопла б, перемещается. Последнее приводит к снижению зазора между соплом и заслонкой, увеличению сопротивления истечению воздуха, росту давления на входе и выходе пневматического усилителя (пневмореле) 7, определяющего уравновешивающее усилие обрат­ной связи.

43. Преобразователи "Сапфир-22"с мембранными тензопреобразователями

Манометры с тензопреобразователями по быстродействию приближаются к пьезоэлектрическим манометрам. Их чувствитель­ные элементы (сенсоры) представляют собой мембраны, на кото­рых размещены проволочные, фольговые или полупроводниковые резисторы, сопротивление которых меняется при деформации мем­браны под действием давления. Проволочные тензорезисторы проще в изготовлении, но их коэффициент тензочувствительности, опре­деляемый отношением относительных изменений сопротивления к деформации, на порядок меньше, чем у полупроводниковых. В западной литературе тензопреобразователи давления обычно называют пьезопреобразователями, поскольку на греческом языке piezo означает давлю.

представлена на рис. 10.21, а. Чувствительным элементом маномет­ра является тензопреобразователь 1 с двухслойной мембраной. Из­меряемое давление действует на титановую мембрану, к которой сверху припаяна сапфировая мембрана с тензорезисторами. Элементы измерительной схемы и усилитель находятся в блоке 2.

Существуют два типа тензопреобразователей: давления (рис. 10.21, а) и силы (рис. 10.21, б). В тензопреобразователях дав­ления измеряемое давление действует непосредственно на мем­брану, поскольку при измерении давления в диапазоне 0,4 МПа и выше на мембране с тензопреобразователями диаметром 6...8 мм развиваются усилия, достаточные для ее деформации. В тензопре­образователях силы 4 нижняя металлическая мембрана имеет рычаг 3, к которому прикладывается сила, развиваемая мембранным бло­ком под действием давления. В преобразователях с диапазоном изме-

В этих приборах для преобразования силового воздействия давле­ния в электрический сигнал используется сапфировая мембрана с напыленными кремниевыми резисторами. Схема преобразователя «Сапфир-22» типа ДИ, предназначенного для измерения избыточ­ных давлений с верхним пределом измерения 0,4 МПа и выше, рения менее 0,4 МПа (см. рис. 10.21, б) используются в качестве чувствительных элементов блоки из двух мембран 1, 2, жестко соеди­ненных между собой и находящихся под воздействием атмосферного и измеряемого давлений (разрежения), либо разности давлений. Упрощенная электриче­ская схема аналогового пре­образователя «Сапфир-22» представлена на рис. 10.23. Электронный усилитель пред­ставляет собой устройство с глубокой отрицательной об­ратной связью. Тензорезисторы R_:—R₄ образуют не­уравновешенный мост (тензомост), сигнал небаланса которого зависит от измеряемого давления. Если плечи моста сим­метричны, т.е. R1=R3=R₀ (1+кр), R₂ = R₄ = R₀(1- кр), то R1 + R2 = R3 + R₄ и I1 = I2 = I_TM/2. При бесконечно большом входном сопро­тивлении усилителя и_тм = R₀(1 + kp)I/2 - R₀(l - kp)I/2 = kR₀I_TMp. Ток питания тензомоста стабилизирован, постоянство коэффициента преобразования обеспечивается введением отрицательной обратной связи, снимаемой с доли а резистора обратной связи R_0c. Это сопро­тивление включено последовательно с сопротивлением нагрузки Rн . При бесконечно большом коэффициенте усиления усилителя ΔU= u_тм - IαR_0C = 0, откуда I = kI_TM/(αR_0C)p. Изменяя α и R_0c, коррек­тируем диапазон измерения прибора и меняем пределы его измере­ния. При одном типоразмере чувствительного элемента преобразо­ватели за счет изменения сопротивления обратной связи имеют от 4 до 6 диапазонов измерения. Помимо корректора диапазона преобра­зователи имеют корректор начального значения выходного сигнала. Недостатком преобразователей этого типа особенно низко-предельных является значительный температурный коэффициент, составляющий около 0,1 %/°С. В связи с этим во всех преобразова­телях производится температурная компенсация, которая исходит из индивидуальных температурных характеристик каждого прибора. Для введения компенсации температурных уходов начального сиг­нала и диапазона в качестве терморезистора используется сопротив­ление диагонали питания тензомоста, которое зависит от температуры и не зависит от давления. Эта диагональ является плечом моста тем­пературной компенсации. Пропорциональный температуре усилен­ный сигнал его небаланса используется как для изменения тока питания тензомоста при коррекции температурных изменений диа­пазона преобразователя, так и для устранения смещения его стати­ческой характеристики, вызванного температурой.

44. Преобразователи "Сапфир-22" для измерения малых давлений.

45. Упрощенная электрическая схема преобразователей "Сапфир-22".

Электронный усилитель представляет собой устройство с глубокой отрицательной обратной связью. Тензорезисторы R1-R4 образуют неуравновешенный мост(тензомост), сигнал небаланса которого зависит от измеряемого давления.Если плечи моста симметричны, т.е. R1=R3=R0(1+kp), R2=R4=R0(1-kp), то R1+R2=R3+R4 и I1=I2=Iтм/2.

При бесконечно большом входном сопротивлении усилителя Uтм= R0(1+kp)Iтм/2=k*R0*Iтм*р. Ток питания тензомоста стабилизирован, постоянство коэффициента преобразования обеспечивается введением отрицательной обратной связи, снимаемой с доли α резистора обратной связи Rо.с. Это сопротивление включено последовательно с сопротивлением нагрузки Rн. При бесконечно большом коэффициенте усиления ΔU=Uтм-I*α*Rос≈0, откуда I=k*Iтм/(αRос)р. Изменяя α и Rос, корректируем диапазон измерения прибора и меняем предел его измерения.

Недостатком преобразователей этого типа является значительный температурный коэффициент. В связи с этим во всех пробразователях производится температурная компенсация, которя исходит из индивидуальных температурных хар-тик каждого прибора. Для введения компенсации температурных уходов начального сигнала и диапазона в качестве терморезистора используется сопротивление диагонали питания тензомоста, которое зависит от температуры и не зависит от давления.

Грузопоршневые манометры

В грузопоршневых манометрах измеряемое давление уравновешивается силой тяжести неуплотненного поршня с грузами. Манометры используются в качестве образцовых средств для поверки приборов давления диапазоне от -3 до 25000 кПа, а также для точных измерения давления в лабораторной практике. Схема поршневого манометра, имеющего диапазон измерения 6 МПа(МП-60):

Поршень 1 с тарелкой 2 для грузов 3 перемещается внутри цилиндра 4.Поршневая пара подгоняется таким образом, чтобы зазор между поршнем и цилиндром не превышал 0,01 мм. Для обеспечения равномерного зазора между цилиндром и поршнем последний в момент измерения вращают по часовой стрелке. Внутренняя полость поршневого манометра тщательно заполняется рабочей жидкостью(керосином, трансформаторным маслом…). Заливка жидкости производится при открытом вентиле 5 через отверстие 6,поршнем 7 винтового пресса 8 жидкость засасывается внутрь манометра. К стоякам 9 с запорными вентилями 10 подключаются поверяемые манометры. Вентиль 11 служит для слива жидкости из поршневого манометра. Для получения заданного давлении на тарелку с учетом ее массы накладываются грузы, создающие определенную силу тяжести. При суммарной массе поршня с грузами М создаваемое давление p=Mg/S (1), S-эффективная площадь поршня 1, равная сумме площади торца поршня и половины площади зазора;g- ускорение свободного падения. Учитывая, что калибровка грузов производится для нормального ускорения свободного падения, при измерениях должны вводиться поправки на местное ускорение свободного падения. Для расширения диапазона давлений, измеряемых грузопоршневыми манометрами, используются поршни дифференциальные, разгруженные и тд.

Низкая погрешность воспроизведения и измерения давления определяется в соответствии с формулой(1) высокой точностью задания массы грузов, площади сечения и ускорения свободного падения.

47.Правила установки манометров и дифманометров, среда вода, газы, пар..

Манометры показывающие и с дистанционной передачей показаний, как правило, устанавливаются вблизи точек отбора давления в месте, удобном для обслуживания.

Современные серийные преобразователи давления нельзя размещать внутри активной зоны, поэтому они находятся на значительном расстоянии от точек отбора давления, что приводит к росту инерционности показаний приборов. Отбор давления осущ с помощью труб, подсоединяемых к трубопроводу или внутреннему пространству объекта, где производится измерение давления.

Продолжение

часть разделительного сосуда 2 , измерительную камеру прибора и линии между ними 3, должна по плотности значительно отличаться от измеряемой среды1 и не смешиваться с ней.

48. Поплавковые и буйковые уровнемеры.

Поплавковым называется уровнемер, частично погруженного в жидкость, причем степень погружения поплавка (осадка) при неизменной плотности жидкости не зависит от контролируемого уровня. Поплавок перемещается вертикально вместе с уровнем жидкости, и, следовательно, по его положению может быть определено значение уровня.

Объем погруженной части V_ж , а следовательно, осадка поплавка, является параметром, определяющим дополнительную погрешность, вызванную изменением плотности контролируемой жидкости. Для снижения этой погрешности целесообразно уменьшить осадку поплавка, что может быть достигнуто либо увеличением площади поперечного сечения поплавка, либо облегчением поплавка.

В простейшем случае поплавок соединен с указателем с помощью механической связи.

При высоких значениях температуры и давления среды используются поплавковые уровнемеры с магнитными преобразователями. Примером являются магнитные уровнемеры типа ПМП.

По направляющей трубе 7 под влиянием изменения уровня жидкости перемещается поплавок 6 с постоянным магнитом 5. Внутри трубки 7 по всей ее длине находятся герконовые реле, которые срабатывают под действием магнитного поля поплавка. Стопорное кольцо 4 ограничивает перемещение поплавка вверх, а зонтик 3 защищает его от капель конденсата, который может образовываться на внутренних стенках резервуара. Эти преобразователи могут иметь в качестве выходной величины изменения сопротивления, токовый сигнал 4..20мА или цифровой.

Буйковыми называются уровнемеры, основанные на законе Архимеда: зависимости выталкивающей силы, действующей на буек, от уровня жидкости. Чувствительным элементом таких уровнемеров является массивное тело(например, цилиндр)-буек, подвешенное вертикально внутри сосуда и частично погруженное в контролируемую жидкость. Буек закреплен на упругой подвеске с жесткостью с, действующей на буек с определенным усилием. При увеличении уровня жидкости, увеличивается выталкивающая сила, подъем буйка на х, причем при его подъеме увеличивается осадка, т.е. х<h. При этом изменяется усилие, с которым подвеска действует на буек:

xc=(h-x)ρ_жgF-(h-x)ρ_г gF

Таким образом, статическая хар-ка буйкового уровнемера линейна, причем чувствительность его может быть изменена за счет увеличения F или уменьшения жесткости подвески с.

Схема уровне мера с электросиловым преобразователем. Буек 1 подвешен на конец рычага 2, на другом конце которого расположен груз 3, уравновешивающий вес буйка 1 при нулевом уровне(возможен и др метод компенсации веса). Разделительная мембрана 4 служит для герметизации резервуара. При изменении уровня изменяется усилие, с которым буек действует на рычаг. Небаланс сил приводит к смещению рычага и сердечника диф-трансформаторного преобразователя, выполняющего функцию индикатора рассогласования ИР. Его выходной сигнал поступает на усилитель У, выходной токовый сигнал которого Iвых поступает на выход прибора и в устройство обратной связи УСО.

49.Водомерные стекла и весовой уровень.

Такие уровнемеры основаны на визуальном измерении высоты уровня жидкости. При невысоких давлениях среды высота уровня измеряется в стеклянной трубке, сообщающейся с жидкостным и газовом пространствами контролируемого резервуара.

При повышенных давлениях применяются плоские стекла, на поверхности которых со стороны жидкости нанесенывертикальные граневые канавки.

Основным источником дополнительной погрешности таких уровнемеров является разница плотностей жидкости в контролируемом резервуаре и в стекле, вызываемая различием температур. Различие плотностей приводит к различию уровней в резервуаре h1 и указательном стекле h2(уровень в стекле иногда называют «весовым» уровнем);при этом абсолютная погрешность измерения может быть вычислена по формуле

Δh=h2-h1=h2(1-ρ2/ρ1)

Где ρ1 и ρ2- плотности жидкостей в резервуаре и указательном стекле.

Погрешность может достигать существенных значений, поэтому в целях ее уменьшения необходима либо тепловая изоляция уровнемера, либо продувка его жидкостью из резервуара перед отсчетом.

50. Гидростатические уровнемеры…Уравнительные сосуды.

Гидростатические уровнемеры. В этих уровнемерах измерение уровня H жидкости постоянной плотности ρ сводится к измерению гидростатического давления p, создаваемого жидкостью, причем p=Hρg.

Измерение высоты уровня непосредственно по величине гидростатического давления можно производить в резервуарах, находящихся как под атмосферным, так и под отличающимся от него давлением. На рис. 11.2, а представлена схема зонда MPS фирмы Siemens. Зонд представляет собой трубку 1, внутренняя полость которой сообщается с жидкостью. Таким образом, давление внутри трубки совпадает с давлением жидкости. В нижней части трубки 1 находится измерительная мембрана из нержавеющей стали. Ее деформация вызывает изменяет сопротивление тензомоста. Измерительная мембрана, тензопреобразователь и электроника защищены от измеряемой среды колпаком 2. Вентиляционная трубка соединена с пространством под измерительной мембраной и атмосферой. Мягкая трубка 3 может иметь длину до 20 м, в ней размещены несущий тросик а, экранированные токовые выводы б, вентиляционная трубка в диаметром 1 мм. Зонд выдерживает перегрузку до 0,6 МПа, выходной сигнал составляет 4…20 мА, погрешность не превышает ± 0,3 %.

Также выпускают дифманометры-уровнемеры с открытой мембраной, рис 11.2, б. вес столба жидкости действует на мембрану 1, жесткий центр мембраны соединен с рычагом мембранно-рычажного преобразователя (преобразователя силы) 2. если резервуар находится под давлением, то газовая часть резервуара соединяется с полостью статического давления 3. У упомянутых преобразователей при верхнем пределе измерения от 4 до 250 кПа выходной сигнал составляет 0…5; 4…20 мА, а предел допускаемой приведенной погрешности равен ± 0,25 %; ± 0,5 %.

Если в трубке, соединяющей газовое пространство над жидкостью с полостью статического давления преобразователя, образует конденсат, то для измерения уровня используются дифманометры с дополнительными устройствами для стабилизации уровня конденсата. Гидростатический уровнемер, в котором гидростатическое давление жидкости преобразуется в давление воздуха, называется пневмоуровнемером. Разновидность пневмоуровнемера является барботажный уровнемер, в котором воздух, подаваемый от постороннего источника, барботирует через слой жидкости.

Дифманометрические уровнемеры. Схема подключения дифманометра к открытому резервуару, находящемуся под атмосферным давлением, изображена на рис. 11.3.

Обе импульсные трубки дифманометра 2 заполняют контролируемой жидкостью(если она не агрессивна). Дифманометр измеряет разность давлений p₁ и p₂, действующих на его чувствительный элемент.

p₁=(H + h₁)ρ

p₂=h₂ρ₂g.

Дифманометр будет измерять перепад давлений, выражающийся через контролируемый уровень H

Δp=p₁ – p₂=(H + h₁)ρ₁g – h₂ρ₂g.

Если плотности ρ₁ и ρ₂ жидкости в обеих импульсных трубках одинаковы и если h₁=h₂, то

Δp=Hρg,

где ρ = ρ₁ = ρ₂

Последняя формула справедлива только в том случае, если уровень жидкости в «минусовой» импульсной трубке будет неизменным при изменении контролируемого уровня Н. Для чего на этой импульсной трубке устанавливается уравнительный сосуд 1. уравнительные сосуды бывают однокамерными, двухкамерными и комбенированными.

Метод измерения уровня дифманометрами обладает рядом достоинств: механической прочностью, простотой монтажа, надежностью. Недостатки: чувствительный элемент дифманометра находится в непосредственном контакте с контролируемой средой, следовательно если среда агрессивна то необходимо предпринимать меры.