Классификация приборов для измерения давления

Институт автоматики и информационных технологий

А.Г. Дивин, Н.А. Конышева, М.Н. Баршутина, Г.В. Шишкина

ИЗУЧЕНИЕ СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЯ СИЛОВЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ И ДЕФОРМАЦИЙ

Утверждено Методическим советом ТГТУ в качестве

методических указаний для студентов, обучающихся по направлениям

27.03.02 «Управление качеством», 15.03.06 «Мехатроника и робототехника»,

13.03.02 «Электроэнергетика и электротехника», 13.03.01 «Теплоэнергетика и теплотехника», 19.03.01 «Биотехнология»

Тамбов

Рецензент

Доктор технических наук

П.С. Беляев

Утверждено Методическим советом ТГТУ

(протокол № 8 от 22.10.2014)

Лабораторная работа № 1

ИЗУЧЕНИЕ СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ И ИХ ПОВЕРКА

Цель работы: Ознакомление с классификацией средств измерения давления, изучение устройства и принципа действия пружинных приборов для измерения давления, преобразователя давления Метран-100, преобразователя давления овен ПД-100, а также методикой их поверки.

Методические указания

Классификация приборов для измерения давления

Давлением называется равномерно распределенная сила, действующая перпендикулярно на единицу площади. Оно может быть атмосферным (давление околоземной атмосферы), избыточным (превышающим атмосферное) и абсолютным (сумма атмосферного и избыточного). Абсолютное давление ниже атмосферного называется разреженным, а глубокое разряжение - вакуумным.

Единицей давления в международной системе единиц (СИ) является Паскаль (Па). Один Паскаль есть давление, создаваемое силой один Ньютон на площади один квадратный метр. Поскольку эта единица очень мала, применяют также единицы кратные ей: килопаскаль (кПа)= Па; мегапаскаль (МПа)= Па и др. Ввиду сложности задачи перехода от применявшихся ранее единиц давления к единице Паскаль, временно допущены к применению единицы: килограмм-сила на квадратный сантиметр (кгс/см ) = 980665 Па; килограмм-сила на квадратный метр (кгс/м ) или миллиметр водяного столба (мм вод. ст) = 9,80665 Па; миллиметр ртутного столба (мм рт. ст) = 133,332 Па.

Приборы контроля давления классифицируются в зависимости от метода измерения, используемого в них, а также по характеру измеряемой величины.

По методу измерения, определяющему принцип действия, эти приборы подразделяются на следующие группы:

- жидкостные, в которых измерение давления происходит путем уравновешивания его столбом жидкости, высота которого определяет величину давления (см. рис. 1 а, б);

а)	б)

Рис. 1. Жидкостный манометр

- пружинные (деформационные), в которых значение давления измеряется путем определения меры деформации упругих элементов (см. рис. 2);

- грузопоршневые, основанные на уравновешивании сил создаваемых с одной стороны измеряемым давлением, а с другой стороны калиброванными грузами действующих на поршень помещенный в цилиндр;

- электрические, в которых измерение давления осуществляется путем преобразования его значения в электрическую величину, и путем замера электрических свойств материала, зависящих от величины давления.

По виду измеряемого давления приборы подразделяют на следующие группы:

- манометры, предназначенные для измерения избыточного давления;

- вакуумметры, служащие для измерения разрежения (вакуума);

- мановакууметры, измеряющие избыточное давление и вакуум;

- напоромеры, используемые для измерения малых избыточных давлений;

- тягомеры, применяемые для измерения малых разрежений;

- тягонапоромеры, предназначенные для измерения малых давлений и разрежений;

- дифференциальные манометры (дифманометры), с помощью которых измеряют разность давлений;

- барометры, используемые для измерения барометрического давления.

Наиболее часто используются пружинные или деформационные манометры. Основные виды чувствительных элементов этих приборов представлены на рис. 2.

Рис. 2. Виды чувствительных элементов деформационных манометров:

а) - с одновитковой трубчатой пружиной (трубкой Бурдона);

б) - с многовитковой трубчатой пружиной; в) - с упругими мембранами;

г) - сильфонные

Приборы c трубчатыми пружинами. Принцип действия этих приборов основан на свойстве изогнутой трубки (трубчатой пружины) некруглого сечения изменять свою кривизну при изменении давления внутри трубки.

В зависимости от формы пружины, различают пружины одновитковые (рис. 2а) и многовитковые (рис. 2б). Достоинством многовитковых трубчатых пружин является большее чем у одновитковых перемещение свободного конца при одинаковом изменении входного давления. Недостатком - существенные габариты приборов с такими пружинами.

Манометры с одновитковой трубчатой пружиной - один из наиболее распространенных видов пружинных приборов. Чувствительным элементом таких приборов является согнутая по дуге круга, запаянная с одного конца, трубка 1 (рис. 3) эллиптического или овального сечения. Открытым концом трубка через держатель 2 и ниппель 3 присоединяется к источнику измеряемого давления. Свободный (запаянный) конец трубки 4 через передаточный механизм соединен с осью стрелки перемещающейся по шкале прибора.

Рис. 3. Пружинный манометр

Трубки манометров, рассчитанных на давление до 50 кг/см изготавливаются из меди, а трубки манометров, рассчитанных на большее давление из стали.

Свойство изогнутой трубки некруглого сечения изменять величину изгиба при изменении давления в ее полости является следствием изменения формы сечения. Под действием давления внутри трубки эллиптическое или плоскоовальное сечение, деформируясь, приближается к круглому сечению (малая ось эллипса или овала увеличивается, а большая уменьшается).

Перемещение свободного конца трубки при ее деформации в определенных пределах пропорционально измеряемому давлению. При давлениях, выходящих из указанного предела, в трубке возникают остаточные деформации, которые делают ее непригодной для измерения. Поэтому максимальное рабочее давление манометра должно быть ниже предела пропорциональности с некоторым запасом прочности.

Перемещение свободного конца трубки под действием давления весьма невелико, поэтому для увеличения точности и наглядности показаний прибора вводят передаточный механизм, увеличивающий масштаб перемещения конца трубки. Он состоит (рис. 3) из зубчатого сектора 6, шестерни 7, сцепляющейся с сектором, и спиральной пружины (волоска) 8. На оси шестерни 7 закреплена указывающая стрелка манометра 9. Пружина 8 прикреплена одним концом к оси шестерни, а другим - к неподвижной точке платы механизма. Назначение пружины - исключить люфт стрелки, выбирая зазоры в зубчатом сцеплении и шарнирных соединениях механизма.

Пружинные показывающие манометры выпускаются с верхним пределом измерения от 0,1 МПа (1 кгс/см²) до 103 МПа (104 кгс/см²) в соответствии со стандартным рядом. Пружинные вакуумметры имеют диапазон измерения - 0,1...0 МПа, а мановакуумметры при нижнем пределе измерения - 0,1 МПа имеют верхний предел измерения по избыточному давлению от 0,1 до 2,4 МПа. Эталонные пружинные манометры имеют класс точности 0,15; 0,25 и 0,4; рабочие 1,5; 2,5; 4, рабочие повышенной точности 0,6 и 1.

Для сигнализации предельных отклонений давления в цепях защиты и позиционного регулирования широко применяются электроконтактные манометры. Схема манометра типа ЭКМ представлена на рис. 4. В показывающий манометр дополнительно введены две стрелки 2, 3, к которым упругими токоподводами поджаты электрические контакты 4.

Рис. 4. Электроконтактный манометр: 1 - показывающая стрелка;

2, 3 - дополнительные стрелки; 4 - электрические контакты;

5 - поводок; 6 - электрический контакт

Стрелки 2, 3 с помощью торцевого ключа и поводка 5 устанавливаются против значений сигнализируемого давления. Показывающая стрелка 1 также снабжена электрическим контактом 6. Если давление находится в пределах рабочего диапазона, то электрические цепи сигнализации разомкнуты. При достижении показывающей стрелкой любой из контактных замыкается электрическая цепь, вызывая срабатывание сигнализации. Электрические контакты остаются замкнутыми при нахождении показывающей стрелки за пределами рабочего диапазона давления, поскольку стрелки 2, 3 ограничивают смещение контактов внутрь рабочего диапазона, а вне его контакты увлекаются показывающей стрелкой 1. Класс манометров и вакуумметров 1, 5; пределы измерения соответствуют стандартному ряду.

Мембранные манометры. Чувствительным элементом мембранных манометров может быть жесткая (упругая) или вялая мембрана.

Упругие мембраны представляют собой медные или латунные диски с гофрами. Гофры увеличивают жесткость мембраны и ее способность к деформации. Из таких мембран изготавливают мембранные коробки (см. рис. 2в), а из коробок - блоки.

Вялые мембраны изготавливают из резины на тканевой основе в виде одногофровых дисков. Используются они для измерения небольших избыточных давлений и разряжений.

Мембранные манометры могут быть с местными показаниями, с электрической или пневматической передачей показаний на вторичные приборы.

Для примера рассмотрим дифманометр мембранный типа ДМ, который представляет собой бесшкальный датчик (рис. 5) с дифференциально-трансформаторной системой передачи значения измеряемой величины на вторичный прибор типа КСД.

Чувствительным элементом дифманометра является мембранный блок, состоящий из двух мембранных коробок 1 и 3, заполненных кремнийорганической жидкостью, находящихся в двух отдельных камерах, разделенных перегородкой 2.

К центру верхней мембраны прикреплен железный сердечник 4 дифференциально-трансформаторного преобразователя 5.

В нижнюю камеру подается большее (плюсовое) измеряемое давление, в верхнюю - меньшее (минусовое) давление. Сила измеряемого перепада давления уравновешивается за счет других сил, возникающих при деформации мембранных коробок 1 и 3.

При увеличении перепада давления мембранная коробка 3 сжимается, жидкость из нее перетекает в коробку 1, которая расширяется и перемещает сердечник 4 дифференциально-трансформаторного преобразователя. При уменьшении перепада давления сжимается мембранная коробка 1 и жидкость из нее вытесняется в коробку 3. Сердечник 4 при этом перемещается вниз. Таким образом, положение сердечника, т. е. выходное напряжение дифференциально-трансформаторной схемы однозначно зависит от значения перепада давления.

Рис. 5. Устройство мембранного дифманометра типа ДМ

Чувствительным элементом сильфонных манометров и дифманометров являются сильфоны - гармониковые мембраны (металлические гофрированные трубки). Измеряемое давление вызывает упругую деформацию сильфона. Мерой давления может быть либо перемещение свободного торца сильфона, либо сила, возникающая при деформации.

Рис. 6. Принципиальная схема сильфонного дифманометра

Принципиальная схема сильфонного дифманометра типа ДС приведена на рис. 6. Чувствительным элементом такого прибора являются один или два сильфона. Сильфоны 1 и 2 одним концом закреплены на неподвижном основании, а другим соединены через подвижный шток 3. Внутренние полости сильфонов заполнены жидкостью (водоглицериновой смесью, кремнийорганической жидкостью) и соединены друг с другом. При изменении перепада давления один из сильфонов сжимается, перегоняя жидкость в другой сильфон и перемещая шток сильфонного блока. Перемещение штока преобразуется в перемещение пера, стрелки, лекала интегратора или сигнал дистанционной передачи, пропорциональный измеряемому перепаду давления.

Номинальный перепад давления определяет блок винтовых цилиндрических пружин 4.

При перепадах давления выше номинального стаканы 5 перекрывают канал 6, прекращая переток жидкости и предупреждая таким образом сильфоны от разрушения.

Для работы в системах контроля, регулирования и управления технологическими процессами путем непрерывного преобразования давления среды в стандартный токовый выходной сигнал с передачей его на вторичные приборы или исполнительные механизмы используются датчики-преобразователи серии Метран-100, ОВЕН П-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-ДЦ);

- гидростатического давления (Метран-100-ДГ).

Принцип действия датчиков 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.

Рис. 7. МЕТРАН-100-ДИ-1131

Конструкция датчика модели 1131 представлена на рис. 7. Сенсорный блок датчика состоит из корпуса 1, рычажного тензопреобразователя 2, измерительной мембраны 3, жесткого центра со штоком 4, электронного преобразователя 5, штуцера 6.

В датчике модели 1131 измеряемое избыточное давление Р воздействует на мембрану 3 и преобразуется в усилие на жестком центре, которое через шток 4 передается на рычаг тензопреобразователя 2. Перемещение конца рычага вызывает деформацию измерительной мембраны тензопреобразователя. На измерительной мембране размещены тензорезисторы. Тензорезисторы соединены в мостовую схему. Деформация измерительной мембраны вызывает изменение сопротивления тензорезисторов и разбаланс мостовой схемы. Электрический сигнал, образующийся при разбалансе мостовой схемы, подается в электронный преобразователь 5. Электронный преобразователь преобразует электрический сигнал от тензопреобразователя в стандартный токовый выходной сигнал.

ОВЕН П-100 (см. рис. 8) – линейка микропроцессорных датчиков давления, предназначенных для непрерывного преобразования давления измеряемой среды (избыточного, избыточного вакуумметрического, гидростатического или дифференциального) в унифицированный сигнал постоянного тока 4…20 мА.

Рис. 8. Преобразователь давления ОВЕН100-ДИ

Рис. 7

Датчики рекомендуются для применения в системах автоматического регулирования и управления технологическими процессами в различных областях промышленности, жилищно-коммунального хозяйства, на тепловых пунктах, компрессорных и насосных станциях, водонапорных башнях и др.

Рекомендуемая рабочая среда для датчиков – жидкости, пар, газы, парогазовые и газовые смеси при давлении, не превышающем верхний предел измерения датчика и не агрессивные к материалу измерительной мембраны.

Ограничения, накладываемые на среды:

· материалы преобразователя, контактирующие со средой, должны сохранять коррозионностойкость;

· рабочая среда не должна кристаллизоваться или затвердевать в приемнике давления;

· диапазон температуры измеряемой среды – от минус 40 до +100 °С.

Принцип преобразования давления в датчиках – тензометрический, то есть чувствительные элементы реагируют на изменения тензорезисторов, расположенных на мембране, деформирующейся под действием давления.

Техническое обслуживание преобразователя давления ОВЕН100

В процессе эксплуатации следует регулярно проверять герметичность соединения преобразователя с линией подвода давления, надежность электрического соединения, а также сопротивление линии связи с нагрузкой.

Основные технические характеристики преобразователей:

· верхний предел измерения от 0,0001 до 25 МПа;

· выходной сигнал постоянного тока от 4 до 20 мА;

· диапазон сопротивления внешней нагрузки от 0 до 1200 Ом;

· диапазон постоянного напряжения питания от 12 до 36 В;

· пределы основной приведенной погрешности от диапазона измерения ±0,25 %; ±0,5 %; ±1,0 %;

· потребляемая мощность не более 1,0 Вт;

· средняя наработка на отказ не менее 8 ч;

· габаритные размеры в упаковке (Ш ´ В ´ Г) не более 160 ´ 80 ´ 80 мм;

· масса преобразователя не более 0,2 кг.

Условия эксплуатации преобразователя:

· закрытые взрывобезопасные помещения без агрессивных паров и газов;

· температура окружающего воздуха - от минус 40 до +80 °С;

· относительная влажность воздуха (при температуре воздуха +35 °С) не более 80 %;

· атмосферное давление от 84 до 106,7 кПа.

Подключение преобразователя давления ОВЕН100

Преобразователь подключается в соответствии с приведенной на рис. 9 схемой и учетом требований к сопротивлению нагрузки.

Рис. 9. Схема подключения преобразователя

Сопротивление нагрузки выбирается в пределах от 0 до 1200 Ом и определяется напряжением питания преобразователя.