2. Классификация измерительных преобразователей давления

Для прямого измерения давления жидкой или газообразной среды с отображением его значения непосредственно на шкале, табло или индикаторе первичного измерительного прибора применяются манометры (ГОСТ 8.271-77). Если отображение значения давления на самом первичном приборе не производится, но он позволяет получать и дистанционно передавать соответствующий измеряемому параметру сигнал, то такой прибор называют измерительным преобразователем давления (ИПД) или датчиком давления. Возможно объединение этих двух свойств в одном приборе (манометр-датчик).

По принципу действия манометры можно подразделить на жидкостные (измеряемое давление уравновешивается гидростатически столбом жидкости соответствующей высоты), деформационные (давление определяется по величине деформации и перемещения упругого чувствительного элемента — мембраны, трубчатой пружины, сильфона), грузопоршневые (измеряемое или воспроизводимое давление гидростатически уравновешивается через жидкую или газообразную среду прибора давлением веса поршня с грузоприемным устройством и комплектом образцовых гирь), электрические (давление определяется на основании зависимости электрических параметров: сопротивления, емкости, заряда, частоты чувствительного элемента от измеряемого давления) и др.

Манометры классифицируют:

- по принципу действия и конструкции,

- по виду измеряемого давления,

- по применению и назначению,

- по типу отображения данных и другим признакам.

По принципу действия манометры можно подразделить на:

- жидкостные (измеряемое давление уравновешивается гидростатически столбом жидкости соответствующей высоты),

- деформационные (давление определяется по величине деформации и перемещения упругого чувствительного элемента — мембраны, трубчатой пружины, сильфона),

- грузопоршневые (измеряемое или воспроизводимое давление гидростатически уравновешивается через жидкую или газообразную среду прибора давлением веса поршня с грузоприемным устройством и комплектом образцовых гирь),

- электрические (давление определяется на основании зависимости электрических параметров: сопротивления, емкости, заряда, частоты чувствительного элемента от измеряемого давления) и др.

В промышленности при локальных измерениях давления энергоносителей в большинстве случаев используются деформационные манометры на основе одновитковой трубчатой пружины (трубки Бурдона) для прямопоказывающих стрелочных приборов или с многовитковыми пружинами для самопишущих манометров, но в последние годы они вытесняются электрическими манометрами с цифровым индикатором и развитой системой интерфейсов.

По виду измеряемого давления манометры подразделяют на приборы измерения избыточного и абсолютного давления — собственно манометры, разрежения — вакуумметры, давления и разрежения — мановакуумметры, атмосферного давления — барометры и разностного давления — дифференциальные манометры (дифманометры). Манометры, вакуумметры и мановакуумметры для измерения небольших (до 20-40 кПа) давлений газовых сред называют соответственно напоромерами, тягомерами и тягонапоромерами.

В пружинных манометрах используются различные пружины — трубчатая многовитковая (геликоидальная), трубчатая одновитковая, пластинчатая (мембрана) и гармоникообразная (сильфон), показанные на рисунке 1.1.

Рисунок 1.1 — Упругие элементы: а — трубчатая пружина; б — много-витковая трубчатая пружина; в — мембрана; г — сильфон

Манометр с трубчатой пружиной применяют для измерения давления в очень широких пределах. На рисунке 1.2 показана конструкция такого манометра.

Рисунок 1.2 — Схема манометра с одновитковой трубчатой пружиной

Прибор состоит из трубчатой пружины 5, один конец которого впаян в отверстие держателя 1, а другой наглухо запаян и несет на себе наконечник 10. Полость пружины связана с измеряемой средой через канал в держателе 1, снабженным радиальным штуцером 14. Держатель прибора оснащен платой 2, на которой монтируется трубко-секторный механизм. Последний включает в себя зубчатое колесо (трубку) 8 и зубчатый сектор 9. Для исключения люфта в передаточном механизме используется спиральная пружина 7, один конец которой с помощью штифта крепится на оси трубки, а другой — к колонке 6, укрепленной на плате 2. К хвостовику сектора 9 с помощью винта 12 крепится тяга 4.

Посредством тяги перемещение свободного конца пружины передается зубчатому сектору, который имеет ось вращения 14. Вращение зубчатого сектора передается трубке, на оси которой насажена стрелка 4 для отсчета показаний на шкале 4.

Шкала манометра равномерная, поскольку перемещение свободного конца пружины пропорционально измеряемому давлению. Регулировка хода стрелки производится винтом 12.

Наряду с рассмотренными приборами, оснащенными одинаковой трубчатой пружиной, в практике измерения давления и разряжения получили широкое распространение манометры и вакуумметры, снабженные электро-контактными сигнализирующими устройствами. Эти средства измерений давления получили название электроконтактных. Класс точности электроконтактных манометров и вакуумметров (например, серии ЭКМ), как правило, составляет 1,5.

У манометров с многовитковой (геликоидальной) трубчатой пружиной вследствие большой длины многовитковой пружины величина перемещения ее свободного конца больше, чем у трубчатой одновитковой пружины, при одном и том же давлении (рисунок 1.1, б).

В горной промышленности получили также распространение магнитоупругие преобразователи, действие которых основано на использовании эффекта зависимости магнитной проницаемости ? от величины механического воздействия (сжатия или растяжения) на ферромагнитный сердечник преобразователя. Это свойство называют магнитоупругостью и характеризуют чувствительностью S_?= d? / dl. Наибольшим значением S_?=200 Гн/м² обладает пермаллой (железоникелевый сплав).

Различают магнитоупругие датчики дроссельного и трансформаторного типов. Последние могут контролировать только усилие сжатия, однако обладают большей чувствительностью.

Магнитоупругие датчики используются для контроля усилий (например, при загрузке скипов и посадке клетей шахтных подъемных установок на кулаки), горных давлений и т.п.

Достоинствами магнитоупругих преобразователей являются простота и надежность в работе, значительная мощность выходных сигналов. Основным недостатком — значительная инерционность.

На рисунке 1.3 показан манометр типа ММ с упругой металлической концентрически гофрированной мембраной, зажатой между двумя фланцами.

Рисунок 1.3 — Манометр с металлической мембраной

Штуцер в нижнем фланце соединяет манометр прямым каналом с измеряемой средой. Под воздействием усилия давления мембрана прогибается пропорционально величине этого давления. Стойка в центре мембраны, соединенная при помощи шарнира с поводком зубчатого сектора передаточного механизма, перемещает на соответствующий угол стрелку по шкале прибора.

Благодаря непосредственному сообщению полости мембраны с измеряемой средой этим манометром удобно пользоваться для измерения давления вязких жидкостей (мазут, смола и др.). Основная погрешность прибора составляет 2,5 или 4 % от верхнего предела шкалы.

Тензоэффект, положенный в основу работы тензорезисторов, заключается в изменении активного сопротивления проводника (полупроводника) под действием вызываемого в нем механического напряжения и деформации.

Если проволоку подвергнуть механическому воздействию, например, растяжению, то сопротивление ее изменится. Относительное изменение сопротивления проволоки

?R/R = S •?l/l ,

где S — коэффициент тензочувствительности;

?l/l — относительная деформация проволоки.

Изменение сопротивления проволоки при механическом воздействии на нее объясняется изменением геометрических размеров (длины, диаметра) и удельного сопротивления материала.

Тензочувствительные проволочные преобразователи представляют собой тонкую зигзагообразно уложенную и приклеенную к подложке проволоку. Преобразователь устанавливают таким образом, чтобы направление ожидаемой деформации совпадало с продольной осью проволочной решетки. В качестве материала для преобразователя обычно используют константановую проволоку (у константана — малый температурный коэффициент сопротивления) и для подложки — тонкую бумагу (0,03…0,05 мм) и пленку лака либо клея (БФ-2, БФ-4, бакелитовый и др.).

Распространение также получили фольговые преобразователи, у которых вместо проволоки используется фольга, и пленочные тензорезисторы, получаемые путем возгонки тензочувствительного материала с последующим осаждением его на подложку.

Достоинства тензорезисторов: линейность статической характеристики преобразования, простота конструкции и малые габариты. Основной недостаток — низкая чувствительность.

В тех случаях, когда требуется высокая чувствительность, находят применение полупроводниковые тензочувствительные преобразователи (поликристаллические из порошкообразного полупроводника и монокристаллические из кристалла кремния). Поскольку чувствительность полупроводниковых тензорезисторов в десятки раз выше, чем у металлических, и, кроме того, интегральная технология позволяет в одном кристалле кремния формировать одновременно как тензорезисторы, так и микроэлектронный блок обработки, то в последние годы получили преимущественное развитие интегральные полупроводниковые тензочувствительные преобразователи. Такие элементы реализуются либо по технологии диффузионных резисторов с изоляцией их от проводящей кремниевой подложки p-n-переходами — технология «кремний на кремнии», либо по гетероэпитаксиальной технологии «кремний на диэлектрике» на стеклокерамике, кварце или сапфире. Особенно широкое применение в изготовлении измерительных преобразователей давления в силу своих высоких механических, изолирующих и теплоустойчивых качеств получила технология КНС — «кремний на сапфире» (в частности, распространение получили датчики серии «Сапфир-22М» и «Метран-22» российского производства).

На рисунке 1.4, а показана сапфировая мембрана 3 с расположенными на ней однополосковыми тензорезисторами p-типа с положительной 1 и отрицательной 2 чувствительностями. Положительной чувствительностью обладает тензорезистор, у которого отношение ?R/R>0, если же ?R/R<0 — чувствительность отрицательна.

Рисунок 1.4

Структура однополоскового тензорезистора приведена на рисунке 1.4, б. Здесь: 1 — тензорезистор; 2 — защитное покрытие; 3 — металлизированные токоведущие дорожки; 4 — упругий элемент преобразователя (сапфировая мембрана). Тензорезисторы можно располагать на мембране так, что при деформации они будут иметь разные по знаку приращения сопротивления. Это позволяет создавать мостовые схемы, в каждое из плеч которого включаются тензорезисторы с соответствующим значением ?R/R и даже термокомпенсационные элементы.

В пьезоэлектрических преобразователях используется эффект появления электрических зарядов на поверхности некоторых кристаллов (кварц, турмалин, сегнетова соль и др.) под влиянием механических напряжений.

Устройство пьезоэлектрического преобразователя для измерения переменного давления газа показано на рисунке 1.5.

Рисунок 1.5 — Устройство пьезоэлектрического преобразователя

Давление Р через металлическую мембрану 1 передается на зажатые между металлическими прокладками 2 кварцевые пластинки 4. Шарик 4 способствует равномерному распределению давления по поверхности кварцевых пластинок. Средняя прокладка соединена с выводом 5, проходящим через втулку из хорошего изоляционного материала.

При воздействии давления Р между выводом 5 и корпусом преобразователя возникает разность потенциалов

U = 2Q /(C_n + C₀) =2 k•s•p/(C_n + C₀),

где Q — заряд, возникающий на пластинке кварца;

C_n — емкость преобразователя;

C₀ — емкость проводов и входной цепи прибора, измеряющего разность потенциалов;

k — пьезоэлектрический модуль кварца;

s — площадь поверхности мембраны, подверженная давлению.

По разности потенциалов U судят о значении давления Р. В пьезоэлектрических преобразователях главным образом применяют кварц, у которого пьезоэлектрические свойства сочетаются с высокой механической прочностью и высокими изоляционными качествами, а также с независимостью пьезоэлектрической характеристики от температуры в широких пределах. Используют также поляризованную керамику из титаната бария, титаната и цирконата свинца. Пьезоэлектрические датчики обычно применяют для измерений быстропротекающих динамических процессов при ударных нагрузках, вибрациях, переменных усилиях и т.д.

Современные общепромышленные измерительные преобразователи давления (ИПД) — это интеллектуальные, со встроенным микропроцессором, интегральные преобразователи с цифровым интерфейсом. Они обладают свойствами диагностики и конфигурирования на расстоянии (установка нуля и диапазона шкалы, выбор технических единиц, ввод данных для идентификации и физического описания датчика и т.п.), обеспечивают более высокое соотношение измеряемых диапазонов, улучшенную температурную компенсацию, повышенную основную точность. Однако это не значит, что другие ИПД уже не нужны: каждый тип ИПД имеет свою эффективную пользовательскую нишу.

В качестве примера назовем высоконадежные интеллектуальные ИПД SITRANS Р (серии MKII, DS, НК) фирмы Siemens (Германия), предназначенные для измерения уровня избыточного, дифференциального и абсолютного давления жидкости от 1 мбар до 4000 бар. Для решения различных задач можно воспользоваться различными преобразователями с разнообразными соединениями и насадками. Так, устройства SITRANS P (рисунок 1.6) существуют в стандартном исполнении (токовый выходной сигнал 4…20 мА), Smart (с использованием цифрового протокола HART) и с подключением к сети Profibus. Обеспечивается возможность бесступенчатой перестройки диапазона измерения по месту. А датчики серии SITRANS Z могут быть использованы для решения задач, не требующих высокой точности измерения, а также перестройки диапазона измерения в процессе эксплуатации. Они предназначены для измерения избыточного и абсолютного давления газов, жидкостей и пара в энергетической и машиностроительной индустрии, системах водоснабжения и т.п. и отличаются малым весом и габаритами.

Рисунок 1.6 — Преобразователи SITRANS P

Датчик состоит из тонкопленочной измерительной ячейки с керамической мембраной и электронной схемы, которые встроены в корпус из нержавеющей стали (исполнение IP65).

Одним из важнейших параметров технологических процессов является расход протекающих по трубопроводам веществ. Необходимость повышения качества выпускаемой продукции и эффективности АСУ ТП придает вопросам точного измерения количества и расхода различных веществ исключительно важное значение.

Количество вещества определяют его массой или объемом и измеряют соответственно в единицах массы (кг, т) или в единицах объема (м³, л). Средства измерений количества вещества за некоторый промежуток времени (сутки, месяц и т. д.) называют счетчиками. Количество вещества V в единицах объема, прошедшее через счетчик за выбранный промежуток времени ?? = ?₂ — ?₁, определяется по разности показаний счетчика N₂ и N₁, взятых во время ?₂ и ?₁

 V = q_V ( N₂ — N₁), 

где q_V — постоянная счетчика, определяющая количество вещества, приходящегося на единицу показания счетчика.

Расходом вещества называют количество вещества, протекающее через данное сечение канала в единицу времени.

Различают объемный расход (измеряемый в м³/с, м³/ч, л/мин и т.д.) и массовый расход (измеряемый в кг/с, кг/ч, т/ч и т.д.). Необходимо различать понятия «средний расход» и «истинный (мгновенный) расход». Средний объемный расход равен

Q_cp= q_V / (?₂ — ?₁,),

где V — объем вещества, измеренный счетчиком за время ?₂ — ?₁.

Истинным, или мгновенным, расходом называют производную от количества (объема V или массы m) по времени.

Так, для объемного и массового истинного расходов соответственно имеем

Q = dV / d? ;

G = dm/ d?.

Средства измерений расхода называют расходомерами. Интегрируя сигнал расходомера по времени, можно определить количество вещества, прошедшее через расходомер за интервал времени ?₂ — ?₁ , т. е.

или

Приборы, работающие в комплекте с расходомерами и реализующие операцию интегрирования его сигнала, называют интеграторами расходомеров. При измерении расходов газа с целью получения результата измерения, не зависящего от давлений и температуры потока, его выражают в объемных единицах, приведенных к нормальным условиям. В качестве нормальных условий в технике приняты: температура t_Н = 20°С, давление Р_Н =101 325 Па (760 мм рт. ст.) и относительная влажность ? = 0.

Расходомеры переменного перепада давления. Расходомеры обтекания. Счетчики количества жидкостей, газов.

Принцип действия электромагнитных расходомеров основан на законе электромагнитной индукции — законе Фарадея, согласно которому в проводнике, пересекающем магнитные силовые линии, индуцируется ЭДС, пропорциональная скорости движения проводника. Если использовать в качестве проводника поток электропроводящей жидкости, текущей между полюсами магнита, и измерить наведенную в жидкости ЭДС, то можно определить скорость по тока или объемный расход жидкости. Схема электромагнитного расходомера показана на рисунке 3.8.

Рисунок 3.8 — Схема электромагнитного расходомера

Между полюсами магнита N и S, перпендикулярно направлению магнитных силовых линий, располагается от резок металлической немагнитной трубы 3, которая устанавливается между фланцами трубопровода с измеряемым потоком жидкости. Внутренняя поверхность трубы 3 покрыта электроизоляционным материалом (эмаль, стеклопластик, резина и др.). В плоскости, перпендикулярной магнитным силовым линиям, диаметрально противоположно установлены в стенке трубы два электрода 1 и 2. Электроды с помощью соединительных проводников подключены к измерительному прибору 4 (милливольтметру или потенциометру).

ЭДС, индуцируемая в постоянном магнитном поле, определяется выражением:

E = BWD = (4B/?)Q,

где В — магнитная индукция;

W — средняя скорость потока жидкости;

D — внутренний диаметр трубопровода;

Q — объемный расход жидкости.

Из уравнения следует, что при В=const измеряемая ЭДС линейно зависит от объемного расхода жидкости.

В промышленных условиях нашли применение главным образом электромагнитные расходомеры с переменным магнитным полем.

Электромагнитные расходомеры обладают рядом преимуществ. Прежде всего, при измерении объемного расхода жидкости нет необходимости в измерении плотности потока. Кроме того, на показания расходомеров не влияют взвешенные в жидкости частицы и пузырьки газа, а также параметры измеряемого потока жидкости (давление, температура, вязкость и др.), не изменяющие ее электропроводности. Электромагнитные расходомеры практически безынерционны и поэтому могут быть использованы при измерении быстро меняющихся потоков.