Электрический
датчик давления без
упругих элементов представляет собой
проводник или полупроводник, сопротивление
которого изменяется » зависимости от
давления среды, в которой он находится.
Его называют манометром сопротивления.
Чувствительность таких датчиков
невелика. Поэтому нужно исключить
влияние других факторов, особенно
температуры. Для измерения высоких
давлений (более 100 МПа) используются
преобразователи из манганина, сопротивление
которого почти не зависит от температуры.
Ведется поиск полупроводниковых
материалов с высоким барическим и малым
температурным коэффициентом электрического
сопротивления.
К
электрическим обычно относят также
емкостные, резистивные, магнитоупругие
и пьезоэлектрические
датчики, хотя все
они содержат мембрану. Прогиб мембраны
приводит к изменению емкости конденсатора
или сопротивления тензодатчика.
Передаваемое мембраной усилие изменяет
магнитную проницаемость ферромагнитного
материала или вызывает появление
электрических зарядов на гранях
пьезоэлемента. Конструкции этих датчиков
разнообразны и достаточно сложны.
5.
Способы измерения
быстрорастущих давлений производится
малоинерционными приборами. В
лабораторных условиях преимущественно
используются электрические датчики
давления, выходные сигналы которых
регистрируются при помощи осциллографов.
При исследовании рабочих процессов
в поршневых машинах наряду с датчиком
давления к осциллографу подключается
датчик положения коленчатого вала. Это
позволяет получить развернутую по
времени индикаторную диаграмму с
отметками положений коленчатого
вала, а следовательно, и поршня. Если
второй датчик выдает напряжение,
пропорциональное углу поворота
коленчатого вала, то на экране
двухлучевого осциллографа можно получить
свернутую индикаторную диаграмму как
зависимость давления от хода поршня.
Для
условий эксплуатации предназначены
механические
индикаторы поршневого
типа с цилиндрической или стержневой
пружиной. В первом случае перемещению
поршня индикатора препятствует
цилиндрическая пружина, работающая на
сжатие, а во втором – стержневая пружина,
работающая на изгиб. Шток поршня
связан с пером, которое оставляет след
на специальной бумаге, закрепленной на
цилиндрическом барабане. С помощью
тросикового привода барабан поворачивается
пропорционально ходу поршня машины.
Благодаря этому на бумаге получается
свернутая индикаторная диаграмма.
Механические индикаторы применяют при
частоте вращения коленчатого вала не
более 20 с”‘. Чаще их используют для
индицирования двигателей внутреннего
сгорания (ДВС).
Датчики-реле (сигнализаторы) давления и разности давления.
Все сигнализаторы
имеют релейные статические характеристики.
К сигнализаторам давления следует
отнести электроконтактные манометры.
Недостатками их являются малая разрывная
мощность (10 В А) и нечеткое срабатывание
контактов из-за колебаний стрелки,
обусловленных изменением давления
и вибрацией оборудования. Поэтому
преимущественное распространение
получили контактные датчики-реле
давления и разности давлений. Они не
показывают измеряемого давления, но
четко переключают контакты при
заданных значениях.
Датчики-реле
давления (ДРД) выпускаются разными
фирмами и имеют различные конструкции.
В качестве чувствительного элемента
чаще всего используется сильфон. Иногда
применяется мембрана или мембранная
коробка. Размеры чувствительного
элемента и жесткость пружины,
противодействующей его деформации,
определяют диапазон контролируемых
давлений. ДРД одного типа могут оснащаться
разными контактными системами. Этим
определяется вид статических характеристик.
Для
примера рассмотрим одинарный (одноблочный)
ДРД типа RT,
рис.6 а. Деформация
сильфона 2 и положение штока 3 в нем
зависят от контролируемого давления Р
и затяжки пружин / и
8. Натяг
пружины 8 можно
изменять вращением винта с головкой в
виде рукоятки 10. При
этом гайка 9 с указателем
заданного давления срабатывания Рс
контактов 4
перемещается
вертикально. Статическая характеристика
ДРД отражает состояние контактов,
которые в зависимости от давления Р
могут занимать два
положения: 0 – разомкнуто;
1 –
замкнуто, рис.6 г.
Когда
давление Р ниже
заданного, рычаг 7 действует на контактную
систему так, что нижний контакт замкнут,
а верхний – разомкнут. Левый конец рычага
7 находится в кольцевом зазоре между
дисками 5 и б. Поэтому обратное
переключение контактов происходит при
давлении, отличающемся от заданного
на величину зоны возврата ΔВ
. Чтобы изменить зазор,
диск 5 выполняется в виде круглой гайки,
на наружном ободе которой нанесены
значения настроенной зоны возврата.
Поскольку рычаг 7 действует на контактную
систему 4 через
предварительно деформированную
плоскую пружину, изображенную в виде
петли, контакты переключаются резко,
а зона возврата не может быть равной
нулю даже при отсутствии зазора между
дисками.
Некоторые ДРД
рассматриваемого типа имеют защелку,
которая фиксирует контакты после
срабатывания. Обратное переключение
контактов в них происходит лишь после
нажатия кнопки деблокировки при условии
изменения давления на величину зоны
возврата.
Чтобы
осуществить трехпозиционное регулирование,
ДРД оснащают контактной системой,
имеющей два рычага, каждый из которых
действует на свой подвижный контакт,
рис.6 б, д. В дисках 6 и
12 сделаны
кольцевые проточки, в которых
размещаются свободные концы рычагов
7а и
76. Высота
проточек, а следовательно, и ширина зон
возврата ΔВ
неизменяемы. Зону нечувствительности
ΔН можно
настраивать вращением диска 12,
с нижней частью
которого соединяется указатель 11.
Давление срабатывания
Рс
сдвоенной контактной
системы 13 определяется
затяжкой пружины 8.
Пока
давление Р находится
в пределах зоны нечувствительности Ан,
оба контакта разомкнуты.
Когда оно становится ниже значения
Рс-0,5
ΔН, замыкается нижний
контакт. После повышения давления на
величину зоны возврата ΔВ
этот контакт размыкается.
Если давление Р
достигает значения
Рс+
0,5 ΔН то замыкается
верхний контакт. Он размыкается при
снижении давления на величину ΔВ.
Минимальная зона
нечувствительности получается, когда
диск 12 соприкасается
с диском 6. Она немного превышает
удвоенную ширину зоны возврата.
Датчик-реле
разности давлений (ДРРД) содержит два
сильфона, действующих на общий шток
3 в
противоположных направлениях, рис.5.19
в, е. Размеры сильфонов 2
и 16 одинаковы. Усилие
сжатия пружины 8
направлено сверху
вниз. Оно настраивается при помощи диска
15, вращение
которого передается штоку с резьбой. К
патрубку 14 подводится
высокое давление Р1
а к патрубку 17
– низкое давление Р2.
Когда разность
давлений АР =
Р1
-Р2
становится ниже
настроенной разности давлений
срабатывания АР с,
нижний контакт
замыкается, а верхний – размыкается. При
увеличении разности АРс
на величину зоны
возврата Ав
происходит обратное
переключение контактов. ДРРД также
могут оснащаться контактной системой
с двумя рычагами и иметь характеристику
трехпозиционного реле.
Сдвоенный
(двухблочный) ДРД применяется обычно
для отключения компрессора при понижении
давления всасывания Р/
или повышении давления
нагнетания Р2.
Могут быть и другие
варианты использования прибора. Принцип
действия его основан на уравновешивании
сил давления, действующих на сильфоны,
силами упругих
деформаций пружин и сильфонов.
7.
Дифференциальные
манометры (дифманометры)
применяют в различных отраслях
промышленности для измерения перепада
давления, расхода жидкостей, газов
и пара по перепаду давления в сужающем
устройстве и уровня жидкости, находящейся
под атмосферным, избыточным или
вакуумметрическим давлением. Кроме
того, некоторые типы дифманометров
используются в качестве тягомеров,
напоромеров и тягонапоромеров.
Ниже
рассматриваются выпускаемые дифманометры
следующих типов: колокольные,
кольцевые, поплавковые, мембранные и
сильфонные.
Эти приборы в зависимости от наличия
(или отсутствия) устройства для отсчета
и дистанционной передачи показаний
(электрической, пневматической и
др.) подразделяются на следующие
разновидности:
1.
Дифманометры
с отсчетными устройствами,
у которых перемещение чувствительного
элемента (подвижных частей механизма),
вызываемое действием давления или
разности давлений, непосредственно
или при помощи дополнительных устройств
в самом приборе используется для
показания или записи.
2.
Дифманометры
с отсчетными устройствами или без
них,
снабженные передающими преобразователями
с унифицированными выходными сигналами
переменного тока и составляющие с
вторичными взаимозаменяемыми
приборами отдельные измерительные
комплекты.
3. Дифманометры с
отсчетными устройствами или без них,
снабженные передающими преобразователями
с унифицированными выходными сигналами
постоянного тока или пневматическим
сигналом и предназначенные для работы
с взаимозаменяемыми вторичными
показывающими и самопишущими приборами
и регуляторами, а дифманометры с выходным
сигналом постоянного тока — с
информационно-вычислительными
машинами.
Указанные выше
дифманометры или вторичные приборы,
работающие в комплекте с ними, могут
иметь дополнительные устройства для
сигнализации, интегрирования и др.
Дифманометры
колокольные могут быть использованы
для измерения расхода газа по перепаду
давления в сужающем устройстве. Эти
дифманометры можно применять также для
измерения малых избыточных и
вакуумметрических давлений газа, а
также перепадов давления.
Наибольшее
распространение из числа колокольных
дифманометров получили приборы,
использующие один колокол, плавающий
в жидкости и перемещающийся под
воздействием давления или разности
давлений газа. Таким образом, перемещение
колокола может
служить мерой измеряемого давления или
перепада давления газа. Бывают
колокольные дифманометры с двумя
колоколами
и двухжидкостные,
но они распространения не получили.
В приборах с
колоколом, свободно плавающим в жидкости,
измеряемый перепад давления уравновешивается
силой, возникающей вследствие
увеличения силы тяжести при его подъеме.
Этот способ уравновешивания обычно
называют гидростатическим.
Уравновешивание
измеряемого давления или перепада
давления, воспринимаемого колоколом,
может осуществляться с помощью
специального груза или упругими
силами винтовой пружины. Такой способ
уравновешивания обычно называют
механическим. Способ уравновешивания
с помощью груза широкого распространения
не получил и в приборах, выпускаемых
в настоящее время, не реализуется.
дифманометров колокольных с
гидростатическим уравновешиванием
колокол должен быть толстостенным и с
достаточно большой рабочей площадью.
В качестве разделительной жидкости
в этих приборах применяют ртуть.
Колокольные дифманометры этого типа
в настоящее время не изготовляют и не
применяют, У дифманометров колокольных
с уравновешиванием упругими силами
винтовой пружины колокола изготовляют
тонкостенными, а в качестве разделительной
жидкости применяют трансформаторное
масло. Форма колоколов у дифманометров
колокольной системы может быть
разнообразной, но в большинстве случаев
колокола выполняются цилиндрической
формы, ход которых пропорционален
измеряемому давлению или перепаду
давления. Имеются также дифманометры
с колоколами, внутренние стенки которых
имеют профилированную форму, ход этих
колоколов пропорционален квадратному
корню из значения измеряемого перепада
давления. Дифманометры этого типа
вследствие сложности изготовления
профилированного колокола и необходимости
применения в качестве разделительной
жидкости ртути распространения не
получили.
Рассмотрим
колокольный дифманометр, схематически
показанный на рис. 12-2-1. У этого прибора
колокол, подвешенный на постоянно
растянутой винтовой пружине, частично
погружен в разделительную жидкость
(трансформаторное масло), налитую в
сосуд.
Дифманометры
кольцевые применяют в промышленности
для измерения расхода газа по перепаду
давления в сужающем устройстве.
Дифманометры этого типа используются
также для измерения малого вакуумметрического
и избыточного давления газа.
Схема дифманометра
кольцевого показана на рис. 12-3-1.
Дифманометр
представляет собой замкнутое полое
кольцо, разделенное
ерху
непроницаемой перегородкой, а в нижней
своей части на угол, равный ά, заполненное
разделительной жидкостью (водой или
трансформаторным маслом). Кольцо
может поворачиваться на некоторый угол
φ (обычно 40—50°) около оси, перпендикулярной
плоскости окружности. “Осью кольца
является опорная призма (одна или две),
расположенная в центре кольца и
опирающаяся на стальную подушку
(одну или две), заделанную в кронштейне,
который на схеме не показан. К нижней
части кольца прикреплен груз G,
который
создает противодействующий момент
и определяет максимальное значение
угла поворота кольца при заданном
верхнем пределе измерения разности
давлений.
Давления
р1
и
р2
к обеим полостям кольца, образованным
перегородкой и разделительной
жидкостью, подводятся посредством
гибких резиновых трубок. Противодействующий
момент, создаваемый резиновыми
трубками, мал и не оказывает существенного
влияния на угол поворота кольца.
Подвижная система дифманометра до
заполнения кольца разделительной
жидкостью и снятом грузе G
балансируется с помощью специальных
грузов так, чтобы центр тяжести подвижной
системы совпадал с осью вращения.
Дифманометры
поплавковые изготовляют по типу
жидкостных чашечных приборов, рассмотренных
выше. Сосуды поплавковых дифманометров
располагают обычно U-образно.
У дифманометров этого типа измеряемый
перепад давления уравновешивается
давлением столба рабочей жидкости
(ртути или трансформаторного масла),
залитой в прибор. Измерение высоты этого
столба осуществляется с помощью
поплавка, передающего положение
уровня рабочей жидкости в одном из
сосудов на отсчетное устройство.
Передача хода от поплавка к отсчетному
устройству может быть осуществлена
механическим путем или с помощью
электрического преобразователя на
вторичный показывающий (самопишущий)
прибор. У дифманометров с масляным
заполнением поплавок выполняют
пустотелым. Дифманометры с ртутным
зап
олнением
предназначены для измерения: расхода
жидкости, газа и пара по перепаду давления
в сужающем устройстве; перепада
давления жидкости и газообразных сред;
уровня жидкости, находящейся под
атмосферным, вакуумметрическим или
избыточным давлением.
Рассмотрим
принципиальную схему дифманометра
поплавкового с цилиндрическими
сосудами, расположенными U-образно
(рис. 12-4-1). Здесь большее давление р1
подается
в широкий (плюсовый) сосуд, а меньшее
р2
действует на поверхность рабочей
жидкости другого сосуда, называемого
минусовым или сменным. Для получения
необходимой перестановочной силы
диаметр поплавка должен иметь достаточные
размеры. Диаметр поплавка в свою очередь
определяет оптимальные размеры площади
поперечного сечения сосуда, в котором
он находится. Размеры минусового сосуда
(диаметр и высота) обычно выбираются.в
зависимости от измеряемого перепада
давления.
Таким
образом, изменяя у поплавковых
дифманометров этого типа только размеры
минусового сосуда, представляется
возможность менять верхние пределы
измерений в широком интервале от 0,063 до
1,0 кгс/см2
(от 0,0063 до 0,10 МПа), что является большим
достоинством поплавковых дифманометров
с сосудами, расположенными U-образно,
Под
действием измеряемой разности давлений
р1
—
р2
рабочая
жидкость в минусовом (сменном) сосуде
поднимается на высоту h1
а
в широком (плюсовом) сосуде опустится
на высоту h2.
Тогда
разность уровней рабочей жидкости
в сосудах будет равна:
Если
f—
площадь сечения сменного сосуда, a
F
—
широкого сосуда, то равенство объемов
дает:
где
D
— внутренний
диаметр широкого сосуда, м; d
— внутренний
диаметр сменного сосуда, м.
Уравнение равновесия
рабочей жидкости в дифманометре имеет
где
рр
— плотность рабочей жидкости, кг/м3;
рВ
— плотность вещества, находящегося
над рабочей жидкостью, кг/м3.
Из уравнений (12-4-1) и (12-4-2) следует, что
Подставляя (12-4-4)
в уравнение (12-4-3), получаем:
Если считать, что
поплавок разгружен от действия сил
трения в механизме прибора и сил
поверхностного натяжения жидкости то
высота перемещения уровня жидкости в
широком сосуде А. будет одновременно
являться и высотой хода поплавка,
Решая
уравнение (12-4-4) относительно d,
получаем:
Значение
h,
соответствующее предельному номинальному
перепаду давления Δрн
дифманометра, в общем случае выражается
формулой
Дифманометры
с упругими чувствительными элементами.
Рассмотренные
выше дифманометры несмотря на их
существенные достоинства (длительный
срок службы и др.) и широкое применение
в промышленности обладают рядом
недостатков, обусловленных главным
образом наличием в этих приборах рабочей
жидкости. К числу основных недостатков
указанных приборов следует отнести:
большое запаздывание показаний, малые
рабочие частоты; возможность потери
части рабочей жидкости, например,
из-за односторонней перегрузки;
непригодность таких приборов для
нестационарных установок, например
судовых. Следует также отметить, что
для дифманометров с ртутным заполнением
к указанным выше недостаткам добавляются
еще вредность ртути и необходимость
производства работ при их ревизии в
специально оборудованных ртутных
комнатах.
Следует также
отметить, что за последние годы разработан
и освоен приборостроительной
промышленностью ряд новых конструкций
дифманометров с упругими чувствительными
элементами.
В качестве упругих
чувствительных элементов в выпускаемых
в настоящее время и широко используемых
в промышленности дифманометрах применяют
мембранные блоки, вялые (неметаллические)
мембраны с жестким центром, сильфоны и
сильфонные блоки.
Дифманометры
мембранные типа ДМ.
На
рис. 12-5-1 показана в упрощенном виде
схема устройства дифманометра типа ДМ.
Чувствительным элементом прибора
является мембранный блок,
состоящий
из двух мембранных коробок / и 3,
закрепленных
с обеих сторон в основании 2.
Основание
с верхней и нижней крышками корпуса
прибора образует две камеры: нижнюю —
«плюсовую» и верхнюю — «минусовую».
Внутренние полости мембранных
коробок, заполненные дистиллированной
водой, сообщаются через отверстие в
перегородке.
С
центром мембраны верхней коробки с
помощью немагнитного штока жестко
связан сердечник 4
дифференциально-трансформаторного
преобразователя 5. Сердечник находится
внутри разделительной трубки 6,
изготовленной
из немагнитной нержавеющей стали.
В дифманометре
предусмотрено устройство, которое
позволяет перемещать преобразователь
вдоль разделительной трубки для
первоначальной корректировки нулевого
значения выходного параметра. Во время
эксплуатации дифманометров корректировка
нуля производится корректором нуля
вторичного прибора.
авления
р1
и р2
к камерам дифманометра подводятся через
два запорных вентиля, расположенных на
вертикальных трубках. Для сообщения
между собой плюсовой и минусовой камер
служит уравнительный вентиль, расположенный
ниже запорных вентилей. Под воздействием
разности давлений р1—
р2
нижняя
мембранная коробка сжимается, жидкость
из нее перетекает в верхнюю коробку,
вызывая перемещение центра мембраны
верхней коробки, а вместе с тем и
сердечника дифференциально-трансформаторного
преобразователя. Это перемещение
приводит к изменению взаимной
индуктивности между первичной и вторичной
обмотками преобразователя, а следовательно,
и к изменению напряжения на выходе
его пропорционально измеряемому перепаду
давления.
Если фактический
перепад давления превышает предельный
номинальный перепад давления
дифманометра или одна’ из мембранных
коробок находится под воздействием
односторонней перегрузки, повреждения
(разрушения) коробки не произойдет, так
как мембраны этой коробки сложатся по
профилю, вытеснив всю жидкость во вторую
коробку.
Изменение объема
жидкости, заполняющей мембранный блок,
под влиянием температуры окружающего
воздуха не вызывает перемещения
центра мембраны верхней коробки.
В зависимости от
значения предельного номинального
перепада давления в дифманометрах ДМ
устанавливаются мембранные блоки
необходимой жесткости.
