Преобразователь Сопло-Заслонка

Принцип действия основан на изменении пневматического сопротивления при взаимном перемещении сопла-заслонки.

ПП – постоянное пневмосопротивление, УП – управляемое пневмосопротивление.

Когда заслонка полностью открыта, давление в камере 5 близко к нулю.

Когда заслонка приближается к соплу, то истечение газа из сопла в атмосферу уменьшается за счёт уменьшения зазора, поэтому давление в камере увеличивается в зависимости от перемещения заслонки и выходным давлением, показанным на графике(является не линейным, но имеет линейный «Рабочий» участок от 0, 1 до 0, 02 МПа) перемещение заслонки ∂ раб примерно 10 микрометров.

Пневматический преобразователь силы (рис. 25)

Он реализует метод уравновешивающего измерительного преобразования (метод сравнения). Он позволяет осуществлять преобразование любого параметра, который предварительно преобразован в силу. ЧЭ – чувствительный элемент, З – заслонка, ПУ- пневматический усилитель, С – сильфон, П – пружина. Принцип действия данного преобразователя основан на уравновешивании на измерительном рычаге некоторой силы, создаваемой ЧЭ под действием измеряемого параметра П силой, создаваемой системой отрицательной обратной связи. Под действием параметра П ЧЭ развивает силу Rx, которая воздействует на измерительный рычаг и создает относительно точки вращения 0 вращающий момент М1. При этом измерительный рычаг, на конце которого установлена З, поворачивается и занимает положение I. При этом заслонка приближается к соплу, и поэтому возрастает значение управляемого пневматического сопротивления. Истечение газов из сопла уменьшается. А поступающий дополнительные порции сжатого воздуха, увеличивают давление в камере А. это давление поступает на выход преобразователя и далее в ПУ, который увеличивает поступающий сигнал по мощности. С выхода снимается выходной сигнал Рвых. Этот же сигнал посылается в С – сильфон отрицательной обратной связи (см. ниже). Этот сильфон развивает под действием давления силу Rос, которая воздействует на рычаг в направлении, противоположном силе Rх. По мере работы системы, состоящей из рычага, сопла, заслонки, ПУ и сильфона обратной связи, на рычаге возникает уравновешивающий момент силы М2, рычаг поворачивает и занимает положение II. При этом заслонка располагается относительно сопла ближе, чем в нулевом положении. То есть здесь есть статическая погрешность. Однако она не изменяет точность преобразования, т.к. достигается равенство моментов сил М1 и М2 (ф.1-2). Записываем для моментов выражения 2 и 3, где L1 и l2 – длины плеч рычагов и считаем, что Rx пропорционален измеряемому параметру (4), где к – коэффициент преобразования ЧЭ, а также, записываем выражение 6, из которого следует выражение 7, где выходной сигнал такого преобразователя пропорционален измеряемому параметру П. К – коэффициент преобразования. Как видно его можно изменять путем изменения соотношения длин рычагов. Для получения унифицированного сигнала используется Пружина, с помощью которой добавляется к выходному сигнала начальный уровень – 0, 02 МПа (ф.8). Выходной сигнал такого преобразователя посылается в систему автоматического регулирования или на специальный или регистрирующий прибор (вторичный прибор), способный измерять давление. Дальность передачи до 300 м.

Электрический постоянного тока преобразователь системы ЕГСП.(рис. 26).

ДТр – дифференциальный трансформаторный преобразователь перемещений, К –катушка, М – магнит, ВП – вторичный прибор, В- магнитная индукция, I – ток через катушку, n – число витков. Принцип действия аналогичен предыдущему и конструктивно они выполняются одинаково, различие состоит в нашем случае в устройстве уравновешивания. Статическая система автоматического регулирования содержит Дтр (см. выше), ЭУ, катушку К, расположенную в поле постоянного магнита. Когда под действием силы Rx рычаг поворачивает относительно точки 0 по часовой стрелке, увеличивается коэффициент трансформации электрической энергии от первичной катушки к1 ко вторичной к2, а к3 уменьшается. Когда флажок Ф находится в нейтральном положении. Коэффициенты трансформации к2=к3. Поэтому разность, создаваемая в катушках ЭДС равна нулю. Когда же флажок приближается к к2, это условие нарушается и на входе ЭУ возникает сигнал, отличный от нуля. Этот сигнал усиливается усилителем переменного тока, преобразуется в постоянный ток и подается в катушку К и на выход преобразователя, например на ВП. Когда по катушке К протекает ток, вокруг неё возникает магнитное поле, оно взаимодействует с полем постоянного магнита М, в результате катушка создает силу Rос, которая постепенно уравновешивает момент М1 моментом М2. Все до ф.4. аналогично предыдущему случаю. Формула 5 описывает силу, возникающую на катушке. Используя выражения 6 и 7, находим выражение 8, из которого видно, что ток, создаваемый преобразователем, пропорционален измеряемому параметру П. Выходной сигнал может изменяться от 0 до 5 или 20 мА. А если надо создать начальный уровень сигнала 4 мА, то используется пружина. При токе 5 мА дальность передачи 5 км. При 20 мА – 20 км.

Классы точности этих двух преобразователей 0, 5 1 1, 5.

Частотный преобразователь ЕГСП

Он обеспечивает преобразование параметра в унифицированный частотный сигнал. Реализует прямой метод преобразования и сейчас почти не применяется.

Средства измерения давления

Давление характеризует степень напряженности механической системы. Под ним обычно понимают действие с силой, равномерно распределенной по поверхности и направленной к ней по нормали. Единицы измерения - [кгс/м^2, мм.рт.ст, Па].

Различают абсолютное давление Ра, барометрическое (атмосферное) Рб, избыточное Рn, давление вакуума Рр. Абсолютное определяется формулами (1), если оно больше атмосферного, и 2 если меньше. Для измерения используются приборы, которые часто называют манометрами. Более точная классификация включает средства измерений избыточных давлений (манометры), абсолютных давлений, средства измерения разряжений (вакуумметры), мановакууметры для измерения избыточных давлений и давлений разряжения. Дифференциальные манометры – измеряют разность давлений. Барометры – измеряют атмосферное давление. Напором еры – средства измерения небольших избыточных давлений. Тягомеры – средства измерений малых разряжений. Тягонапоромеры – средства измерения малых разряжений и малых избыточных давлений. По принципу действия принято разделять средства измерения на жидкостные, поршневые, механические, тепловые и электрические. Жидкостные применяются сейчас только в качестве образцовых (эталонных). Поршневые применяются как эталонные. Тепловые применяются редко. Самые распространенные – механические манометры (деформационные, пружинные).

Деформационные средства измерения давления

Принцип действия основан на явлении деформации механических элементов, которые называют пружинами.

Ч увствительные элементы деформационных средств измерения давления.

Существуют 3 типа: трубчатые пружины, мембраны и сильфоны.

Трубчатые пружины (рис. 27)

Эту трубку открыл ученый Бурдо. В простейшем случае трубчатая пружина содержит 1 виток. Она представляет собой трубку эллиптического или овального сечения, большая ось сечения перпендикулярна плоскости доски. Она укреплена в держателе 1, а свободный коней запаян. Если во внутреннюю полость трубки подавать избыточное давление, то эллиптическое сечение будет деформироваться и стремиться принять круглую форму. Применительно к трубке, если под действием давления меньшая ось сечения увеличивается, то участок А будет перемещать участок В, а участок В перемещает С, так накапливается деформация трубки, т.е. она раскучивается. Центральный угол гамма будет уменьшаться до гамма штрих. Изменение центрального угла пропорционально поступающему давлению. Коэффициент К остается постоянным да значений необратимых деформаций трубки. Информацию о значении давления получают по перемещению свободного конца трубки или по создаваемому ею усилию. Кроме одновитковых пружин существуют и другие, в частности пружины многовитковые (рис. 28).

Мембрана (рис. 29)

Мембраной называют пластину, укрепленную между двумя дисками, которая под действием давления деформируется. Простейшие мембраны (рис. А) при подаче одностороннего давления Р1 и разности давлений деформируется, её центр смещается на величину б. Линейная зависимость между деформацией б и давлением сохраняется в разумном диаметре мембраны (50-100мм) до значения 1мм. Если надо получить при тех же давлениях большую деформацию, линейно связанную с давлением, то применяют гофрированную мембрану (рис. Б). Здесь зависимость сохраняется до 4мм. Применяют также мембранные коробки (рис. Г), содержащие 2 гофрированные мембраны, сваренные по периметру или мембранные блоки (рис. Д), содержащие 2 коробки.

Сильфоны (рис. 30)

Он представляется собой цилиндр с гофрированными стенками. Сильфон имеет толщину стенки 0, 1-0, 3мм. При подаче во внутреннюю полость давления, если сильфон работает в свободном режиме, то его дно перемещается, т.к. суммарная деформация гофров складывается. Перемещение определяется формулой, где К – постоянный коэффициент. Если сильфон работает не в свободном режиме, действует на прибор, ограничивающий его перемещение, то создается сила F, применяем формулу 2.

Чувствительные элементы для низких и средних давлений изготавливаются из латуни, бронзы, сплавов томпак. А на большие давления из нержавеющей стали.

Деформационные приборы для измерений давлений (рис. 31)

На рисунке А – манометр с одновитковой трубчатой пружиной. При подаче давления во внутреннюю полость пружины 2. укрепленной на держателе 1, трубчатая пружина раскручивается. Её свободный конец перемещается (на 12 градусов максимум) и через тягу 3 это перемещение передается зубчатому сектору 4, который поворачивается вокруг точки О, и через зубчатую передачу поворачивает шестеренку 5, на оси которой 8 укреплена стрелка 6, которая перемещается по шкале 7. Элементы 3, 4, 5 выполняют функцию механического усилителя перемещений. Это позволяет при значении угла раскручиванию трубки 12 градусов, придать перемещение стрелке 270 градусов у технических манометров и 300 градусов у образцовых. Измеряемое давление минимальное 0-0, 1МПа, и максимальное 0-10^3МПа. Классы точности минимальный 0, 15, максимальный 4.

На рисунке Б – мембранный прибор для измерения давления. Здесь используется мембранная коробка 1. При подаче во внутреннюю полость её давления, она раздувается и перемещает шток 2, который шарнирно соединен стрелкой 3. Значение давления отсчитывается по шкале 4. Такие приборы обычно используются для измерения большого напора (до 10000 мм.вод.ст) или большой тяги, а также в случаях, когда коробка герметизирована, они используются для измерения атмосферного давления, в качестве барометров. Класс точности 1 - 2.

На рисунке В – сильфонный манометр. Здесь в держателе 1 закреплена сильфонная коробка 2, внутри которой размещен сильфон, снабженный винтовой пружиной 7. При подаче давления дно сильфона будет действовать на пружину. И последний будет деформироваться. При этом будет перемещаться шток 4 шарниров, соединенных со стрелкой 5. По шкале 6 наблюдаем значения давлений. Часто такие приборы снабжаются спрямляющим механизмом, который преобразует угловые перемещения стрелки в линейные. Винтовая пружина необходима для создания противодействующего усилия измеряемому давлению, т.к. жесткость самого сильфона мала. Эти приборы обеспечивают измерение средних давлений 0-0, 025МПа, 0-0, 4МПа и имеют класс точности 1 1, 5.

Деформационные преобразователи давления ЕГСП (рис. 32)

В преобразователях ЕГСП используются унифицированные силовые преобразователи силы Пр. на измерительным рычаге которых вызывается силы Rx, которая затем преобразуется в унифицированный сигнал. Для преобразования больших давлений (до 60МПа), используются одновитковые трубчатые пружины (рис. А), которые при перемещении свободного конца деформируют пружинку, а она развивает силу Rx. Для преобразования средних давлений (до 1МПа) используют сильфоны (рис. Б). Для преобразования малой разности давлений используется плоская мембрана М, с обеих сторон которой подаются большее давление Р1 (плюсовое) и меньшее Р2 (минусовое). Камеры, куда подается давления называются плюсовая и минусовая. Минимальное преобразуемое давление составляет 0-100Па. Для преобразования больших разностей давлений (до 0, 2МПа) используется мембранный блок МП, состоящий из двух коробок (РИС. Г). При подаче в плюсовую камеру давления, жидкость перетекает из нижней в верхнюю коробку, это вызывает силу Rx. Классы точности 0, 5 1 1, 5.

Пьезорезистивные преобразователи давления и разности давлений (рис. 33)

В их составе используются изученные ранее пьезорезистивные преобразователи силы. Они размещаются на мембранах из кремния или сапфира, причем они наносятся на мембраны методом клонарной технологии. Мембрана М изготовлена из сапфира или кремния, при использовании датчиков давления она испытывает деформацию. Тензорезисторы на мембране располагаются R1 и R3 по хордам и в них возникает при деформации напряжение одного знака. Резисторы R2 и R4 располагаются по радиусам, и эпюра напряжений для них зависит от точки, где это напряжение рассматривается. Под действием деформации мембраны возникает суммарное напряжение на резисторах, в результате изменяется их сопротивление. Т.к. они включены в схему неуравновешенного моста, то это вызывает его разбаланс. Мост питается от стабилизированного источника питания постоянного тока СИП, а разбаланс моста с диагональю bd посылается на электронный усилитель Ус. Его унифицированный сигнал несет информацию и деформации мембраны. Т.к. все Тензорезисторы имеют одинаковое сопротивление, то как показывает практика такой мембранный пьезорезистивные преобразователь силы мало чувствителен к изменениям температуры.

Схемы пьезорезистывных преобразователей давления и разности давлений (рис. 34)

Преобразователь давления (рис. А). В нем под действием измеряемого давления деформируется разделительная мембрана 6, которая передает усилие, возникающее за счет давления, через жидкость, которой заполняется внутренность датчика, металлической мембране 2, на которой укреплен пьезорезистивные преобразователь 3. При деформации мембраны 2, деформируется и преобразователь 3. Возникающий при этом сигнал с помощью усилителя 4 преобразуется в унифицированный. Мембрана 7 служит для предотвращения разрыва устройства при сжатии жидкости. Защитная поверхность 5 выполняется такой же конфигурации, как и мембрана 6. При подаче преобразователю не допустимого значения давления, эта мембрана ложится на поверхность 5 и предотвращается её разрыв. Рисунок Б – преобразователь разности давлений. Мембраны 7 и 6 соединены общим штоком 8, который при увеличении давления Р1, перемещается влево. Через заплечико 9 это перемещение передается рычагу 11. А через него консольной балкой 10, на которой укреплен пьезорезистивный преобразователь. Так разность давлений Р1 и Р2 преобразуется в унифицированный сигнал. Здесь две защитные поверхности 5. Классы точности 0, 25 0, 5 1. Диапазоны измерений датчиков давления (рис. А) – до 100МПа. Для рисунка Б – от 10Па до 2, 5МПа.

Емкостные преобразователи давления и разности давлений (рис. 35)

В составе этих измерительных устройств используются емкостные преобразователи перемещений. В данной преобразователе под действием разности давлений, например Р1> Р2. перемещается мембрана 6. Она передает усилие через жидкость, заполняющую внутреннее пространство, плоской мембране 4, которая деформируется. Избыток жидкости перемещает под мембрану 7, тем самым предотвращается разрыв мембраны. Жидкость перемещается как единое целое. При этом между мембраной 4, которая служит одной обкладкой конденсатора, и обкладкой 3, нанесенной на внутреннюю поверхность корпуса 1. емкость уменьшается, т.к. расстояние увеличивается. Между мембраной 4 и обкладкой 2, расстояние уменьшается, поэтому емкость увеличивается. Здесь используется дифференциальный емкостной преобразователь перемещения. Емкость С1 и С2 воспринимают специальным усилителем 5, который вырабатывает унифицированный выходной сигнал. Поверхности 8 служат для защиты мембран 6 и 7 от перегрузки. Классы точности 0, 25 0, 5 1. Диапазоны измерений – по разности давлений 0-0, 025кПа, а по давлению до 25МПа.

Средства измерений температуры.

Понятие температуры и температурные шкалы.

Температура означает состояние. Температура определяется как физическая величина, характеризующая термодинамическое состояние объекта и связана с внутренней энергией среды. Часто под температурой понимают степень нагретости тела. Понятие температуру относится физически к множеству молекул или атомов. От неё зависят многие физические процессы и химические реакции. Этим определяется важность её контроля для технологического процесса. Для измерения температуры долго использовались разные термометры и соответствующие им шкалы. Шкала Цельсия, Фаренгейта, Реомюра…. До определенного времени они удовлетворяли по точности требованиям промышленности и исследовательских организаций. Все они в качестве главных реперных точек использовали температуру таяния льда и температуру кипения воды. Затем этот диапазон представлялся некоторым количеством градусов. Объяснялось все тем, что термоэлектрические свойства, заполняющих термометры жидкостей, были различны. Кельвин предложил использовать в качестве абстрактного термометра машину Карно. Её КПД не зависит от того, на каком веществе она работает. Тем самым было доказано, что принципиально можно построить термоменты, показания которого не будут зависеть от термоэлектрической среды. Т.к. машина Карно является не реализуемой, то и такой термометр тоже абстракция. Предложенная Кельвином шкала получила название абсолютной термодинамической шкалы температур. Потом было предложено использовать газовый термометр, работа которого базируется на уравнении состояния газа – уравнении Клайперона-Менделеева. Однако газовые термометры представляются очень сложными приборами. Которые могут корректно эксплуатироваться метрологическими организациями. Было предложено для создания температурной шкалы использовать чистые вещества, предварительно измерив их температуры кипения и плавления. На этом основании была предложена международная практическая температурная шкала. Основными точками являются 11 точек и 27 вспомогательных. Для определения температур плавления и кипения были использованы газовые термометры. Которые имелись в распоряжении ведущих стран мира. Затем результаты измерений для каждого вещества были усреднены и используются сейчас для воспроизведения этой шкалы. Сейчас используется шкала Кельвина и шкала Цельсия (100-градусная шкала).

Дилатометрические и биметалические средства измерения температуры (рис. 36)

Принцип действия основан на явлении расширения твердых тел (обычно металлов) под действием температуры. Известно, что при нагревании металлы расширяются примерно линейно. Lt-длина по температуре t, альфа – коэффициент теплового линейного расширения. Дилатометрический термометр (рис. А) или преобразователь содержит цилиндрический кожух 1, изготовленный из металла с большим альфа. В его внутренне полости расположен инваровый стержень 2 (инвар – сплав, температурный коэффициент расширение его близок к нулю). Кожух 1 закреплен на корпусе 3. при нагревании кожух расширяется и увлекает за собой приваренный к нему инваровый стержень 2. Перемещение свободного конца этого стержня через механическую передачу передеется на стрелку 4, их можно наблюдать по шкале 5. В преобразователях температуры такого типа перемещение свободного конца стержня 2 с помощью преобразователя П преобразуется в один из унифицированных сигналов. Диапазон измерений -330 - +1000 градусов. Класс точности 1-3. Дилатометрический термометры и преобразователи в качестве чувствительного элемента используют биметаллическую пластину. Она состоит из двух металлов, которые сварены по всей поверхности (рис. Б). При нагревании такая пластина изгибается в сторону металла с меньшим значением коэффициента теплового линейного расширения. У нас это металл 2. Обычно из такой пластины изготавливают спирали (рис. В) – гелексы. Один конец спирали 2 приваривается к кожуху 1, а второй к оси 3. при нагревании спираль 2 раскручивается и поворачивает ось 3, а с ней вместе и стрелку 4 вокруг вертикальной оси. Результат измерений наблюдаем по шкале 5, а при необходимости перемещение угловые оси 3 преобразуются в унифицированный сигнал преобразователем П. Метрологические характеристики идентичны характеристикам дилатоэлектрических приборов.

Манометрические средства измерения температуры (рис. 37)

Принцип действия манометрических газовых и жидкостных термометров основан на явлении расширения газа или жидкости при нагревании. (рис. А). они состоят из термобаллона 1 – это емкость, диаметром 20-30мм и длиной 60-80см, Капилляра 2, диаметром 200-500мкм, и манометрического чувствительного пружинного элемента 3. В газовых термометрах во внутреннюю полость данного устройства закачивается газ при давлении 1-3МПа. Это азот или гелий. При нагревании термобаллона, газ расширяется. Если баллон не деформируется, то в системе увеличивается давление (см. изохорный процесс). Обычно такие приборы используются для измерения температуры в диапазоне -150 – 600 градусов. Аналогичный по конструкции жидкостной манометрический термометр. Он заполняется разными органическими жидкостями – толуолом, ксилолом, силиконовыми жидкостями…. При изменении температуры от -150 до +300 градусов. Ртутью для измерений от -30 до +600 градусов. Причем для предотвращения вскипания, она заполняется под давлением 10-15МПа. Недостаток газовых – необходимость использования больших термобаллонов. Для уменьшения погрешность, связанной с изменением температуры газа в капилляре и трубке 3. Недостаток жидкостных – необходимость учета взаимного расположения термобаллона и чувствительного элемента, т.к. при это надо учитывать гидростатическое давление столба жидкости. Парожидкостные манометрические термометры (рис. Б). принцип действия основан на измерении давления насыщенный паров легкокипящей жидкости при изменении температуры. Термобаллон 1 частично заполняется жидкостью, а капилляр 2 и манометрический элемент заполняются парами этой жидкости. При нагревании давление насыщенных паров увеличивается в соответствии с кривой упругости (рис. В) для данной жидкости. Важным свойством таких измерительных свойств является то, что погрешность от изменения температуры капилляра и трубчатой пружины не возникает по причинам:

• Если при некоторой постоянной температуре баллона 1 происходит одновременное изменение температуры капилляра 2 и пружинного элемента 3 (например, уменьшение), то часть паров из баллона 1 будет перемещаться в капилляр и пружину 3, будет происходить испарение жидкости до тех пор, пока в соответствии с кривой упругости во всей системе не установится давление насыщенных паров, соответствующее измеряемой температуре.
• Такое явление позволяет изготавливать Термобаллоны парожидкостных конденсационных термометров очень малыми, при этом не возникают погрешности от изменения температуры капилляра и манометрической пружины. Термобаллоны заполняются пропаном, эфирами…. Диапазон измерений от -30 до +350. недостаток – нелинейность статической характеристики. Длина капилляров до 60 м. Для увеличения точности, а именно исключения погрешности от воздействия температуры на капилляр и манометрический элемент, используются датчики температуры (рис. Г) с унифицированными преобразователями. Здесь манометрический элемент 3 подключается к измерительному рычагу Ир преобразователя силы ЕГСП. При этом длина капилляра сводится к минимуму, а передача информации на расстояние осуществляется по проводам или пневмопроводу. Классы точности 0, 5 1 1, 5.

Термоэлектрический преобразователь (термопары) рис. 38.

Принцип действия основан на явлении возникновении ЭДС в спаи двух проводников или полупроводников, при воздействии на неё температуры. Он состоит обычно из проводника А и В, которые имеют разную концентрацию свободных электронов. Спай, находящийся при измеряемой температуре t – горячий, он размещается в объекте измерения. Другой спай – холодный. Сущность появления ЭДС в спае из двух металлов обычно объясняется разной концентрацией в них свободных электронов (рис. А и Б). На рисунке А показано явление возникновение ЭДС в спае двух металлов. Металл А содержит больше электронов, что металл В. Поэтому за счет разности концентраций при соприкосновении металлов, электроны из металла а начинают перемещаться в металл В. Это происходит пока при данной температуре между металлами не возникнет ЭДС, которое будет препятствовать дальнейшему переходу электронов. При этом металл А заряжается положительно. При увеличении температуры. ЭДС может увеличиваться. Кроме явления возникновения разности потенциалов в спае было установлено, что при нагревании проводника А, например, электроны переходят из более нагретого конца к холодному (рис. Б). При этом между концами тоже возникает разность потенциалов. Горячий конец заряжается положительно, а холодный отрицательно. Суммарный ЭДС, который создает ток в контуре ТЭП, определяется разность ЭДС, возникающих в горячем и холодном спае (ф.1). Как видно из формулы, это ЭДС зависит от двух температур, а именной измеряемой и окружающей. Для получения информации об измеряемой температуре надо температуру холодного спая поддерживать постоянной. Только тогда ЭДС термопары будет зависеть только от измеряемой температуры. Если же температуры холодного спая изменяется, то это надо учитывать при использовании ТЭП.

Введение поправки на изменение температуры холодного спая (рис. 39)

Обычно для более точных измерений надо учитывать тот факт, что статическая характеристика ТЭП нелинейна. Порядок введения поправки на температуру холодного спая такой:

• С помощью вспомогательного термометра (например, стеклянного термометра) измеряется температура t0’ в воздухе или в масле. Где располагается холодный спай. Далее измеряется ЭДС, который создает термопара, работая между tизм и t0’. Далее ход определения показан на рисунке стрелками. По суммарному значению (ф.2), использую график статической характеристики или таблицы находят измеряемую температуру.