Файл: Федеральное агентство морского и речного транспорта федеральное государственное бюджетное образовательное.docx
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 04.05.2024
Просмотров: 11
Скачиваний: 0
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО МОРСКОГО И РЕЧНОГО ТРАНСПОРТА
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ
УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
МОРСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
имени адмирала Г.И. Невельского
(МГУ им. адм. Г.И.Невельского)
А. Л. Чемодаков
Датчики давления
Учебно-методическое пособие
Владивосток
2022
Датчики давления
Общие сведения
Давлением называют отношение силы, действующей перпендикулярно поверхности, к площади этой поверхности. Давление - одна из основных величин, определяющих термодинамическое состояние веществ. Давлением во многом определяется ход технологического процесса, состояние технологических аппаратов и режимы их функционирования. С задачей измерения давления приходится сталкиваться при измерениях некоторых технологических параметров, например расхода газа или пара, при изменяющихся термодинамических параметрах, уровня жидкости, и др.
Р
азличают следующие виды давления: атмосферное, абсолютное, избыточное и вакуум (разрежение) (Рис 1).
Рис.1. Виды давления,
Ризм – измеряемое давление; Ратм – атмосферное давление
Атмосферное (барометрическое) давление Рабс – давление, создаваемое массой воздушного столба земной атмосферы.
Абсолютное (полное) давление Рабс – давление, измеряемое относительно абсолютного нуля. За начало отсчета абсолютного давления принимают давление внутри сосуда, из которого полностью откачан воздух.
Рабс = Ратм + Ризб
Избыточное давление Ризб – разность между измеряемым и атмосферным давлениями, показывающая, насколько первое больше второго.
Ризб = Рабс – Ратм
Разрежение (вакуум) – разность между атмосферным и измеряемым давлением, показывающее, насколько второе меньше первого.
Для избыточного давления и разрежения за ноль принимается атмосферное давление.
В Международной системе единиц (СИ) за единицу давления принят паскаль (Па) - давление, создаваемое силой в 1 ньютон (Н), равномерно распределенной по поверхности площадью 1 м2 и направленной нормально к ней. Вследствие очень малой величины паскаля, на практике используются мегапаскали – МПа (106 Па). Разнообразие видов измеряемых давлений, а также областей их применения в технологии и научных исследованиях обусловило использование наряду с системной единицей давления и внесистемные и устаревшие единицы. К их числу относятся бар, миллиметр ртутного столба (торр), килограмм-сила на квадратный сантиметр (техническая атмосфера), метр водяного столба. Приблизительные соотношения этих единиц давления, следующие.
| Единицы измерения | МПа | Бар | кгс/см2 | м. вод. ст. | мм. рт. ст. (торр) |
| 1 МПа | 1 | 10 | 10 | 100 | 7500 |
| 1 бар | 0,1 | 1 | 1 | 10,2 | 750 |
| 1 кгс/см2 | 0,1 | 1 | 1 | 10 | 735 |
| 1 м. вод. ст. | 0,01 | 0,1 | 0,1 | 1 | 73,6 |
| 1 мм. рт. ст. | 1,3∙10-4 | 1,33∙10-3 | 1,36∙10-3 | 1,36∙10-2 | 1 |
Таблица 1
Классификация датчиков давления
Датчики давления, используемые в системах регулирования, управления, сигнализации и защиты, можно разбить на две группы: деформационные и электрические (Рис. 2).
В деформационных датчиках давление определяется по деформации чувствительного упругого элемента. В зависимости от конструкции этого элемента различают мембранные, сильфонные и пружинные датчики.
В электрических датчиках давление преобразуется в параметры электрического тока (напряжение, силу, частоту). Хотя стоит отметить, что первоначальным является также преобразование давления в деформацию упругого элемента. В зависимости от того, какие явления и
свойства используются для дальнейшего преобразования, электрические датчики делятся на пьезоэлектрические (пьезометры), тензометрические (тензометры), емкостные, индуктивные (Рис. 2). Представленные виды датчиков нашли наибольше применение в судовых устройствах автоматики.
Рис. 2. Классификация датчиков давления
Датчики, измеряющие разность двух давлений называют дифференциальными или дифманометрами.
Деформационные датчики
Мембранные датчики. Чувствительным элементом является мембрана – круглая тонкая пластина, прогибающаяся под действием давления (Рис. 3). Мембраны бывают упругие (обычно металлические) и эластичные – не обладающие собственной упругостью (обычно резиновые и резинотканные). Последние снабжаются возвращающей пружиной (Рис. 3, в) или используются для измерения разности давлений. Зависимость между прогибом мембраны и давлением нелинейная (Рис. 4).
Рис. 3. Виды мембран: а) – плоская; б) – гофрированная; в) – гофрированная с «жестким» центром и возвращающей пружиной, 1 – выходной шток;
2 – мембрана; 3 – гофр; 4 – «жесткий» центр;
5 – возвращающая пружина
Рис. 4. Статическая характеристика мембраны: а) плоской; б) гофрированной;
l – деформация (прогиб); Р– давление
Для уменьшения нелинейности уменьшают рабочий ход мембраны (до 10% от полного), используют гофрированные, с одним или несколькими гофрами (Рис. 3, б) и «жестким» центром (Рис.3, в), применяют в качестве возвращающих пружины переменной жесткости (например, конические). С увеличением глубины гофров нелинейность статической характеристики уменьшается (Рис. 5).
Рис. 5. Влияние глубины гофров на статическую характеристику мембраны (на примере металлической мембраны диаметром 108 мм с четырьмя гофрами глубиной Н)
Большим ходом обладают и мембранные коробки (Рис. 5, а), состоящие из двух гофрированных металлических мембран и блоки, состоящие из нескольких коробок (Рис. 5, б). Их обычно применяют для измерения небольших давлений.
В дифференциальных датчиках контролируемые давления подводятся с разных сторон мембраны, и ее перемещение является функцией разности этих давлений. Выходной шток, в этом случае имеет сальниковое уплотнение, либо перемещение мембраны передается наружу бесконтактными способами.
Рис. 5. Мембранная коробка – а); блок коробок – б)
Сильфонные датчики. Чувствительным элементом является сильфон, представляющий собой цилиндрический стакан, с горизонтальными гофрами на боковой поверхности (Рис. 6). Величина давления определяется по перемещению донышка сильфона при его сжатии под действием этого давления. При снижении давления сильфон разжимается под действием либо собственных сил упругости, либо упругости возвращающей пружины. Пружина может быть установлена как внутри сильфона, так и снаружи. Сильфоны изготовляют из бронзы различных марок, полутомпака, углеродистой стали, нержавеющей стали, алюминиевых сплавов и др.
К достоинствам сильфонных датчиков можно отнести практически линейную характеристику и большой рабочий ход. Однако они обладают меньшей чувствительностью, чем мембранные.
Сильфоны также используются для измерения разности давлений. В этом случае одно давление подается снаружи, второе – внутрь сильфона и разность давлений определяется по перемещению донышка сильфона.
Рис. 6. Сильфонные датчики давления: а) – без возвращающей пружины;
б) – с возвращающей пружиной; в) – дифференциальный датчик
Пружинные датчики. Чувствительным элементом является трубчатая пружина – упругая криволинейная металлическая полая трубка с сечением близким к овальному, один из концов которой запаян и имеет возможность перемещаться, а другой – жестко закреплен (Рис. 7). Под влиянием поданного избыточного давления во внутреннюю полость трубка раскручивается, а при снижении давления скручивается под действием сил упругости. Мерой давления является перемещение свободного конца трубки. Зависимость перемещения конца трубки от давления (статическая характеристика) – линейная. Применяются одновитковые (Рис. 7, а) (трубки Бурдона), многовитковые (Рис. 7, б) и спиральные трубчатые пружины. Увеличение числа витков приводит к увеличению хода свободного конца пружины за счет суммирования углов раскручивания каждого витка, что повышает чувствительность датчика. Недостатком датчиков с многовитковыми пружинами является увеличенные размеры и чувствительность к вибрации.
Рис. 7. Трубчатая пружина: а) – одновитковая (трубка Бурдона);
б) –многовитковая
Электрические датчики
В состав электрических датчиков входит упругий элемент (металлическая и резиновая мембрана), деформирующая под действием измеряемое давление. Далее эта деформация преобразуется в электрический сигнал (изменение параметров электрического тока) посредством использования различных явлений и свойств. Различают активные и пассивные датчики. Активные вырабатываю электрический ток, параметры которого зависят от величины деформации. Пассивным датчикам требуется подвод электрического тока, по изменению параметров которого определяется давление.
Пьезоэлектрические датчики (пьезометры). Принцип действия датчиков основан на пьезоэффекте – электрической поляризации диэлектрика при механической деформации и, следовательно, появлении на его поверхностях связанных электрических зарядов разных знаков. Эти заряды создают между противоположными гранями разность потенциалов, вызывающей появление электрического тока с напряжением, пропорциональным деформации и, соответственно, измеряемому давлению. Величина напряжения определяется выражением
U = (1/C)Q,
где С – емкость пьезоэлемента, Q – образовавшийся электрический заряд.
Создаваемое напряжение не велико. Его увеличение, а, следовательно, и повышение чувствительности, достигается использованием сборки из нескольких параллельно соединенных элементов или увеличением эффективной площади пьезоэлемента. Также для этого применяют усилители напряжения.
Пьезоэффектом обладают природные кристаллы (пьезокристаллы) – кварц, турмалин, титанат бария, а также искусственно созданные материалы – керамика (цирконат-титанат свинца) и некоторые полимеры.
На рисунке 8 схематично изображен датчик с двумя параллельно соединенными пьезокристаллами 1. Кристаллы разделены промежуточной
обкладкой – электродом 3 из латунной фольги, изолированной от корпуса самими кристаллами. Упругий элемент 2, под действием давления,
Рис. 8. Пьезоэлектрический датчик: 1 – пьезокристаллы; 2 – упругий элемент (обкладка); 3 – промежуточный электрод (обкладка); 4 –нижняя обкладка