Средства измерения давления

На рисунке 2.2 представлен внешний вид устройства терморегулирующего дилатометрического электрического типа ТУДЭ. Эти устройства предназначены для регулирования температуры жидких и газообразных сред в системах автоматического контроля и регулирования. Чувствительный элемент устройств монтируется в защитном кожухе, изготовленном из материала, стойкого в регулируемой среде. Устройства изготавливаются с размыкающими Р или замыкающими З контактами. Основная допустимая погрешность срабатывания от 1,5 до 4,0 %.

Рис. 2.2.Устройство терморегулирующее дилатометрическое электрическое типа ТУДЭ

Рис. 2.3.Биметаллический термометр

Чувствительный элемент биметаллического термометра (рис. 2.3., 2.4 ) представляет собой две металлические ленты 1, соединенные между собой. При этом один из металлов имеет высокий коэффициент температурного расширения, другой – низкий. При деформации чувствительного элемента перемещение его конечной части передается стрелке 3 через рычажную систему на шкалу 2. Эти термометры используются в холодильных установках, для измерений температуры в помещениях. Класс точности приборов 2,0. Диапазон измерений –200¸700 °С.

Рис. 2.4.Биметаллический термометр, закреплённый на корпусе расстойного шкафа ШР-1.

Принцип действия манометрических термометров основан на использовании зависимости величины давления вещества при постоянном объеме от температуры.

В зависимости от применяемого вещества они подразделяются на жидкостные, газовые и конденсационные.

Термобаллон манометрического термометра обычно изготавливают из нержавеющей стали, а капилляр – из медной или стальной трубки с внутренним диаметром от 0,15 до 0.5 мм. В зависимости от условий применения прибора длина капиллярной трубки может быть различной (до 60 м).

Манометрические термометры просты в эксплуатации, взрыво- и пожаробезопасны.

Рис. 2.5.Устройство манометрического термометра:

- манометрическая часть состоит из одновитковой пружины (1), представляющей собой трубку с плоскоовальным или эллиптическим сечением, согнутую по дуге окружности на 180-270° (один конец трубчатой пружины жестко соединен с держателем, укрепленным в корпусе прибора, свободный конец пружины закрыт пробкой и запаян) и передаточного механизма, состоящего из зубчатой шестерни (2 ), на оси которой закреплена стрелка, поводка (3), зубчатого сектора (4) сцепленного с шестерней. Манометрическая часть заключена в специальном корпусе

- капиллярная трубка (5), защищенная металлическим рукавом

- термобаллон (6 ), заполненный рабочим веществом (газом: азотом, аргоном или гелием – газовые термометры; жидкостью: полиметилксилоксановые жидкости – жидкостные термометры; фреоном, метилхлоридом, ацетоном – конденсационные термометры).

При нагревании термобаллона в замкнутом объеме возрастает давление рабочего вещества. Под действием давления трубчатая пружина несколько распрямляется, свободный ее конец перемещается и тянет за собой поводок, который через передаточный механизм вызывает перемещение стрелки по шкале прибора. Раскручивание трубчатой пружины обусловлено тем, что при увеличении давления ее эллиптическое или плоскоовальное сечение стремиться перейти в круглое. В пружине возникают внутренние напряжения, приводящие к ее раскручиванию и перемещению свободного конца. В манометрических термометрах применяют также многовитковые (с числом витков от 6 до 9) и спиральные трубчатые пружины.

ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ТЕРМОМЕТРЫ:

Принцип действия термоэлектрических термометров основан на свойстве металлов, сплавов и некоторых неметаллических материалов создавать термоэлектродвижущую силу (ТЭДС) при нагревании места соединения (спая) двух разнородных проводников или полупроводников.

Простейшая термоэлектрическая цепь из двух разнородных электропроводов, концы которых соединены, называются термопарой. Обычно она помещается в чехол, и вся конструкция образует термоэлектрический термометр.

К материалам, применяемым для изготовления термопар, предъявляются определенные требования:

- устойчивость к воздействию высоких температур,

- постоянство ТЭДС,

- большая электропроводность,

- воспроизводимость термоэлектрических свойств, что обеспечивает взаимозаменяемость,

- небольшой температурный коэффициент сопротивления и др.

Рис. 2.6. Устройство термоэлектрического термометра:

1 — головка; 2 — заливка; 3 — элементы крепления термопреобразователя;

4 — защитная арматура; 5 — трубка; 6 — электроды; 7 — керамический наконечник; 8 — рабочий спай; 9 — сборка; 10 — герметизированный ввод; 11 — удлиняющие провода; 12 — зажимы; L — монтажная часть.

Электроды (6) термопреобразователей ТХК и ТХА общепромышленного назначения обычно выполняются из проволоки диаметром, обеспечивающим пренебрежимо малое сопротивление термопары и достаточную механическую прочность. Рабочий спай (8) обычно выполняется сваркой. Для изоляции термоэлектродов используют кварцевые (до 1000 °С) или фарфоровые (до 1400 °С) трубки или бусы. При более высоких температурах применяются оксиды металлов: алюминия, магния, бериллия и т.п. На приведенном рисунке в качестве изолятора изображена трубка (5), представляющая стержень с двумя продольными отверстиями, в которые пропущены электроды. Рабочий спай может быть защищен керамическим наконечником (7). Материалом защитной арматуры (4) обычно является нержавеющая сталь (до 900 °С), при высоких температурах используются специальные сплавы. Арматура заканчивается головкой (1), в которой расположена сборка (9) с зажимами (12), к которым подведены электроды термопары и через герметизированный ввод (10) — термоэлектродные удлиняющие провода (11). Внутренняя полость защитной арматуры может быть герметизирована заливкой (2) в верхней части. На наружной поверхности арматуры могут располагаться элементы (3) (например, штуцера) для крепления защитной арматуры к объекту. Защитная арматура может не иметь штуцера, либо штуцер может быть подвижным (при невысоких давлениях контролируемой среды). Длина монтажной части L различных модификаций составляет (0,08...2,5) м, диаметр рабочей части (5...25) мм.

Рис. 2.7.Термоэлектрический термометр, состоящий из термоэлектрического преобразователя температуры (термопары) и измерительного прибора.

Термопары могут комплектоваться специальными измерительными преобразователями, с помощью которых на выходе можно иметь стандартный унифицированный сигнал, передаваемый на ЭВМ. Такими стандартными сигналами являются токовые 0-5, 0-20, 4-20 мА и вольтовые 0-5, 0-10 В.

Для измерения термоЭДС в комплектах термоэлектрических термометров применяют милливольтметры, потенциометры и микропроцессорные приборы.

Достоинства термоэлектрических термометров: широкий температурный диапазон; простота производства; низкая стоимость; износоустойчивость; не требуется дополнительных источников энергии.

Недостатки: нелинейная характеристика первичного измерительного преобразователя; относительно низкая стабильность; низкая чувствительность; измерение низких ЭДС может осложниться электро-магнитными шумами и наводками; необходима компенсация холодных спаев.

Интеллектуальные датчики температуры конструктивно разработаны на основе термопреобразователя сопротивления или термопары. Микропроцессорное устройство, встроенное в датчик позволяет обрабатывать большие объемы информации с высокой скоростью. Такой датчик способен самостоятельно подстраиваться под условия эксплуатации и непрерывно регулировать свою работу, обрабатывать данные не только выходного сигнала от термопреобразователя сопротивления или термопары, но и проводить непрерывную диагностику, отслеживать неисправности; осуществлять цифровую обработку сигнала от первичного преобразователя и передавать сигнал преобразованный в измеряемую физическую величину.

Рис. 2.8.Интеллектуальный датчик температуры ТСТ11

Интеллектуальный датчик температуры ТСТ11 предназначен для измерения температуры различных газообразных, сыпучих и жидких сред. ТСТ11 измеряет температуру с помощью чувствительного элемента, преобразует измеренную температуру и выдает ее значение в цифровом коде по последовательному интерфейсу RS-485.

Основным достоинством датчиков ТСТ11 является возможность их работы в составе распределенной системы АСУ ТП на основе единой полевой сети RS-485.

Использование ТСТ11 позволяет повысить точность измерений и получить существенную экономию на монтажных работах. Значительно облегчается создание систем температурного контроля в случаях, когда затруднена прокладка кабельных трасс для традиционных датчиков.

Выпускаются четыре модификации датчика, отличающиеся диапазоном измеряемых температур Конструктивно ТСТ11 не отличаются оттермопреобразователей сопротивлений или термопар.

ТЕРМОПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ (ТЕРМОМЕТРЫ) СОПРОТИВЛЕНИЯ:

У термопреобразователей (термометров) сопротивления величина сопротивления связана с температурой и измерение основано на зависимости электрического сопротивления (R) проводников и полупроводников от изменения температуры (t):

Платиновые термометры сопротивления предназначены для диапазона температур -200¸600 °С, медные -50¸250 °С.

Длина чувствительного элемента платинового термометра 30-120 мм, медного – около 60 мм.

Чувствительные элементы платиновых термометров сопротивления (ТСП) изготовляются из проволоки диаметром 0,04-0,07 мм и длиной 2 м, намотанной на слюдяную пластинку. Выводы выполняются из серебряной проволоки. Чувствительней элемент помещается сначала в алюминиевую трубку, а затем – в защитную со штуцером.

Чувствительные элементы медных термометров сопротивления (ТСМ) изготовляются из эмалированной проволоки диаметром 0,1 мм, многослойно намотанной на пластмассовый цилиндрический стержень длиной 40 мм и диаметром 1,0-З,0 мм.

Для защиты чувствительного элемента используется стальная трубка. Недостатки меди: окисляемость при температуре выше 100°С, малое удельное сопротивление.

Рис. 2.9.Промышленный термометр сопротивления.

Основными элементами промышленного термометра сопротивления являются корпус (тело) 5 и головка 2. Тело на монтажную длину L помещается в контролируемый объект (40-3150 мм). В теле находится чувствительный элемент 4, который соединительными проводами, изолированными фарфоровыми бусинами 6 соединен с клеммами 1, находящимися в головке. Штуцер 3 служит для крепления термометра на объекте. С измерительным прибором термометр соединяют с помощью клемм через сальниковое уплотнение 7.

Рис. 2.10. Внешний вид платинового термометра сопротивления.

Полупроводниковые термометры сопротивления применяют, главным образом, в приборах позиционного регулирования температуры.

Помимо термометров сопротивления в пищевой промышленности в настоящее время нашли широкое применение полупроводниковые измерители температуры, которые также называют термисторами. Существенным их преимуществом является большой температурный коэффициент К^-1, что позволяет изготовлять их небольших размеров. Диапазон измерения для этого типа приборов составляет -60¸180°С. Температурный коэффициент отрицателен, т.е. с повышением температуры их сопротивление падает.

Термисторы применяются, главным образом, в приборах позиционного регулирования температуры.

Рис. 2.11. Внешний вид термистора.

При обозначении термисторов зарубежного производства применяют сокращения: NTC — Negative Temperature Coefficient — отрицательный ТКС (температурный коэффициент сопротивления), РТС — Positive Temperature Coefficient — положительный ТКС.

NTC термисторы в диапазоне температур 25...100 °С изменяют свое сопротивление от нескольких сот или тысяч Ом до нескольких десятков или сот Ом, то есть с повышением температуры их сопротивление снижается. РТС термисторы в диапазоне температур 0...75 °С сохраняют сопротивление примерно на уровне 100 Ом. Однако, начиная с температуры 80°С, оно начинает быстро расти до значений порядка 10 кОм при 120°С. Такие свойства термисторов обусловили их широкое применение в устройствах термостабилизации, автоматики, защиты от перегрузок и пожарной сигнализации.

Давление как физическая величина, определяется силой, равномерно распределенной по нормальной к ней поверхности.

За единицу давления в международной системе СИ принят Паскаль – давление силы в один Ньютон на площадь в один квадратный метр (Н×м^-2). Между давлением, выраженным в единицах СИ и других различных единицах, существуют следующие соотношения:

1 мм рт. ст.=133,322 Па

1 мм вод. ст.=9,80665 Па

1 кгс/см²=98066,5 Па.

Физическая атмосфера, равная нормальному давлению атмосферного воздуха: 760 ммрт.ст.=101,325 кПа=1,0332 кгс/см²=1013,25 гПа.

Различают давление абсолютное и избыточное .

Абсолютное давление отсчитывается от абсолютного нуля, избыточное определяется как разность между абсолютным и атмосферным (барометрическим).

Если абсолютное давление в замкнутом пространстве ниже атмосферного, то разность между ними называется разряжением или вакуумом:

Приборы для измерения давления называются манометрами.

По назначению различают манометры:

технические, например, манометр показывающий

измерительно-регулирующие приборы, например, электроконтактный манометр (или сигнализирующий манометр)

контрольно-калибрующие приборы, например, манометр образцовый (или манометр давления эталонный).

По принципу действия приборы для измерения давления можно подразделить на следующие группы:

· жидкостные, основанные на уравновешивании измеряемого давления гидростатическим давлением столба жидкости. Предел измерения 10^-2 – 10⁶ Па

· грузопоршневые – уравновешивание давления осуществляется массой поршня и грузов. Предел измерения 10¹ – 10¹⁰ Па

· деформационные – уравновешивание давления осуществляется по величине деформации упругого элемента или по развиваемой им силе. Предел измерения 10¹ – 10⁹ Па

· электрические, основаные на преобразовании давления в электрическую величину или на изменении электрофизических свойств под действием давления. Предел измерения 10⁹ – 10¹¹ Па

· приборы, основанные на других физических методах (тепловые, ионизационные). Предел измерения ионизационных манометров 10^-12 – 10² Па.

Жидкостные манометры наиболее просты по конструкции и обладают относительно высокой точностью. Используются в качестве проверочных и лабораторных.

Рис. 2.12. U-образный манометр

U-образный манометр состоит из стеклянной трубки со шкалой, укреплённой на подставке и заполненной ртутью,спиртом или водой.

В состоянии равновесия:

,

где Р_абс – измеряемое абсолютное давление, Па

Р_атм – атмосферное давление, Па

– разность уровней (высота уравновешивающего столба) жидкости

(), м

ρ – плотность заполняющей жидкости, кг/м³

g – ускорение свободного падения, м/с²

При измерении избыточного давления Р_изб:

Принцип действия деформационных манометров основан на использовании деформации чувствительных элементов (мембран, сильфонов, пружин) под действием измеряемого давления среды и преобразовании её в пропорциональное перемещение или усилие.

В качестве чувствительных элементов в мембранных манометрах используются гофрированные мембраны. Попарно сваренные мембраны представляют собой мембранные коробки, которые, в свою очередь, могут собираться в мембранные блоки. Наиболее широко мембранные приборы используются для измерения перепадов давления и входят в состав соответствующей ветви ГСП. На выходе таких приборов стандартный сигнал токовый 0-5 мА, 0-20 мА или пневматический 0,02-0,1 МПа.

Мембранные манометры применяются при перепадах давления от 1,6 до 630 кПа, рабочее давление у них до 25 МПа, класс точности приборов 1– 1,5.

Широкое распространение в пищевой промышленности получили трубчато-пружинные манометры. Они отличаются простотой устройства, надёжностью и большим диапазоном измерений. Принцип их действия основан на уравновешивании измеряемого давления силой упругой деформации одно- или многовитковой пружины, которая преобразуется передаточным механизмом в угловое или линейное перемещение указателя по шкале прибора.

Рис. 2.13 Кинематическая схема общепромышленного манометра с одновитковой пружиной

Основным элементом прибора с одновитковой трубчатой пружиной является согнутая по окружности трубка эллиптического или плоскоовального сечения. Один конец вмонтирован в держатель с ниппелем и резьбой. Под давлением жидкости или газа, подаваемого в трубку, она распрямляется. При этом свободный конец перемещается по траектории близкой к прямой. Изменение величины изгиба трубки обусловлено характером её сечения. Под действием давления сечение трубки приближается к окружности. При изменении давления р_вх перемещение конца пружины 3 через тягу 5 передается к сектору 1, который вращается на оси 6. Угловое перемещение сектора с помощью зубчатого зацепления вызывает вращение зубчатого колеса (трибки) 2, на оси которого укреплена стрелка отсчетного устройства 4.

Электрические манометры основаны на использовании зависимостей электрических параметров преобразователей давления от измеряемого давления среды. Действие электрических манометров сопротивления основано на зависимости электрического сопротивления чувствительного элемента от измеряемого давления.

Интеллектуальные датчики давления совмещают в себе функции преобразователя давления резистивного (сопротивление) или емкостного типа и непосредственного управления исполнительными механизмами по двухпозиционному закону (реле давления).

Рис. 2.14. Внешний вид датчика избыточного давления ПД200-ДИ.

Датчик представляет собой преобразователь с керамической емкостной измерительной мембраной из оксида алюминия (Al2O3), измерительным штуцером М20х1,5 и металлическим кабельным вводом. Преобразователь давления используется для непрерывного преобразования избыточного давления измеряемой среды в унифицированный сигнал постоянного тока 4-20мА и цифровой сигнал стандарта HART.

Любой компрессор, паровой котел или сосуд высокого давления имеют допустимую величину рабочего давления, превышение которого может привести к аварии, взрыву и выводу оборудования из строя. В связи с этим такое оборудование имеет автоматическую защиту, позволяющую производить «сброс» предельного давления или остановку предаварийного оборудования. Для этих целей используются реле давления.

Дата добавления: 2014-01-05