рефераты конспекты курсовые дипломные лекции шпоры

Реферат Курсовая Конспект

ИЗМЕРЕНИЕ ДАВЛЕНИЯ

ИЗМЕРЕНИЕ ДАВЛЕНИЯ - раздел Приборостроение, Измерение температуры Наряду С Температурой И Расходом Давление Является Одной Из Важнейших Физичес...

Наряду с температурой и расходом давление является одной из важнейших физических величин, измеряемой в различных об­ластях человеческой деятельности. Методы и средства измерения давления основаны на использовании различных физических яв­лений, как давно известных, так и открытых сравнительно не­давно.

8.2.1. Средства измерения давления

В настоящее время используются разнообразные методы и сред­ства измерения давления. Средства измерения давления (маномет­ры, вакуумметры, барометры) по физическим эффектам, положен­ным в основу принципа действия первичного измерительного пре­образователя (датчика), делятся на несколько групп. Наибольшее распространение получили жидкостные (в которых измеряемое дав­ление уравновешивается давлением столба жидкости); деформаци­онные (в которых значение деформации упругого чувствительного элемента пропорционально измеряемому давлению); тензометрические (основанные на тензометрическом эффекте материалов) средства измерения. Нас будут интересовать только элек­трические методы и средства измерения давления. В свою очередь, электрические манометры делятся на аналоговые и цифровые. Пер­вые – простые, достаточно надежные, дешевые приборы и пото­му широко распространены в задачах стационарных измерений на промышленных объектах. Цифровые манометры дают возможность организации автоматизированных измерений, позволяют решать как задачи длительной регистрации, так и задачи управления тех­нологическими процессами.

Переход к электрическим выходным сигналам первичных пре­образователей может быть организован по-разному. Для преобра­зования перемещения упругого элемента в электрический сигнал используются различные вторичные измерительные преобразовате­ли: индуктивные/индукционные (меняется индуктивность катушки или взаимная индуктивность двух катушек), трансформаторные (ме­няется выходное напряжение трансформатора), резистивные (меня­ется сопротивление, например, тензодатчика), емкостные (меняется емкость датчика) и др. Рассмотрим некоторые из возможных вари­антов преобразования давления в электрический сигнал.

Трансформаторные преобразователи.Один из вариантов пере­хода к электрическому выходному сигналу представлен на рис. 8.25.

В основе конструкции механической части – мембранная ко­робка /, герметично разделенная на две части упругой мембраной 2. Под воздействием разности входных давлений р] и ръ поступаю­щих в обе части коробки 1, мембрана 2 прогибается, перемещая при этом сердечник 3 дифференциального трансформаторного преобразователя 4. перемещение сердечника изменяет исходное равновесие мостовой схемы, образованной двумя одинаковыми половинами L вторичной обмотки трансформатора и двумя равными резисторами R. При этом выходной сигнал моста Uвых изменяется пропорционально перемещению сердечника и, следовательно давлению или разности давлений р1 и р2. Это выходное напряжение Uвых можно просто измерить вольтметром переменного напряжения.

 

Рис. 8.25. Манометр с электрическим выходным сигналом: 1 – мембранная коробка; 2 – мембрана; 3 – сердечник; 4 – дифференциальный трансформаторный преобразователь

 

Тензометрические преобразователи.Сегодня все большее распространение находят манометры с тензометрическими чувствительными элементами, которые закреплены на деформируемых под воздействием измеряемого давления поверхностях.

Тензометрический эффект проявляется в изменении электрического сопротивления проводников (или полупроводников) при изменении геометрии (например, при изгибе) проводника. Тензорезистроы часто выполняются из тонкой металлической фольги и представляют собой достаточно длинный проводник, компактно уложенный в плоскости поверхности упругой пластины или мембраны (рис.8.26).

 

Рис. 8.26. Тензометрический эффект: 1 – упругая пластина; 2 – 1-й тензорезистор (R0+DR);

3 – 2-й тензорезистор (R0 – DR)

 

Обычно (для повышения чувствительности измерения) устанавливают два тензорезистора – на противоположные поверхности пластины. Эти датчики жестко крепятся (приклеиваются) к пластине и изгибаются вместе с ней.

Если исследуемое давление р изгибает упругую пластину вниз, то длина верхнего тензорезистора увеличивается, его сечение уменьшается и сопротивление его растет: R0 + DR. У расположенного на нижней поверхности пластины датчика – все наоборот, в результате действия давления р его сопротивление уменьшается: R0 – DR. Это изменение сопротивления легко могут быть представлены электрическим сигналом тока или напряжения. Обычно тензорезисторы включаются в мостовые схемы (неуравновешенные мосты) – рис. 8.27.

 

Выходное напряжение неуравновешенного моста Uвых зависит от изменения сопротивлений плеч моста. Достаточно иметь хотя бы один тензорезистор, но для обеспечения линейности преобразования целесообразно включать в соседние плечи моста два одинаковых (рис.8.27, а), но с различными знаками изменения сопротивления при изгибе пластин (сопротивление резистора R1+ увеличивается, а R2 – уменьшается). Для повышения чувствительногсти часто используют четыре тензорезистора (рис.8.27, б). Включают их таким образом, чтобы в соседних плечах моста стояли датчики с противоположными изменениями значений сопротивлений. Если в мостовой схеме все датчики одинаковы, имеют равные наминальные значения сопротивлений R и равные модули изменения D R при воздействии давления, то выходное напряжение моста Uвых можновыразить следующим образом:

Uвых = Uп (D R/ R),

где Uп – напряжение питания моста.

Далее это напряжение может быть измерено аналоговыми из­мерителями или преобразовано в цифровой код, который, в свою очередь, может быть выведен на цифровой индикатор, сохранен или передан другим устройствам. Структура собственно цифрового манометра практически не отличается от структуры других цифро­вых приборов.

Тензометрический принцип успешно используется и для по­строения дифференциальных манометров. При этом также может быть использована традиционная механическая конструкция: мем­бранная коробка из двух герметично изолированных частей (ка­мер), прогибающаяся мембрана между ними, на которой жестко закреплены (например, приклеены) тензорезисторы.

Современные микроэлектронные технологии обеспечивают широкие возможности создания миниатюрных чувствительных элементов (датчиков) манометров. Упрощенное устройство мик­роэлектронного резистивного тензометрического датчика показа­но на рис. 8.28.

На тонкой пластине кремния сформированы тензорезисторы (по тонко- или толстопленочной технологии) R1, R2, R3, R4 и соединительные проводники. Пластина закреплена на упругой мем­бране и деформируется (прогибается) вместе с ней.

Сопротивление резисторов R2 и R4 при деформации значи­тельно увеличивается (до 20...50%), а сопротивление резисторов R1, R3 практически не меняется. Все резисторы образуют мосто­вую схему, выходное напряжение которой определяется деформа­цией и, следовательно, значением измеряемого давления р.

На рис. 8.29 схематично показаны варианты конструктивного исполнения мембранной коробки датчиков для измерения абсо­лютного, относительного и дифференциального давлений.

На рис. 8.29, а приведен вариант мембранной коробки для из­мерения абсолютного давления (например, атмосферного pатм). Вариант на рис. 8.29, б предназначен для измерения относитель­ного (дифференциального) давления как разности между атмосферным и измеряемым. Измерение дифференциального рдиф как раз­ности между двумя измеряемыми давлениями р1 и р2 иллюстриру­ется на рис. 8.29, в.

Существует понятие трансмиттера (Transmitter), что означает такой полный преобразователь, который содержит и датчик, и цепи нормирования (кондиционирования) сигнала, т.е. выполня­ет и первичное, и вторичное преобразование входной величины – давления. На выходе трансмиттера – унифицированный сигнал: 0... 100 мВ, или 0... 10 В, или 4...20 мА, или иные, принятые стан­дартными, уровни. Погрешности преобразования (типичные) – 0,5...2,5%.

Емкостные преобразователи.Помимо резистивных применяют­ся и емкостные датчики давления. В емкостных датчиках мембрана выступает в роли одной из пластин конденсатора (рис. 8.30). Изме­нение ее положения приводит к изменению емкости датчика изатем, например, к изменению выходного напряжения моста пе­ременного тока.

Благодаря достижениям микроэлектронной технологии га­баритные размеры таких датчиков могут быть чрезвычайно ма­лыми (единицы — десятки квадратных миллиметров). Кроме того, на кремниевой пластине могут размешаться и некоторые элемен­ты вторичного преобразования, например, мостовые схемы, уси­лители.

8.3. Измерение скорости движения потока вещества и его расхода

Рассмотрим довольно распространенные задачи — измерения скорости движения потока вещества и его расхода. Эти физические величины часто связаны между собой и рассматривать их отдельно нецелесообразно.

При выборе измерителя расхода и/или скорости движения для конкретного эксперимента, помимо общих для всех средств изме­рений критериев (метрологические и эксплуатационные характе­ристики, начальная цена и стоимость обслуживания и др.), необ­ходимо учитывать и специфические факторы измеряемой величи­ны. Это — характер состояния вещества (жидкие, газообразные вещества, пар, многофазные среды, сыпучие вещества, крупные твердые предметы и др.), свойства исследуемой среды (плотность, вязкость, сжимаемость, химический состав, электропроводность, агрессивность, абразивность, смазывающие способности и др.), ее текущие характеристики (температура, давление, многофазность состояния, влажность — особенно для сыпучих сред). Немаловаж­ными являются выбранные модели происходящих процессов — статические или динамические. Кроме того, следует учитывать ус­ловия и возможности монтажа средства измерения, возможные размеры, геометрию и материал трубопровода, условия проведе­ния эксперимента, требования дополнительного оборудования, не­обходимость внешнего источника питания, время непрерывной работы, требуемую периодичность поверки и т.д. Очевидно, что при таком числе различных критериев проблема выбора становит­ся достаточно серьезной, требующей квалифицированного и про­фессионального подхода.

В этом подразделе в основном будем говорить об измерении скорости движения и расхода на примере текущих в трубопрово­дах жидкостей и газов. Поскольку расход жидкостей и газов сегод­ня почти всегда находят через скорость движения вещества, в дан­ном параграфе параллельно рассматриваются методы и средства измерения как скорости, так и расхода. Под расходом в данном случае будем понимать количество вещества, проходящее через сечение потока в единицу времени.

Англоязычные термины измерителя скорости — Уе1оа1у Ме1ег, измерителя расхода — Р1оуще1ег.

8.3.1. Основные понятия

Рассмотрим связь скорости и расхода на примере трубопрово­да, в котором течет жидкость. При выполнении определенных ус­ловий (трубопровод на достаточной длине прямой и полностью заполнен жидкостью, движение ее равномерное, внутреннее се-

 

чение трубопровода на достаточной длине постоянно и т.п.) зна­чение текущего расхода 0 рассчитывается по формуле

б = ру5 = рг;—-,

где р — значение плотности жидкости; у ~ скорость движения потока; 51— площадь внутреннего сечения трубопровода; а1внут­ренний диаметр трубопровода.

Существуют понятия текущего (мгновенного) 0 и интеграль­ного (суммарного) С расходов за определенный интервал времени Лл Интегральный расход С в общем случае есть интеграл функции мгновенного (текущего) расхода ^{1) на интервале Д/. В частном случае постоянного значения текущего расхода 0 на интервале Д/ интегральный расход С определяется простым произведением:

С = ОМ.

Приборы для измерения интегрального значения часто называ­ются счетчиками количества (Р1оу ТЫаПгег). Современные прибо­ры обычно обеспечивают оба режима работы.

Различают объемный расход (выражаемый единицами объема — л/с, м3/ч и т.п.) и массовый (выражаемый единицами массы — кг/мин, т/ч и т.п.). Объемный ()уи массовый ()„, расходы связаны плотностью р среды исследуемого потока:

– Конец работы –

Эта тема принадлежит разделу:

Измерение температуры

Измерение температуры.. в окружающем нас мире существует великое множество неэлек трических величин и.. рассмотрим применение этих подходов на примере измерения некоторых неэлектрических величин наиболее часто..

Если Вам нужно дополнительный материал на эту тему, или Вы не нашли то, что искали, рекомендуем воспользоваться поиском по нашей базе работ: ИЗМЕРЕНИЕ ДАВЛЕНИЯ

Что будем делать с полученным материалом:

Если этот материал оказался полезным ля Вас, Вы можете сохранить его на свою страничку в социальных сетях:

Все темы данного раздела:

Бесконтактные методы и средства измерений
Бесконтактные (Non-Contact) измерения температуры неза­менимы в тех случаях, когда нежелательно, невозможно, сложно, и/или опасно обеспечить механический контакт датчика с объек­том измерения.

Хотите получать на электронную почту самые свежие новости?
Education Insider Sample
Подпишитесь на Нашу рассылку
Наша политика приватности обеспечивает 100% безопасность и анонимность Ваших E-Mail
Реклама
Соответствующий теме материал
  • Похожее
  • Популярное
  • Облако тегов
  • Здесь
  • Временно
  • Пусто
Теги