18426

Классификация средств измерения давления. Общепромышленные измерительные преобразователи давления

Лекция

Менеджмент, консалтинг и предпринимательство

Лекция 11. Классификация средств измерения давления. Общепромышленные измерительные преобразователи давления. Классификация средств измерения давления. Для прямого измерения давления жидкой или газообразной среды с отображением его значения непосредственно н...

Русский

2013-07-08

116 KB

59 чел.

Лекция 11.

Классификация средств измерения давления. Общепромышленные измерительные преобразователи давления.

Классификация средств измерения давления.

Для прямого измерения давления жидкой или газообразной среды с отображением его значения непосредственно на шкале, табло или индикаторе первичного измерительного прибора применяются манометры (ГОСТ 8.271-77).

Если отображение значения давления на самом первичном приборе не производится, но он позволяет получать и дистанционно передавать соответствующий измеряемому параметру сигнал, то такой прибор называют измерительным преобразователем давления (ИПД), или датчиком давления. Возможно объединение этих двух свойств в одном приборе (манометр-датчик).

Манометры классифицируют по принципу действия и конструкции, по виду измеряемого давления, по применению и назначению, по типу отображения данных и другим признакам (рис. 1).  

По принципу действия манометры можно подразделить на жидкостные (измеряемое давление уравновешивается гидростатически столбом жидкости — воды, ртути — соответствующей высоты), деформационные (давление определяется по величине деформации и перемещения упругого чувствительного элемента УЧЭ — мембраны, трубчатой пружины, сильфона), грузопоршневые (измеряемое или воспроизводимое давление гидростатически уравновешивается через жидкую или газообразную среду прибора давлением веса поршня с грузоприемным устройством и комплектом образцовых гирь), электрические (давление определяется на основании зависимости электрических параметров: сопротивления, емкости, заряда, частоты — чувствительного элемента ЧЭ от измеряемого давления) и другие (тепловые, ионизационные, термопарные и т.п.).

В промышленности при локальных измерениях давлений энергоносителей в большинстве случаев используются деформационные манометры на основе одновитковой трубчатой пружины — трубки Бурдона — для прямопоказывающих стрелочных приборов или с многовитковыми пружинами для самопишущих манометров), но на смену им всё чаще приходят электрические манометры с цифровым табло и развитой системой интерфейсов.

По виду измеряемого давления манометры подразделяют на приборы измерения избыточного и абсолютного давления — собственно  манометры, разрежения — вакуумметры, давления и разрежения — мановакуумметры, атмосферного давления — барометры и разностного давления — дифференциальные манометры (дифманометры). Манометры, вакуумметры и мановакуумметры для измерения небольших (до 20 - 40 кПа) давлений газовых сред называют соответственно напоромерами, тягомерами и тягонапоромерами, а дифманометры с таким диапазоном измерения — микроманометрами (ГОСТ 8.271-77). Технические характеристики всех этих средств измерения давления определяются соответствующими общими техническими условиями (ГОСТ 2405-88, ГОСТ 18140-81 и другими).

По области применения манометры подразделяют на общепромышленные, или технические, работающие в промышленных условиях (при перепадах температур и влажности окружающей среды, вибрациях, загрязнении внешней среды и т.п.), лабораторные (приборы повышенной точности для использования в комфортных и стабильных условиях лабораторий), специальные (применяются в экстремальных условиях: на железнодорожном транспорте, судах, котельных установках, при работе с кислотными и другими агрессивными средами), образцовые (для поверки рабочих манометров) и эталонные (хранители единиц давления с целью передачи их образцовым приборам).

 


Рис. 1. Классификация манометров

По типу отображения значений измеряемого давления манометры подразделяют на прямопоказывающие — с визуальным считыванием данных непосредственно по аналоговой (стрелочной) или цифровой шкале прибора, на сигнализирующие (электроконтактные) — с выдачей управляющего электрического сигнала путем замыкания или размыкания контактов при достижении измеряемым давлением заранее установленного контрольного значения, на регистрирующие (самопишущие) — с записью в память значений давления как функции времени и их отображением на электронном табло.

Манометры выполняют функцию локального контроля и в большинстве случаев из-за отсутствия возможности дистанционного доступа к их показаниям (за исключением манометров с унифицированным выходным электрическим сигналом) не могут использоваться для целей современной автоматизации. Такую возможность обеспечивают измерительные преобразователи давления (рис. 2).

Рис. 2. Классификация измерительных преобразователей давления

По способу обработки и отображения измеряемого давления ИПД подразделяют на первичные (формируют для дистанционной передачи выходной сигнал, соответствующий измеряемому давлению) и вторичные (получают сигнал от первичных преобразователей, обрабатывают его, накапливают, отображают и передают на более высокий уровень системы). Современная тенденция развития ИПД заключается в их «интеллектуализации» на базе микроэлектронной технологии  и микропроцессорной техники, предполагающей передачу части функций системы управления вторичным преобразователям, а некоторых традиционных функций вторичных преобразователей — первичным.

Известны десятки способов преобразования давления в электрический сигнал, но только некоторые из них получили широкое применение в общепромышленных ИПД. По принципу действия, или способу преобразования измеряемого давления в выходной сигнал, первичные ИПД подразделяют прежде всего на деформационные и электрические. В первых деформационные перемещения УЧЭ (мембраны, сильфона, трубки Бурдона) трансформируются с помощью дополнительных промежуточных механизмов и преобразователей (например, магнитотранзисторного или оптоэлектронного) в электрический или электромагнитный сигнал, а во вторых измеряемое давление, оказывая воздействия на ЧЭ, изменяет его собственные электрические параметры: сопротивление, ёмкость или заряд, которые становятся мерой этого давления. Подавляющее большинство современных общепромышленных ИПД реализованы на основе ёмкостных (используют УЧЭ в виде конденсатора с переменным зазором: смещение или прогиб под действием прилагаемого давления подвижного электрода-мембраны относительно неподвижного изменяет ёмкость УЧЭ), пьезоэлектрических (основаны на зависимости поляризованного заряда или резонансной частоты пьезокристаллов: кварца, турмалина и других — от давления) или тензорезисторных (используют зависимость активного сопротивления проводника или полупроводника от степени его деформации) принципах. В последние годы получили развитие и другие принципы создания ИПД: волоконно-оптические, гальваномагнитные, объемного сжатия, акустические, диффузионные и т. д.

На сегодняшний день самыми популярными в СНГ являются тензорезисторные ИПД. Тензорезисторные чувствительные элементы ТРЧЭ (в переводной литературе их иногда называют пьезорезисторными, не надо путать с пьезоэлектрическими) представляют собой металлическую и/или диэлектрическую измерительную мембрану, на которой размещаются тензорезисторы (чаще всего в виде уравновешенного измерительного моста) с контактными площадками для проводного подключения к внутренней или внешней электроизмерительной схеме — электронному блоку обработки. Деформация мембраны под воздействием внешнего давления Р приводит к локальным деформациям тензорезисторного моста и его разбалансу — изменению сопротивления, которое измеряется электронным блоком (рис. 3).

Рис. 3. Структурная схема первичного тензорезисторного ИПД

Тензорезисторы (ТР) выполняются как из металла (проволочные, фольговые или пленочные), так и из полупроводника (поликристаллические из порошкообразного полупроводника и монокристаллические из кристалла кремния). Поскольку чувствительность полупроводниковых ТР в десятки раз выше, чем у металлических, и, кроме того, интегральная технология позволяет в одном кристалле кремния формировать одновременно как тензорезисторы, так и микроэлектронный блок обработки, то в последние годы получили преимущественное развитие интегральные полупроводниковые ТРЧЭ. Такие элементы реализуются либо по технологии диффузионных резисторов с изоляцией их от проводящей кремниевой подложки p-n переходами — технология «кремний на кремнии», либо по гетероэпитаксиальной технологии «кремний на диэлектрике» на стеклокерамике, кварце или сапфире. Для ТРЧЭ, особенно полупроводниковых, существенно влияние температуры на упругие и электрические характеристики ТР, что требует применения специальных схем температурной компенсации погрешностей (в частности, с этой целью в расширенной схеме тензомоста используются компенсационные резисторы и терморезисторы). Особенно широкое применение в изготовлении общепромышленных ИПД в силу своих высоких механических, изолирующих и теплоустойчивых качеств получила технология КНС — «кремний на сапфире».

По выходному сигналу ИПД подразделяются на аналоговые и цифровые.

Основной парк действующих ИПД относится к аналоговым с унифицированным токовым сигналом 0...5, 0...20 или 4...20 мA. В последнее десятилетие наметился переход к ИПД с цифровым выходом. Широкое распространение получил цифровой протокол HART. Этот открытый стандартный гибридный протокол двунаправленной связи предусматривает передачу цифровой информации поверх стандартного аналогового сигнала 4-20 мA. Бурно развивается системная интеграция первичных преобразователей с использованием различных разновидностей промышленных сетей Foundation (Fieldbus, ModBus, Profibus и др.). При этом используется полностью цифровой коммуникационный протокол для передачи информации в обоих направлениях между ИПД и системами управления, существенно облегчая взаимозаменяемость приборов разных мировых производителей. В отечественных цифровых ИПД пока преобладают такие цифровые интерфейсы, как ДДПК (двоично-десятичный параллельный код), ИРПС (интерфейс радиальный последовательный) и RS-232C.

ИПД различаются, кроме того, по видам измеряемого давления, используемым единицам измерения и ряду основных технических параметров (ГОСТ 22520_85): диапазону измеряемого давления (выбирается для каждой модели из стандартного ряда давлений), пределу основной допускаемой погрешности (определяется при нормальной температуре + 25°С от верхнего предела диапазона измерения и включает в себя, как правило, погрешности от гистерезиса ЧЭ, его линейности и воспроизводимости результатов измерения), пределу дополнительной температурной погрешности (этот предел задается от изменения температуры относительно нормальной на каждые 10 или 28 °С или на весь температурный диапазон работы), допустимому рабочему диапазону температур окружающей среды (иногда дополнительно указывают допустимый и диапазон температур технологического процесса или измеряемой среды и корпуса прибора), динамическому диапазону измерения давлений (отношению максимального значения измеряемого давления к минимальному), стабильности метрологических характеристик во времени (как процент от верхнего предела диапазона измерения в течение 6 или 12 месяцев), устойчивости к вибрациям, защите от высокочастотных помех, климатическим и взрывозащищенным исполнениям
(ГОСТ 15150-69 и ГОСТ 14254-96), требованиям к источнику питания и по другим параметрам.

Общепромышленные измерительные преобразователи давления

В реальных условиях пользователь вынужден рассматривать различные рабочие характеристики множества ИПД, чтобы выбрать из них оптимальный для конкретных условий применения, причем этот выбор зависит от многих факторов (стоимость, точность, температура, вид среды, информационная, конструктивная и технологическая совместимость со средствами обработки верхнего уровня системы и т.д.). Выбор по единственному критерию «чем дешевле, тем лучше» чаще всего приводит к ложной экономии, если в комплексе не учитываются дополнительные затраты конкретного применения, эксплуатационные издержки и показатели надёжности.

Современные общепромышленные ИПД — это интеллектуальные, со встроенным микропроцессором, интегральные преобразователи с цифровым интерфейсом. Они обладают свойствами диагностики и конфигурирования на расстоянии (установка нуля и диапазона шкалы, выбор технических единиц, ввод данных для идентификации и физического описания
датчика и т. п.), обеспечивают более высокое соотношение измеряемых диапазонов, улучшенную температурную компенсацию, повышенную основную точность. Однако это не значит, что другие ИПД уже не нужны: каждый тип ИПД имеет свою эффективную пользовательскую нишу.

PAGE  60


Взаимная индуктивность

Программируе-мые контроллеры

ногофункци-ональные преобразователи

Самописцы

Измерительные мосты

4…20 мА

0…5 мА

0…20 мА

Промышленная сеть Fieldbus

HART

RS-232, RS-485

ИРПС

Двоично-десятич-ный параллель-ный код

Сопротивление

Напряжение

Ток

Частота

Ёмкость

Электросигнал

Цифровой

Аналоговый

По выход-ному сигналу

Дискретные

Интегральные

Металлические

Полупроводниковые

Пьезоэлектрические

Дифма-нометры

Мановакууметры

Вакууметры

Эталонные

Грузопоршневые

Пьезоэлектрические

Емкостные

Резистивные

Электрические

Сильфонные

Мембранные

Трубчатые

Деформационные

Двухчашечные

U-образные

Однотрубные

Жидкостные

По принципу действия

МАНОМЕТРЫ

Тензорезисторные

Ёмкостные

Деформационные

Электрические

Вторичные

По принципу действия

Первичные 

Измерительные преобразователи давления

Образцовые

Барометры

Абсолютногодавления

Эталонные

Специальные

Баровакууметры

Избыточного давления

По виду давления

Лабораторные

Промышлен-ные

По применению

Сигнализирующие

Прямопоказывающие

По отображению


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

2844. Препроцессор языка C 75.5 KB
  Препроцессор языка C Препроцессор языка C – это программа, выполняющая обработку исходного кода для передачи его компилятору, в процессе которой происходит подстановка директив и выполнение операций препроцессора. Все директивы препроцессора на...
2845. Интерпретация составных описателей 36 KB
  Интерпретация составных описателей При объявлении переменных, массивов, указателей или функций кроме простых идентификаторов могут использоваться составные описатели. Составной описатель – это идентификатор, дополненный более чем одним признако...
2846. Типы данных, определяемые пользователем (агрегативные типы данных) 51 KB
  Типы данных, определяемые пользователем (агрегативные типы данных) Язык C позволяет программисту создавать следующие типы данных: переименование типов перечислимый тип структура битовые поля объединение Переименование типов. Язык C позволяет дать но...
2847. Прерывания в ОС MS-DOS 36 KB
  Прерывания в ОС MS-DOS Драйвер – это программа, являющаяся посредником между устройством и программой пользователя и предоставляющая набор функций для работы с устройством. В MS-DOS существуют драйверы символьных устройств (за одну операцию обм...
2848. Процесс взаимодействия системы с клавиатурой в ОС MS-DOS 39 KB
  Процесс взаимодействия системы с клавиатурой в ОС MS-DOS Клавиатура – это устройство компьютера, предназначенное для ввода текстовой информации. Технически клавиатура представляет собой матрицу ключей (кнопок), замыкаемых пользователем при нажа...
2849. Работа с мышью 89 KB
  Работа с мышью. Мышь – это устройство компьютера для ввода информации, относящееся к классу манипуляторов. Курсор мыши – это указатель мыши, перемещающийся по экрану в зависимости от перемещения мыши по столу. Так как курсор мыши представля...
2850. Видеосистема компьютера 54.5 KB
  Видеосистема компьютера Видеосистема компьютера включает в себя ряд аппаратных и программных средств, позволяющих получать на экране терминала изображения. К аппаратным средствам относятся монитор и видеоадаптер. К программным средствам относятся ср...
2851. Работа в графическом режиме видеоадаптера в ОС MS-DOS 131 KB
  Работа в графическом режиме видеоадаптера в ОС MS-DOS Функции для работы в графическом режиме определены в стандартном заголовочном файле graphics.h. Так же, как и в текстовом режиме, графические функции оперируют с окнами. При запуске программы исх...
2852. Обработка системных ошибок 65.5 KB
  Обработка системных ошибок В стандартной библиотеке stdlib.h объявлена переменная errno типа int, которая содержит код системной ошибки, значение переменной устанавливается ОС после выполнения каждой системной операции. В стандартной библиотеке errn...