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

66 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

28935. Внешняя политика России в середине и второй половине XVIII в. 39.5 KB
  Внешняя политика России в середине и второй половине XVIII в. Спасло ее лишь воцарение Петра III в России. Петр III заключил мир и союз с Пруссией но его своевременное свержение позволило России не участвовать в войне на стороне ей же битых пруссаков. При поддержке России королем Польши стал Станислав Понятовский в прошлом фаворит Екатерины хотя этому активно противодействовали Франция и Австрия.
28936. Попытки общественно-политической модернизации в России в годы царствования Александра I. М.М. Сперанский и его судьба 38 KB
  Попытки общественнополитической модернизации в России в годы царствования Александра I. России нужны были реформы. Такое положение в России историк Н. Сперанский предложил 4 модели реформирования России: А.
28937. Отечественная война 1812 г. 43 KB
  Русская армия насчитывала около 240 тысяч человек и была разделена на три группы: первая армия командующий Барклай де Толли река Неман 120 тысяч человек; вторая армия командующий Багратион юг Литвы 49 тысяч человек; третья армия командующий А. Тормасов Волынь 44 тысячи человек. Великая армия Наполеона насчитывала 600 тысяч человек имела 1420 орудий. На главном направлении наступала группировка в 220 тысяч человек против 160 тысяч русских.
28938. Движение декабристов 36 KB
  Первые тайные общества появились после окончания заграничного похода русской армии. Членами общества были молодые гвардейские офицеры С. Главной целью общества было уничтожение крепостного права и установление конституционной монархии путем военного переворота. Слабость организации и разногласия между членами общества привели к его самороспуску.
28939. Внутренняя и внешняя политика России во второй четверти XIX в. 51 KB
  Внутренняя и внешняя политика России во второй четверти XIX в. Понимал неизбежность реформ но не решался отменить крепостное право укреплял самодержавие опираясь на армию и чиновничество жестоко преследовал любую крамолу в России и за рубежом за что получил прозвище жандарм Европы. внешний долг России достиг 102 млн. был заключен Туркманчайский договор по которому к России присоединялась Восточная Армения.
28940. Основные общественно-политические течения во второй четверти XIX в. 34.5 KB
  Следует отметить что за народность выступали представители всех направлений общественного движения в России но вкладывали в это понятие совершенно различное содержание. Западники и славянофилы Либеральнооппозиционное направление в русской общественной мысли в России второй четверти XIX в. Славянофилы выступали за отмену крепостного права сверху ратовали за развитие промышленности торговли просвещения сурово критиковали существовавшую в России политическую систему выступали за свободу слова и печати. Однако основной тезис...
28941. История как наука и ее роль в обществе 31.5 KB
  История как наука и ее роль в обществе. Пушкин История в целом изучает прошлое человечества а также отдельные стороны деятельности общества тенденции исторического процесса. Раздел История в том или ином виде присутствует во многих науках. Например: историческая география экономическая история социальная история гражданская и военная история идеология История подразделяется на Мировую Историю отдельных народов и Историю континентов.
28942. Античное наследие в эпоху Великого переселения народов 26 KB
  Античное наследие в эпоху Великого переселения народов. Настала беспокойная эпоха великого переселения народов в ходе которого Западная Римская империя была разгромлена многочисленными варварскими племенами готы гунны вандалы и т. Каковы же причины явления получившего название Великого переселения народов Качественные сдвиги в хозяйственной жизни германских и славянских племён накануне Великого переселения привели к росту общественного богатства и большого числа людей не занятых производительным трудом. Причины их переселения...
28943. Славянский мир. Процесс этногенеза у восточных славян 24 KB
  Славянский мир. Процесс этногенеза у восточных славян. Древнерусская народность явилась тем этническим образованием восточных славян которое возникло в период зарождения и утверждение феодализма в эпоху возникновения государства в процессе формирования расширявшим свою территорию включая в состав Руси неславянские этнические элементы. В ходе Великого переселения народов в Европу хлынули также славянские племена.