23370

Исследование преобразователя давления Метран 100

Лабораторная работа

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Провести поверку преобразователя давления Метран100 с помощью грузопоршневого и образцового пружинного манометров. Построить градуировочную характеристику зависимости унифицированного токового сигнала Iвых от входного давления Рд. Описание лабораторной установки Лабораторная установка представляет собой поверочный грузопоршневой манометр МП60 пресс на котором установлены образцовый манометр с пределом измерения 25 МПа и преобразователь давления Метран 100 с цифровым индикатором жидкокристаллическим дисплеем для представления...

Русский

2013-08-04

444 KB

34 чел.

9

Уфимский государственный нефтяной технический университет

Кафедра автоматизации производственных процессов

Лабораторная работа

Исследование преобразователя давления Метран 100

Уфа 2007


Цель работыознакомиться с устройством и принципом действия грузопоршневых и пружинных приборов для измерения давления, преобразователя давления Метран-100, а также методикой их поверки.

Порядок выполнения работы

  1.  Изучить теоретический материал.
  2.  Провести поверку преобразователя давления Метран-100 с помощью грузопоршневого и образцового пружинного манометров.
  3.  Обработать результаты экспериментов и определить класс точности поверяемого прибора.
  4.  Построить градуировочную характеристику зависимости унифицированного токового сигнала Iвых от входного давления Рд.
  5.  Ответить на контрольные вопросы.

Описание лабораторной установки

Лабораторная установка представляет собой поверочный грузопоршневой манометр МП-60 («пресс»), на котором установлены образцовый манометр с пределом измерения 2,5 МПа и преобразователь давления Метран 100 с цифровым индикатором (жидкокристаллическим дисплеем) для представления значений измеренного давления в цифровой форме (в МПа). С помощью разъемов к преобразователю подключается мультиметр, позволяющий измерять значение унифицированного выходного сигнала 4.. .20 мА.

Методические указания к выполнению работы

При поверке преобразователя давления Метран-100 давление создается поршневым манометром МП-60 (см. рис. 1).

Перед началом поверки при помощи образцового манометра закрывают вентили 13 и 16 и открывают вентили 12, 14 и 15. После этого, вращая штурвал против часовой стрелки, заполняют полость манометра маслом. Затем закрывают вентиль 15 и, вращая штурвал по часовой стрелке, поднимают давление в гидравлической линии. 

Недопустимо создавать давление в гидравлической линии  больее 2МПа (20 кгс/см2)!

Если при ходе поршня до крайней точки давление поднялось недостаточно (это свидетельствует о наличии воздуха во внутреннем полости чувствительных элементов приборов и в гидравлической линии), операции повторяют.

Когда приборы подготовлены к работе, на поверяемом приборе вращением штурвала последовательно устанавливает значения давления 0,1 МПа, 0,2 МПа   и  так далее – до 1,6 МПа. На каждом значении снимают показания по образцовому манометру и мультиметру и заносят данные в табл. 1.

Таблица 1.

Показания поверяемого прибора, МПа

Показание образцового прибора, МПа

Показание мультиметра, Iвых, мА

Абсолютная погрешность, МПа

Приведённая погрешность, %

Вариация, МПа

При прямом ходе

При  обратном ходе

При прямом ходе

При  обратном ходе

При прямом ходе

При  обратном ходе

0,2

0,4

1,6

Эксперимент следует провести дважды – при прямом и обратном ходе (т.е. при увеличении давления и при уменьшении давления).

По полученным данным определяют класс точности поверяемого прибора (по наибольшей приведенной погрешности) и наибольшую вариацию показании.

Абсолютную погрешность при прямом и обратном ходе определяют по формулам (соответственно): Δx’ = х – x; Δx’’ = х – x’’, где х – показание поверяемого прибора; x – показание образцового прибора при прямом ходе; x’’ – показание образцового прибора при обратном ходе.

Относительная погрешность (в процентах) равна δ = 100Δx/х.

Приведенная погрешность (в процентах) равна γ = 100Δx/xN, где xN – нормирующее значение, которое принимается равным:

а) верхнему пределу измерений, если нижний предел равен нулю, либо нуль находится вне диапазона измерений;

б) сумме модулей пределов измерений, если нуль находится внутри диапазона измерений.

Относительную и приведенную погрешности определяют для всех поверяемых отметок шкалы, выбирая наибольшее по модулю значение абсолютной погрешности.

Вариацию показаний прибора на поверяемой отметке шкалы определяют как абсолютное значение разности действительных значений измеряемой величины при одном и том же показании прибора, полученных при прямом и обратном ходе. Вариация   может определяться также в   процентах   от нормирующего значения измеряемой величины.

Класс точности – обобщенная характеристика СИ, определяемая пределами допускаемой основной и дополнительной погрешностей. Класс точности определяется по максимальной основной приведенной погрешности и выбирается из ряда чисел [1; 1,5; 2; 2,5; 4; 5; 6]*10n (значение n может быть равно -3; -2; -1, 0; +1) путем округления в бóльшую сторону.

Краткие теоретические сведения

Основные понятия и определения

Давлением называют отношение силы, действующей перпендикулярно поверхности, к площади этой поверхности. Давление – одна из основных величин, определяющих термодинамическое состояние веществ и ход технологических процессов.

Значение давления обычно измеряется по результатам механического воздействия давления на чувствительный элемент, в котором это давление преобразуется в силу упругости, деформацию, изменение электропроводности, теплопроводности, интенсивности ионизации и пр.

Манометрические приборы подразделяется на барометры, измеряющие атмосферное давление, манометры абсолютного давления, манометры избыточного давления, вакуумметры, измеряющие разрежение, тягомеры – микроманометры для измерения малых разрежений, напоромеры – микроманометры для измерения малых избыточных давлений, дифференциальные манометры, измеряющие разность давлений.

Основной единицей давлений является Паскаль (русское обозначение Па, международное Ра), 1 Па = 1 Н/м².Однако ввиду ее относительной малости (приблизительно одна стотысячная атмосферного давления) наибольшее распространение в технике в настоящее время имеет внесистемная единица – техническая атмосфера, равная 1 кгс/см² .

Измерительные приборы характеризуются чувствительностью и порогом чувствительности.

Под чувствительностью S понимают отношение перемещения Δα указателя прибора (углового или линейного) к изменению значения измеряемой величины ΔХ:

Приборы с неравномерной шкалой имеют переменную чувствительность: 

Наименьшее значение измеряемой величины, способное дать заметное изменение показаний прибора, называют порогом чувствительности измерительного прибора.

Под ценой деления шкалы понимают изменение измеряемой величины, вызывающее перемещение указателя на одно деление шкалы.

Поверкой называется операция сравнения показаний поверяемого измерительного прибора с образцовыми мерами или с показаниями более точных приборов. Все измерительные приборы периодически подвергаются  поверке.

Грузопоршневые манометры

Принцип действия грузопоршневых манометров основан на уравновешивании измеряемого давления калиброванным грузом, действующим на поршень. Они применяются для измерения давления до 103 МПа, а также для градуировки и поверки манометров других типов.

Устройство грузопоршневого манометра показано на рис. 1.

Манометр имеет грузовую и поршневую части. Грузовая часть состоит из колонки 1, в центральной части которой имеется полированный цилиндрический канал, в который вставляется поршень 2. Поршень в верхней части имеет тарелку 3, на которую накладываются контрольные грузы 4. Канал колонки сообщается с горизонтальным каналом 5, который соединен со штуцерами 6 и 7, бачком с рабочей жидкостью 8 и прессовой частью манометра. Прессовая часть состоит из цилиндра 9 с поршнем 10, шток которого выполнен в виде винта со штурвалом 11. Вентили 12 - 16 служат для перекрытия соответствующих каналов. Полость системы заполнена рабочей жидкостью (трансформаторным маслом).

Рис 1 – Схема грузопоршневого манометра

В штуцер 6 устанавливают поверяемый манометр 17. Давление в системе изменяют, перемещая поршень 10 с помощью штурвала 11 (при  этом вентиль 15 закрыт).

На поршень 2, свободно перемещающийся в канале колонки 1, действуют две противодействующие силы: сила, создаваемая давлением жидкости и  сила тяжести поршня и грузов. При равенстве этих сил поршень уравновешивается и поднимается на определенную высоту. При равновесии поршня давление

где  G – вес поршня и  грузов; S – площадь поперечного сечения поршня.

Площадь поперечного сечения поршня обычно равно 1 см², поэтому создаваемое давление равно весу поршня и груза. Вес поршня с тарелкой равен 1 кг. Вес отдельных грузов указывается на них.

Деформационные приборы (ДП) для измерения давления

Принцип действия ДП основан на упругой деформации чувствительных элементов (ЧЭ) под действием измеряемого давления. Благодаря высокой точности, простоте конструкции, надежности и низкой стоимости, ДП получили широкое распространение в промышленности для измерения давления, разряжения и разности давлений. ДП могут оснащаться преобразователями, посредством которых измеряемое давление преобразуется в унифицированный сигнал  измерительной информации, передаваемый по каналу связи. ДП выпускаются показывающими или самопишущими.

В качестве чувствительных элементов ДП применяют трубчатые пружины, мембраны и сильфоны. Рассмотрим подробнее приборы для измерения давления с различными чувствительными элементами.

Пружинные манометры. ЧЭ пружинных манометров является трубчатая пружина (манометрическая пружина или трубка Бурдона) – упругая криволинейная металлическая полая трубка, один из концов которой имеет возможность перемещаться, а другой – жестко закреплен. Трубка в свободном состоянии в сечении имеет форму эллипса. При повышении давления внутри трубки она начинает раскручиваться. Это связано с тем, что под действием давления трубка "округляется", т.е. малая ось эллипса увеличивается, в то время как длина пружины остается неизменной.

Выпускаются пружинные манометры с одновитковой и многовитковой трубчатыми пружинами. Манометр с одновитковой трубчатой пружиной показан на рис. 2.

Прибор состоит из трубчатой пружины 1, один конец которой впаян в отверстие держателя 2, а другой конец наглухо запаян и несет на себе наконечник 3. Полость пружины связана с измеряемой средой через канал в держателе. Перемещение свободного конца пружины передается зубчатому сектору 4 и шестерне 5, на оси которой насажена стрелка прибора 6 для отсчета показаний на шкале. Шкала манометра равномерная, так как перемещение свободного конца пружины пропорционально измеряемому давлению. Прибор устанавливается на технологическом объекте с помощью штуцера 7.  

 Верхний предел измерения манометров с одновитковой трубчатой пружиной 103 МПа.

Рис. 2 – Схема манометра с одновитковой трубчатой пружиной

На рис. 3 показана упрощенная схема манометра с многовитковой трубчатой пружиной.

Рис. 3 – Упрощенная схема манометра с многовитковой трубчатой пружиной

В манометрах с многовитковой трубчатой пружиной ЧЭ представляет собой полую пружину овального сечения с витками, расположенными по винтовой линии (геликоидальная пружина, или геликс). Многовитковые пружины позволяют получить значительно больший угол раскручивания, вращающий момент и чувствительность, чем у одновитковой пружины, поэтому они используются в самопишущих приборах. Верхний предел измерения манометров с многовитковой трубчатой пружиной – 160 МПа.

Сильфонные манометры. Упрощенная схема сильфонного манометра показана на рис. 4.

Измеряемое давление подается в камеру 1, где расположен деформационный ЧЭ – сильфон 2.

Рис. 4 – Упрощенная схема сильфонного манометра

Сильфон представляет собой тонкостенную трубку с кольцевыми гофрами на боковой поверхности. Его упругость определяется материалом и толщиной стенки, числом гофр и их кривизной. Внутренняя полость сильфона соединена с атмосферой. Сильфон изготовляют из бронзы различных марок, нержавеющей стали, алюминиевых сплавов и т.д. Для увеличения жесткости сильфона внутри него расположена винтовая пружина 3. Под действием давления сильфон деформируется и его дно поднимает шток 4, жестко связанный с рычагом 5, который через систему рычагов поворачивает стрелку прибора. 

Поскольку сильфоны более чувствительны к изменению давления, чем трубчатые пружины, приборы с ними применяют для измерения сравнительно небольших разрежений и давлений. Верхний предел измерений сильфонных манометров – 0,4 МПа.

Мембранные манометры. Принцип действия приборов состоит в преобразовании измеряемого давления или разрежения в перемещение жесткого центра мембранного чувствительного элемента, которое с помощью передаточного механизма преобразуется во вращательное движение указателя. Верхний предел измерений мембранных манометров – 2,5 МПа.

Упрощенная схема мембранного манометра показан на рис. 5. Между верхним 1 и нижним 2 фланцами закреплена мембрана 3, соединенная через передаточный механизм 4 со стрелкой 5. Давление, действующее на мембрану, вызывает ее прогиб, что через передаточный механизм передается на стрелку.

Рис. 5 – Упрощенная схема мембранного манометра

Мембраны представляют собой гибкие плоские или гофрированные диски и могут быть упругими и эластичными. Упругие мембраны выполняются из стали, бронзы, латуни и др. При необходимости получения большого прогиба мембраны соединяются в так называемые мембранные коробки, а также блоки, собранные из нескольких коробок. Эластичные мембраны изготавливаются из прорезиненной ткани, тефлона и т.п.

Преобразователь давления Метран-100

Интеллектуальные датчики давления серии Метран-100 предназначены для измерения и непрерывного преобразования в унифицированный аналоговый токовый сигнал и/или цифровой сигнал в стандарте протокола HART, или цифровой сигнал на базе интерфейса RS485 следующих входных величин:

избыточного давления (Метран-100-ДИ);

абсолютного давления (Метран-100-ДА);

разрежения (Метран-100-ДВ);

давления-разрежения (Метран-100-ДИВ);

разности давлений (Метран-100-ДЦ);

гидростатического давления (Метран-100-ДГ).

Управление параметрами датчика:

кнопочное со встроенной панели;

•   с помощью HART-коммуникатора или компьютера;

•   с помощью программы ICP-Master и компьютера или программных средств АСУТП.

Датчик имеет:

встроенный фильтр радиопомех;

внешнюю кнопку установки "нуля";

непрерывную самодиагностику.

В данной лабораторной работе использован датчик Метран 100 - ВН – ДИ модели 1161. Цифровые    значения    сигнала    датчика    выводятся    на жидкокристаллический дисплей цифрового индикатора (ЦИ), встроенного в корпус электронного блока. ЦИ может также выполняться в виде выносного индикатора (ВИ), подключаемого к датчику через специальный разъем. С помощью встроенной кнопочной панели управления осуществляются:

контроль текущего значения измеряемого давления;

контроль настройки параметров датчика;

установка нуля;

настройка единиц измерения;

настройка времени усреднения выходного сигнала (демпфирования);

перенастройка диапазона измерений, в т.ч. на нестандартный;

настройка на "смещенный" диапазон измерений;

выбор   прямой,    инверсной   или    корнеизвлекающей    характеристики выходного сигнала;

калибровка датчика.

Принцип действия датчиков основан на использовании тензоэффекта, суть которого состоит в изменении сопротивления тензорезисторов при их деформации. Чувствительный элемент воспринимает изменения давления и преобразует их в деформацию тензорезисторов, что приводит к изменению его сопротивления.

В преобразователе давления Метран-100 чувствительный элемент представляет собой сапфировую мембрану, на которую напыляются полупроводниковые (кремниевые) тензорезисторы. Чувствительный элемент с монокристаллической структурой кремния на сапфире является основой всех сенсорных блоков датчиков семейства "Метран".

При деформации чувствительного элемента под воздействием входной измеряемой величины (например, давления или разности давлений) изменяется электрическое сопротивление кремниевых тензорезисторов мостовой схемы на поверхности чувствительного элемента.

Электронное устройство датчика преобразует изменение электрических сопротивлений в стандартный аналоговый сигнал постоянного тока и/или в цифровой сигнал в стандарте протокола HART, или цифровой сигнал на базе интерфейса RS485.

В памяти сенсорного блока хранятся в цифровом формате результаты калибровки сенсора во всем рабочем диапазоне давлений и температур. Эти данные используются микропроцессором для расчета коэффициентов коррекции выходного сигнала при работе датчика

Цифровой сигнал с платы АЦП сенсорного блока вместе с коэффициентами коррекции поступает на вход электронного преобразователя, микроконтроллер которого производит коррекцию и линеаризацию характеристики сенсорного блока, вычисляет скорректированное значение выходного сигнала датчика и передает его в цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП), который преобразует его в аналоговый выходной сигнал.

Измеряемое давление подается в рабочую полость датчика и непосредственно воздействует на измерительную    мембрану    тензопреобразователя – пластину монокристаллического сапфира с кремниевыми пленочными тензорезисторами (структура КНС), соединенную с металлической мембраной тензопреобразователя. Тензорезисторы соединены в мостовую схему. Деформация измерительной     мембраны     приводит     к     пропорциональному изменению сопротивления тензорезисторов и разбалансу мостовой схемы. Электрический сигнал, вызванный изменением сопротивления тензорезисторов, поступает в электронный блок, где преобразуется в унифицированный токовый сигнал.

Деформация измерительной мембраны приводит к пропорциональному изменению сопротивления тензорезисторов и разбалансу мостовой схемы. Электрический сигнал с выхода мостовой схемы поступает в дифференциальный усилитель электронного блока. Встроенный в усилитель регулятор коэффициента усиления обеспечивает перенастройку диапазонов измерений. Усиленный сигнал преобразуется в унифицированный токовой. Питание  всех  звеньев  электрической   схемы  датчика осуществляется   через   узел   питания.    Устройство   термокоррекции компенсирует влияние температурных воздействий на тензомост.

Микропроцессорный  электронный   преобразователь   состоит  из  двух  плат: платы   АПП   и    микропроцессорной    платы.    

Плата АЦП состоит из аналогово-цифрового преобразователя, источника опорного напряжения и энергонезависимой памяти.

Микропроцессорная плата состоит из микроконтроллера, энергонезависимой памяти, цифро-аналогового преобразователя, блока регулирования и установки параметров, стабилизатора напряжения.

Плата АЦП принимает аналоговые сигналы от преобразователя давления: сигнал   измеряемого    давления    и    температуры    измеряемой    среды и преобразовывает    его     в    цифровой     код.     Энергонезависимая     память предназначена   для   хранения   коэффициентов    коррекции   характеристик преобразователя давления.

Микроконтроллер,    установленный     на    микропроцессорной     плате, принимает  цифровой   сигнал   от  платы   АЦП   вместе   с   коэффициентами коррекции,    производит    коррекцию     и     линеаризацию     характеристики преобразователя давления и передает его в цифроаналоговый преобразователь. Цифроаналоговый      преобразователь      преобразует      цифровой сигнал, поступающий с микроконтроллера, в выходной аналоговый токовый сигнал.

Требования к отчету

Отчет должен содержать:

  1.  цель работы;
  2.  таблицы денных экспериментов и результаты определения погрешности поверяемых приборов;
  3.  градуировочную характеристику миллиамперметра;
  4.  выводы по работе.

Контрольные вопросы

  1.  Какие приборы для измерения давления могут быть использованы в качестве эталонных?
  2.  Можно ли жидкостными манометрами измерять абсолютное давление?
  3.  Каковы причины возникновения вариации прибора?
  4.  Почему перед началом работы с поршневым манометром проверяется горизонтальность установки прибора?
  5.  Какое давление измеряется манометрами с трубчатой пружиной –
    абсолютное или избыточное?
  6.  Можно ли манометры с трубчатой пружиной использовать для
    измерения разности давлений?
  7.  Можно ли использовать сильфоны в вакуумметрах и дифференци-
    альных манометрах?
  8.  Как можно изменять пределы измерения сильфонных и мембранных приборов (манометров)?
  9.  В чем заключается принцип действия тензопреобразователей давления?
  10.  Из каких основных блоков состоит преобразователь давления Метран-100?

Литература

  1.  Исакович Р.Я. Технологические измерения и приборы.- М.: Недра, 1979.- 344 с.
  2.  Фарзане Н.Г., Илясов Л.В., Азим-заде А.Ю. Технологические измерения и приборы. – М.: Высшая школа, 1989. – 456 с.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

11731. Визуальное проектирование структуры базы данных: таблицы, индексы 36.07 KB
  Лабораторная работа №3 Визуальное проектирование структуры базы данных: таблицы индексы. Цель: формирование практических умений и навыков работы с SQL Server в графическом режиме через SQL Manager: создание структуры таблицы наложение ограничений на поля просмотр таблиц ...
11732. Визуальное проектирование базы данных: условие ссылочной целостности, взаимосвязи 25.23 KB
  Лабораторная работа №4 Визуальное проектирование базы данных: условие ссылочной целостности взаимосвязи. Цель: закрепить практические умения и навыки установления условий ссылочной целостности взаимосвязей между таблицами один к одному один ко многим многие ко м...
11733. Клиентская часть: размещение не визуальных компонентов соединения с базой данных 17.34 KB
  Лабораторная работа №5 Клиентская часть: размещение не визуальных компонентов соединения с базой данных. Цель: закрепить практические умения и навыки управления не визуальными компонентами отображения соединения с базой данных. Закрепление навыков работы в среде п...
11734. Клиентская часть: размещение визуальных компонентов отображения таблиц 16.53 KB
  Лабораторная работа № 6 Клиентская часть: размещение визуальных компонентов отображения таблиц Цель: закрепить практические умения и навыки управления визуальными компонентами отображения таблиц организации запроса. Закрепление навыков работы в среде программир...
11735. Запросы на добавление данных 20.59 KB
  Лабораторная работа № 7 Запросы на добавление данных Цель: формирование практических умений и навыков составления запросов на добавление данных с помощью TransactSQL оператор Insert и с помощью SQLManager в графическом режиме. Закрепить практические умения и навыки работы с т...
11736. Запросы на редактирование и удаление данных 12.27 KB
  Лабораторная работа №8 Запросы на редактирование и удаление данных Цель: формирование практических умений и навыков составления запросов на редактирование и удаление данных с применением операторов языка TransactSQL Update Delete и SQLManager в графическом режиме. Выполнил: С...
11737. Создание триггера. Каскадные воздействия 12.47 KB
  Лабораторная работа №910 Создание триггера. Каскадные воздействия Цель: формирование практических умений и навыков создания триггеров различных видов; связей реализуемых с помощью триггеров; триггеров выполняющих определенные действия при запуске. Закрепить прак...
11738. Создание хранимой процедуры 17 KB
  Лабораторная работа №11 Создание хранимой процедуры Цель: формирование практических умений и навыков создания хранимых процедур; применения входных и выходных параметров хранимой процедуры; создания функции. Закрепить практические умения и навыки работы с операто
11739. Сортировка и поиск данных: в базе данных и выборках 13.3 KB
  Лабораторная работа №12 Сортировка и поиск данных: в базе данных и выборках. Цель: формирование практических умений и навыков выполнения сортировки в выборках группах таблицах; применения агрегирующих функций вычисляемых полей а также поиска по определенному прост