На головну

ВИМІРЮВАННЯ ТИСКУ

  1.  III. Технологічні трубопроводи високого тиску понад 10 МПа
  2.  Барометричного тиску на робочих місцях
  3.  Види, вимір і причини інфляції. Антиінфляційна політика держави.
  4.  Вплив тиску на напрямок реакції
  5.  Висновок рівняння молекулярно-кінетичної теорії газів для тиску.
  6.  ГЛАВА 1 ЗА МЕЖАМИ КОЛА ПРИДУШЕННЯ-ВИРАЗУ
  7.  Групи тиску і суспільно-політичні рухи.

Поряд з температурою і витратою тиск є однією з найважливіших фізичних величин, вимірюваної в різних областях людської діяльності. Методи і засоби вимірювання тиску засновані на використанні різних фізичних явищ, як давно відомих, так і відкритих порівняно недавно.

8.2.1. Засоби вимірювання тиску

В даний час використовуються різноманітні методи і засоби вимірювання тиску. Засоби вимірювання тиску (манометри, вакуумметри, барометри) по фізичним ефектів, покладеним в основу принципу дії первинного вимірювального перетворювача (датчика), діляться на кілька груп. Найбільшого поширення набули рідинні (В яких вимірюється тиск врівноважується тиском стовпа рідини); деформаційні (В яких значення деформації пружного чутливого елемента пропорційно вимірюваному тиску); тензометричні (Засновані на тензометричних ефекті матеріалів) засоби вимірювання. Нас будуть цікавити тільки електричні методи та засоби вимірювання тиску. У свою чергу, електричні манометри діляться на аналогові и цифрові. Перші - прості, досить надійні, дешеві прилади і тому широко поширені в задачах стаціонарних вимірювань на промислових об'єктах. Цифрові манометри дають можливість організації автоматизованих вимірювань, дозволяють вирішувати як завдання тривалої реєстрації, так і завдання управління технологічними процесами.

Перехід до електричним вихідним сигналам первинних перетворювачів може бути організований по-різному. Для перетворення переміщення пружного елемента в електричний сигнал використовуються різні вторинні вимірювальні перетворювачі: індуктивні / індукційні (змінюється індуктивність котушки або взаємна індуктивність двох котушок), трансформаторні (змінюється вихідна напруга трансформатора), резистивні (змінюється опір, наприклад, тензодатчика), ємнісні (змінюється ємність датчика) і ін. Розглянемо деякі з можливих варіантів перетворення тиску в електричний сигнал.

Трансформаторні перетворювачі.Один з варіантів переходу до електричного вихідному сигналу представлений на рис. 8.25.

В основі конструкції механічної частини - мембранна коробка /, герметично розділена на дві частини пружною мембраною 2. Під впливом різниці вхідних тисків р] и ръ надходять в обидві частини коробки 1, мембрана 2 прогинається, переміщаючи при цьому сердечник 3 диференціального трансформаторного перетворювача 4. переміщення сердечника змінює оригінал рівновагу мостової схеми, утвореної двома однаковими половинами L вторинної обмотки трансформатора і двома рівними резисторами R. При цьому вихідний сигнал моста Uвих змінюється пропорційно переміщенню сердечника і, отже тиску або різниці тисків р1 и р2. Це вихідна напруга Uвих можна просто виміряти вольтметром змінного напруги.

Мал. 8.25. Манометр з електричним вихідним сигналом: 1 - Мембранна коробка; 2 - Мембрана; 3 - Сердечник; 4 - Диференційний трансформаторний перетворювач

Тензометричні перетворювачі.Сьогодні все більшого поширення знаходять манометри з тензометричними чутливими елементами, які закріплені на деформуються під впливом вимірюваного тиску поверхнях.

Тензометричний ефект проявляється в зміні електричного опору провідників (або напівпровідників) при зміні геометрії (наприклад, при вигині) провідника. Тензорезістрои часто виконуються з тонкої металевої фольги і являють собою досить довгий провідник, компактно покладений в площині поверхні пружної пластини або мембрани (ріс.8.26).

Мал. 8.26. Тензометричний ефект: 1 - Пружна пластина; 2 - 1-й тензорезистор (R0+ DR);

3 - 2-й тензорезистор (R0 - DR)

Зазвичай (для підвищення чутливості вимірювання) встановлюють два тензорезистора - на протилежні поверхні пластини. Ці датчики жорстко кріпляться (приклеюються) до пластині і згинаються разом з нею.

Якщо досліджуване тиск р згинає пружну пластину вниз, то довжина верхнього тензорезистора збільшується, його перетин зменшується і опір його зростає: R0 + DR. У розташованого на нижній поверхні пластини датчика - все навпаки, в результаті дії тиску р його опір зменшується: R0 - DR. Ця зміна опору легко можуть бути представлені електричним сигналом струму або напруги. Зазвичай тензорезистори включаються в мостові схеми (неврівноважені мости) - рис. 8.27.

Вихідна напруга неврівноваженого моста Uвих залежить від зміни опорів плечей моста. Досить мати хоча б один тензорезистор, але для забезпечення лінійності перетворення доцільно включати в сусідні плечі моста два однакових (ріс.8.27, а), Але з різними знаками зміни опору при згині пластин (опір резистора R1+ Збільшується, а R2 - Зменшується). Для підвищення чувствітельногсті часто використовують чотири тензорезистора (ріс.8.27, б). Включають їх таким чином, щоб в сусідніх плечах моста стояли датчики з протилежними змінами значень опорів. Якщо в мостовій схемі все датчики однакові, мають рівні намінальние значенняопорів R і рівні модулі зміни D R при впливі тиску, то вихідна напруга моста Uвих можновиразіть наступним чином:

Uвих = Uп (D R / R),

де Uп - Напруга живлення моста.

Далі це напруга може бути виміряна аналоговими вимірювачами або перетворено в цифровий код, який, в свою чергу, може бути виведений на цифровий індикатор, збережений або переданий іншим пристроям. Структура власне цифрового манометра практично не відрізняється від структури інших цифрових приладів.

Тензометричний принцип успішно використовується і для побудови диференціальних манометрів. При цьому також може бути використана традиційна механічна конструкція: мембранна коробка з двох герметично ізольованих частин (камер), що прогинається мембрана між ними, на якій жорстко закріплені (наприклад, приклеєні) тензорезистори.

Сучасні мікроелектронні технології забезпечують широкі можливості створення мініатюрних чутливих елементів (датчиків) манометрів. Спрощене пристрій мікроелектронного резистивного тензометрического датчика показано на рис. 8.28.

На тонкій пластині кремнію сформовані тензорезистори (по тонко або толстопленочной технології) R1, R2, R3, R4 і сполучні провідники. Пластина закріплена на пружною мембрані і деформується (прогинається) разом з нею.

опір резисторів R2 и R4 при деформації значно збільшується (до 20 ... 50%), а опір резисторів R1, R3 практично не змінюється. Всі резистори утворюють бруківку схему, вихідна напруга якої визначається деформацією і, отже, значенням вимірюваного тиску р.

На рис. 8.29 схематично показані варіанти конструктивного виконання мембранної коробки датчиків для вимірювання абсолютного, відносного і диференціального тиску.

На рис. 8.29, а наведено варіант мембранної коробки для вимірювання абсолютного тиску (наприклад, атмосферного pатм). Варіант на рис. 8.29, б призначений для вимірювання відносного (диференціального) тиску як різниці між атмосферним і вимірюваним. Вимірювання диференціального рдифяк різниці між двома вимірюваними тисками р1 и р2ілюструється на рис. 8.29, в.

існує поняття трансмітера (Transmitter), Що означає такий повний перетворювач, який містить і датчик, і ланцюги нормування (кондиціонування) сигналу, т. Е. Виконує і первинне, і вторинне перетворення вхідної величини - тиску. На виході трансмітера - уніфікований сигнал: 0 ... 100 мВ, або 0 ... 10 В, або 4 ... 20 мА, або інші, прийняті стандартними, рівні. Похибки перетворення (типові) - 0,5 ... 2,5%.

Ємнісні перетворювачі.Крім резистивних застосовуються і ємнісні датчики тиску. У ємнісних датчиках мембрана виступає в ролі однієї з пластин конденсатора (рис. 8.30). Зміна її положення призводить до зміни ємності датчика ипотім, наприклад, до зміни вихідної напруги моста змінного струму.

Завдяки досягненням мікроелектронної технології габаритні розміри таких датчиків можуть бути надзвичайно малими (одиниці - десятки квадратних міліметрів). Крім того, на кремнієвій пластині можуть розташовуватися і деякі елементи вторинного перетворення, наприклад, мостові схеми, підсилювачі.

 8.3. Вимірювання швидкості руху потоку речовини і його витрати

Розглянемо досить поширені завдання - вимірювання швидкості руху потоку речовини і його витрати. Ці фізичні величини часто пов'язані між собою і розглядати їх окремо недоцільно.

При виборі вимірника витрати і / або швидкості руху для конкретного експерименту, крім загальних для всіх засобів вимірювальної техніки критеріїв (метрологічні і експлуатаційні характеристики, початкова вартість будівництва і вартість обслуговування і ін.), Необхідно враховувати і специфічні фактори вимірюваної величини. Це - характер стану речовини (рідкі, газоподібні речовини, пар, багатофазні середовища, сипучі речовини, великі тверді предмети та ін.), Властивості досліджуваного середовища (щільність, в'язкість, стисливість, хімічний склад, електропровідність, агресивність, абразивність, змащувальні здатності і ін .), її поточні характеристики (температура, тиск, багатофазні стану, вологість - особливо для сипучих середовищ). Важливими є вибрані моделі процесів, що відбуваються - статичні або динамічні. Крім того, слід враховувати умови і можливості монтажу засоби вимірювання, можливі розміри, геометрію і матеріал трубопроводу, умови проведення експерименту, вимоги додаткового обладнання, необхідність зовнішнього джерела живлення, час безперервної роботи, необхідну періодичність повірки і т. Д. Очевидно, що при такому числі різних критеріїв проблема вибору стає досить серйозною, що вимагає кваліфікованої і професійного підходу.

У цьому підрозділі в основному будемо говорити про вимірювання швидкості руху і витрати на прикладі поточних в трубопроводах рідин і газів. Оскільки витрата рідин і газів сьогодні майже завжди знаходять через швидкість руху речовини, в даному параграфі паралельно розглядаються методи і засоби вимірювання як швидкості, так і витрати. Під витратою в даному випадку будемо розуміти кількість речовини, що проходить через перетин потоку в одиницю часу.

Англомовні терміни вимірювача швидкості - Уе1оа1у Ме1ег, вимірювача витрати - Р1о \ уще1ег.

8.3.1. Основні поняття

Розглянемо зв'язок швидкості і витрати на прикладі трубопроводу, в якому тече рідина. При виконанні певних умов (трубопровід на достатній довжині прямої і повністю заповнений рідиною, рух її рівномірний, внутрішнє се-

чення трубопроводу на достатній довжині постійно і т. п.) значення поточної витрати 0 розраховується за формулою

б = ру5 = рг; -,

де р - значення щільності рідини; у ~ швидкість руху потоку; 51- Площа внутрішнього перерізу трубопроводу; а1- внутрішній діаметр трубопроводу.

існують поняття поточного (Миттєвого) 0 и інтегрального (Сумарного) С витрат за певний інтервал часу Лл Інтегральний витрати С в загальному випадку є інтеграл функції миттєвого (поточного) витрати ^ {1) на інтервалі Д /. В окремому випадку постійного значення поточної витрати 0 на інтервалі Д / інтегральний витрата С визначається простим твором:

С = ОМ.

Прилади для вимірювання інтегрального значення часто називаються лічильниками кількості (Р1о \ у ТИаПгег). Сучасні прилади зазвичай забезпечують обидва режими роботи.

розрізняють об'ємний витрата (що виражається одиницями обсягу - л / с, м3/ Ч і т. П.) І масовий (Що виражається одиницями маси - кг / хв, т / год і т. П.). об'ємний ()уи масовий () ", витрати пов'язані щільністю р середовища досліджуваного потоку:

а, = РВ> '.

8.3.2. Методи і засоби вимірювання

В даний час застосовуються кілька десятків різних способів вимірювання швидкості руху і витрати речовини. Залежно від виду, складу і властивостей досліджуваного середовища застосовують різні методи і засоби вимірювання швидкості і витрати.

Найбільш поширені сьогодні такі принципи (і прилади на їх основі): манометрические (Працюють на змінних або постійних перепадах тиску, що створюються потоком вимірюваного середовища); тахиметрічну (Турбінні, крильча-ті, кулькові); електромагнітні (Індукційні, засновані на ефекті електромагнітної індукції); ультразвукові (Засновані на вимірі різниці часів проходження звукового сигналу в рухомому середовищі або на вимірюванні зміни частоти відбитого ультразвукового сигналу); вихрові (Засновані на оцінці частоти коливань завихрень потоку); теплові (Засновані на зміні температури датчика, обтічного рухомим середовищем).

Розглянемо деякі електричні методи та засоби вимірювання швидкості і витрати з цих найбільш поширених.



© um.co.ua - учбові матеріали та реферати