Измерительные преобразователи давления

Нормированные метрологические характеристики средств измерений. Класс точности.

Технические средства, используемые в процессе измерений, имеющие нормируемые метрологические харак-ки: 1.В зависимости от расположения: первичные СИ; измерительные приборы; измерительные установки; измеритель-е информ-е системы. Первичный преобразов-ль нах-ся под непосред-ным воздействием среды.

Измеритель-е приборы предс-ют информ –ю в форме, удобной для наблюдателя. Измер-ая уст-ка - объединяет первичный преоб-ль, вторичные преобр-ли и приборы в одном уст-ве.

ГСП- госуд-я сис-ма приборов.

По точн-ти измерения:

1. Эталоны (наивысшая точность); 2. Образцовые (поверяются по эталонам); 3. Рабочие меры: а) высокой точ-ти б) технические

Статические хар-ки: Y=f(x)

Статич-е хар-ки дел-ся на:

Линейные, нелин., и релейные. Чувствительность при нелинейной хар-ке: S=dy/dx

Погрешности измер-й и средств изм-й: 1 Абсолютная 2 относит-е 3 приведенная

Классиф-я погр-тей:

Статистич-е погр-ти в зав-ти от хар-ра прояв-я подраз-ся на: случайные, систематические, грубые.

Случай-е пгр-ти при повторных измерениях измен-ся случайно, систем-кие погр-ти – сотавляющие погрешности которые при повторных измерениях остаются пост-ми или измен-ся по опред-му закону. Системат-е погр-ти подраз-ся на: инструментальные; метода измерений; установки; методические; субъективные. Погр-ть метода измер-я зависит от несовершенства метода измер-я. Установочная погр-ть зависит от положения простр-ве. Методическая погр-ть зависит от условий. субъектив-я зав-т от времени и лица измеряющ-го величину (субъекта).

В зав-ти от изменения величины: аддитианая; мультипликативная.

 

Расходомеры переменного перепада давлений.

Принцип действия основан на зависимости перепада давления, создаваемого сужающим устройством от расхода.

Типы сужающих устройств: 1) Диафрагма; 2) Сопло вентури; 3) Труба вентури

S1V1=S0V0=S2V2 – закон неразрывности струи.S0/S1=V1/V0=m – модуль сужающего устройства.

S2/S0=V0/V2=МЮ – коэффициент сужения (сжатия) струи. Диафрагма используется для модуля 0,05<=m<=0,7; сопло вентури 0,005<=m<=0,65; труба вентури 0,05<=m<=0,6.

Коэффициент расхода  

Зависимость коэффициента a от числа Рейнольдса Re.

 

 

Для осуществления однозначной шкалы число Re должно удовлетворять условию Re=Reгр., в этом случае расход зависит только от dP. ,Диафрагма 1 осуществляет сужение потока и увеличение скорости потока, что увеличивает число Рейнольдса

 

Ультразвуковые расходомеры.

Ультрозвуковой метод измерения основан на явлении смещения звукового колебания движущейся жидкой средой.

Для измерения расхода в основном исп-ют 2-а метода. Один метод основан ра измерении разности фазовых сдвигов двух ультрозвуковых колебаний, направленных по потоку и пртив него. Приборы измерения этим методом наз-ся фазовыми расходомерами.

Другой метод основан на измерении разности частот повторения коротких импульсов или пакетов ультрозвуковых колебаний, направленных одговременно по потоку и против него. Эти приборы наз-ся частотными расх-ми.

Фазовые расх-ры: Если колебания распр-ся в направлении скор-ти потока, то они проходят расстояние L за время t₁ = L/(а+v)=(L/а)(1/(1+v/a)), где а- скорость звука в данной среде; v- скорость потока. При распространении колебаний против скорости потока время t₂ = L/(а-v)=(L/а)(1/(1-v/a)). Отношение v/а<<1. Поэтому с большой степенью точности можно принять t₁ = L/а(1-v/а)=L/a-Lv/a²; t₂= L/а(1+v/а)=L/a+Lv/a².

В фазовых расх-рах фикс-ся разность времени Dt= t₂-t₁= 2, Lv/a².

На поверхности трубопровода расположены 2-а пьезоэл-ких элемента 1 и 2. В качестве пьезоэлектрических эл-тов исп-ют пластины титаната бария, обладающие наиболее высоким пьезомодулем по сравнению с другими пьезоэлектриками. Пьезоэлемент 1 механическим переключателем 3 подключен к генератору высокочастотных синусоид-х эл-ких колебаний.  Пьезоэлемент преобразует электрические колебания в ультрозвуковые, которые направляются в контролируемую среду через стенки трубопровода. Пьезоэлемент 2 воспринимает ультразвуковые колебания, прошедшие в жидкости расстояние L, и преобразует их в выходные электрические колебания.

Наличие в схеме механического переключателя огр-ет возм-ть измерения быстро меняющихся расходов в следствии не большой частоты переключения (порядка 10 Гц). Это можно исключить, если в трубопроводе установить две пары пьезоэлементов так, чтобы в одной паре излучатель непрерывно создавал колебания, направленные по потоку, а в другой - против потока. В таком расходомере на фазометр будут непрерывно поступать два синусоидальных колебания,

фазовый сдвиг между

которыми пропорционален

скорости потока.

Промышленные хромотографы

Хроматографический метод анализа предназначен для опре­деления качественного и количественного состава смесей газо­образных и жидких веществ. Метод основан на разделении иссле­дуемой смеси на компоненты за счет различной сорбируемости компонентов при движении смеси по слою сорбента. При этом компоненты смеси газов под действием потока подвижной фазы перемещаются по слою сорбента (неподвижная фаза) с различными скоростями. Подвижная фаза представляет собой газ или жид­кость, неподвижная фаза — жидкость или твердое тело.

Метод реализован в аналитических приборах; называемых хроматографами. Неподвижная фаза в хроматографах размещена в хроматографических колонках и представляет собой твердое порошкообразное вещество или жидкость, нанесенную в виде тонкой пленки на твердый носитель. В зависимости от агрегат­ного состояния подвижной фазы (газ или жидкость) хроматографы разделяются соответственно на газовые и жидкостные. Области применения газовых и жидкостных хроматографов различны, но принцип действия одинаков.

Хроматографическое разделение основано на сорбции — по­глощении газов, паров или растворенных веществ (сорбатов) твердыми или жидкими поглотителями (сорбентами). В зави­симости от природы сорбционных процессов их подразделяют на абсорбцию, адсорбцию и хемосорбцию (когда адсорбция сопро­вождается образованием на поверхности адсорбента химических соединений). Адсорбция, абсорбция и хемосорбция могут проис­ходить в хроматографических установках одновременно, не превалирует, как правило, один из этих процессов. В случае, когда преимущественную роль играет адсорбция, метод разделения называют адсорбционной хроматографией; если же разделение обусловлено абсорбционным процессом, то метод разделения на­зывают распределительной хроматографией.

В состав хроматографа наряду с основными элементами (хроматографическая колонка 6, детектор 7) входит ряд вспомогательных устройств, обеспечивающих требуемые условия работы (баллон с газом-носителем 1, регулятор расхода газа-носителя 2, измеритель расхода газа-носителя 3,испаритель 4, дозатор 5, регистратор 8, интегратор 9, термостаты 10).

Подвижная фаза (газ-носитель) подается в колонку, как правило, из баллона со сжатым газом. Обычно в качестве газа-носителя используют гелий, азот, реже – водород. Газ-носитель должен удовлетворять следующим условиям: быть инертным по отношению к анализируемым веществам, неподвижной фазе и конструкционным материалам, с которыми он контактирует; содержать минимальное количество примесей; не ухудшать условия работы детектора.

12. Плотномеры.  

Приборы для автоматического измерения плотности составляют весьма важный элемент в комплексной автоматизации целого ряда процессов химической промышленности. Так, контроль и управление работой выпарных установок, абсорберов, дистилляционных, ректификационных и других аппаратов требуют непрерывного измерения плотности. Иногда плотность производст-ных жидкостей измеряют для определения конц-ции растворенного вещ-ва. Плотностью называют содержание массы вещества в единице занимаемого им объема, т. е. ρ=m/V, где m и V — соответственно масса и объем вещества. Единицей измерения плотности в СИ является кг/м³.

ПОПЛАВКОВЫЕ ПЛОТНОМЕРЫ

Работа поплавковых плотномеров основана на законе Архи­меда. Поплавковые плотномеры изготовляют с плавающим и с пол­ностью погруженным поплавком. В приборах первого типа мерой плотности жидкости служит глубина погружения поплавка определенной формы и постоянной массы. В плотномерах второго типа глубина погружения поплавка практически постоянна, а измеряют действующую на поплавок выталкивающую силу, пропор­циональную плотности жидкости.

ВЕСОВЫЕ ПЛОТНОМЕРЫ

Для весового метода характерны независимость показаний от свойств среды (поверхностное натяжение, вязкость, наличие твердых частиц и др.) и параметров контролируемого потока (скорость движения через чувствительный элемент, давление, пульсация расхода и давления и др.).

ГИДРОСТАТИЧЕСКИЕ ПЛОТНОМЕРЫ. Принцип действия гидростатических плотномеров основан на том, что дзвлениет p жидкости на расстоянии H от ее поверхности определяется выражением p=ρgH, где ρ плотность жидкости; g— ускорение свободного падения. Из формулы следует, что давление столба жидкости постоянной высоты H является мерой плотности жидкости.

В плотномерах этого типа давление столба жидкости обычно измеряют косвенно непрерывным продуванием через жидкость инертного газа (воздуха), давление которого пропорционально давлению столба жидкости (пьезометрические плотномеры). Такой метод измерения давления столба жидкости позволяет легко пере­давать показания на расстояние. Инертный газ выбирают в за­висимости от свойств жидкости, плотность которой измеряют.

Расход продуваемого инертного газа должен быть небольшим и постоянным, так как колебания расхода могут вызвать допол­нительную погрешность измерения.

 

 

Измерительные преобразователи давления

 Для прямого измерения давления жидкой или газообразной среды с отображением его значения непосредственно на шкале табло или индикаторе первичного измерительного прибора применяются манометры.

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.

По принципу действия манометры можно подразделить на:
– жидкостные – (измеряемое давление уравновешивается гидростатическим столбом жидкости, 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 изменения давления);
– и другие (тепловые ионизационные, термопарные и т.д.).

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

По виду измеряемого давления манометры подразделяются на:
– Приборы измерения избыточного и абсолютного давления – собственно манометры;
– разрежения – вакумметры;
– давления и разрежения – мановакуумметры;
– атмосферного давления – барометры;
– разностного давления – дифференциальные манометры (дифманометры).

Манометры, вакуумметры и мановакуумметры для измерения небольших (до 20 – 40 кПа) давлений газовых сред называют соответственно напоромерами, тягомерами, а дифманометры с таким диапазоном измерения – микроманометрами. Технические характеристики всех этих средств измерения давления определяются соответствующими общими техническими условиями.

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 измерений).

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

Манометры выполняют функцию локального контроля и в большинстве случаев из-за отсутствия дистанционного доступа к их показаниям (за исключением манометров с унифицированным выходным электрическим сигналом) не могут использоваться для целей современной автоматизации.

По способу обработки и отображения измеряемого давления ИПД подразделяются на:
– первичные – (формируют для дистанционной передачи выходной сигнал, соответствующий измеряемому давлению);
– вторичные – (получают сигнал от первичных преобразователей, обрабатывают его, отображают, накапливают и передают на более высокий уровень системы).

Современная тенденция развития ИПД заключается в их «интеллектуализации» на базе микроэлектронной технологии микропроцессорной техники, предполагающей передачи части функций системы управления вторичным преобразователем, 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, способу преобразования измеряемого давления в выходной сигнал первичные преобразователи давления подразделяются на дефомационные и электрические.

В первых – деформационные перемещения УЧЭ (мембраны, сильфона, трубки Бурдона) трансформируются с помощью дополнительных промежуточных устройств (механизмов и преобразователей, например, магнитотранзисторного или оптиковолоконного) в электрический электромагнитные сигналы.

Во-вторых – измеряемое давление, оказывая воздействия на чувствительный элемент, изменяет его собственные электрические параметры: сопротивление, емкость или заряд, которые становятся мерой этого давления.

Подавляющее большинство современных общепромышленных ИПД реализованы на основе следующих принципов:
– емкостных – (используют УЧЭ в виде конденсатора с переменным зазором: смещение или прогиб под действием прилагаемого давления подвижного электрода мембраны относительно неподвижного изменяет емкость УЧЭ);
– пьезометрических – (используют зависимости поляризованного заряда или резонансной частоты пьезокристаллов: кварца, турмалина и других - от давления);
– тензорезисторных – (используют зависимость активного сопротивления проводника или полупроводника то степени его деформации).

В последние годы получили развитие и другие принципы создания ИПД: волоконно-оптические, гальваномагнитные, объемного сжатия, акустические, диффузионные и т.д