Первичные изм. преобразователи. Часть 2

Иногда применяется и другой метод магнитного преобразования давления, при котором формируется двухкатушечный индуктивный мост (рис. 6.10.2). Одиночная диафрагма разделяет две катушки, так что при перемещении диафрагмы индуктивность одной катушки уменьшается, а другой увеличивается.

Вопросы для самоконтроля по главе 6

1.Какие преобразователи называют расходомерами?

2.Перечислите типовые методы механического измерения расхода.

3.Объясните принцип измерения расхода жидкости (газа), основанный на измерении перепада давления.

4.Объясните принцип работы термальных расходомеров на основе электромагнитных явлений.

5.Каким образом измеряется расход жидкости (газа) путем генерирования завихрений и с использованием ультразвукового метода?

6.Укажите механические устройства и объясните их работу в преобразователях для измерения давления.

7.Объясните, как работают: тензометрический преобразователь давления, емкостной преобразователь давления и магнитный преобразователь давления.

180

ГЛАВА 7. ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ПЕРЕПАДА ДАВЛЕНИЯ С ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ВЫХОДНЫМ СИГНАЛОМ.

7.1. Измерительные преобразователи перепада давления, основанные на принципе силовой компенсации

Измерительные преобразователи перепада давления, основанные на принципе силовой компенсации, состоят из линейного преобразователя, усилительного устройства и измерительного блока. Принципиальная схема измерительного преобразователя перепада давления, основанная на принципе силовой компенсации, приведена на рис. 7.1.1.

Рис.7.1.1. Принципиальная схема измерительного преобразователя

перепада давления, основанная на принципе силовой компенсации

Принцип силовой компенсации заключается в том, что измеряемый перепад давления преобразуется на чувствительном элементе измерительного блока в пропорциональное усилие, которое через рычажный механизм автоматически уравновешивается усилием, развиваемым силовым механизмом обратной связи при протекании по его обмоткам постоянного

181

тока, являющегося одновременно выходным сигналом датчика. Изменение входного усилия вызывает незначительное перемещение рычажной системы и жестко связанного с ней нуль-органа (плунжера) индикатора рассогласования. Сигнал рассогласования поступает на вход усилительного устройства, усиливается по напряжению и по мощности, выпрямляется фазочувствительным выпрямителем и поступает в виде унифицированного сигнала постоянного тока в обмотки силового механизма и одновременно в соединенную последовательно с ним линию дистанционной передачи с полезной нагрузкой.

Настройка на заданный диапазон измерения производится плавным изменением передаточного отношения рычажной системы, а настройка начального значения выходного сигнала - путем натяжения пружины. Датчики перепада давления, основанные на принципе силовой компенсации, обладают высокой точностью (не менее ±0,5%), повышенной чувствительностью (порядка 0,05%), возможностью охвата нескольких пределов измерения без замены деталей и узлов (1:10), высокой степенью конструктивной унификации. Благодаря широкому охвату глубокой отрицательной связью большинство функциональных звеньев прибора (индикатор рассогласования, усилительное устройство, рычажный механизм) существенно не влияют на точность преобразования.

Однако датчики с силовой компенсацией имеют повышенную чувствительность к вибрации и тряске - благодаря наличию больших подвижных масс; большие габариты - из-за рычажно-передающего механизма, большую массу, а также определенную сложность конструкции. Кроме того, наличие подвижных масс не позволяет существенно повысить динамические характеристики (время установления выходного сигнала не менее 0,5 с и полосу пропускания частот не более 5 Гц).

Датчики с силовой компенсацией нашли применение в стационарных условиях (при наличии вибрации с частотой не более 25 Гц и амплитудой до 0,1 мм), для медленноменяющихся процессов с частотой до 5 Гц.

182

В настоящее время преобразователи перепада давления с силовой компенсацией выпускают следующие зарубежные фирмы:

Foxboro, Honeywell, Leeds & Northrup (США);

Taylor Instrument Co. Ltd., Kent Instruments Co. Ltd (Великобритания); CEREG, Controle Bailey, Schlumberger (Франция);

Siemens, Fisher & Porter, Conti Elektro (США);

Pignone Sud (Италия);

Valmet (Финляндия);

VEB Gerate und Beglerverk Teltow (ГДР);

Hitachi, Hokuschin, Fuji Instruments (Япония);

Energoinvest (Югославия).

7.2. Измерительные преобразователи перепада давления, основанные на принципе компенсации магнитных потоков

Принцип действия дифманометров с магнитной компенсацией основан на преобразовании перемещения упругого чувствительного элемента под действием измеряемого перепада в токовый сигнал с помощью магнитомодуляционного преобразователя с компенсацией магнитных потоков.

Принципиальная схема измерительных преобразователей перепада давления приведена на рис.7.2.1.

Измеряемый перепад давления преобразуется чувствительным элементом в перемещение постоянного магнита, который создает управляющее воздействие в виде магнитного потока. Этот поток компенсируется магнитным потоком обратной связи, возникающим при протекании в обмотках обратной связи выходного сигнала постоянного тока. При изменении потока меняется намагниченность сердечников магнитомодуляционного преобразователя и в его обмотках возникает сигнал рассогласования. Этот сигнал управляет выходным сигналом усилительного

183

устройства, который передается в линию дистанционной передачи и одновременно в обмотку обратной связи. Настройка диапазона прибора осуществляется изменением сопротивления, а настойка нуля - плавным перемещением постоянного магнита с помощью винта.

Датчики состоят из измерительного блока, магнитомодуляционного преобразователя с компенсацией магнитных потоков и полупроводникового усилителя.

Этот принцип измерения позволил создать датчики с более простой конструкцией, высокой надёжностью и виброустойчивостью.

Рис.7.2.1. Принципиальная схема измерительного преобразователя

перепада давления, основанная на принципе компенсации магнитных потоков (в частности фирмы Leeds & Northrup): 1 - сильфонный измерительный блок; 2 -торсионный вывод; 3 - рычажная система; 4 - постоянный магнит; 5 - преобразователь компенсации магнитных

потоков; 6 -обмотка обратной связи; 7 - усилитель; 8 - фазочувствительный выпрямитель; 9 -генератор; 10 - дополнительный магнитик

Датчики давления, основанные на принципе компенсации магнитных потоков, отличаются сравнительно высокой точностью измерения (±0,5 и ±1%), малой чувствительностью к вибрации и тряске благодаря наличию небольших подвижных масс при большой жесткости; простой конструкции,

184

меньшими габаритами и массой. Благодаря широкому охвату отрицательной обратной связью функциональных звеньев преобразователя с компенсацией магнитных потоков в этих датчиках повышенные требования предъявляются только к чувствительному элементу и постоянному магниту.

Преобразователи имеют непосредственно выходной сигнал в виде напряжения постоянного тока с высокой чувствительностью порядка 0,2 В/мм, что позволяет применять простую схему усилительного устройства постоянного тока с малым числом активных элементов.

Датчики с компенсацией магнитных потоков отличаются повышенной надежностью; вероятность безотказной работы в течение 2000 ч не менее

0,97.

Датчики с компенсацией магнитных потоков найдут широкое применение для работы в тяжелых условиях эксплуатации в схемах управления и аварийной защиты в теплоэнергетике, атомной энергетике, металлургии и других отраслях промышленности.

Недостатками этого принципа измерения являются: ограниченная точность, повышенные требования к качеству изготовления чувствительных элементов.

В настоящее время преобразователи перепада давления с компенсацией магнитных потоков выпускают следующие зарубежные фирмы:

Taylor Instrument Co. Ltd. (Великобритания);

Leeds & Horthrup, Foxboro (США);

Siemens, Fischer & Porter (ФРГ);

Iokogawa, Fuji Denki (Япония).

Наибольшее распространение эти приборы получили в США и Японии, так как в этих странах были получены магнитные материалы, обладающие стабильными характеристиками, обеспечивающими повышение класса точности (0,5).

Впервые принцип магнитной компенсации предложила использовать фирма Siemens. В качестве чувствительных элементов фирма в своих

185

дифманометрах применила сильфонные блоки фирмы Barton ITT (США), торсионный вывод которых связан с преобразователем рычажной передачей. Фирма выпускает дифманометры для работы в агрессивных средах во взрывозащищенном исполнении.

7.3. Измерительные преобразователи перепада давления с дифтрансформаторным преобразователем

Принципиальная схема измерительного преобразователя перепада давления с дифтрансформаторным преобразователем представлена на рис.

7.3.1.

Принцип действия приборов основан на преобразовании измеряемого перепада давления в перемещение чувствительного элемента, которое преобразуется в электрический сигнал с помощью дифтрансформаторного преобразователя и электронного блока с двухпроводной линией связи.

Эти приборы отличаются высокой точностью, виброустойчивостью, небольшими дополнительными погрешностями, обусловленными влиянием напряжения, частоты питания и сопротивления нагрузки.

В настоящее время измерительные преобразователи перепада давления с дифтрансформаторным преобразователем выпускаются фирмами Hartmann & Braun, Siemens, Philips , Schlumberger, MECI (Франция).

Наибольший интерес представляют электрические измерительные преобразователи перепада давления серий I52, I57 и I51 фирмы Hartmarm & Braun.

Благодаря применению высококачественных чувствительных элементов и тщательности их изготовления преобразователи обладают высокими метрологическими характеристиками, высокой точностью. Дополнительные погрешности невелики: при изменении напряжения питания на 10% дополнительная погрешность не превышает 0,1%; при изменении частоты на 10% - менее 0,01%; при изменении сопротивления нагрузки на 100% - менее

186

0,1%; температуры на каждые 10° С - от 0,1 до 0,3% (в зависимости от типа прибора) и уход диапазона не более 0,3%.

Рис.7.3.1. Принципиальная схема измерительного преобразователя

перепада давления, основанная на принципе перемещения чувствительного элемента с помощью дифтрансформаторного преобразователя (в частности, фирмы Hartmann & Braun):

1 - измерительный блок; 2 - генератор; 3 -дифференциально- трансформаторный преобразователь; 4 - фазочувствительный демодулятор; 5 - усилитель; 6 - блок настройки диапазона

Приборы серии I52 имеют четырехпроводную линию связи. Измерительный механизм и усилитель монтируются отдельно. Напряжение тока питания 24 и 220 В, частота 48-62 Гц.

Приборы серии I57 имеют двухпроводную линию связи. Чувствительный элемент и детали приборов контактируют с измеряемой средой, изготовляются из высококоррозионно-стойких материалов: хастелоя С, монеля М, инколоя. Напряжение тока питания 12-55 В.

Приборы серии I51 с разделенным блоком обслуживания имеют четырехпроводную линию связи. Предназначены для установки в труднодоступных местах или в тяжелых условиях эксплуатации

187

(радиоактивное излучение, отравляющие газы, высокая температура и т.д.). Измерительный механизм устанавливается непосредственно в месте измерения, а блок обслуживания с усилителем монтируется в безопасных и доступных местах. Измерительный механизм с блоком обслуживания соединен четырехжильным кабелем с изоляцией; максимальная длина провода 3000 м, сечение 0,75 мм. При измерении агрессивных сред используют щупы, монтируемые непосредственно в местах измерения. Щупы соединяются с измерительным прибором капиллярной трубкой.

Фирма Hartmann & Braun первая в мире разработала и изготовила промышленные датчики CMR-7OO в искробезопасном исполнении. В этих приборах датчик и источник питания соединены между собой двухпроводной линией связи для передачи питания и выходного сигнала. На взрывоопасной стороне двухпроводной линии связи включены «барьеры безопасности».

Наличие двухпроводной линии в искробезопасной цепи позволяет упростить защитные барьеры, ограничившись одним барьерным устройством в общей цепи питания и сигнала. Искробезопасное исполнение в этих приборах осуществлено благодаря малым индуктивностям дифтрансформаторов и отсутствию конденсаторов большой емкости.

Для выполнения требований взрывозащищенности эти преобразователи работают на низкоомную нагрузку 200 Ом, а для обеспечения возможности подключения различных вторичных приборов - с общим входным сопротивлением до 750 Ом. В блоке питания предусмотрен нормирующий преобразователь постоянного тока в унифицированный сигнал.

Фирма выпускает также несколько типов «барьеров безопасности» в виде отдельных блоков для разных режимов работы.

Искробезопасное исполнение приборов является наиболее перспективным видом взрывозащиты приборов, так как все виды электрических разрядов, которые могут возникнуть в электрических цепях при нормальных режимах работы, обладают энергией меньше минимально воспламеняющей.

188

7.4. Измерительные преобразователи перепада давления тензометрические

В настоящее время тензометрический метод измерения является одним из наиболее перспективных. Приборы, основанные на этом методе, обладают высокой надежностью, точностью, виброустойчивостью, малыми габаритами и массой, конструктивной простотой [2].

Суть тензометричесного метода измерения заключается в непосредственном преобразовании деформации манометрического элемента или связанного с ним упругого элемента в изменение электрического сопротивления тензорезисторов, закрепленных на одном из указанных элементов. Это изменение сопротивления тензорезисторов преобразуется электрической измерительной схемой в электрический сигнал.

Принципиальная схема зарубежных измерительных преобразователей перепада давления, основанная на принципе преобразования перемещения чувствительного элемента с помощью полупроводникового тензопреобразователя, приведена на рис.7.4.1.

Достоинство тензометрического метода измерения состоит в том, что он позволяет создавать приборы с простейшими кинематическими цепями или вообще без них. Это открывает реальные возможности для повышения надежности, уменьшения габаритов, повышения вибростойкости и т.д. Широкому распространению тензометрических преобразователей долгое время препятствовали два обстоятельства: нестабильность характеристик, связанная главным образом с явлением «ползучести» клеев и цементов, применяемых для прикрепления тензорезисторов, и низкий уровень выходного сигнала (20-30 мВ), свойственный металлическим тензорезисторам.

189