Первичные изм. преобразователи. Часть 2

Рис. 8.1.4. Измерительный блок компенсационного дифманометра типа

ДМПК - 100

Защищен от односторонней перегрузки полным статическим давлением, выходной стержень уплотнен металлической мембраной – 1.

8.2. Назначение и область применения преобразователей перепада давления

Пневматические преобразователи перепада давлений (ППД) используются в комплектах с вторичными приборами, регуляторами и другими устройствами автоматики, машинами централизованного контроля и системами управления, работающими от стандартного пневматического сигнала 0,02÷0,1 МПа (0,2 ÷1 кг/см2) по ГОСТ 9468-78.

Преобразователи перепада давлений предназначены для непрерывного преобразования в пневматический выходной сигнал следующих теплоэнергетических параметров:

200

a)уровня жидкостей в открытых и закрытых цистернах, котлах, химических реакторах;

b)избыточного давления;

c)расхода жидких и газообразных сред, находящихся под давлением до

40 МПа (400 кгс/см2).

8.3. Принцип действия пневматического ППД

Функционально прибор состоит из двух блоков (см. рис.8.3.1.) Измерительный блок (1) преобразует перепад давлений ∆Р в пропорциональное тяговое усилие QT, которое через рычажный передаточный механизм пневмосилового преобразователя (2) автоматически уравновешивается усилием Qoc, развиваемым давлением выходного сигнала y в элементе обратной связи. При изменении измеряемого перепада давлений ∆Р происходит перемещение рычажной системы и связанной с ней заслонки индикатора рассогласования 4 (функциональная схема ППД рис.8.4.1), выходной сигнал ζ индикатора рассогласования управляет через усилитель 5 давлением, поступающим в сильфон обратной связи 6 и одновременно в линию дистанционной передачи данное давление y и является выходным

	сигналом ППД.
	∆P		QT		y
		1		2

Рис. 8.3.1. Блок-схема преобразователя ППД:

1 - измерительный блок (узел чувствительных элементов);

2 - пневмосиловой преобразователь; ∆Р - измерительный параметр;

QT - тяговое усиление измерительного блока;

y - выходной сигнал 0,02 ÷0,1 МПа (0,2 ÷1 кгс/см2).

201

8.4. Расчёт основных параметров и технических характеристик ППД

Учитывая современные мировые достижения в области разработок и производства аналоговых приборов необходимо отдать предпочтение приборам с силовой компенсацией, блочному построению, применению в разработке новых материалов, использованию защитных устройств от односторонних перегрузок рабочим давлением.

Преобразователь перепада давлений - (ППД) состоит из двух основных функциональных элементов: измерительного блока 1 (рис.8.3.1) и пневмосилового преобразователя 2.

Рис. 8.4.1. Схема ППД с силовой компенсацией (принята к

проектированию):

1 - измерительный блок (УЧЭ, рычаг); 2 - подвижная система; 3 - передаточный механизм;

4 - индикатор рассогласования; 5 - усилительное устройство; 6 - Устройство обратной связи;

∆Р - измеряемый параметр; QT - пропорциональное тяговое усилие; λ - перемещение заслонки индикатора рассогласования; ξ - сигнал (вых.) от индикатора рассогласования; Е - энергия источника питания; Q - непосредственное усилие устройства; Gc - усилие пружины «корректор нуля»; y - выходной сигнал.

202

8.5. Анализ и выбор схемы измерительного блока (чувствительных элементов)

ВППД, основанных на принципе силовой компенсации - измерительный блок или узел чувствительных элементов (УЧЭ) преобразует изменение измеряемого параметра ∆P в пропорциональное изменение тягового усилия QT, которое, в свою очередь преобразуется в унифицированный выходной сигнал.

При выборе схемы измерительного блока главным образом должны учитываться следующие условия:

a)Обеспечение заданной метрологической характеристики и стабильности её во время работы прибора.

b)Обеспечение надёжной защиты ЧЭ от разрушения или чрезмерной (необратимой) деформации при их перегрузке полным (статическим) рабочим давлением – P CT.

c)Осуществление вывода усилия QT (развиваемого ЧЭ под действием измеряемого параметра) из полости рабочего давления в атмосферу, при условии инвариантности этого условия к изменению рабочего (статического давления в пределах от 0 до Рст.(40МПа)).

d)Работоспособность измерительного блока при высокой степени загрязнения рабочих полостей, вязкости продукта (возможность быстро промыть рабочие полости прибора), при этом учитываются технические особенности изготовления, сборки, отладки, применяемость материалов, реальные характеристики ЧЭ, а также возможные способы их заделки.

Вкачестве чувствительных элементов измерительных блоков с жидкостным заполнением в настоящее время используются металлические мембраны и сильфоны.

Преимущества мембранных измерительных блоков по сравнению с сильфонными в основном определяются:

203

1.простотой и технологичностью изготовления мембран различных размеров при сравнительно низкой стоимости и малой трудоёмкости;

2.сравнительной простотой конструкции мембранных измерительных блоков с жидкостным заполнением, их небольшим весом и габаритами;

3.возможностью изготовления мембран из различных материалов, пригодных для работы в контакте с особо агрессивными средами;

4.возможностью нанесения стойких покрытий (в том числе фторопластовых) на поверхности мембранных ЧЭ, соприкасающихся с рабочей средой;

5.возможностью использования мембран при измерении давлений вязких, загустевших, кристаллизующихся сред, а также сред с механическими включениями или выпадающими в осадок;

6.более высокой ударо- и вибростойкостью конструкций УЧЭ.

При выборе схемы измерительного блока рассматриваются только схемы мембранных УЧЭ с жидкостным заполнением и обеспечивающие защиту от PCT.(рис.8.5.1), которые можно разделить на группы по расположению вывода из области высокого давления:

Рис.8.5.1, а - вывод расположен в разделительной жидкости; Рис.8.5.1, б - вывод контактирует с измеряемой средой, а также по способу

защиты ЧЭ от действия перегрузок; Рис.8.5.1, в - мембраны собраны в коробку при перегрузке происходит

складывание по профилю; Рис.8.5.1, г - мембраны защищены клапанными устройствами;

Рис.8.5.1, д - мембраны при перегрузке опираются на профилированную подушку.

По расположению вывода из области высокого давления предпочтение следует отдать конструкции с расположением вывода в разделительной жидкости (рис.8.5.1, а) при таком расположении вывода очевидны следующие преимущества:

204

1.Возможность расположения за пределами фланцевых уплотнений сварных швов (соединяющих ЧЭ с корпусом измерительного блока) с целью их предохранения от контакта с рабочей средой, что упрощает коррозионную защиту деталей прибора.

2.Возможность нанесения антикоррозионных покрытий на поверхность чувствительного элемента контактируемую с измеряемой средой.

3.Возможность построения модуля измерительного блока, включающего в себя:

-чувствительные элементы (мембраны);

-узел вывода из области высокого давления.

4. Возможность применения простых технологических приспособлений при сборке, заполнении, проверке модуля.

Защита ЧЭ по схеме (рис.8.5.1, в) со складывающимися по профилю мембранными коробками неприемлема, так как сварные швы мембранных коробок находятся в агрессивной среде, что является существенным недостатком схемы.

В основе клапанной защиты чувствительных элементов рис.8.5.1, г использованы резиновые уплотнительные кольца; шток, совершив ход, уплотняет кольцом полость со стороны высокого давления; запирая разделительную жидкость в закрытом объеме (при повышении давления, возрастает давление внутри закрытого объема), чем и обеспечивается защита мембраны от дальнейшей деформации и разрушения ЧЭ. Естественное старение резины, ее ссыхание, растрескивание, высокие напряжения в резиновых кольцах при больших статических давлениях значительно снижают область применения подобных защитных устройств и в данной разработке, но приемлемы.

205

Рис. 8.5.1. Схемы измерительных блоков

Применение схемы УЧЭ, представленной на рис.8.5.1, е наиболее оправдано при работе с агрессивными измеряемыми средами при высоких температурах, с вязкими, загустевающими продуктами. Погрешность от изменения объемов (заполненных разделительной жидкостью межмембранных полостей) может быть полностью скомпенсирована, приравниванием объемов полостей V1-2 и V2-3 (рис.8.5.2).

206

Рис.8.5.2. Схема компенсации погрешности от изменения объемов путем приравнивая V1-2 и V2-3

Ход системы Ха

X A

=

Q

=

PF2

.

C

ΠΡ

+

C

F 2

+

C

3

F 2

C

1

1

*

2

*

2

2

2

2

C2

C2

F1

F3

Погрешность системы от измерения объемов заполнения:

δ	V =	1			C	− V		C	3
				V	1						*100% .
	X A	P		1−2 F12			2−3 F32

8.6. Определение характеристик ЧЭ

Основным противником приборов, основанных на принципе силовой компенсации,- является жесткость УЧЭ.

Выбор мембран для измерительных блоков ППД может быть произведен из условий

где		Q
		T
		QT äîï

С	∑	x		Q
				T		,	(8.6.1)
PFΗ			≤	QT
					доп

- допустимое предельное значение относительных потерь

рабочего усилия;

∆QT- некомпенсированное усилие;

QT - рабочее усилие для данного диапазона;

207

C∑ -суммарная жесткость системы УЧЭ;

х- ход системы (в трёхмембранном измерительном блоке при заполненной системе принимается ход измерительного ЧЭ = 2 мкм

(0,002 мм));

∆P - рабочий перепад давлений; FH - эффективная площадь ЧЭ.

Чем меньше отношение потерь рабочего усилия QT ,тем (при прочих

QT

условиях) выше метрологические характеристики прибора, как показано практикой для компенсационных датчиков с классом 0,6÷1 величина

	Q		= 0,01,а соотношение жесткостей ЧЭ	C	u	= 4:	откуда Ck	=	C	u	;
	T
				Ck					4
	QT äîï

Ck- жесткость компенсационного ЧЭ по силе;

qk- жесткость компенсационного ЧЭ по давлению; Cu -жесткость измерительного ЧЭ по силе;

qu- жесткость измерительного ЧЭ по давлению. При заполненном трёхмембранном УЧЭ справедливо равенство:

C∑ = Cu + 2Ck

(8.6.2)

определив отношениеCk

=

Cu

, получаем удобную (с одной зависимостью от

4

жесткости Cu) зависимость:

C∑ = Cu + 2

Сu

= 1,5Cu .

4

Подставив в формулу (8.6.2) значения C∑

и равенство

QT =0,01 получим

QT

окончательно:

1,5Cu x

≤ 0,01 .

(8.6.3)

PFH

Откуда жесткость по силе измерительного ЧЭ:

Cu

≤

0,01 PFH

1,5x

и соответственно жесткость по давлению:

qu ≤

0,01

P

.

1.5x

Учитывая технологические возможности, мембраны ЧЭ с толщиной менее 0,1 мм к разработки не принимаются.

208

Выбор схемы пневмосилового преобразователя ППД

Наиболее простой является однорычажная схема (рис. 8.6.1, г). настраиваемые моменты Qoc loc уравнивают (относительно опоры рычага преобразователя) моменты сил QT l,

где QT - тяговое усилие на входе преобразователя, соответствующее верхнему предельному значению измеряемого параметра ∆P;

l - постоянное плечо действия усилия;

QOC - усилие обратной связи, соответствующее изменению выходного сигнала пневмо - преобразователя от Y0 доYм

lOC - настраиваемое плечо действия QOC обратной связи.

Рис.8.6.1. Кинематическая схема пневмосиловых преобразователей

209