В.А. Старовойтов Измерительные преобразователи перепада давления с пневматическим выходным сигналом

Министерство образования Российской Федерации Кузбасский государственный технический университет Кафедра электропривода и автоматизации

ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ПЕРЕПАДА ДАВЛЕНИЯ С ПНЕВМАТИЧЕСКИМ

ВЫХОДНЫМ СИГНАЛОМ

Методические указания к лабораторной работе по курсам «Управление техническими системами»

и «Технические средства управления и автоматизации» для студентов направления 551800

Составитель В.А. Старовойтов Утверждены на заседании кафедры Протокол № 3 от 30.03.99 Рекомендованы к печати методической комиссией по направлению 551800 Протокол № 2 от 24.09.99 Электронная копия находится в библиотеке главного корпуса КузГТУ

Кемерово 2000

1

1. ЦЕЛЬ ПРОВЕДЕНИЯ РАБОТЫ

На примере промышленного измерительного преобразователя перепада давления ДМ-П2 с пневматическим выходным сигналом изучить принцип действия, устройство и функциональные возможности аналогичных преобразователей мембранного типа.

2. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

2.1. Изучение настоящих методических указаний, устройства стенда и размещенных на нем технических средств.

2.2.Снятие статических характеристик ДМ-П2 путем подачи на его вход известных перепадов давления и фиксации ответных реакций на выходе с помощью измерительного прибора.

2.3.Обработка результатов измерений и подготовка отчета.

3.ТРЕБОВАНИЕ К ОТЧЕТУ

Отчет должен содержать наименование и цель проведения работы с указанием фамилий исполнителей, а также экспериментальные данные, сведенные в таблицу, графики статических характеристик и принципиальную схему преобразователя ДМ-П2.

4. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Измерение разности давлений ∆ Р между двумя удаленными друг от друга точками трубопровода, аппарата, а то и части технологической схемы часто представляется совершенно необходимым, т.к. может определять не только другие параметры процесса, но и работоспособность оборудования. Например, при достижении некоторого

∆Р между входом в рукавный фильтр и выходом последний не может улавливать пыль (рукав забит твердыми частицами); при повышении

∆Р в аппаратах со взвешенным слоем происходит унос твердых частиц или срыв режимов (захлебывание) массообмена на тарелках ректификационных колонн и т.д.

Кроме того измерения ∆ Р являются основой широкоприменяемого метода измерения расхода жидких и газообразных сред с помо-

2

щью сужающих устройств [1, c. 150; 2, c. 33]. Разность давлений, оказываемых двумя столбами жидкости, один из которых является постоянным (заданным), а другой изменяется, может использоваться и используется в промышленности для непрерывного контроля за уровнем жидкостей [1, c. 198].

В общем случае ∆ Р можно рассчитывать и по показаниям двух независимых манометров, однако технически и экономически целесообразнее (особенно при малых ∆ Р) это оказалось делать с помощью так называемых дифференциальных манометров (дифманометров), совмещающих функции двух манометров и выдающих уже готовый результат. Самым простейшим из них является двухтрубный U- образный жидкостный дифманометр с видимым уровнем (рис. 1).

Рис. 1. U-образный дифманометр Рис. 2. Схема мембранного дифманометра

По принципу действия он аналогичен U-образному манометру с видимым уровнем для измерения небольших избыточных давлений и разряжений [1, c. 115]. Однако по определению дифманометрами называют приборы для измерения разности двух давлений, ни одно из которых не является давлением окружающей среды, и именно поэтому оба конца (колена) стеклянной трубки 3 присоединяются с помощью других трубок 1 и 2, называемых импульсными, к точкам (местам) отбора давлений Р1 и Р2. Разность этих давлений вызывает перераспределение уровней жидкости 4 (ртуть, спирт, толуол и др.) на некоторую высоту Н. При этом разность давлений ∆ Р = Р2 - Р1 уравновешивается гидростатическим давлением столба жидкости Н, т.е.

3

∆ Р = Р2 - Р1 = ρ gH,

где ρ - плотность жидкости, g - ускорение свободного падения.

Для технических измерений жидкостные дифманометры выполняют в виде так называемых комбинированных жидкостномеханических приборов без видимого уровня. К ним относят поплавковые, кольцевые и колокольные [1, c. 117-124], не имеющие устройств для формирования пневматического выходного сигнала (кроме поплавкового).

Более перспективны в этом плане дифманометры с упругими чувствительными элементами (деформационные) в виде сильфонов и мембран [3, c. 45-53].

Схема простейшего мембранного дифманометра представлена на рис. 2. Между флажками корпуса 2 плотно зажата гибкая мембрана 1 (бронза, сталь, пластмасса и др.), к которой прикреплен шток 3. Под действием измеряемой разности давлений Р2 - Р1 (или Р2 > Р1) мембрана переместится вверх (штриховая линия) или вниз при Р2 < Р1, что и покажет указатель 4 на шкале прибора. Естественно, устройство промышленного преобразователя ∆ Р значительно сложнее рассмотренного.

Следует отметить, что независимо от чувствительных элементов (поплавок, мембраны, сильфоны) промышленные дифманометры на начальных этапах развития измерительной техники выпускались в виде измерительного блока, конструктивно объединенного с показывающим (регистрирующим) прибором для местного контроля [3, c. 37].

По мере увеличения масштабов производства и необходимости централизованного управления (дистанционное управление) дифманометры оснащались встроенными преобразователями, выдающими унифицированный электрический или пневматический сигналы. Наличие прибора для местных измерений становится необязательным, и в настоящее время большинство измерительных преобразователей выполняется в виде отдельных бесшкальных блоков (приборов), задачей которых является преобразование ∆ Р в пропорциональный выходной сигнал. Поскольку эти преобразователи могут использоваться для определения различных параметров, связанных с ∆ Р, то в соответствии с этим называются расходомерами (при измерениях расхода) или же уровнемерами (при измерении уровня).

4

Типичным представителем таких преобразователей являются бесшкальные мембранные дифманометры (датчики) типа ДМ (рис. 3), преобразующие измеряемую величину (∆ Р) в электрический сигнал, передаваемый на вторичный прибор дифференциально-

трансформаторной схемы типов КСД-2, КСД-3, КВД1 и др. [3, c. 51].

Чувствительным элементом дифманометра является мембранный блок, состоящий из двух мембранных коробок 1 и 2. Каждая из мембранных коробок сварена из двух мембран, профили которых совпадают. Внутренние полости коробок сообщаются через отверстие в подушке и заполняются дистиллированной водой через ниппель кремнийорганической жидкостью Ж2 , после чего последний заваривается. Давление в камеры подводит-

Рис. 3. Мембранный дифманометр типа ДМ ся через импульсные трубки 3 и 5. С цен-

тром верхней мембраны связан сердечник 7 дифференциального трансформатора 4. Сердечник перемещается внутри разделительной трубки 6. Дифференциальный трансформатор 4 закрыт колпаком 5. Под воздействием разности давлений в плюсовой (нижней) и минусовой (верхней) камерах нижняя мембранная коробка сжимается и жид-

5

кость из нее перетекает в верхнюю коробку, вызывая перемещение сердечника трансформатора и изменение напряжения и фазы на выходе первичного прибора.

С точки зрения пожаро- и взрывобезопасности для процессов химических технологий интерес представляют измерительные преобразователи разности давлений с унифицированным пневматическим выходным сигналом, который в виде сжатого воздуха под давлением от 0,02 до 0,1 мПа является носителем измерительной информации, передаваемой по трубочкам (пластмасса или металл) на расстояние до

300 м.

Представителями таких преобразователей являются дифманометры мембранные типа ДМПК-100 и ДМПК-100А, но они сняты с производства. В настоящее время отечественной промышленностью предлагаются для использования дифманометры унифицированной системы ГСП типов ДМ-П и 13ДД11 [4, c. 126].

Рассмотрим технические характеристики и устройство измерительного преобразователя перепада давления (дифманометра) мембранного типа ДМ-П2. Он предназначен для непрерывного преобразования в пропорциональный пневматический сигнал дистанционной передачи контролируемого или регулируемого перепада давления жидкостей, паров и газов и используется также для измерения различных параметров, которые могут определяться по измерению перепада давления. Дифманометр входит в общий комплекс унифицированной системы взаимозаменяемых компенсационных датчиков ГСП и используется в комплекте со вторичными приборами, регуляторами, машинами централизованного контроля и другими устройствами автоматики и системами управления, работающими от стандартного пневматического сигнала (0,2-1 кгс/см2). Прибор предназначен для измерения указанных выше параметров жидкостей, паров и газов, неагрессивных по отношению к стали Х18Н10Т и 4Х13.

В случае измерения параметров сред, агрессивных по отношению к указанным материалам, дифманометр должен применяться в комплекте с разделительными устройствами.

Прибор предназначен для работы при температуре окружающего воздуха от +5 до +50°С и от -50 до +50°С и относительной влажности от 30 до 80%. При использовании дифманометров в качестве расходомеров и уровнемеров они должны применяться в ком-

6

плекте с сужающими устройствами, конденсационными и уравнительными сосудами.

Дифманометры этого типа обеспечивают измерения предельных перепадов давления от 100 до 6300 Па и имеют устройства для перенастройки измеряемых перепадов давления. При измерениях обеспечивают класс точности не ниже 2,5.

При изменении перепада давления от нуля до предельного номинального значения (0-100 кгс/м2) выходной сигнал изменяется от 20 до 100 кПа.

Давление питания дифманометров 140 + 14 кПа. Дифманометры обеспечивают передачу выходного сигнала по

пневматической линии связи с внутренним диаметром 4 мм на расстоянии 150 м или 6 мм на расстоянии до 300 м по трассе.

По устойчивости к механическим воздействиям дифманометры выдерживают вибрацию частотой до 15 Гц с амплитудой не более

0,06 мм.

Расход воздуха питания в установившемся режиме работы не более 3 л/мин.

Вероятность безотказной работы дифманометров не менее

0,96% за 2000 ч.

Средний срок службы дифманометров не менее 8 лет. Масса дифманометра ДМ-П2 не более 22 кг.

Дифманометр состоит из измерительного блока и унифицированного пневмопреобразователя.

Принцип действия дифманометров основан на пневматической силовой компенсации.

Принципиальная схема дифманометра представлена на рис. 4. Под воздействием разности давлений (перепада), подводимых к

камерам «+» и «-», на чувствительном элементе 1 измерительного блока возникает пропорциональное перепаду давления усилие, которое через систему рычагов и тяг передается заслонке 2 пневмопреобразователя.

В случае приближения заслонки 2 к соплу 3 давление в камере "б" пневмоусилителя 4 возрастает, и мембрана 5 из прорезиненного полотна, перемещаясь вниз, прикрывает клапан 6, а клапан 7 приоткрывает. В результате давление в камере "а" увеличивается.

7

Рис. 4. Принципиальная схема дифманометров: 1 - элемент чувствительный; 2 - заслонка; 3 - сопло; 4 - пневмоусилитель; 5 - мембрана; 6, 7 - клапаны; 8 - сильфон обратной связи; 9 - Г-образный рычаг; 10 - дроссель

Это давление является выходным сигналом дифманометра. Одновременно оно поступает в сильфон обратной связи 8, который создает момент на Г-образном рычаге 9, уравновешивающий момент от перепада давления.

Конструкция дифманометра представлена на рис. 5. Чувствительный элемент измерительного блока - резиноткане-

вая мембрана 2 закреплена между фланцами 1 и 3.

Мембрана разделяет измерительную камеру на две полости: плюсовую «+» и «-» минусовую.

8

Связь чувствительного элемента 2 с рычагом вывода 5 осуществляется при помощи ленточной тяги 4. Вывод рычага 5 из полости рабочего давления уплотнен с помощью упругой металлической мембраны 6.

17

Рис. 5. Конструкция дифманометра: 1 - фланец; 2 - элемент чувствительности; 3 - фланец; 4 - тяга ленточная; 5 - рычаг вывода; 6 - мембрана; 7 - рычаг; 8 - пружина; 9 - рычаг; 10 - опора подвижная; 11 - заслонка; 12 - сопло; 13 - сильфон обратной связи; 14, 15 - пробка; 16 - болт конусный; 17 - пробка сливная; 18 - болт; 19 - кожух; 20, 21 - винт; 22, 23 - опоры ленточные; 24 - демпфер; 25 - винт регулировочный; 26 - лента

9

Рычаги 7 и 9 пневмопреобразователя установлены на ленточных опорах 22 и 23.

Пружина 8 предназначена для установки начального значения, равного 20 кПа выходного сигнала, а подвижная опора 10 служит для настройки прибора на заданный предел измерения.

Преобразователь крепится к измерительному блоку с помощью конусного болта 16. Отверстия, закрываемые пробками 17, служат для продувки и промывки камер дифманометра.

На дифманометре и на отдельных его деталях нанесена маркировка, содержащая технические характеристики дифманометра, параметры питания и другие необходимые потребителю сведения.

Длина соединительных линий между дифманометром и сужающим устройством должна быть не более 15 м.

Монтаж соединительных линий и сужающих устройств должен производиться в соответствии с РД 50-213-80.

Дифманометры монтируются в положении, указанном на рис. 6.

Рис. 6. Габаритные, установочные и присоединительные размеры ДМ-П2