Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Пермский национальный исследовательский политехнический университет»

Кафедра электрификации и автоматизации горных предприятий

Лабораторная работа №2 «Изучение устройства и принципа работы датчиков давления»

Выполнил: ст. гр. РНГМ-08-2

Черкасова Ю.С.

Проверил: Токарев В.В.

Пермь

2012

Цель работы: знакомство с устройством, принципом работы и характеристиками датчиков различного типа, предназначенных для замера величины давления и расположенных на учебном стенде, позволяющем исследовать их характеристики.

1. Стенд для исследования характеристик датчиков давления

Для получения информации с объектов управления о величине давления или температуры в системах автоматики используют соответствующие датчики. На нашем стенде установлено несколько типов таких датчиков. Общий вид этого стенда показан на рис. 1.

Рис. 1. Общий вид стенда для исследования характеристик датчиков давления и температуры

На стенде представлены следующие элементы:

1 - Гидроцилиндр для нагрузки датчиков давления,

2 - Образцовый манометр.

3 - Датчик давления типа «АИР-10».

4 - Датчик давления типа «Сапфир».

5 - Блок питания датчиков.

6 - Пульт управления стендом.

7 - Многоканальный регистрирующий прибор «ТМ5103».

8 - Устройство регулирования температуры.

9 - Датчик температуры типа «ТСМУ 0104».

10 - Датчик температуры типа «Метран».

На стенде все датчики питаются от единого блока питания 5 и подключены через соответствующие тумблеры к входам многоканального вторичного регистрирующего прибора 7. Установка давления на оба соответствующих датчика производится нагрузочным винтом гидроцилиндра 1, а установка необходимой температуры на входе соответствующих датчиков производится нагревателем, в полости которого находятся чувствительные элементы датчиков температуры. Величина самой температуры задается регулятором тока 8, подаваемым на нагреватель.

2. Датчики давления

Группа датчиков давления расположена слева на панели стенда. Общий вид установки датчиков давления на этой панели показан на рис. 2.

На стенде датчики давления соединены в общую гидравлическую систему, давление в которой создается гидроцилиндром 1 с помощью за­кручивания винтового штока 2, который рукояткой вворачивается в верхний торец этого цилиндра. В нижнем торце цилиндра расположен запорный вентиль 3, с помощью которого можно частично регулировать давле­ние в гидросистеме от нуля до некоторого установленного максимума.

Образцовый манометр 4 регистрирует давление в гидросистеме, в которую одновременно встроены оба датчика давления. Датчик 5 современного типа марки «АИР-10» (предел измерения 0 - 2,5 МПа) серийно выпускается научно-производственным предприятием «ЭЛЕМЕР». Второй датчик 6 - это датчик старого образца марки «САПФИР- 22М-ДИ» (предел измерения 0-1,0 МПа).

Датчик давления «САПФИР- 22М-ДИ» состоит из измерительного блока и электронного устройства.

Рис. 2. Расположение датчиков давления на панели стенда

Схема измерительного блока датчика «САПФИР» показана на рис. 3. Чувствительным элементом этого блока является мембрана, которая деформирует под действием измеряемого давления в полости 8. Эта мембра­на герметично размещена между половинками корпуса 7 датчика. Под действием измеряемого давления мембрана 6 деформирует, передавая давление жидкости, находящейся в надмембранной полости датчика.

За счет давления этой жидкости происходит деформация торца тензопреобразователя 4. На торцевой поверхности этого элемента помещен тензочувствительный элемент 2, который состоит из монокристаллической сапфировой изоляционной подложки и пленочного кремниевого тензорезистора, включенного в электронную схему этого датчика.

Рис. 3. Схема чувствительного элемента измерительного блока датчика «САПФИР»

Структура электронной схемы датчика «САПФИР-22М-ДИ» показа­на на рис. 4. На вход этой электронной схемы подается с блока питания напряжение питания, которое может колебаться в пределах от 12 до 36В. Стабилизатор «СтН» датчика поддерживает необходимый постоянный уровень напряжения питания, а усилитель мощности «УМ» создает необходимую мощность сигнала на входе регулятора тока «РТ2».

Этот регулятор предназначен для обеспечения пропорционального тока выходного сигнала датчика в пределах от 4 до 20 мА. Сигнал управ­ления на этот регулятор поступает с выхода усилителя «>» тензометрического сигнала, который, в свою очередь, получает сигнал от суммирую­щего элемента. Вход и выход всего этого устройства шунтирует регулятор тока «РТ1». Принцип работы схемы электронного блока, представленной на рис. 4, следующий:

Тензосопротивление «ТР» совместно с резисторами К1, К2, КЗ подключается в схему резисторного моста, в диагональ 1, 2 которого подается стабилизированное напряжение питания, выходной сигнал рассогласования этого моста снимается в точках 3, 4. Рассогласование этого моста пропорционально изменению сопротивления тензорезистора «ТР».

Напряжение рассогласования моста подается через суммирующий элемент на вход усилителя сигнала, выходной сигнал которого подается на регулятор выходного тока (сигнала) датчика. Сигнал усилителя пропорционально отражает выходной сигнал датчика.

Для стабилизации характеристики усилителя на вход его через сумматор подключен регулятор тока «РТ1», который меняет коэффици­ент усиления этой схемы, для балансировки тензометрического моста по­тенциометр КЗ. Температурная стабилизация моста обеспечивается термосопротивлениями К4 и К5.

Рис.4. Структура электронной схемы датчика «САПФИР-22М-ДИ»

Датчик давления «АИР-10» также состоит из первичного преобразователя и электронного устройства. Первичный преобразователь этого датчика работает по принципу, показанному на рис. 3.

Работа электронного устройства этого датчика, представленного на рис. 5, несколько отличается от выше описанной схемы. Прежде всего тем, что тензорезистор «ТР» подключен по схеме делителя напряжения на вход усилителя, который пропорционально усиливает сигнал от некоторого исходного (нулевого уровня), который обеспечивается блоком установки нуля.

Рис. 5. Структура электронной схемы датчика давления «АИР-10»

Выходной сигнал усилителя с помощью «АЦП» преобразуется в цифровой код, который по интерфейсу «К8485» может сразу передаваться по сети к устройствам управления.

Для формирования аналогового выходного сигнала цифровой сигнал датчика через «ЦАП» преобразуется в некоторый уровень аналогового сигнала, который в виде токового сигнала и появляется на выходе датчика.

Для стабилизации питания датчика в его схему включен стабилизатор напряжения «СтН».

Нулевая балансировка датчика обеспечивается блоком установки нуля, который может быть подключен кнопкой «К1» или через геркон «ПС»:

В схему датчика входит устройство выбора диапазона измерений, представляющее собой набор переключателей, с помощью определенной комбинации включения которых может быть установлен нужный диапазон измерений давления для этого датчика.