ДАТЧИКОВ ДАВЛЕНИЯ И ТЕМПЕРАТУРЫ»
Выполнили: студенты группы ЭАГП-14-3.о
Бригада №1
Губанищев.В.Г
Ерогов.Р.А
Васконтас.С.Д
Олихвер.Р.Д
Проверил: старший преподаватель кафедры ГЭМ
Николаев Виктор Александрович
Пермь 2019
Цель: знакомство с устройством и принципом работы и характеристиками различного типа датчиков для замера величины давления и температуры, расположенных на учебном стенде, позволяющем исследовать их характеристики.
Общие сведения
Манометр – это прибор, который используется для измерения давления газов и жидкостей в сосудах или трубопроводах.
Принцип работы:
Рис. 1. Устройство манометра
Чувствительным элементом пружинных манометров является трубка Бурдона - полая латунная трубка эллиптического или овального сечения, согнутую по дуге и запаянная с одного конца. Другой конец трубки соединяется со штуцером манометра, таким образом внутренняя полость трубки сообщается с областью, в которой измеряется давление.
Давление действует на внутреннюю поверхность трубки Бурдона. Из-за разности площадей, на которые воздействует давление среды, трубка будет стремиться распрямиться. Получается, что при увеличении давления латунная трубка разгибается, а, при уменьшении - сгибается. Это приводит к перемещению запаянного конца трубки, который через тягу соединен с механизмом, воздействующим на шестерню со стрелкой. Положение стрелки с помощью нанесенной на прибор шкалы интерпретируется в величину показаний избыточного давления.
Образцовый манометр предназначен для испытаний, поверки и калибровки приборов давления, а также для точных измерений избыточного давления жидкости и газа. Класс точности у них составляет от 0,05 до 0,2. Передаточные механизмы в образцовых манометров проходят повышенную чистоту обработки сопрягаемого зубчатого зацепления. Предусмотрены дополнительные регулировочные настройки, а также учтена возможность температурной коррекции показаний прибора.
Рис. 2. Внешний вид образцового манометра
Единицы измерения давления:
Ниже в таблице приведены соотношения разных единиц измерения друг с другом.
| Единицы измерения | МПа | Бар | мм.рт.ст | Атм. | кгс/см2 | PSI |
| 1 МПа | 7500,7 | 9,8692 | 10,197 | 145,04 | ||
| 1 бар | 0,1 | 750,07 | 0,98692 | 1,0197 | 14,504 | |
| 1 мм.рт.ст | 1,3332*10-4 | 1,333*10-3 | 1,316*10-3 | 1,359*10-3 | 0,01934 | |
| 1 атм | 0,10133 | 1,0133 | 1,0333 | 14,696 | ||
| 1 кгс/см2 | 0,98066 | 0,98066 | 735,6 | 0,96784 | 14,223 | |
| 1 PSI | 6,8946*10-3 | 0,068946 | 51,175 | 0,068045 | 0,070307 |
В странах с Англоговорящим населением используют единицуPSI - фунт на квадратный дюйм.
Параметры отсчетного устройства
Диапазон измерений: 0-25 кгс/см2
Предел измерений: 0-250 ед.
Цена деления шкалы: 0,1 кгс/см2
Элементы стенда
Для получения информации с объектов управления о величине давления или температуры в системах автоматики используют соответствующие датчики. На нашем стенде установлены 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 – Много канальный 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 много канального 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.
Группа датчиков давления расположена слева на панели стенда. Общий вид установки датчиков давления на этой панели показан на Рис.2.
Рис.2 Расположение датчиков давления на панели стенда.
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 с 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).
График работы датчика
| Диапазон измерений |
Датчик давления «САПФИР»
Схема измерительного блока датчика «САПФИР» показана на Рис. 6. 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 давлениямембрана 6 деформирует, передаваядавление жидкости, находящейся в надмембранной полости датчика.
Рис. 6 Схема измерительного блока датчика «САПФИР»
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 кремневого тензорезистора, включенного в электронную схему этого датчика.
Структура электронной схемы датчика «САПФИР- 22М-ДИ» показана на Рис.7. На вход этой электронной схемы подается с блока питания напряжение питания, которое может колебаться в пределах от 12 до 36 вольт. Стабилизатор «СтН» датчика поддерживает необходимый постоянный уровень напряжения питания, а усилитель мощности «УМ» создает необходимую мощность сигнала на входерегулятора тока «РТ2».
Этот регуляторпредназначен для обеспеченияпропорциональноготока выходного сигнала датчика в пределах от 4 до 20 mА. Сигнал управления на этот регулятор поступает с выхода усилителя «>» тензометрического сигнала, которыйв 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.7, следующий:
Рис. 7 Схема чувствительного элемента измерительного блока датчика «САПФИР».
Тензосопротивление «ТР» совместно с резисторами R1, R2, R3 подключается в схему резисторного моста, в диаганаль 1,2, которого подается стабилизированное напряжение питания, выходной сигнал рассоглосования этого моста снимается в точказ 3,4.Рассоглосование 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 сигал датчика.
Для стабилизации характеристики усилителяна вход его через сумматор подключен регулятор тока «РТ1», который меняет коэффициент усиления этой схемы. Для балансировки тензометрического моста потенциометр R3. Температурная стабилизация моста обеспечивается термосопротивлениямиR4 и R5.
Отличия между монометром и датчиком «САПФИР»:
1. Пружинный монометр (трубка Бурдона) и мембранный монометр
2. Отличие в передаче значений выходного сигнала
3. Отсутствие механических частей
4. Возможность настройки автоматики и создание базы данных с помощью ЭВМ
5. Точность у датчика «САПФИР» выше, чем у монометра
Сходства между монометром и датчиком «САПФИР»:
1. Предназначены для измерения давления
Ход работы
Если на стенде открыть запорный вентиль 3, а рукояткой нагрузочного винта 1 установить в системе давление 10 (что соответствует 1 кг/см2), то на основном табло прибора значение измеряемого параметра изменятся.
Величина этого параметра вычисляется по формуле
(1)
Где:
I – показания прибора
P – величина измеряемого давления датчиком «АИР-10»
50 – величина верхнего предела давления датчика «АИР-10»
16 – диапазон шкалы датчика в мА
4 – показания датчика при нулевом давлении
Из этой формулы получим формулу, по которой показания прибора переводятся в давление, т.е:
(2)
Для исследования нагрузочной характеристики датчика «АИР-10» необходимо последовательно устанавливать на образцовом манометре давление «Рм», значение которого приведены во втором столбце таблицы 1. Но основном табло многоканального термометра нужно считать показания и записать их в третьем столбце таблицы 1. По расчетной формуле 2 нужно рассчитать величину показаний датчика давления в атмосферах (кг/см2).
Результаты измерений
| N | Дм | I1 | Д1 | I2 | Д2 | |
| N | Д | |||||
| 0,0 | 4,0 | 0,0 | 4,0 | 0,0 | ||
| 0,2 | 4,1 | 0,2 | 4,3 | 0,2 | ||
| 0,4 | 4,3 | 0,4 | 4,6 | 0,4 | ||
| 0,6 | 4,4 | 0,6 | 5,0 | 0,6 | ||
| 0,8 | 4,5 | 0,8 | 5,3 | 0,8 | ||
| 1,0 | 4,6 | 1,0 | 5,6 | 1,0 | ||
| 1,2 | 4,8 | 1,3 | 5,9 | 1,2 | ||
| 1,4 | 4,9 | 1,4 | 6,2 | 1,4 | ||
| 1,6 | 5,0 | 1,6 | 6,5 | 1,6 | ||
| 1,8 | 5,2 | 1,8 | 6,9 | 1,8 | ||
| 2,0 | 5,3 | 2,0 | 7,2 | 2,0 | ||
| 2,2 | 5,5 | 2,3 | 7,5 | 2,2 | ||
| 2,4 | 5,6 | 2,4 | 7,8 | 2,4 | ||
| 2,2 | 5,4 | 2,3 | 7,5 | 2,2 | ||
| 2,0 | 5,3 | 2,1 | 7,1 | 1,9 | ||
| 1,8 | 5,2 | 1,9 | 6,9 | 1,8 | ||
| 1,6 | 5,1 | 1,7 | 6,6 | 1,6 | ||
| 1,4 | 4,9 | 1,4 | 6,2 | 1,4 | ||
| 1,2 | 4,8 | 1,3 | 6,0 | 1,3 | ||
| 1,0 | 4,6 | 1,0 | 5,6 | 1,0 | ||
| 0,8 | 4,5 | 0,8 | 5,3 | 0,8 | ||
| 0,6 | 4,4 | 0,6 | 4,9 | 0,6 | ||
| 0,4 | 4,2 | 0,4 | 4,6 | 0,4 | ||
| 0,2 | 4,1 | 0,2 | 4,3 | 0,2 | ||
| 0,0 | 4,0 | 0,0 | 4,0 | 0,0 |
Рис. 8 График зависимости тока выходного сигнала 4-20 от давления
(построен в программном пакете Mathcad 14)
Рис. 8 График давления
Вывод:
Гистерезис – это разность значений выходного сигнала для одного и того же входного сигнала, полученных при его возрастании и убывании. В данной лабораторной работе нами было замечено следующее:
Ø Электронные датчики давления типа Сапфир и АИР-10 практически не имеют гистерезиса.
Ø Максимальное отклонение составляет 8.3%
Типичной причиной возникновения гистерезиса является трение и структурные изменения материалов. В нашем случае – неидеальные упругие свойства мембраны.
Чтобы уменьшить этот и другие недостатки, изготовители применяют современные прогрессивные материалы для центральной мембраны сенсора, а также различные, все более изощренные варианты конструкции сенсора.
Определенный прогресс в данном вопросе имеется, однако, кардинальные решения, устраняющие указанные недостатки, невозможны в принципе, поскольку эти недостатки заложены в самом принципе измерения. А каждое следующее небольшое улучшение характеристик значительно усложняет конструкцию и технологию изготовления датчика, что ведет к его удорожанию и не способствует повышению надежности.
Список использованной литературы
1. Изучение устройства и принципа работы датчиков давления и температуры: метод.указания к лаб. работам по курсу «Автоматизация горного производства» / сост. Р. А. Сажин, В. В. Токарев. – Пермь: Изд-во ПГТУ, 2008. – 18 с.
2. https://manometrok.ru/manometry-izmeritelnaya-shkala.html - измерения манометрами.
3. Принципы измерения, применяемые в датчиках давления | [Электронный ресурс] | URL: https://www.etalon-chel.ru/techelp/?helpitem=9&id=9&top=52 (дата обращения 10.12.2018)
4. Гистерезис, насыщение, воспроизводимость, мертвая зона давления | [Электронный ресурс] | URL: https://automation-system.ru/main/13-promyshlennaya-avtomatika/datchiki-haracterist/78-26-nasyshhenie-vosproizvodimost.html (дата обращения 10.12.2018)