Автоматизация доменного процесса

где ? - плотность рабочей жидкости в дифманометре; - плотность среды, находящейся над жидкостью.

В сосудах цилиндрической формы

,

откуда

,

тогда

,

Заменяя Н его выражением, получим

.

Для данного прибора величина 1 + является постоянной;

постоянна также и разность плотностей . Выражая эти величины постоянными коэффициентами и , получим

,

т.е. разность давлений может быть выражена величиной перемещения поплавка.

При неизменных размерах широкого сосуда изменением диаметра и высоты узкого сосуда можно в известных границах изменять предел измерения разности давлений. Из совместного решения уравнений имеем

.

По уравнению определяется необходимый диаметр узкого сосуда при заданных значениях Н, и D.

Ход поплавка для всех модификаций дифманометров при максимальном перепаде давления равен 30,5 мм.

Иногда поплавковые показывающие дифманометры изготовляются с контактным устройством (для сигнализации), выполненным в виде ртутно-стеклянных переключателей.

При необходимости передачи показаний на расстояния больше 50 м, а также в тех случаях, когда приборы устанавливаются на щитах управления, применяются дифманометры с электрической и с пневматической передачами. В обоих случаях устройство собственно дифманометра аналогично показанному на рисунке 10. Приборы с пневматической передачей применяются при наличии взрыво- и пожароопасных производственных условий.

Схема устройства пневматической передачи показана на рисунке 11.

Воздух через фильтр поступает в редуктор, где давление снижается до 1,1 , затем проходит в усилительное реле, через дроссель в полость коробки 2, а потом по трубе 10 к соплу 3 датчика 11.

Датчик состоит из сильфона и кожуха, образующих герметическую полость, в которую подводится воздух от усилительного реле.

При увеличении значения измеряемого параметра тяга 4, связанная с измерительной системой манометра, приближает заслонку к отверстию сопла. Давление в трубке 10 и в коробке 2 повышается. Повышение давления в полости коробки сжимает сильфон 5, вызывая перемещение вниз связанного с ним штока 6, несущего заслонку 7. При этом заслонка 7 открывает впускное сопло 8 и прикрывает выпускное сопло 9. Давление в полости усилительного реле и в линии 12, идущей к вторичному прибору, передается в полость кожуха датчика. Сильфон датчика начинает сжиматься и с помощью штока отводит заслонку от сопла.

Рисунок 11 - схема пневматической передачи показаний на расстояние:

1 - дроссель; 2 - коробка; 3 - cопло; 4 - тяга; 5 - сильфон; 6 - шток; 7 - заслонка

8 - впуское сопло; 9 - выпускное сопло; 10,12 и 13 - трубки; 11 - датчик.

В результате действия обратной связи давление воздуха под сильфоном датчика и в линии 12 будет устанавливаться пропорционально изменению измеряемого параметра. Вторичное (усилительное) реле, устанавливаемое в первичном приборе, снабжено двумя манометрами, из которых один показывает давление поступающего рабочего воздуха, а другой - давление импульсного воздуха в линии. Вторичным прибором в этой системе телепередачи служит сильфонный манометр (типа МС). Дальность пневматической передачи до 160 м.

Поплавковые дифманометры изготовляются с различными пределами измерения перепада давления: от 5,332 до 133 кПа (40 - 1000 мм рт. ст.). В зависимости от пределов измерения изменяются только внутренний диаметр узкого сосуда и его высота.

Различные модификации поплавковых дифманометров рассчитаны на статическое давление от 0,294 до 31,36 Мпа.

Колокольные приборы используются для измерения малых давлений и разряжений и в качестве дифференциальных манометров (рисунок 12). Прибор состоит из сосуда с жидкостью, в которую погружен колокол. Под колокол введена трубка, служащая для соединения подколокольного пространства с объемом, в котором измеряется давление или разрежение. Если под колоколом создаётся избыточное давление, то он поднимается, так как на него действует дополнительная сила, направленная вверх и равная ps (p - избыточное давление под колоколом, s - площадь сечения колокола).

Рисунок 12 - схема колокольного прибора: 1 - сосуд; 2 - колокол; 3 - трубка

Чтобы превратить эту систему в измерительный прибор, необходимо обеспечить однозначность зависимости перемещения колокола от давления под ним. Для этого в систему должна быть введена переменная противодействующая сила, функционально зависящая от перемещения колокола. В существующих колокольных приборах используют для создания противодействующей силы архимедову силу, груз или пружину. Наиболее простым случаем является использование колокола с толстыми стенками (уравновешивание архимедовой силой).

Применим следующие обозначения:

G - сила тяжести колокола

d - внутренний диметр колокола

? - толщина стенок колокола

? - плотность рабочей жидкости

h - глубина погружения колокола при р = 0

- глубина погружения колокола при избыточном давлении

Условие равновесия колокола при р=0 и ?<<d будет

,

,

Из этого уравнения видно, что перемещение колокола зависит только от величины избыточного давления и его геометрических размеров и не зависит от массы колокола.

Для данного прибора его геометрические размеры являются постоянными величинами; постоянна также и плотность затворной жидкости, поэтому уравнение можно записать в форме

.

Рисунок 13 - схема колокольного прибора с уравновешивающим грузом

На рисунке 13 показана принципиальная схема колокольного прибора с уравновешивающим грузом. В этом случае колокол подвешивается к коромыслу, к которому крепится также груз G.

Длину плеча коромысла АВ, к которому подвешен колокол, обозначим через , расстояние центра тяжести груза G от точки опоры коромысла - через а, площадь сечения колокола - через s. При давлении или разрежении колокол поднимется или опустится на некоторую величину . При этом коромысло и шток груза G повернутся на некоторый угол ?. Равновесие наступит тогда, когда сравняются моменты от силы давления под колоколом и силы тяжести груза т.е.

,

или

.

Сила тяжести колокола не входит в уравнение, так как она уравновешена силой тяжести груза. Уравновешивание пружиной применяется в дифференциальных манометрах. На рисунке 14 показана принципиальная схема бесшкального колокольного дифманометра - расходомера (ДК-1) с дифференциально-трансформаторным датчиком.

Прибор предназначен для измерения разности давлений газов. Колокол под воздействием разности давлений р1 - р2 и растянутой пружины, на которой он подвешен, погружается частично в трансформаторное масло. Плотность материала колокола больше плотности рабочей жидкости. Поэтому при р1 = р2 пружина будет растянута (она уравновешивает разность между силой тяжести колокола и силой от гидростатического давления). По мере нарастания разности давлений колокол поднимается, усилие пружины уменьшается (при дальнейшем увеличении перепада пружина уже не растягивается, а сжимается). При перемещении колокола перемещается плунжер дифференциально-трансформаторного датчика.

Рисунок 14 - схема бесшкального колокольного дифманометра: 1 - колокол; 2 - пружина; 3 - плунжер.

Конструкция прибора предусматривает, что газ или пар под избыточным давлением поступает из плюсовой камеры через разделительную жидкость в минусовую камеру. Вытесненная разделительная жидкость в этом случае попадает в запасные камеры, расположенные в основании прибора.

Такое устройство предупреждает повреждение прибора, если перепад давления превышает расчетный. Пределы измерения разности давлений от 98,1 до 981 Па (10-100 мм вод. ст.). При смене пределов измерений меняется сменная пружина. Предельное избыточное давление 0,245 МПа. Основная допустимая погрешность показаний в комплекте с вторичным прибором ±2% от максимального значения измеряемого перепада.

Рисунок 15 - схема электронного дифференциально-трансформаторного прибора: 1 - первичный прибор (дифманометр); 2 - вторичный прибор; 3,5 - сердечники

На рисунке 15 показана принципиальная схема датчика 1 в комплекте со вторичным прибором 2.

Рабочая катушка вторичного прибора совместно с катушкой датчика дифманометра включены в дифференциально-трансформаторную схему.

Каждая из катушек имеет первичную и вторичную обмотки. Вторичные обмотки состоят из секций, включенных навстречу одна другой. Благодаря такому включению э. д. с, индуктируемая в одной из секций, противоположна по знаку э. д. с, индуктируемой в другой секции.

Катушка с сердечником 5, включенная последовательно с катушками сердечников 3 и 4, служит для регулировки нулевого положения шкалы.

Она также имеет первичную обмотку и вторичную обмотку, состоящую из секций. Перемещая сердечник 5 в катушке, можно, не нарушая положения рабочих сердечников 3 и 4, отрегулировать начальное положение стрелки вторичного прибора.

При рассогласовании положений сердечников 3 и 4 возникнет напряжение разбаланса, величина и фаза которого зависят от величины и направления смещения сердечника 3.

Напряжение разбаланса усиливается в электронном усилителе ЭУ до величины, необходимой для управления реверсивным двигателем РД.

Реверсивный двигатель посредством профилированного диска перемещает сердечник 4 в положение, согласованное с сердечником 3, что приводит к равенству э. д. с, наводимых в обеих катушках, а следовательно, к новому состоянию равновесия. Одновременно реверсивный двигатель перемещает стрелку и перо прибора.

Кольцевые приборы предназначены для измерения малых давлений, разрежений и разности давлений.

Рисунок 16 - схема кольцевого прибора: 1-кольцо; 2 - перегородка; 3 - опора; 4,5 - трубка; 6 - груз.

На рисунке 16 показана схема кольцевого прибора. Он состоит из полого замкнутого кольца, разделенного вверху перегородкой. Кольцо подвешено при помощи ножовой опоры в геометрическом центре. С обеих сторон перегородки в кольцо входят трубки, служащие для соединения полостей кольца с полостью, в которой измеряется давление или разрежение. К нижней части кольца прикреплен груз. Полость кольца до половины заполнена жидкостью (водой, маслом, ртутью).

При соединении обеих полостей кольца с пространствами, в которых давление р и р1 (причем р > р1) уровень жидкости в левой половине кольца понизится, а в правой соответственно повысится; разность уровней будет пропорциональна разности давлений

,

В то же время сила от разности давлений, действующая на перегородку, создает вращающий момент

Мвр = (р - р1) sr,

где s - площадь перегородки; r - средний радиус кольца. Под действием этого момента кольцо поворачивается вокруг точки опоры по часовой стрелке. Поворот кольца создает противодействующий момент:

,

где G - сила тяжести груза;

а - расстояние центра тяжести системы от точки опоры; ? - угол поворота кольца.

При уравновешивании обоих моментов кольцо остановится в новом положении равновесия (Мвр = MG):

,

или

.

Так как сила тяжести груза и геометрические размеры кольца являются постоянными величинами, то уравнение можно написать в форме

.

Измеряемое давление (или разность давлений) пропорционально синусу угла поворота кольца. Поэтому шкала прибора неравномерная. Кроме того, по конструктивным соображениям угол поворота кольца нельзя сделать больше 60°, что ограничивает длину шкалы при непосредственном соединении кольца с указывающей стрелкой. Для увеличения длины шкалы между стрелкой прибора и кольцом выводят передачу, увеличивающую перемещение стрелки и одновременно выравнивающую шкалу прибора.

Приборы кольцевого типа изготовляются показывающими, показывающе-самопишущими, с дистанционной передачей показаний, а также в виде бесшкальных датчиков для систем телеизмерения.

Наибольшая возможная величина верхнего предела измерения определяется главным образом размерами кольца и плотностью затворной жидкости и обычно составляет 33,325 кПа (250 мм рт. ст.) для приборов с ртутным заполнением и 2,452 кПа (250 мм вод. ст.) для приборов с водяным или масляным заполнением. Изменение пределов измерения осуществляется сменой уравновешивающего груза.

Приборы с водяным и масляным заполнением предназначаются для работы при избыточном давлении до 49 кПа (0,5 кг/см2); приборы с ртутным заполнением - до 0,98-9,80 кПа (10 - 100 кг/см2). Основная допустимая погрешность кольцевых приборов не превышает 1,1-1,5% от верхнего предела измерения.

В приборах низкого давления кольцо изготовляется из листового металла. Измеряемая среда подводится с помощью резиновых трубок, создающих очень небольшой противодействующий момент, которым можно пренебречь. В приборах среднего давления кольцо изготовляют из цельнотянутой стальной трубы. Измеряемая среда подводится через бронзовые или стальные трубки, витки которых навиты в противоположных направлениях. При повороте кольца в спиралях возникают усилия, действующие в разные стороны и взаимно уравновешивающиеся.

Преимуществами кольцевых приборов перед поплавковыми и колокольными является отсутствие уплотнительных устройств в передаточном механизме (особенно важно для приборов высокого давления) и независимость чувствительности прибора от изменений плотности рабочей жидкости и среды над ней.

К недостаткам кольцевых приборов можно отнести чувствительность к качеству сборки и монтажа и наличие трубок, подводящих давление, которые могут вносить погрешность в измерении.

3.1.2 Поршневые манометры

Поршневые манометры в основном применяются для градуировки и поверки различных видов пружинных манометров, так как отличаются высокой точностью и широким диапазоном измерений, от 0,098 до 980 МПа (1-10 000 кг/см2).

Образцовый поршневой манометр (типа МОП) схематически показан на рисунке 17. Прибор состоит из колонки, укрепленной на станине прибора. В колонке имеется вертикальный цилиндрический канал, в котором движется пришлифованный поршень, несущий на верхнем конце тарелку для накладывания грузов.

Рисунок 17 - Схема образцового поршневого манометра типа МОП:

1 - колонка; 2 - поршень; 3 и 8 - воронки; 4 - бобышки;

5 - канал; 6 - тарелка: 7 - поршень; 9 - 13 - вентили

Верхняя часть колонки снабжена воронкой для сбора масла, просачивающегося через зазор между поршнем и цилиндром.

В станине высверлен горизонтальный канал, в расширенной части которого движется от винтового штока поршень 7, уплотненный манжетами.

Канал в станине соединяется с каналом колонки и каналами двух бобышек, служащих для укрепления поверяемых манометров. Кроме того, с каналом станины соединен канал воронки 8, которая служит для заполнения системы маслом. Каналы снабжены игольчатыми вентилями 9-12 для отъединения их от канала станины. Вентиль 13 служит для спуска масла из прибора.

Максимальное давление, создаваемое грузами, 4900 кПа (50 кг/см2).

Для поверки манометров на большее давление пользуются поршневым прессом, отъединив от прибора поршневую колонку 1 вентилем 10. В качестве прибора сравнения применяют образцовый пружинный манометр, присоединяя его к одной из бобышек 4, а поверяемый прибор - к другой бобышке.

Рисунок 18 - поршневой манометр с гидравлическим мультипликатором: 1 - трубка; 2 - корпус; 3-7 - цилиндры; 4 - поршень высокого давления; 5 - шкив; 6 - поршень низкого давления; 8 - колонка поршневого манометра

Образцовые поршневые манометры МОП с пределом измерений до 4,9 МПа в зависимости от разряда имеют основную относительную допустимую погрешность при температуре 20 ± 5° С: 1-го разряда 0,02%, 2-го разряда 0,05%, 3-го разряда 0,2%.

Приборы 1 и 2-го разрядов применяются для поверки образцовых поршневых и пружинных манометров, а приборы 3-го разряда - для поверки рабочих пружинных манометров.

Для измерения высоких давлений (до 980МПа) применяются поршневые манометры с гидравлическим мультипликатором (системы Жоховского), схема которого показана на рисунке 18. Он состоит из поршневого манометра с пределом измерения 4,9 МПа и двухпоршневого гидравлического мультипликатора.

Колонка 8 поршневого манометра установлена в верхней части корпуса 2 мультипликатора.

Мультипликатор имеет цилиндр низкого давления 7 и цилиндр высокого давления 3. Эти цилиндры имеют различные диаметры. Шток поршня 6 низкого давления опирается на головку поршня 4 высокого давления.

Пространство цилиндра 7 над поршнем 6 и соединенный с ним канал колонки 8 поршневого манометра заполнены маслом. Цилиндр 3 находится в полости корпуса и также заполнен маслом.

Поршни 4 и 6, расположенные соосно и соединенные муфтой, во время работы приводятся во вращение электродвигателем, соединенным со шкивом 5.

Трубка 1 соединяет полость корпуса с прессом высокого давления (на схеме не показан), к которому присоединяется поверяемый пружинный манометр.

Жидкость, нагнетаемая прессом высокого давления в полость корпуса, поднимает поршень 4, и его головка отходит от опорной поверхности торца цилиндра высокого давления. При этом жидкость в полости корпуса под поршнем высокого давления в трубке 1 и сообщающихся с ней каналах пресса будет находиться под давлением

,

где

и ,

здесь - эффективная площадь поршня низкого давления; - эффективная площадь поршня высокого давления; р1 - давление, создаваемое поршневым манометром; G1 - сила тяжести поршней низкого и высокого давления и соединенных с ними деталей.

Давление р0 мало по сравнению с kpl. Поэтому можно считать, что гидравлический мультипликатор увеличивает давление р1, создаваемое поршневым манометром, в k раз, т.е. р = kp1.

Применение мультипликатора с постоянной k = 200 позволяет создавать давление 980 МПа посредством поршневого манометра с пределом измерений 4,9МПа.

Постоянные k и р0 определяются путем гидростатического уравновешивания с каким-либо поршневым манометром с известной эффективной площадью поршня или по результатам измерения диаметров поршней и их взвешивания.

3.1.3 Пружинные приборы

Рисунок 19 - типы пружинных приборов

Пружинные манометры, вакуумметры, мановакуумметры, тягомеры, напоромеры, дифференциальные манометры и барометры составляют обширную группу приборов для технических измерений.

Действие этих приборов основано на измерении величины деформации различного вида упругих элементов. Деформация упругого чувствительного элемента преобразуется передаточными механизмами того или иного вида в угловое или линейное перемещение указателя по шкале прибора.

Преимущества пружинных приборов - простота устройства, надежность в эксплуатации, универсальность, портативность и большой диапазон измеряемых величин. Пружинные приборы изготовляются различных классов точности: от 0,5 до 4.

По виду упругого чувствительного элемента пружинные приборы делятся на следующие группы:

1) приборы с трубчатой пружиной или собственно пружинные (рисунок 19 а, б)

2) мембранные приборы, упругим элементом является мембрана мембранные приборы, упругим элементом является мембрана (рисунок 19, в), анероидная или мембранная коробка (рисунок 19, г и д), блок анероидных или мембранных коробок (рисунок 19, е и ж);

3) пружинно-мембранные с гибкой мембраной (рисунок 19, з) и пружинно-сильфонные (рисунок 19, и);

4) приборы с упругой гармониковой мембраной (сильфоном) (рисунок 19, к).

Приборы с трубчатыми пружинами

Наиболее широко применяются приборы (манометры, вакуумметры, мановакуумметры и дифманометры) с одновитковой трубчатой пружиной, изогнутой в виде дуги окружности, с центральным углом 180-270°.

Рисунок 20 - приборы с одновитковой трубчатой пружиной

а - схема трубчатой пружины (1 - трубка, 2 - держатель)

б - эллиптическое поперечное сечение;

в-плоскоовальное поперечное сечение

По назначению приборы с одновитковой трубчатой пружиной делятся на рабочие, контрольные и образцовые.

Пределы измерения, классы точности, допустимая температурная погрешность и некоторые другие параметры на отдельные виды приборов устанавливаются стандартами. Основной деталью прибора с одновитковой трубчатой пружиной является согнутая по дуге окружности трубка эллиптического или плоскоовального сечения (рисунок 20). Одним концом трубка заделана в держатель, оканчивающийся ниппелем с резьбой для присоединения к полости, в которой измеряется давление.

Внутри держателя имеется канал, который соединяется с внутренней полостью трубки.

Если в трубку подать жидкость, газ или пар под избыточным давлением, то кривизна трубки уменьшится и она распрямляется; при создании разрежения внутри трубки кривизна ее возрастает и она скручивается.

Один конец трубки закреплен; поэтому при изменении кривизны трубки ее свободный конец перемещается по траектории, близкой к прямой. Свободный конец трубки воздействует на передаточный механизм, который поворачивает стрелку показывающего прибора или перемещает сердечник индукционного телепередаточного датчика.

Свойство изогнутой трубки некруглого сечения изменять величину изгиба при изменении давления в ее полости является следствием изменения формы сечения.

Под действием давления внутри трубки эллиптическое или плоскоовальное сечение, деформируясь, приближается к круговому сечению (малая ось эллипса или овала увеличивается, а большая уменьшается).

Устройство вакуумметра и мановакуумметра с одновитковой трубчатой пружиной ничем не отличается от устройства манометра.

Рабочие приборы с круговой шкалой изготовляются показывающими, без дополнительных устройств, а также с контактным устройством, электрическим или пневматическим датчиком для телепередачи.

Показывающие приборы применяются чаще всего в качестве местных приборов. Электроконтактные манометры применяются для сигнализации о достижении минимального или максимального рабочего давления или для двухпозиционного регулирования.

Электроконтактный манометр по принципу действия аналогичен указывающему манометру с одновитковой трубчатой пружиной. Для сигнализации служит контактный механизм, электрическая схема которого аналогична применяемой в манометрических термометрах.

Контактный манометр может работать только при плавном (без пульсации) изменении давления.

На рисунке 21 показана принципиальная схема бесшкального дифференциального трансформаторного прибора, предназначенного в комплекте со вторичным прибором типа КСД) для дистанционного измерения. Давление воспринимается одновитковой трубчатой пружиной, перемещение свободного конца которой передается плунжеру дифференциально-трансформаторного датчика.

Рисунок 21-схема бесшкального прибора с дифференциально-трансформаторным датчиком: 1 - трубчатая пружина; 2 - плунжер

Основная допустимая погрешность прибора в комплекте со вторичным прибором КСД составляет ±2,5% от верхнего предела измерения (в том числе погрешность самого вторичного прибора не более ±1%.

3.1.4 Мембранные приборы

Приборы с чувствительным элементом в виде гофрированных мембран, мембранных коробок и мембранных блоков применяются для измерения небольших избыточных давлений и разрежений (манометры, напоромеры и тягомеры), а также перепадов давления (дифманометры-расходомеры).

Величина прогиба мембраны является функцией давления, действующего на нее. Зависимость прогиба от давления в общем случае нелинейна.

Число, форма и размеры гофра различны в зависимости от назначения, предела измерения и других факторов. Гофрировка мембраны увеличивает ее жесткость, т.е. уменьшает прогиб при одинаковом давлении.

Величина прогиба мембраны является сложной функцией давления, ее геометрических параметров (диаметра, толщины, числа гофров, их формы), а также модуля упругости материала мембраны.

Ввиду сложности расчета в большинстве случаев характеристика мембраны подбирается опытным путем.

Для увеличения прогиба в приборах для малых давлений (разрежение) мембраны попарно соединяют (сваркой или пайкой) в мембранные коробки, а коробки - в мембранные блоки. Мембранные коробки могут быть анероидными и манометрическими. Анероидные коробки, применяющиеся в барометрах и барографах, герметизированы и заполнены воздухом или каким-либо газом при очень малом давлении, обычно около 1,33 Па (0,01 мм рт. ст.). Деформация анероидной коробки происходит под действием разности давления окружающей ее среды и давления в полости коробки.

Так как давление в полости коробки очень мало, то можно считать, что ее деформация определяется атмосферным давлением. Деформация анероидной или манометрической коробки равна сумме деформаций составляющих ее мембран.

Для измерения небольших давлений и разрежений до 15680 Па (1600 мм вод. ст.) применяют мембранные тяго- и напоромеры. В этих приборах упругим элементом является коробка из двух гофрированных мембран. Внутренняя полость коробки соединяется с полостью, в которой измеряется давление или разрежение.

Выпускаются несколько типов мембранных тяго- и напоромеров: с концентрической шкалой, с горизонтально-профильной шкалой и с вертикально-профильной шкалой. Каждый из этих типов изготовляется в трех модификациях: напоромеры, тягомеры и тягонапоромеры с нулем посредине шкалы для измерения давлений и разрежений. Все эти виды приборов имеют принципиально одинаковые устройства и отличаются один от другого лишь элементами передаточного механизма и формой корпуса. На рисунке 22 показано устройство тягомера с горизонтально-профильной шкалой.

Трубка 14 соединяет полость мембранной коробки 1 с полостью, в которой измеряется давление. При повышении давления в коробке центр верхней мембраны перемещается вверх; через систему рычагов и тяг это движение передается на вертикальную ось 6, укрепленную в опоре 7. На вертикальной оси закреплена стрелка 8. Перемещение центра мембранной коробки не пропорционально давлению. Для линеаризации характеристики коробки применяется устройство, состоящее из плоской пружины 9, нагружающей мембранную коробку, и кронштейна 10 с установочными винтами 11.

При изгибе пружина 9 опирается на установочные винты 11, вследствие чего изменяется ее рабочая длина, а следовательно, и жесткость. Регулируя при градуировке прибора положение установочных винтов, можно добиться линейной характеристики упругой системы, т.е. равномерности шкалы прибора.

Рисунок 22 - мембранный тягомер с профильной шкалой:

1 - мембранная коробка; 2 и 4 - тяги; 3, 5 и 13 - рычаги; 6 - ось; 7-опора; 8-стрелка; 9 - плоская пружина; 10 - кронштейн; 11 - установочные винты; 12 - винт; 14 - трубка; 15 - пружина

Стрелка на ноль устанавливается при помощи винта 12. Вращая винт 12 в ту или другую сторону, поднимают или опускают рычаг 13, прижимаемый к коническому концу винта пружиной 15. Рычаг 13 перемещает передаточный рычажный механизм прибора, передвигая стрелку прибора вправо или влево до совмещения ее с нулем шкалы.

Основная допустимая погрешность прибора ±2% от верхнего предела шкалы.

На рисунке 23 показана принципиальная схема бесшкального дифманометра-расходомера с двумя металлическими мембранными коробками и с системой электрической дифференциально-трансформаторной передачи показаний на расстояние. Чувствительный элемент прибора состоит из разделительной перегородки 1, в которую ввернуты гофрированные металлические (из нержавеющей стали) мембранные коробки 2 и 3. Коробки составлены из мембран с совпадающими профилями гофрировки. Внутренние полости коробок сообщаются между собой каналом и заполнены дистиллированной водой.

С центром верхней мембранной коробки связан железный сердечник, помещенный в катушках. Сердечник перемещается внутри разделительной трубки, выполненной из немагнитной стали.

Под действием разности давлений в камерах нижняя мембранная коробка сжимается; жидкость из нее через отверстие в перегородке перетекает в верхнюю мембранную коробку, вызывая перемещение верхнего центра и связанного с ним железного сердечника индукционного датчика. Сердечник перемещается до тех пор, пока сила, вызванная перепадом давлений, не уравновесится силами упругой деформации мембранных коробок.

При изменении температуры окружающей среды вода в мембранных коробках соответственно будет перемещать мембраны, а вместе с ними и сердечник.

Рисунок 23 - схема безшкального дифманометра-расходомера с двумя мембранными коробками: 1 - разделительная перегородка; 2 и 3 - мембранные коробки; 4 - сердечник 5 - катушки; 6 - разделительная трубка

Для уменьшения влияния колебаний температуры окружающей среды на показания прибора верхняя мембранная коробка выполняется с большей жесткостью, чем нижняя. Это приводит к тому, что при изменении температуры окружающей среды изменяется в основном объем нижней мембранной коробки.

Если перепад давления превысит расчетную величину или одна из мембранных коробок подвергнется одностороннему давлению, то повреждения мембранной коробки не произойдет, так как коробка, находящаяся в зоне более высокого давления, сожмется до соприкосновения мембран и вытеснит из своей полости всю воду в другую мембранную коробку.

Дифманометр-расходомер работает в комплекте со вторичным электронным дифференциально-трансформаторным прибором.

Дифманометры рассчитаны на два предела статического давления: до 6,27 МПа (64 кг/см2) и до 24,5 МПа (250 кг/см2), перепады давления от 5,3 до 133,3 кПа (40-1000 мм рт. ст.)

Различные пределы измерения достигаются применением мембранных блоков различной жесткости. Основная допустимая погрешность показаний прибора в комплекте со вторичным прибором +-2% от верхнего предела шкалы.

На рисунке 24 показана схема мембранного компенсационного дифманометра. Вялая мембрана 2 с жестким центром, несущая сердечник 1 дифференциально-трансформаторного датчика, подвешена на уравновешивающей пружине 3 к рычагу 4, проходящему через сильфонное уплотнение.

Возникающее вследствие перемещения сердечника напряжение разбаланса поступает на вход электронного усилителя 9. Реверсивный двигатель 7, управляемый электронным усилителем, поворачивает лекало 5 и через рычаг 4 воздействует на уравновешивающую пружину.

Система придет в равновесие, когда усилие, развиваемое мембраной, уравновесится силой пружины и сердечник возвратится в исходное среднее положение. При этом оси лекала и стрелки местной шкалы 6 прибора поворачиваются на угол, пропорциональный перепаду давления. С осью лекала кинематически связаны оси рамок 8 ферродинамических датчиков (от одного до трех), предназначенных для дистанционной передачи показаний.

Рисунок 24 - схема мембранного компенсационного дифманометра:

1 - сердечник; 2 - вялая мембрана; 3 - пружина; 4 - рычаг;

5 - лекало; б - Шкала; 7 - реверсивный двигатель; 8 - рамка

ферродинамического датчика; 9 - электронный усилитель

Приборы имеют различные пределы измерения разности давлений, от 6,18 до 21,3 кПа (63-160 мм рт. ст.). Максимальное допустимое рабочее давление 1,56 МПа (16 кг/см2). Основная допустимая погрешность дифманометра в комплекте с вторичным прибором ±1,5% от максимального предела шкалы.

3.1.5 Манометры сопротивления

Действие приборов основано на изменении сопротивления проводника под действием внешнего давления. Электрическими проводниками принципиально могут служить любые металлы и сплавы, а также полупроводники. Однако для использования в манометрах сопротивления наиболее подходящим материалом является манганин, так как он обладает малым температурным коэффициентом сопротивления.

Недостаток манганина заключается в малом изменении сопротивления от действия давления (малый пьезокоэффициент).

Если обозначить сопротивление проводника, подвергаемого давлению, через R, изменение сопротивления - через , а давление - через р, то изменение сопротивления будет следовать линейному закону

,

где k - пьезокоэффициент, величина которого зависит от материала проводника. Из этого соотношения следует, что

.

Значения пьезокоэффициента не только различны для разных материалов, но непостоянны даже для одного и того же материала. Для манганина .

Малая величина пьезокоэффициента обусловливает целесообразность применения манганиновых манометров только для измерения высоких и сверхвысоких давлений. Одна из конструкций манганинового манометра показана на рисунке 25. Воспринимающей частью манометра является однослойная катушка 1 диаметром 8 мм из манганиновой проволоки диаметром 0,05 мм, намотанной бифилярно. Сопротивление катушки 180-200 ом. Один конец обмотки катушки припаян к гайке 2, а другой - к медному стержню 3. Стержень проходит через канал в гайке. Центральное положение стержня в канале обеспечивается эбонитовыми втулками 4 и 5. Уплотнение стержня достигается набивкой из фибровых и резиновых колец 6, сжатых гайкой 7. Гайка 2 ввертывается в корпус 8, снабженный ниппелем 9 для присоединения к аппарату или трубопроводу, в котором измеряется давление.

Для измерения сопротивления может быть использован любой измеритель электрических сопротивлений, например электронный уравновешенный мост. Пьезокоэффициент для разных образцов манганина непостоянен, поэтому манганиновые манометры сопротивления необходимо калибровать после изготовления.

Рисунок 25 - манганиновый манометр сопротивления: 1 - катушка; 2 и 7 - гайки; 3 - стержень; 4 и 5 - втулки; 6 - кольца; S - корпус; 9-ниппель

При линейной зависимости можно калибровать путем измерения сопротивления манганиновой катушки при двух различных давлениях, одним из которых может быть атмосферное давление. По литературным данным, линейная зависимость сопротивления манганина от давления проверена до 3000 МПа (30 000 кг/см2), Точность измерения давления манганиновым манометром зависит главным образом от точности измерения сопротивления катушки, качества калибровки и от точности определения калибровочных давлений. Погрешность измерения обычно не превышает ± 1% предела шкалы. Кроме металлических датчиков, в манометрах сопротивления применяются полупроводниковые датчики.

Известны конструкции манометров с угольными столбиками, составленными из тонких дисков диаметром 5-10 мм и толщиной 1,0 мм, изготовленных из электродного угля. У такого столбика при сжатии уменьшается сопротивление, что объясняется улучшением контактов между отдельными дисками. Пьезокоэффициент угольного столбика в тысячи раз больше, чем манганина; однако нелинейная зависимость сопротивления от давления, большой гистерезис, непостоянство градуировки и значительное влияние температуры ограничивают применение угольных манометров.

Использование других полупроводников пока не вышло из пределов лабораторных исследований.

Все полупроводниковые датчики пригодны для измерения давлений не выше 5,88-7,84 МПа.

3.1.6 Емкостные манометры

Действие приборов основано на изменении емкости плоского конденсатора при изменении расстояния между обкладками.

Емкость плоского конденсатора, состоящего из двух обкладок, выражается зависимостью

,

где - диэлектрическая проницаемость среды между обкладками; s - площадь одной из обкладок; - расстояние между обкладками.

С уменьшением емкость возрастает по гиперболическому закону. Поэтому выгодно работать при малом начальном значении , что создает большую чувствительность и возможность работы на линейном участке характеристики.

Устройство одного из емкостных манометров показано на рисунке 26. Корпус датчика снабжен ниппелем для присоединения к объекту измерения. В дно ниппеля впаяна мембрана, воспринимающая давление. В верхнюю часть корпуса ввернута втулка 3, положение которой относительно корпуса может фиксироваться контргайкой. Внутрь втулки 3 вставлен керамический цилиндр - изолятор с электродом. Электрод оканчивается диском, являющимся второй обкладкой конденсатора.

Под действием давления мембрана прогибается, изменяется расстояние между ней и диском, увеличивается емкость конденсатора. Выбирая размеры мембраны, можно создавать приборы для измерения давлений в широком диапазоне.

Рисунок 26 - Емкостной манометр: 1 - корпус датчика; 2 - мембрана; 3 - втулка; 4 - контргайка; 5 - изолятор; 6 - электрод; 7 - диск

На показание емкостных манометров влияет температура окружающей среды. При изменении температуры изменяются размеры датчика, особенно расстояние между обкладками.

Недостатком емкостных манометров является также большое влияние паразитных емкостей, главным образом соединительных проводов и металлических частей установки, которое проявляется неодинаково и зависит от взаимного расположения деталей.

Погрешность измерений не превышает ±1,5-2% предела шкалы прибора. Измерителями емкости обычно служат высокочувствительные резонансные приборы.

3.1.7 Пьезоэлектрические манометры

Действие пьезоэлектрических манометров основано на свойствах некоторых кристаллических веществ создавать электрические заряды под действием механической силы. Это явление называется пьезоэффектом.

Пьезоэффект наблюдается у кристаллов кварца, турмалина, сегнетовой соли, титаната бария и некоторых других веществ. Особенностью пьезоэффекта является его безынерционность. Заряды возникают мгновенно в момент приложения силы. Это обстоятельство делает пьезоэлектрические манометры незаменимыми при измерении и исследовании быстропротекающих процессов, связанных с изменением давления (индицирование быстроходных двигателей, изучение явлений кавитации, взрывных реакций и т.п.).

Для изготовления пьезоэлектрических датчиков наиболее широко применяется кварц, сочетающий хорошие пьезоэлектрические свойства с большой механической прочностью, высокими изоляционными свойствами и независимостью пьезоэлектрической характеристики в широких пределах от изменения температуры. Кварц SiO2 кристаллизуется в гексагональной системе, причем элементарной структурной ячейкой является шестигранная призма (рисунок 27). В кристаллах кварца различают продольную ось zz, которая носит название оптической оси, ось xx, проходящую через ребра призмы (электрическую ось), и оси уу, проходящие через середины противолежащих граней (механические или нейтральные). Если из кристалла кварца вырезать параллелепипед так, чтобы его грани были расположены перпендикулярно осям уу и хх, то он будет обладать пьезоэлектрическими свойствами. Силы, приложенные к нему по направлению оси zz, не вызовут электризации, а растягивающая или сжимающая сила Fx, приложенная по направлению электрической оси, вызовет появление разноименных зарядов на гранях, перпендикулярных к этой оси (продольный пьезоэффект).

Рисунок 27 - схема кристалла кварца

Величина заряда, возникающего на гранях, равна

,

или

,

где рх и Fх - давление и сила, действующие на площадь грани; sx - площадь грани; k - постоянная величина, так называемый пьезоэлектрический модуль.

При приложении силы Fy, действующей по направлению нейтральной оси, на гранях bс возникнут заряды противоположного знака по сравнению с силой, действующей по оси х.

Пьезоэлектрическая постоянная кварца практически не зависит от температуры в пределах до 500° С. При температурах выше 500° С она быстро уменьшается и при температуре 570° С становится равной нулю, т.е. кварц теряет пьезоэлектрические свойства.

Рисунок 28 - пьезокварцевый манометр: 1 - корпус, 2 и 9 - гайки; 3 - мембрана; 4 и 7 - шайбы; 5 - кварцевая пластина; 6 - плитка; 8 - шарик; 10 - втулка

Из других пьезоэлектриков наибольшей чувствительностью обладает сегнетова соль. Однако высокая гигроскопичность, малая механическая прочность и низкое сопротивление сильно ограничивают ее применение. Применение в измерительной технике находит титанат бария, у которого пьезоэлектрический эффект в 50-60 раз выше, чем у кварца.

Устройство пьезокварцевого манометра показано на рисунке 28. Корпус 1 датчика манометра ввернут в гайку 2, снабженную ниппелем для присоединения к объекту измерения. В нижней части корпус герметически закрыт мембраной 3, образующей дно корпуса. На мембрану положена металлическая шайба 4 с цилиндрической выточкой для помещения кварцевой пластины 5. На кварцевую пластину кладется плитка 6. На нее укладывается вторая кварцевая пластина, покрываемая металлической шайбой 7. В центре верхней плоскости шайбы 7 помещается стальной шарик 8. Пакет из кварцевых пластин и стальных шайб поджимается гайкой 9, образующей крышку датчика.

Кварцевые пластины располагаются так, чтобы грани с отрицательным зарядом были обращены к средней плитке, а стороны с положительным зарядом - к шайбам 4 и 7. К средней плитке 6 припаян проводник, выходящий из корпуса через отверстие в стенке, втулку 10 и через янтарный изолятор.

Возникающие на гранях кристалла электростатические заряды сохраняются (при отсутствии утечки) во время действия силы и исчезают в момент прекращения ее действия.

Так как возникающие заряды очень малы, то прямое измерение их невозможно. Для этого необходимо использовать такие приборы, которые не расходовали бы возникающих зарядов. Поэтому применяют ламповые вольтметры постоянного тока на электрометрических лампах в сочетании со шлейфовым или катодным осциллографом, а также электростатические вольтметры. Точность измерения пьезоэлектрическим манометром составляет ±1,5-2%.

3.1.8 Теплопроводные манометры

При низких давлениях, когда длина свободного пробега молекул соизмерима с геометрическими размерами системы, теплопроводность газа зависит от давления. Эта зависимость используется в теплопроводных манометрах, применяемых для измерения давления газа в пределах от 0,0133 до 1333 Па (0,0001 - 10 мм рт. ст.) Датчик прибора состоит из нагревателя и измерителя температуры, помещенных в сосуд, в котором контролируется давление. В качестве измерителей температуры применяются термосопротивления и термопары (термопарный манометр). На рисунке 29 показана схема теплопроводного манометра низкого давления с термосопротивлением, включенным в мостовую схему. В два плеча моста включены нагреваемые током металлические или полупроводниковые термосопротивления Rt и RK. Постоянные сопротивления плеч моста R1 и R2.

Сопротивление R, расположено в измеряемой среде; сопротивление RK, выполняющее роль температурного компенсатора, запаяно в баллоне.

С изменением давления газа меняется его теплопроводность, что приводит к изменению величины электрического сопротивления Rt, следовательно, к разбалансу моста.

В термопарных манометрах измеряется не сопротивление, а температура проводника. Температура измеряется термопарой, термо ЭДС. которой является функцией измеряемого давления. Принципиальная схема термопарного манометра показана на рисунке 30. Манометр состоит из нагревательного элемента и термопары, замеряющей его температуру.

Элемент нагревается от источника тока; термо - ЭДС. термопары замеряется милливольтметром или потенциометром. Элемент нагревается до температуры порядка 200° С. В некоторых термопарных манометрах нагревательный элемент и термопара конструктивно объединены в одном элементе.

Теплопроводные манометры градуируются по определенному газу, для которого они предназначены.

3.2 Выбор рационального метода измерения давления природного газа

Наиболее широко применяются приборы (манометры, вакуумметры, мановакуумметры и дифманометры) с одновитковой трубчатой пружиной, такие приборы имеют большой диапазон измерения, сравнительно небольшие габариты, простоту конструкции, надежность. Исходя из этого, для измерения давления в АСК давления природного газа мы будем использовать бесшкальный прибор с дифференциально-трансформаторным датчиком, принципиальная схема которого изображена на рисунке 21. Такой прибор предназначен (в комплекте со вторичным прибором типа КСД) для дистанционного измерения.

4. Расчет измерительной схемы автоматического потенциометра

В системах автоматического контроля и регулирования различных параметров технологических процессов находят широкое применение в качестве вторичных приборов автоматические потенциометры и мосты. Мы рассматриваем схему автоматического потенциометра (рисунок 31), данные для расчета занесены таблицу 3. В этой схеме в качестве первичного измерительного преобразователя используется термопара, так как диапазон изменения температуры составляет 0-700? С, то наиболее целесообразно использовать термопару типа ТХА (-200?1300? С).

Рисунок 31 - принципиальная измерительная схема автоматического потенциометра

Таблица 3 - исходные данные для расчета измерительной схемы

Порядок расчёта

Определим Rn:

Ом;

Определим приведенное сопротивление реохорда Rпр:

Ом.

Произведём проверку правильности определения Rпр:

мВ.

Вычислим Rk:

Ом;

Принимаем сопротивление контрольного резистора Rk=(509.50,2) Ом.

Определим Rб:

Ом;

Принимаем сопротивление резистора Rб=(3300,5) Ом.

Найдём сопротивление медного резистора RM:

Ом;

Принимаем значение медного резистора RM=(5.330.01) Ом.

Вычислим сопротивление резистора RH:

Ом

Определим значение Rbd:

Ом

Определим R1:

Ом;

Принимаем R1=800 Ом, Ом и Ом.

Определим изменение показаний потенциометра для конечного значения шкалы при изменении температуры свободных концов термометра от t0=200 C до t0=500 C:

5. Описание работы принципиальной схемы автоматической системы контроля давления природного газа

АСК давления природного газа состоит из первичного измерительного прибора, которым является бесшкальный манометр с одновитковой трубчатой пружиной с дифференциально-трансформаторным датчиком (типа МЭД-22364, верхний предел измерения 1.6 МПа), схема которого приведена на рисунке 32, и приемника информации, в качестве которого используется вторичный прибор типа КСД дифференциально-трансформаторного типа.

Рисунок 32 - схема бесшкального прибора с дифференциально-трансформаторным датчиком: 1 - трубчатая пружина; 2 - плунжер; 3-обмотка преобразователя

Под действием разности давления внутри и снаружи трубчатой пружины 1, в слоях материала возникают растягивающие и сжимающие силы, деформируется поперечное сечение, в результате чего перемещается свободный конец и плунжер дифференциально-трансформаторного датчика 2.

Перемещение плунжера изменяет взаимную индуктивность между обмотками преобразователя 3, а вместе с тем и напряжение (Э.Д.С.) на выходе прибора. Выходной сигнал манометра с одновитковой трубчатой пружиной пропорционален измеряемой разности давлений.

Вторичный прибор КСД работает в комплекте с манометром с одновитковой трубчатой пружиной. В качестве компенсирующего элемента в приборе используется дифтрансформаторная катушка с перемещающимся в ней сердечником. Перемещение плунжера преобразователя первичного прибора, которое осуществляется чувствительным элементом, зависит от величины измеряемого параметра. В прибор КСД встроен аналогичный дифтрансформаторный преобразователь, сердечник в его катушке перемещается с помощью профилированного лекала, поворот которого осуществляется реверсивным двигателем.

Первичные обмотки компенсирующего и передающего ДТ-преобразовательных элементов включены последовательно и питаются напряжением переменного тока промышленной частоты от специальной обмотки силового трансформатора усилителя.

Вторичные обмотки ДТ-преобразовательных элементов включены по компенсационной схеме, в которой на вход усилителя поступает сигнал ?U = Uвых1 - Uвых2, где Uвых1, Uвых2 - выходные сигналы передающего и компенсирующего ДТ-преобразовательных элементов.

При нулевом значении преобразуемого параметра сердечники манометра и КСД находятся в средних положениях, в которых Uвых1 = Uвых2. При этом на вход усилителя поступает сигнал ?U = 0, обеспечивающий нахождение указателя на начальной отметке шкалы. Отклонение параметра от нулевого значения вызывает деформацию чувствительного элемента, сопровождаемую перемещением сердечника из среднего положения.

На выходе передающего ДТ-преобразователя формируется сигнал Uвых1, отличный от нуля. Этот сигнал усиливается до значения, достаточного для приведения в движение ротора двигателя. Ротор поворачивает лекало и перемещает сердечник компенсирующего ДТ-преобразовательного элемента. Движение ротора происходит до тех пор, пока сердечник не займет такое положение, при котором Uвых2 = Uвых1. В тот момент сигнал ?U = 0 и движение ротора прекращается. О значении измеряемого параметра судят по положению указателя, кинематически связанного с ротором реверсивного двигателя, на шкале. Для контроля исправности измерительного прибора используется кнопка, при нажатии которой закорачиваются выходы передающего ДТ-преобразовательного элемента, и на вход усилителя поступает сигнал только с компенсирующего ДТ-преобразовательного элемента. Если прибор исправен, то указатель должен переместиться на контрольную отметку шкалы.

Основная допустимая погрешность прибора в комплекте со вторичным прибором КСД составляет ±2,5% от верхнего предела измерения (в том числе погрешность самого вторичного прибора не более ±1%).

Заключение

В настоящем курсовом проекте кратко описана сущность процессов доменной печи, приведена структурная схема объекта управления, показана взаимосвязь между входными и выходными переменными, указаны основные контролируемые параметры.

Также приведена классификация методов контроля давления, кратко изложена их сущность, достоинства и недостатки, а также область применения.

Рассчитана измерительная схема автоматического потенциометра.

Графическая часть проекта представляет собой чертеж формата А2, на котором изображена принципиальная схема системы автоматического контроля давления природного газа, а также приведено описание работы схемы.

Список использованной литературы

1. Автоматизация управления металлургическими процессами. Каганов В.Ю., Блинов О.М., Беленький А.М. М., «Металлургия», 1974. 416 с.

2. Титовский А.В., Дружинина А.А. Технические измерения и приборы. Термометры. Маномаетры. Расходомеры. Уровнемеры: Учеб. Пособие / Гос. Образоват. Учреждение «ГАЦМиЗ». - Красноярск, 2003. - 116 с.

3. Технологические измереня и приборы для химических производств. Кулаков М.В. М., «Машиностроение», 1983. 496 с.

Страницы: 1, 2