Приборы измерения давления. 2

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего

профессионального образования

«Ярославский  государственный технический университет»

Кафедра «Технология металлов» 
 

                                        Реферат принят

                                        с оценкой ______

                                        Преподаватель

                                        доцент, к.т.н.

                                        __________Трофимов Е.Ф.

                                        03.05.2011 
 
 

Приборы измерения давления.

Реферат по дисциплине

“Автоматизация  измерения и контроля”

ЯГТУ 200503.65-029 Р 
 

                                                                       Реферат выполнил

                                        студент гр. ЭСК-42

                                        _________Н.А. Матюшкина

                                        03.05.2011 
 
 
 
 
 
 

                                                            2011

                                                                  Содержание 

Введение                                                                                                            3    

1. Общие сведения  об измерениях и контроле                                              4                           

2. Методы и  средства контроля давления                                                     

2.1 Физические  основы измерения давления.                                                7

Классификация приборов измерения и контроля давления

2.2 Датчики давления                                                                                       11

3. Датчик давления серии DMD 331-A-S                                                       12

3.1    Устройство и работа датчика                                                                 17

3.2    Конструкция  датчика                                                                              23                            

Заключение                                                                                                        26 

Список литературы                                                                                           27

     Введение 

     В техническом перевооружении народного  хозяйства ведущая роль принадлежит  машиностроению, так как на его  базе развиваются все отрасли  промышленности, повышается производительность труда. Уровень производства машин  и их техническое совершенство являются основными показателями развития промышленности.

     Создание  комплексных автоматических систем и быстродействующих вычислительных машин является важным этапом научно-технического прогресса. Использование средств  автоматики и вычислительной техники  позволяет автоматизировать трудоемкие процессы, экономить энергоресурсы, снижать себестоимость продукции  и повышать ее качество.

     В настоящее время отечественная  промышленность оснащена современными средствами контроля, регулирования  и сигнализации. Непрерывные технологические  процессы в различных отраслях промышленности часто требуют постоянного автоматического  контроля количества накопленного материала, сырья, жидкостей и газов. Контроль уровня часто имеет важное значение для безаварийной работы оборудования. Например, на водородных станциях понижение  уровня подпитки электролизеров может  послужить причиной серьезной аварии на тепловых электростанциях, понижение  или повышение заданного уровня воды в барабане котла приводит к  разрушению лопаток турбин, пережогу кипятильных труб.

     1. Общие сведения  об измерениях  и контроле 

     Измерением  называется процесс получения опытным  путем числового соотношения  между измеряемой величиной и  некоторым ее значением, принятым за единицу сравнения. Число, выражающее отношение измеряемой величины к  единице измерения, называется числовым значением измеряемой величины. Значение величины, принятое за единицу измерения, называется размером этой единицы.

     Если  х – измеряемая величина, y – единица  измерения, А – числовое значение измеряемой величины в принятой единице, то результат измерения можно  представить следующим равенством: 

     х = А • y. (1.1) 

     Уравнение (1.1) называют основным уравнением измерения. Из этого уравнения следует, что  значение А зависит от размера  выбранной единицы измерения y. Если вместо единицы y взять другую единицу y1, то выражение (1.1) примет вид: 

     х = А1 • y1. (1.2) 

     Учитывая (1.1), получаем: 

     А y = А1 y1 (1.3) 

     или:  

     А1 = А   (1.4)

     Из  выражения (1.4) следует, что для перехода от результата измерения А, выраженного  в единице у, к результату А1, выраженному  в единице у1, необходимо А умножить отношения принятых единиц.

     Измерительной информацией является информация о  значениях величины. Результатом  измерения является количественная характеристика в виде именного числа. Основной характеристикой процесса измерения является точность, которая  характеризуется погрешностью измерения  и вероятностью.

     Для более четкого представления  особенностей процесса измерения рассмотрим основные особенности близких к  нему информационных процессов –  контроля и счета.

     Контролем называется процесс установления соответствия между состояниями, свойствами объекта  контроля и заранее заданной нормой путем восприятия контролируемых величин, сопоставления их с уставками  и формирования суждения, вывода. Контролю подвергается физическая величина или  состояние объекта. Результатом  контроля является качественная характеристика – суждение, вывод о нахождении объекта контроля в норме или  вне нормы.

     Основной  характеристикой процесса контроля является достоверность контроля, которая  численно выражается вероятностью правильного  суждения, вывода.

     Счетом  называется процесс определения  числового значения дискретной величины или количества предметов в данной совокупности. Результатом счета  является неименованное число, число  предметов в данной совокупности, не имеющих строго одинаковых параметров.

     Возникает вопрос, какой из процессов –  измерение или контроль- являются более общими или более сложными, контроль включает измерение или  измерение включает контроль?

     Процессы  измерения и контроля близки по своей  информационной сущности, содержат ряд  общих операций, например сравнение, могут иметь одинаковые объекты, тесно связаны между собой, дополняют  друг друга. Контролю иногда предшествует измерение, и такой процесс называют цифровым контролем. Измерению часто  предшествует контроль, например определение  полярности и выбор предела измерения  являются собственно контрольными операциями и в автоматических и цифровых приборах они предшествуют измерению. Однако контроль и измерение во многом существенно различны – результатом  измерения является количественная характеристика, а результатом контроля – качественная, измерение осуществляется в широком диапазоне значений измеряемой величины, а контроль –  в пределах небольшого числа возможных  состояний.

     По  способу получения числового  значения искомой величины измерения  можно подразделить на два вида: прямые и косвенные.

     При прямых измерениях результат получается непосредственно из опытных данных в тех же единицах, что и измеряемая величина.

     К косвенным относятся измерения, результат которых получается на основании прямых измерений нескольких других величин, связанных с искомой  величиной определенной зависимостью. Примером косвенных измерений служит определение расхода жидкости и  газа по перепаду давления в сужающем устройстве.

     Существуют  следующие методы измерений:

     1) метод непосредственной оценки, в котором значение измеряемой величины определяют непосредственно по отчетному устройству измерительного прибора прямого действия;

     2) метод сравнения с мерой, или компенсационный, в котором измеряемую величину сравнивают с величиной воспроизводимой меры;

     3) нулевой метод, в котором эффект действия измеряемой величины полностью уравновешивается эффектом известной величины так, что в результате х взаимодействие сводится к нулю.

     Измерения проводятся с помощью технических  средств измерений. Основные виды средств  измерений следующие:

     - мера – средство измерений,  предназначенное для воспроизведения  физической величины заданного  размера, например, мера массы  – гиря;

     - измерительный прибор –это средство  измерений, предназначенное для  выработки сигнала измерительной  информации в форме, доступной  для непосредственного восприятия  оператором. Показания измерительного  прибора могут быть представлены  в аналоговой или цифровой  форме. В показывающих приборах  производится только отсчитывание  показаний, в регистрирующих приборах  осуществляется запись показаний  в форме диаграммы и печатание  в цифровой форме. В интегрирующих  измерительных приборах измеряемая  величина подвергается интегрированию  по времени или по другой  независимой переменной.

     - измерительный преобразователь  –это средство измерений, предназначенное  для выработки сигнала измерительной  информации в форме, удобной  для передачи, дальнейшего преобразования, обработки и хранения, но не  подающейся непосредственному восприятию  оператором. Измерительные преобразователи  в зависимости от их назначения  подразделяются на первичные,  промежуточные, передающие, масштабные  и другие.

     - первичный измерительный преобразователь  – это преобразователь, к которому  подведена измеряемая величина. Передающий измерительный преобразователь  предназначен для дистанционной  передачи сигнала измерительной  информации, масштабный измерительный  преобразователь – для изменения  измеряемой величины в заданное  число раз.

     - измерительное устройство – это  средство измерений, состоящее  из измерительных приборов и  измерительных преобразователей. В  зависимости от назначения измерительные устройства подразделяются на первичные и вторичные. Под первичным измерительным устройством понимают средство измерений, к которому подведена измеряемая величина. Вторичными измерительными устройствами (вторичными приборами) называют средства измерений, которое предназначены для работы в комплекте с первичными измерительными устройствами.

     Первичные измерительные устройства часто  называют датчиками. Датчик прибора  для измерений той или иной величины – это конструктивная совокупность ряда измерительных преобразователей, размещенных непосредственно у  объекта измерения.

     - измерительные информационные системы  – это измерительное устройство, которое осуществляет многоканальное  измерение и обработку информации  по некоторому заданному алгоритму.

     В зависимости от назначения средства измерений подразделяются на три  категории:

     1) рабочие меры, измерительные приборы и преобразователи;

     2) образцовые меры, измерительные приборы и преобразователи;

     3) эталоны.

     Рабочие средства измерений применяют для  измерений в производственных и  лабораторных условиях. Образцовые средства измерений предназначены для  проверки рабочих средств измерений. Эталоны предназначены для хранения единиц измерений и проверки мер, приборов и преобразователей высшего  разряда точности. 

     2. Методы и средства  контроля давления 

     2.1 Физические основы  измерения давления. Классификация приборов  измерения и контроля  давления 

     За  основную единицу измерения давления согласно Международной системы (СИ) принята единица – Паскаль.

     Кроме этого в промышленности для измерения  давления используют следующие единицы:

     - техническая атмосфера – равная давлению, которое испытывает 1 см2 плоской поверхности под действием равномерно распределенной перпендикулярной к поверхности нагрузки в 1 кгс. Эту единицу обозначают кгс/см2, т.к. кгс килограмм-сила – сообщающая массе, равной массе международного прототипа килограмма, ускорение, равное 9,80665 м/сек2 , допускается сокращенное обозначение килограмм-силы: кГ.

     - метр водяного столба (м вод. ст.);

     - миллиметр водяного столба (мм вод. ст.);

     - миллиметр ртутного столба (мм рт. ст.). 

     Эти единицы связаны следующими соотношениями:

     При измерении давления различают абсолютное давление Ра, избыточное давление Р  и разряжение Рh.

     Под абсолютным давлением подразумевается  полное давление, под которым находится  жидкость, пар или газ.

     Избыточное  давление, показываемое манометром, равно  разности между абсолютным давлением, большим, чем атмосферное, и атмосферным  давлением Рb, показываемым барометром: 

     Р = Ра - Рb . 

     Разряжение (вакуум) равно разности между атмосферным  давлением и абсолютным давлением, меньшим, чем атмосферное: 

     Рh = Рb - Ра . 

     Абсолютное  и избыточное давления обычно выражают в кГ/см2, разряжение (вакуум) – в  мм рт. ст. или мм вод. ст.

     Атмосферное давление, равное давлению на горизонтальную плоскость столба ртути высотой  в 760 мм при плотности ртути, равной 13,5951 г/см2, при 00С и ускорении силы тяжести 980,665 см/сек2, называют физической атмосферой, в отличии от единицы  кГ/см2 – технической атмосферы. Взаимосвязь между технической  и физической атмосферами следующая: 

     1 кГ/см2 = 0,9678 атм;

     1 атм. = 1,0332 кг/см2 = 10,332 м вод. ст. при  40С. 

     Приборами для измерения и контроля давления служат манометры, для измерения  и контроля давления и разряжения – мановакууметры, для измерения  разряжения вакууметры и для измерения  разности (перепада) давлений дифференциальные манометры.

     Приборы для измерения и контроля давления можно классифицировать по различным  признакам: по принципу действия, назначению, конструктивным признакам и классу точности.

     По  принципу действия приборы разделяются  на :

     - жидкостные, в которых измеряемое давление (или разряжение) уравновешивается давлением столба затворной жидкости соответствующей высоты;

     - пружинные, в которых для определения давления измеряется возникающая под действием измеряемого давления деформация различного рода упругих элементов – трубчатой пружины, мембраны, гармониковой мембраны (сильфона) и т.д.;

     - поршневые, в которых измеряемое давление определяется нагрузкой на поршень, перемещаемый в цилиндре, заполненном маслом;

     - радиоактивные, в которых измеряемое давление (разряжение) определяется изменением ионизации, производимой излучениями;

     - пьезоэлектрические, в которых используется пьезоэлектрический эффект, заключающийся в том, что в некоторых кристаллах (турмалин, кварц, сегнетовая соль, пьезокерамика и т.д.) под влиянием силы, действующей в направлении, зависящей от строения кристалла, появляются равные по величине и противоположные по знаку заряды, пропорциональные действующей силе, и исчезающие при снятии нагрузки;

     - проволочные тензоманометры, в которых используется изменение сопротивления проволоки под влиянием механических напряжений и деформаций. Материалом для изготовления проволочных тензоманометров может служить проволока нихрома, манганина или константана.

     По  назначению приборы разделяются  на :

     - рабочие; 

     - контрольные;

      - образцовые.

     По  конструктивным признакам приборы  подразделяют на:

     - жидкостные:

     а) трубные манометры (стеклянные двухтрубные  манометры, чашечные однотрубные манометры, наклонные жидкостные манометры);

     б) колокольные;

     в) кольцевые;

     г) поплавковые.

     - пружинные:

     а) с одновитковой трубчатой пружиной;

     б) с многовитковой трубчатой (геликоидальной) пружиной;

     в) мембранные с плоской гофрированной  мембраной;

     г) мембранные с гармониковой мембранной (сильфонные).

     - поршневые.

     Основные  характеристики каждой группы приборов будем рассматривать при их изучении.  

     2.2 Датчики давления 

     Принцип действия датчиков давления основан  на использовании деформационных свойств  материалов. Датчик состоит из двух преобразователей:

     1) чувствительного элемента (механического преобразователя), преобразующего измеряемую величину ( Р) в линейное перемещение штока чувствительного элемента ( l);

     2) индукционной катушки (электрического преобразователя), преобразующей линейное перемещение штока чувствительного элемента ( l) в напряжение переменного тока ( U).

     ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЕ  ЭЛЕМЕНТЫ.

     В датчиках давления используются разнообразные  чувствительные элементы.

     Наиболее  простым ЧЭ является гофрированная  мембрана. Такая мембрана штампуется из стали, латуни, бронзы в виде диска  с кольцевыми гофрами для повышения  упругости и закрепляется в корпусе  прибора. Корпус и мембрана образуют полость, сообщающуюся с измеряемой средой. Под воздействием избыточного  давления мембрана деформируется. К  мембране крепится шток, который соединен с сердечником катушки.

     Более сложным ЧЭ является гофрированная  мембранная коробка. Она состоит  из двух гофрированных мембран, сваренных  по периметру и образующих полость. Мембранная коробка обладает большей  чувствительностью, чем одинарная  мембрана.

     Наиболее  сложным по конструкции ЧЭ является мембранный блок, состоящий из двух мембранных коробок. Он применяется  для измерения перепада давлений и имеет наибольшую чувствительность. Такой ЧЭ помещается в корпус, разделенный  диафрагмой на две камеры, к которым  подсоединяют измеряемое давление. Под  действием перепада давлений жидкость перетекает из одной коробки в  другую, которая деформируется, расширяется  и перемещает шток чувствительного  элемента.

     В качестве чувствительного элемента применяют трубчатую пружину (трубка Бурдона).

     3. Датчик давления  серии DMD 331-A-S.

      Датчик давления серии DMD 331-A-S (в дальнейшем датчик), предназначен для непрерывного преобразования измеряемой величины - разности давления жидких и газообразных (в том числе газообразного кислорода и кислородсодержащих газовых смесей) сред (в том числе агрессивных) в унифицированный токовый выходной сигнал 4 -20 мА и цифровой сигнал на базе HART-протокола. Цифровой сигнал может приниматься любым устройством поддерживающим HART протокол. Для связи с датчиком и настройки его параметров может использоваться ручной HART-коммуникатор или HART-модем. Датчик может быть оснащен многострочным жидкокристаллическим дисплеем.

Датчик предназначен для использования в системах автоматического контроля, регулирования  и управления технологическими процессами в различных отраслях промышленности. Может быть оснащен выносными  мембранами для работы с высокотемпературными и/или агрессивными средами. Разделитель  заполняется силиконовым маслом. Для работы с кислородом (и иными  сильными окислителями) разделитель  заполняется галокарбоном. Варианты материала мембраны разделителя -сталь  нержавеющая различных марок, тантал.  Датчик может быть выполнен во взрывозащищенном исполнении. Взрывозащищенный датчик соответствует требованиям ГОСТ Р 51330.0, ГОСТ Р 51330.10 или ГОСТ Р 51330.1 и  имеет вид взрывозащиты "искробезопасная  электрическая цепь" с уровнем  взрывозащиты "особовзрывобезопасный" с маркировкой 0ExiaIICT4 или "взрывонепроницаемая оболочка" с уровнем взрывозащиты "взрывобезопасный" с маркировкой 1ExdIICT6. Взрывозащищенный датчик предназначен для установки и работы во взрывоопасных зонах помещений и наружных установок согласно нормативным документам, регламентирующих применение электрооборудования во взрывоопасных зонах.

В таблице 1 приведены  верхние пределы измерений (ВПИ) и значения статического давления. Нижний предел измерения (НИИ) и диапазон датчика может быть перенастроен в широких пределах. НИИ по умолчанию  равен нулю. 
 

Таблица 1.

      Выходной сигнал датчика: 4 - 20 мА  с цифровым сигналом на базе  HART-протокола имеет следующие характеристики выходного сигнала:

- линейная характеристика 

У_вых = , где

P- текущее значение измеряемого давления,

Р_нд = Р_впи  - Р _нпи -  номинальный диапазон давления (диапазон измерения),

Р_впи  , Р _нпи , - соответственно верхний и нижний предел измерений датчика, Н, , значения выходного сигнала соответствующие верхнему и нижнему пределу измерений датчика.  

- квадратичная  характеристика

Y_вых = 10 , где

 Y_вых и P выражено в % от диапазона

Характеристика  квадратична выше точки отсечки  и линейна ниже данной точки (см рис. 1). По умолчанию точка отсечки установлена равной 6% от диапазона измерения. 

                                            Рисунок 1. Квадратичная характеристика 

- квадратичная, третьей степени 

Yвых=0.1 ³ , где

  Yвых   и P выражено в % от диапазона

- квадратичная, пятой степени

Y_eux = 0.001⁵ , где