Датчик абсолютного давления

Сигнал

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Датчик абсолютного давления

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

            Томск -  2008

Содержание

1 Введение                                                                                                                3

2 Виды измеряемых давлений                                                                                5

3 Классификация средств измерения                                                                     8

4 Классификация манометров                                                                              10

5 Общепромышленные измерительные преобразователи давления                12

6 Обзор устройств измерения давления                                                              13

7 Обоснование и выбор схемы датчика давления для расчета                         16

8 Выбор чувствительного элемента (мембрана)                                                17

9 Расчет жесткости,  максимального перемещения мембраны и собственной частоты                                                                                                                   18

10 Определение жесткости пластины                                                                  19

11 Расчет собственной частоты колебаний пластинки с жестким центром    19

12 Расчет коэффициентов демпфирования                                                         20

13 Расчет погрешности                                                                                         20

14 Выбор емкостных преобразователей перемещения                                      21

15 Расчет толщины металлизации электродов емкостных датчиков               21

16 Расчет толщины слоя диффузии                                                                     22

17 Расчет полной передаточной функции преобразователя                             22

18 Выбор и размеры чувствительного элемента (мембраны)                           23

19 Передаточная функция замкнутой цепи                                                         24

20 Расчет частотных характеристик датчика давления                                     25

21 Расчет жесткости, обеспечиваемой электростатическими силами цепи обратной связи                                                                                                       26

Заключение                                                                                                             35

 

 

 

Введение

 

Давление является одним из важнейших физических параметров, и его измерение необходимо как в расчетных целях, например для определения расхода, количества и тепловой энергии среды, так и в технологических целях, например для контроля и прогнозирования безопасных и эффективных гидравлических режимов напорных трубопроводов. Давлением Р называют отношение Р = F/S абсолютной величины нормального, то есть действующего перпендикулярно к поверхности тела, вектора силы F к площади S этой поверхности. Датчики давления предназначены для измерений и непрерывного преобразования давления в унифицированный выходной сигнал постоянного тока или напряжения.

Используются датчики в регуляторах и других устройствах автоматики, в системах автоматического контроля, регулирования и управления технологическими процессами в системах водообработки, отопления, вентиляции и кондиционирования; гидравлических системах, холодильной технике.

Индустриальные измерения и контрольно-измерительная аппаратура, применяются во всех областях промышленности - от атомной до пищевой и фармакологической; соответственно, везде нужны и датчики давления.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Виды измеряемых давлений

 

Жидкие и газообразные среды характеризуются свойствами упругости обратимого изменения объема, то есть уменьшения объема среды при сжатии ее под давлением и восстановления исходного объема при снятии этого давления, и текучести обратимого изменения формы. В этих средах различают давление внешнее (поверхностное) - на границе (поверхности) сред, и внутреннее - внутри, в объеме или массе среды.

Внешнее давление P на поверхность S жидкой или газообразной среды, равное отношению нормальной составляющей суммы сил F, приложенной извне, к площади поверхности S, передается внутрь среды (рисунок 1)

Рисунок 1 - Силы давлений в жидких и газообразных средах

F - внешняя сила, S - свободная поверхность среды, ∆F - сила давления на внутреннюю площадку ∆S без изменений и равномерно во все стороны. То есть порождаемое внутреннее давление направлено перпендикулярно к любой внутренней площадке ∆S среды, независимо от ее формы и положения в среде, а величина давления в среде пропорциональна величине выделенной площадки (закон Паскаля). Очевидно, что Р=F/S=∆F/∆S для любой точки среды.

Внутреннее давление покоящихся жидких и газообразных сред зависит не только от внешнего давления, но и от веса самой среды. Эта зависимость наиболее существенна для жидкостей, обладающих большей плотностью, чем газы. Положение точки измерения относительно горизонтальных плоскостей - поверхностей равного давления, определяет весовую составляющую внутреннего давления - гидростатическое давление. Закон Паскаля справедлив не только для покоящихся, но и для движущихся сред, если их можно считать идеальными (отсутствует трение между слоями среды - вязкость).

В вязких же движущихся средах величина внутреннего давления зависит от направления, и поэтому под внутренним давлением среды понимают его усредненное значение по трем взаимно перпендикулярным направлениям в точке измерения. Полное внутреннее давление в движущейся среде, например, горизонтального напорного трубопровода определяется суммой внешнего, гидростатического и гидродинамического давления - скоростного напорного давления, а также потерями давления на трение по всей длине трубы и вихревыми потерями при изменениях величины и направления потока в гидравлических сопротивлениях - коленах, задвижках, диафрагмах. В напорных трубопроводах с энергоносителями измеряется, как правило, статическое давление, которое является разностью полного и динамического давлений; при этом скоростные характеристики потока учитываются в расходомерах и счетчиках при измерениях расхода и количества среды.

На практике давления газообразных и жидких сред могут измеряться относительно двух различных уровней (рисунок 2):

Рисунок 2 - Виды измеряемых давлений в точках 1, 2, 3 физического процесса

Р - давление, ДБ - давление барометрическое, ДА - давление абсолютное,

ДИ - давление избыточное, ДВ - давление вакуумметрическое,

ДД - давление дифференциальное.

1) уровня абсолютного вакуума, или абсолютного нуля давления - идеализированного состояния среды в замкнутом пространстве, из которого удалены все молекулы и атомы вещества среды

2) уровня атмосферного, или барометрического, давления (ГОСТ 8.271-77). Давление, измеряемое относительно вакуума, называют давлением абсолютным (ДА).

 

2. Классификация средств измерения

 

Для прямого измерения давления жидкой или газообразной среды с отображением его значения непосредственно на шкале, табло или индикаторе первичного измерительного прибора применяются манометры (ГОСТ 8.271-77). Если отображение значения давления на самом первичном приборе не производится, но он позволяет получать и дистанционно передавать соответствующий измеряемому параметру сигнал, то такой прибор называют измерительным преобразователем давления (ИПД), или датчиком давления.

Возможно объединение этих двух свойств в одном приборе (манометр-датчик).

Манометры классифицируют по принципу действия и конструкции, по виду измеряемого давления, по применению и назначению, по типу отображения данных и другим признакам.

По принципу действия манометры можно подразделить на:

• жидкостные (измеряемое давление уравновешивается гидростатическим столбом жидкости - воды, ртути - соответствующей высоты),
• деформационные (давление определяется по величине деформации и перемещения упругого чувствительного элемента УЧЭ - мембраны, трубчатой пружины, сильфона),
• грузопоршневые (измеряемое или воспроизводимое давление гидростатически уравновешивается через жидкую или газообразную среду прибора давлением веса поршня с грузоприемным устройством и комплектом образцовых гирь),
• электрические (давление определяется на основании зависимости электрических параметров: сопротивления, емкости, заряда, частоты - чувствительного элемента ЧЭ от измеряемого давления) и другие (тепловые, ионизационные, термопарные и т.п.).

В промышленности, при локальных измерениях давлений энергоносителей, в большинстве случаев используются деформационные манометры, на основе одновитковой трубчатой пружины - трубки Бурдона - для прямопоказывающих стрелочных приборов или с многовитковыми пружинами, для самопишущих манометров).

На смену стрелочным приборам всё чаще приходят электрические манометры с цифровым табло и развитой системой интерфейсов.

 

3 Классификация манометров

 

По виду измеряемого давления манометры подразделяют на приборы измерения избыточного и абсолютного давления - собственно манометры, разрежения - вакуумметры, давления и разрежения - мановакуумметры, атмосферного давления - барометры и разностного давления - дифференциальные манометры (дифманометры).

Манометры, вакуумметры и мановакуумметры для измерения небольших (до 20 - 40 кПа) давлений газовых сред называют соответственно напоромерами, тягомерами и тягонапоромерами, а дифманометры с таким диапазоном измерения - микроманометрами (ГОСТ 8.271-77). Технические характеристики всех этих средств измерения давления определяются соответствующими общими техническими условиями (ГОСТ 2405-88, ГОСТ 18140-81 и другими).

По области применения манометры подразделяют на:

• общепромышленные, или технические, работающие в промышленных условиях (при перепадах температур и влажности окружающей среды, вибрациях, загрязнении внешней среды и т.п.),
• лабораторные (приборы повышенной точности для использования в комфортных и стабильных условиях лабораторий),
• специальные (применяются в экстремальных условиях: на железнодорожном транспорте, судах, котельных установках, при работе с кислотными и другими агрессивными средами),
• образцовые (для поверки рабочих манометров),
• эталонные (хранители единиц давления с целью передачи их образцовым приборам).

По типу отображения значений измеряемого давления манометры подразделяют на:

• прямопоказывающие - с визуальным считыванием данных непосредственно по аналоговой (стрелочной) или цифровой шкале прибора,
• сигнализирующие (электроконтактные) - с выдачей управляющего электрического сигнала путем замыкания или размыкания контактов при достижении измеряемым давлением заранее установленного контрольного значения,
• регистрирующие (самопишущие) - с записью в память значений давления как функции времени и их отображением на электронном табло.

Манометры выполняют функцию локального контроля и в большинстве случаев из-за отсутствия возможности дистанционного доступа к их показаниям (за исключением манометров с унифицированным выходным электрическим сигналом) не могут использоваться для целей современной автоматизации. Такую возможность обеспечивают измерительные преобразователи давления.

По способу обработки и отображения измеряемого давления ИПД подразделяют на:

• первичные (формируют для дистанционной передачи выходной сигнал, соответствующий измеряемому давлению),
• вторичные (получают сигнал от первичных преобразователей, обрабатывают его, накапливают, отображают и передают на более высокий уровень системы).

Современная тенденция развития ИПД заключается в их «интеллектуализации» на базе микроэлектронной технологии и микропроцессорной техники, предполагающей передачу части функций системы управления вторичным преобразователям, а некоторых традиционных функций вторичных преобразователей - первичным.

 

4. Общепромышленные измерительные преобразователи давления

 

В реальных условиях пользователь вынужден рассматривать различные рабочие характеристики множества ИПД, чтобы выбрать из них оптимальный для конкретных условий применения, причем этот выбор зависит от многих факторов (стоимость, точность, температура, вид среды, информационная, конструктивная и технологическая совместимость со средствами обработки верхнего уровня системы и т.д.).