ИЗМЕРЕНИЕ ДАВЛЕНИЯ И ПЕРЕПАДА ДАВЛЕНИЙ

 

Давление. В энергетической установке судна давление измеряют в очень широком диапазоне. Воспринимают давление, как правило, упругие и эластичные ЧЭ, деформирующиеся под действием силы от давления среды. Эта сила обычно уравновешивается силой действия пружины СУ. Для измерения малых давлений применяют плоские эластичные и жесткие мембраны (рис. 8, а). Эластичные мембраны изготавливают из аэростатной ткани или дюритовой резины. Ограниченно распространены жесткие мембраны, изготовленные из нержавеющей стали и бериллиевой бронзы, недостатком которых является малый диапазон перемещения. Для увеличения хода применяют мембраны с гофром, направленным вогнутостью в стороны измеряемого давления (рис. 8, б).

               а)                      б)                        в)

 

Рис. 8. Схемы действия мембранных чувствительных элементов давления.

 

Давление p измеряемой среды преобразуется мембранным ЧЭ в усилие

F _Ч = pf_a ,

где f_a — часть площади мембраны, передающая усилие и называемая активной площадью.

Увеличить усилие, развиваемое мембраной, можно применением жесткого центра (рис. 8, в). Тогда ее активная площадь

где D — максимальный диаметр подвижной поверхности мембраны;

  d — диаметр жесткого центра (не должен превышать 0,8D).

Рис. 9. Схемы действия мембранного датчика давления и его характеристики.

 

Закономерность работы измерительных устройств в статических и динамических режимах выясним на примере мембранного датчика давления. Входным сигналом датчика (рис. 9, а) является давление р измеряемой среды, а выходным — положение рычага АВ, определяемое перемещением Δ у_Д точки А. При установившемся режиме сила F _Ч, действующая на мембрану от давления среды, уравновешивается суммой сил F _П действия пружины 4 и сухого трения F _ТР в звеньях датчика: F _Ч = F _П ± F _ТР .

Сила F _ТР стремится затормозить движение звеньев датчика, действуя с положительным знаком при увеличении силы F _Ч и с отрицательным при ее уменьшении (для упрощения в дальнейшем влиянием сил сухого трения будем пренебрегать). Тогда соотношение между силами F _Ч и F _П для момента страгивания жесткого центра мембраны 2 с упора 6

р_{0 min} f_a = c z ₀,

где р_{0 min} , f_a — давление страгивания и активная площадь мембраны;

        c ,   z ₀ — жесткость и предварительное натяжение пружины.

Жесткость — это сила, необходимая для деформации пружины на единицу длины. Для цилиндрических пружин жесткость постоянна и зависит только от геометрических размеров, числа работающих витков и упругости материала.

Предварительное натяжение z ₀ пружины 4 устанавливают вращением регулировочной гайки 3 относительно корпуса 1 датчика.

Из соотношения следует, что для каждого датчика давление страгивания мембраны с ограничительного упора пропорционально предварительному натяжению z ₀ пружины:

p _{0 min} =   z ₀ .                                          (1)

С увеличением давления p _{0 min} на значение Δр появляется движущая сила, определяемая разностью между силами F _Ч и F _П, которая вызывает перемещение Δz мембраны. Согласно второму закону Ньютона эта разность сил уравновешивается силой инерции F_J движущихся масс датчика: F_J = F _Ч —F _П  или

,

где  — масса подвижных деталей датчика, приведенная к жесткому центру мембраны;

       — ускорение движения жесткого центра мембраны;

 = Δ F _А — изменение силы, действующей на мембрану, от приращения   давления;

  = Δ F _П — изменение силы, действующей на мембрану от дополнительной деформации   пружины.

Рис. 10. Схемы действия сильфонных       Рис. 11. Схемы действия трубчатых

 датчиков давления.                                       датчиков давления.

Сильфонный датчик давления (гармониковая мембрана) представляет собой гофрированную упругую металлическую трубку, закрытую с одного торца, образующего активную площадь (рис. 10, а). Давление р измеряемой среды действует на торец с силой

F _Ч = f _а р ,

где активная площадь сильфона.

В датчике эта сила уравновешивается суммой сил упругости сильфона (за счет его собственной жесткости) и дополнительной пружины (рис. 10, б). Выходным сигналом датчика является перемещение Δ у_Д штока.

Сильфонные датчики применяют для измерения давления различных сред в широком диапазоне (0,01 ÷ 100) 10⁵ Па. При измерении малого давления пружина может отсутствовать, в этом случае действующая сила полностью уравновешивается за счет упругости самого сильфона. Жесткость сильфона зависит от его геометрических размеров, материала, числа гофр и слоев. Для измерения высокого давления необходимо увеличить толщину стенки сильфона, что приводит к повышению его жесткости. В этом случае жесткость можно снизить, сделав сильфон двух - трехслойным в зависимости от необходимой прочности.

Изготовляют сильфоны из тампака и полутампака для низкого и среднего давлений, бериллиевой бронзы и нержавеющей стали для высокого давления. Крепят их с помощью пайки или сварки оловянистыми припоями без применения кислоты.

Манометрическая трубка, или трубка Бурдона (рис. 11, а), представляет собой упругую металлическую трубку эллиптического или прямоугольного сечения, согнутую по радиусу. К неподвижно закрепленному концу трубки подводится измеряемое давление р, которое действует на ее внутренние поверхности, имеющие разные площади, и создает усилие, направленное в сторону поверхности с большей площадью. Это усилие уравновешивается силой упругости самой трубки. Выходной сигнал датчика в виде перемещения Δ у_Д свободного конца трубки пропорционален изменению давления Δ р. При повышении давления трубка выпрямляется, а при снижении — сгибается.

Достоинствами трубки Бурдона являются большая механическая прочность, простота конструкции и широкий диапазон измеряемого давления при линейной характеристике, что позволяет широко использовать ее в контрольно-измерительных приборах и приборах автоматических устройств. Металлические мембраны и трубки Бурдона в рабочей зоне обладают свойствами пружин и практически не имеют остаточной деформации (отсутствует петля гистерезиса). Диапазон измеряемого давления на линейном участке характеристики определяется пределом упругости трубчатой пружины и зависит от конструктивных соотношений размеров и механических свойств материала трубки. Превышение предельных значений вызывает остаточную деформацию пружины, что недопустимо в эксплуатации.

Для измерения давления до 100·10⁵ Па трубчатые пружины изготавливают из латуни или бронзы, для более высокого — из стали.

Геликоидальная пружина (рис. 11, б) представляет собой упругую металлическую трубку эллиптического сечения, закрученную по спирали. К неподвижно закрепленному концу трубки подводится измеряемое давление р. Принципы действия геликоидальной пружины и трубки Бурдона аналогичны. Выходным сигналом датчика является угловое перемещение Δα_Д свободного конца трубки. Геликоидальные пружины применяют в случаях, когда требуется получить большие перемещения выходного звена датчика при малых изменениях давления.

Рис. 12. Схемы действия датчиков перепада давления.

 

Перепад давлений . Перепад Δр = р₁ — р₂ часто измеряют для определения расхода жидкости или газа, а также сопротивления участка трубопровода. Для измерения малых перепадов давления (от 10 до 1600 Па) используют мембранный датчик из эластичной аэростатной ткани, дюритовой резины или фольги (рис. 12, а). Измеряемые давления р₁ и р₂ подводятся к полости датчика с обеих сторон мембраны, на жестком центре которой создается усилие F _Ч, пропорциональное их разности и направленное в сторону меньшего давления. Выходной шток уплотняется в корпусе сальником или сильфоном. Во втором слу­чае приведенная активная площадь мембраны со стороны штока будет меньше на размер активной площади уплотнительного сильфона.

Сильфонный датчик перепада давления (рис. 12, б) имеет измеряемый диапазон значительно шире, чем мембранный. Состоит датчик из двух сильфонов с одинаковой активной площадью, преобразующих измеряемые давления в силы, направленные в противоположные стороны. Разность сил, приведенная к соединительному штоку, уравновешивается силами действия пружины и упругости самих сильфонов. Выходным сигналом датчика является перемещение рычага Δ у_Д, пропорциональное изменению перепада давлений

Δ(р₁ — р₂ ). Двухсильфонные и двухмембранные датчики обладают высокой чувствительностью из-за отсутствия сил сухого трения в уплотнениях штоков.

ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ

Общие сведения. Измерение температуры, основанное на теплообмене между телами, является одним из самых трудоемких. Приборы, входящие в тепловой контакт с контролируемой средой, по показателям которых определяют ее температуру, называются термометрами, а устройства, предназначенные для регулирования температуры, терморегуляторами. Неотъемлемой составной частью термометров и датчиков терморегуляторов являются ЧЭ, физические свойства которых изменяются при нагреве. Разделяют датчики на механические и электрические.

Механические датчики. К механическим относятся датчики, действие которых основано на тепловом расширении жидких или твердых тел либо на изменении давления газов или паров жидкости в замкнутых системах. Выходными сигналами таких датчиков являются перемещения либо усилия, однозначно определяемые изменением температуры.

Жидкостные термометры работают по принципу различного расширения оболочки и находящейся в ней жидкости. Стеклянный термометр состоит из баллончика с припаянной к нему прозрачной капиллярной трубкой (капилляром) и шкалы. Баллончик заполняют жидкостью, коэффициент расширения которой в 15 — 30 раз больше, чем оболочки. Поэтому приращение температур вызывает увеличение объема жидкости и ее вытеснение из оболочки в капилляр, в котором положение кромки жидкости по шкале определяет значение температуры. Оболочку и капиллярные трубки изготавливают из стекла или кварца. Наполнителем может быть жидкость (спирт, толуол, пентан) или текучий металл (ртуть, галлий).

Рис. 13. Схемы действия датчиков температуры.

 

Жидкостный датчик температуры состоит из металлического термопатрона 1 (рис. 13, а) и сильфонной камеры 3, связанных между собой металлическим гибким капилляром 2. Внутренняя полость их герметична и в зависимости от диапазона измеряемых температур полностью заполняется глицерином, ксилолом или ртутью. Термопатрон помещают в зону контролируемой среды, при увеличении температуры которой увеличивается объем наполнителя и он перетекает по капилляру в камеру сильфона, что вызывает перемещение торца последнего. Выходным сигналом датчика является перемещение Δу_Д штока 5, движимого торцом сильфона. Перемещение пропорционально изменению температуры Δυ, т. е. статическая характеристика датчика линейна. При понижении температуры объем наполнителя уменьшается, и торец сильфона движется в обратном направлении под действием возвратной пружины 4.

Жидкостные датчики обладают большими перестановочными усилиями. Однако они подвержены влиянию температуры окружающей среды, которое оказывается тем больше, чем меньше разность температур окружающей и контролируемой сред.

Датчик с твердым наполнителем термометрической системы (объемный) имеет аналогичные принцип действия и свойства. Выполнен датчик (рис. 13, б) в виде жестко закрепленного сильфона 6, внутренняя полость которого герметична и заполнена аморфным телом (обычно воском). При изменении температуры среды, омывающей сильфон, объем наполнителя увеличивается, вызывая перемещение торца сильфона. Для уменьшения тепловой инерционности датчика воск перемешивают с медными опилками.

Дилатометрический датчик (рис. 13, в) состоит из трубки 10, нижний конец которой спаян со стержнем 11, свободно проходящим через трубку. Верхний конец трубки впаян в резьбовой штуцер, на фланце которого закреплен поворотный рычаг 8, прижимаемый к стержню пружиной 7. Датчик устанавливают на трубопроводе или теплообменнике 9, а трубку 10 погружают в контролируемую среду. Для трубки выбирают материал с высокой теплопроводностью и значительно большим коэффициентом линейного расширения, чем у материала стержня. Трубки изготавливают из меди, латуни, стали, а стержни — из инвара (сплав кобальта, железа и хрома), имеющего коэффициент линейного расширения, в 5 раз меньший, чем у меди, и в 2 раза меньший, чем у стали. Изменение температуры Δυ среды, омывающей трубку, приводит к перемещению верхнего конца стержня на значение Δ1:

Δ1 = (α₁ – α₂) 1₀ Δυ ,

где α₁, α₂ — коэффициенты линейного расширения материалов трубки и стержня;

            1₀ — активная длина дилатометра.

Перемещение стержня 11 приводит к развороту рычага 8 относительно опоры 0 и пропорциональному перемещению его свободного конца В на расстояние Δу_Д, являющееся выходным сигналом датчика.

Дилатометры обладают большим перестановочным усилием. Однако значение их выходного сигнала мало, а тепловая инерция значительна. Недостатком является также невысокая точность измерения.

Биметаллический датчик (рис. 13, г) имеет аналогичный принцип действия. Чувствительный элемент состоит из плоской или спиральной пружины 12, спаянной из двух пластин разнородных металлов. При изменении температуры обе пластины удлиняются неодинаково, вызывая изгиб плоской или скручивание спиральной пружины. Один конец пружины закреплен неподвижно, а перемещение Δу_Д свободного конца является выходным сигналом датчика. Недостатком датчика является невысокая точность измерения.

Терманометрические датчики по конструкции схожи с жидкостными. Принцип действия термоманометрического датчика основан на изменении давления наполнителя в системе при изменении измеряемой температуры. Выходным звеном датчика является сильфонный (см. рис. 13, а) либо трубчатый (см. рис. 11) датчик давления. По роду наполнителя термоманометрические датчики разделяют на парожидкостные и газовые.

В парожидкостном датчике термопатрон заполняют примерно на 2/3 объема жидкостью с температурой кипения ниже измеряемой, а остальной объем занимают ее пары. От диапазона измеряемых температур зависит вид жидкости: хлорметил (от —20 до + 100°С), хлорэтил (от 0 до + 125°С), этиловый эфир (от 0 до +150°С), ацетон (от 0 до +170°С), бензол (от 0 до +200°С). Давление паров по капиллярной трубке с внутренним диаметром около 0,3мм дистанционно передается к датчику давления. Переносчиком давления является спирт или смесь глицерина с водой, которыми заполняют внутреннюю полость капилляра и датчик давления. На работу парожидкостных датчиков не влияет изменение температуры окружающей среды, однако они обладают нелинейной статической характеристикой.

Газовый датчик, полностью заполняемый азотом или гелием под давлением до 50 · 10⁵ Па, служит для измерения в широком диапазоне температур (от—130 до+550°С) и имеет линейную статическую характеристику. Однако датчик подвержен влиянию внешних температурных условий.

Общими недостатками датчиков с жидкими, твердыми и газовыми наполнителями являются их большая тепловая инерционность, трудность (часто невозможность в судовых условиях) ремонта при нарушении герметичности измерительной системы и ограниченность расстояния передачи выходного сигнала.

Электрические датчики. Наиболее распространены измерительные устройства с терморезисторами и термоэлектрическими датчиками температуры.

Терморезистор (рис. 13, д) работает по принципу изменения активного сопротивления проводников и полупроводников при изменении их температуры. К одной диагонали моста Уитсона подведено постоянное напряжение, а в другую включен прибор для измерения тока (миллиамперметр). В три плеча моста включены резисторы Rl , R 2, R 3, сопротивления которых не меняются при изменении температуры, а в четвертое — терморезистор R К, размещаемый в зоне измеряемых температур. Значения сопротивлений выбирают таким образом, чтобы при температуре 0°С ток в цепи прибора отсутствовал, т.е. мост был уравновешен. При изменении температуры меняется сопротивление терморезистора R К, нарушается равновесие моста и в его диагонали течет ток I_Д, являющийся выходным сигналом датчика. Визуальный контроль температуры проводят по показаниям прибора, шкала которого отградуирована в градусах Цельсия. Диапазон температур, измеряемых терморезисторами, лежит в пределах от —50 до +600 °С.

Монтируют датчик в защитном герметичном корпусе для предохранения от механических повреждений и агрессивного воздействия среды.

Терморезистор представляет собой проволоку, намотанную на изоляционный каркас. В зависимости от диапазона измеряемой температуры применяют платиновую, медную или никелевую проволоку. Полупроводниковый терморезистор представляет собой смесь из порошкообразных окислов МnО₂, СиO₃, NiO и др., спрессованную и спеченную при высокой температуре. По сравнению с проводниками, полупроводниковые датчики обладают значительно большим температурным коэффициентом электрического сопротивления. Однако зависимость их передаточного коэффициента от температуры характеризуется резко выраженной нелинейностью и недостаточной стабильностью, что ограничивает их применение.

На корпусах датчиков, серийно выпускаемых отечественной промышленностью, указывают условные обозначения терморезисторов: платиновых — ТСП, медных — ТСМ, полупроводниковых — ММТ, KMT, MKMT и т.д.

Термоэлектрические датчики (пирометры) применяют в СЭУ обычно для измерения относительно высоких температур. В пирометре (рис. 13, е) датчиком температуры является термопара, представляющая собой два изолированных и спаянных между собой концами проводника из разнородных металлов или сплавов. Этот спай 14, помещенный в зоне измеряемых температур, называется горячим спаем. К свободным концам 13, называемым холодным спаем, присоединяют милливольтметр. При разности температур между холодным и горячим спаями возникает термоэлектродвижущая сила (термо-э.д.с), измеряемая милливольтметром и являющаяся выходным сигналом датчика. Ее значение зависит от разности температур обоих спаев и от сочетания материалов электродов термопар. Для получения однозначной зависимости термо-э.д.с. от температуры горячего спая необходимо постоянство температуры холодного спая или установка в прибор специального компенсирующего устройства (на схеме не показано). Возникающая термо-э.д.с. в системах контроля измеряется милливольтметром, отградуированным в градусах Цельсия, либо подается на вход потенциометрического измерителя.

В зависимости от диапазона измеряемых температур и требуемой точности измерений применяют различные термопары: платино-плани-рородиевые (стандартное обозначение ТТЛ), хромель-алюминиевые (ХА), хромелькопелевые (ХК), медь-копелевые (МК) и т.д. Стандартные термопары монтируют в защитных металлических термостойких корпусах, на присоединительных штуцерах которых указывают общепринятое обозначение термопары и диапазон измеряемых температур.

Электрические датчики температуры обладают высокой чувствительностью, широким диапазоном измеряемых температур, возможностью передачи сигналов на значительные расстояния, а их тепловая инерционность зависит в основном от массы и теплопроводности защитного корпуса ЧЭ.

 

⇐ Предыдущая12345678910Следующая ⇒

Поделиться: