Рис. 3.40. Схема преобразователя с магнитной компенсацией:
1 — постоянный магнит; 2, 3 — два индикаторных магнитопровода
4.4. Электрические и прочие манометры
Пьезоэлектрические манометры. Принцип действия манометров этого типа основан на пьезоэлектрическом эффекте, сущность которого состоит в возникновении электрических зарядов на поверхности сжатой кварцевой пластины, которая вырезается перпендикулярно электрической оси кристаллов кварца. Схема пьезоэлектрического манометра представлена на рис. 3.41. Измеряемое давление с помощью мембраны 1 преобразуется в усилие, сжимающее кварцевые пластины 2. Электрический заряд, возникающий на металлизированных плоскостях 3 под действием усилия F со стороны мембраны, определяется выражением
Q = kF = kSp,
где p – давление, действующее на металлическую мембрану 1 с эффективной площадью S; k – пьезоэлектрическая постоянная, Кл/Н. Напряже ние на входе усилителя подключенного к выходу пьезопреобразователя, определяется общей емкостью измерительной цепи С: и = Q/C.
Рис. 3.41. Схема пьезоэлектрического манометра:
1 – мембрана; 2 – кварцевые пластины; 3 – металлизированные плоскости
Манометры с тензопреобразователями по быстродействию приближаются к пьезоэлектрическим манометрам. Их чувствительные элементы (сенсоры) представляют собой мембраны, на которых размещены проволочные, фольговые или полупроводниковые резисторы, сопротивление которых меняется при деформации мембраны под действием давления.
В настоящее время в РФ выпускаются преобразователи давления на базе КНС – структуры (кремний на сапфире).
63
Схема преобразователя «Сапфир-22» типа ДИ, предназначенного для измерения избыточных давлений с верхним пределом измерения 0,4 МПа и выше, представлена на рис. 3.42, а. Чувствительным элементом манометра является тензопреобразователь 1 с двухслойной мембраной. Измеряемое давление действует на титановую мембрану, к которой сверху припаяна сапфировая мембрана с тензорезисторами. Элементы измерительной схемы и усилитель находятся в блоке 2.
Существуют два типа тензопреобразователей: давления (рис. 3.42, а) и силы
(рис. 3.42, б). В тензопреобразователях давления измеряемое давление дейст-
вует непосредственно на мембрану, поскольку при измерении давления в диапазоне 0,4 МПа и выше на мембране с тензопреобразователями диаметром 6,..8 мм развиваются усилия, достаточные для ее деформации. В тензопреобразователях силы 4 нижняя металлическая мембрана имеет рычаг 3, к кото-
Рис. 3.42. Схемы преобразователей давления с тензопреобразователями:
а — давления: 1 — тензопреобразователь; 2— электронный блок; б — силы: 1, 2 — мембраны; 3 — рычаг тензопреобразователя силы 4, 5 — электронный блок
рому прикладывается сила, развиваемая мембранным блоком под действием давления. В преобразователях с диапазоном измерения менее 0,4 МПа (см. рис. 3.42, б) используются в качестве чувствительныхэлементовблокииздвухмембран 7, 2, жестко соединенных между собой и находящихся под воздействием атмосферногои измеряемого давлений (разрежения), либо разности давлений.
Жесткость мембранного блока в значительной мере определяется жесткостью мембранно-рычажного тензопреобразователя (преобразователя силы). Смещение центров мембран приводит к изгибу рычага 3 и сапфировой мембраны с тензорезисторами 4. Усилитель и элементы измерительной схемы находятся в блоке 5. Ряд давлений ниже 0,4 МПа перекрывается четырьмя моделями преобразователей, имеющими четыре различных площади мембран. При минимальных пределах измерения от 0,16 до 1,6 кПа (модель 10) диаметр мембранного блока составляет 90 мм, при пределах от 25 до 250 кПа (модель 40) он равен 64 мм, при этом соотношение площадей составляет 2:1.
64
Принципиальная схема размещения резисторов на поверхности сапфировой мембраны представлена на рис. 3.43, а. При деформации мембраны в соответствии с эпюрой, приведенной на рис. 3.43, б, касательные напряжения σr имеют постоянный знак, тогда как радиальные σr его меняют.
Рис. 3.43. Схема размещения тензорезисторов на поверхности мембраны (а) и
эпюра напряжений (б)
Рис. 3.44. Монометр с емкостным преобразователем:
1 – разделительные мембраны; 2 - чувствительная мембрана; 3,4 – неподвижные обкладки конденсаторов
Манометры с емкостными преобразователями
Высокими метрологическими характеристиками обладают интеллектуальные манометры с емкостными преобразователями. Схема микропроцессорного преобразователя представлена на рис 10.28. Измеряемое давление или разность давлений воздействуют на разделительные мембраны 7, между которыми в полости, заполненной нейтральной жидкостью, находится чувствительная мембрана 2, являющаяся подвижной обкладкой дифференциальных конденсаторов, неподвижными обкладками которых служат стенки камер 5, 4. Эти преобразователи имеют на выходе токовый сигнал 4...20 мА, экономичный сигнал по напряжению 0,8...3,2 и 1...5 В. У дифманометров преобразование может быть линейным и квадратичным, прибор может иметь цифровой индикатор.
Грузопоршневые манометры
Схема поршневого манометра, имеющего диапазон измерения 6 МПа (МП60), представлена на рис. 3.45. Поршень 1 с тарелкой 2 для грузов 3 перемещается внутри цилиндра 4.
65
Рис. 3.45. Схема грузопоршневого манометра МП-60:
1 — поршень; 2 — тарелка; 3 — грузы; 4
— цилиндр; 5 — вентиль; 6 — резервуар; 7 — поршень винтового пресса 8; 9 — сто-
як; 10—12 — запорныевентили
Внутренняя полость поршневого манометра тщательно заполняется рабочей жидкостью (керосином, касторовым или трансформаторным маслом). За-
ливка жидкости производится при открытом вентиле 5 через отверстие в дне резервуара 6, поршнем 7 винтового пресса 8 жидкость засасывается внутрь манометра. С помощью пресса 8 в процессе измерения обеспечивается подъем поршня 1 с грузами до высоты, заданной указателем. К стоякам 9 с запорными вентилями 10 подключаются поверяемые манометры. Вентиль 11 служит для слива жидкости из поршневого манометра. Для получения заданного давления на тарелку с учетом ее массы с поршнем накладываются грузы, создающие определенную силу тяжести. При суммарной массе поршня с грузами М создаваемое давление
p = Mg/S, |
(3.11) |
где S — эффективная площадь поршня 1, равная сумме площади торца поршня
иполовины площади зазора; g — ускорение свободного падения.
4.5.Методика измерения давления и разности давлений
Манометры показывающие и с дистанционной передачей показаний, как правило, устанавливаются вблизи точек отбора давления в месте, удобном для обслуживания. Исключение составляют манометры, используемые для внутриреакторного контроля и контроля давления в устройствах, размещаемых на АЭС в зонах ограниченного доступа. Современные серийные преобразователи давления нельзя размещать внутри активной зоны, поэтому они находятся на значительном расстоянии от точек отбора давления, что приводит к росту инерционности показаний приборов. При этом необходимо учитывать, что наличие столба жидкости в импульсной линии создает систематическую погрешность показаний, которая будет иметь отрицательный или положительный знак в зависимости от того, находится манометр выше или ниже точки отбора давления. Импульсные линии дифманометров имеют большую длину, предельное значение которой составляет 50 м.
66
При измерении напоров и разрежений в газоходах, воздуховодах, пылепроводах часто возникает необходимость сглаживания пульсаций давления и отделения взвешенных частиц. На рис. 3.46 а показана установка
Рис. 3.46. а) Схема отборного устройства с циклоном:1—
циклон; 2 — пылепровод; 3 — металлическая стенка; 4 и 5 — трубки; 6 — отверстие с пробкой
Рис. 3.47. Схема установки манометра на трубопроводе:
1 — манометр; 2 — трехходовой кран;
3 — запорный вентиль; 4 — изогнутая кольцом трубка
циклона 1 на линии отбора давления в пылепроводе 2, имеющего металлическую стенку 3. Подвод пылевоздушной смеси к циклону осуществляется трубкой 4 тангенциально, отбор давления к прибору из циклона производится из его средней части трубкой 5. В циклоне взвешенные частицы сепарируются и периодически удаляются из него через отверстие 5. Для сглаживания пульсаций перед измерительным прибором устанавливаются дроссели. Длина линий от точки отбора давления до прибора должна обеспечивать охлаждение измеряемой среды до температуры окружающего воздуха. С помощью кранов пере-
ключателей один напором или тягомер может подключаться к |
нескольким |
точкам отбора давления или разрежения. |
|
Схема установки манометра 1 на трубопроводе представлена |
на рис. 3.47. |
Для обеспечения возможности отключения манометра, продувки линии и подключения контрольного манометра используется трехходовой кран 2, при измерении давления свыше 10 МПа (100 кгс/см2), а также при контроле давления радиоактивного теплоносителя дополнительный запорный вентиль 3 устанавливается на выходе из трубопровода. При измерении давления сред с температурой выше 70 °С трубка 4 сгибается кольцом, в котором вода охлаждается, а пар конденсируется. На АЭС продувка импульсных линий манометров и дифманометров, работающих с радиоактивными средами, осуществляется специальной дренажной системой.
При измерении давления агрессивных, вязких и жидкометаллических сред для защиты манометров и дифманометров применяются мембранные и жидкостные разделители. Схема манометра с мембранным разделителем представлена на рис. 3.49. Агрессивная среда подается под мембрану 1, нижняя часть которой и прилегающие стенки покрыты фторопластом. Пространство над мембраной 2 и внутренняя полость манометрической пружины тщательно заполнены кремнийорганической жидкостью. Для того чтобы в процессе измерения давление над мембраной соответствовало измеряемому, необходимо, чтобы
67