Туяхов И.А. Практическая метрология

Подождите немного. Документ загружается.

ПРАКТИЧЕСКАЯ

МЕТРОЛОГИЯ

ИЗМЕРЕНИЯ

190

будет равно нулю. При увеличении давления Р мембрана чувстви-

тельного элемента прогибается и сердечник переместится вверх на

определенную величину. При этом, увеличится магнитный поток че-

рез верхнюю обмотку 2 и, наоборот, уменьшится магнитный поток

через нижнюю обмотку 3. Соответственно этому возрастет напряже-

ние U

и уменьшится напряжение U

. Между точками "а" и "б" поя-

вится результирующее напряжение, равное ∆U=U

-U

. При уменьше-

нии давления Р сердечник переместится вниз и при этом U

будет воз-

растать, а U

уменьшаться. Между точками "а" и "б" напряжение так-

же возрастет (по модулю), но фаза его будет обратной. Таким обра-

зом, значение и фаза выходного сигнала ∆U зависят от положения

сердечника между обмотками индуктивности (первичной и вторич-

ной), т.е. от величины давления в объекте.

Для дистанционной передачи электрического сигнала от ДТП

преобразователя (первичный прибор) ко вторичному прибору, распо-

ложенному на щите управления объектом, используется компенсаци-

онная схема (рисунок 5.3). Основная часть вторичного прибора –

дифференциально-трансформаторный преобразователь 2, имеющий

характеристику и конструкцию аналогичную ДТП первичного прибо-

ра 1. В первичном приборе-преобразователе сердечник перемещается

при повороте профилированного кулачка 4. Выходное напряжение

1 – ДТП первичного прибора; 2 – ДТП вторичного

прибора; 3 – пружинный элемент; 4 – профилирован-

ный кулачок; 5 – усилитель; 6 – реверсивный двигатель

Рисунок 5.1 – Схема дистанционной передачи давления

с использованием дифференциально-трансформатор-

ных преобразователей

вых1

вых2

∆

Первичный

прибор-преобразователь

Вторичный прибор

∼

ПРАКТИЧЕСКАЯ

МЕТРОЛОГИЯ

ИЗМЕРЕНИЯ

191

вых1

первичного прибора направлено навстречу выходному напряже-

нию U

вых2

вторичного прибора. Результирующее напряжение

∆U=U

вых1

-U

вых2

поступает на электронный усилитель 5, который пита-

ет реверсивный двигатель 6.

При рассмотрении действия измерительной схемы предположим,

что перед измерением сердечники двух приборов (первичного и вто-

ричного) находятся в среднем положении (как представлено на рисунке

5.3). При этом, выходные напряжения двух приборов будут равны

вых1

вых2

), а разность этих напряжений будет равна нулю (∆U=0).

Изменение давления Р в объекте приведет к перемещению сер-

дечника первичного прибора (вверх или вниз в зависимости от вели-

чины давления), и при этом нарушится равенство напряжений U

вых1

вых2

. Появившаяся разность напряжений ∆U усиливается и приведет

в движение реверсивный двигатель. Двигатель, поворачивая кулачок,

перемещает сердечник ДТП вторичного прибора, который будет уста-

новлен в такое положение, при котором U

вых1

вых2

. При этом ∆U=0 и

двигатель остановится, а сердечник ДТП во вторичном приборе пере-

местится на такую же величину, как и сердечник в первичном прибо-

ре. Таким образом, каждому положению сердечника ДТП первичного

прибора (т.е. определенному значению давления) соответствует впол-

не определенное положение сердечника ДТП вторичного прибора.

Показывающая стрелка (или регистрирующее устройство), кинемати-

чески связанная с реверсивным двигателем, укажет на значение дав-

ления в объекте в момент измерения.

Достоинством компенсационного метода измерения давления с

использованием дифференциально-трансформаторного преобразова-

теля является отсутствие влияния колебания питающего напряжения и

частоты на точность показания вторичного прибора. Это связано с

тем, что все изменения параметров питающего напряжения одинаково

влияют на работу ДТП первичного и вторичного приборов.

Дифференциально-трансформаторные преобразователи просты

по устройству, надежны в работе и на их показание не оказывают

влияния изменение температуры, давления, влажности и запыленно-

сти окружающей среды. К недостаткам этих преобразователей следует

отнести невозможность подключения к ним нескольких одновременно

работающих вторичных приборов. Кроме того, система дистанцион-

ной передачи с ДТП, как и все системы передач на переменном токе,

подвержены влиянию внешних магнитных полей и соседних линий

ПРАКТИЧЕСКАЯ

МЕТРОЛОГИЯ

ИЗМЕРЕНИЯ

192

связи, что вызывает дополнительную погрешность измерения. Ука-

занных недостатков лишены преобразователи с магнитной компенса-

цией и преобразователи с передачей сигналов на постоянном токе.

5.3 Преобразователи с магнитной компенсацией

Передающие преобразователи с магнитной компенсацией пред-

назначены для преобразования линейного перемещения чувствитель-

ного элемента первичного прибора в унифицированный выходной

сигнал постоянного тока.

Принцип действия преобразователя заключается в том, что маг-

нитный поток в одном магнитопроводе, изменяющийся при переме-

щении возле него постоянного магнита, компенсируется магнитным

потоком другого магнитопровода за счет тока обратной связи. При

этом, устанавливается определенная зависимость между выходным

током и перемещением подвижного элемента (постоянного магнита), а

значит, и значением измеряемой величины.

Структурная схема пре-

образователя приведена на ри-

сунке 5.4. Упругий чувстви-

тельный элемент 1 (мембрана)

первичного преобразователя

преобразует измеряемую ве-

личину (давление) в линейное

перемещение постоянного

магнита 2. При перемещении

магнита изменяется магнит-

ный поток в левом магнито-

проводе 3 и на выходе преоб-

разователя появляется напря-

жение U

вых

, которое усилите-

лем 5 преобразуется в выход-

ной токовый сигнал I

вых

Выходной ток I

вых

по-

ступает в линию дистанцион-

ной передачи и одновременно

в устройство обратной связи 6,

выходной ток которого I

о.с.

создает магнитный поток в

1 – мембрана; 2 – постоянный магнит;

3 – левый магнитопровод; 4 – правый

магнитопровод; 5 – усилитель; 6 – уст-

ройство обратной связи; 7 – вторичный

измерительный прибор.

Рисунок 5.4 – Структурная схема преоб-

разователя с магнитной компенсацией

о.с.

∼

вх

вых

УОС

ПРАКТИЧЕСКАЯ

МЕТРОЛОГИЯ

ИЗМЕРЕНИЯ

193

правом магнитопроводе 4, который компенсирует магнитный поток

левого магнитопровода. Таким образом, при увеличении измеряемой

величины (давления Р) увеличивается смещение постоянного магнита

2, увеличивается магнитный поток в магнитопроводе 3 и, следова-

тельно, необходим больший выходной ток I

вых

и ток обратной связи

о.с.

для взаимной компенсации двух магнитных потоков, образующих-

ся в двух магнитопроводах.

Устройство обратной связи 6 (УОС) позволяет установить необ-

ходимый закон преобразования, т.е. I

вых

=f(P). Эта зависимость может

быть либо линейной (в приборах для измерения давления, разности

давлений, уровня), либо квадратичной (в расходомерах по перепаду

давления на сужающем устройстве). Вторичный прибор 7, измеряя

вых

, укажет значение измеряемой величины Р.

Преобразователи с магнитной компенсацией обладают рядом

достоинств: возможностью подключения нескольких вторичных при-

боров к одному преобразователю, виброустойчивостью и надежно-

стью. К недостаткам таких преобразователей следует отнести доволь-

но высокую температурную погрешность и невозможность работы в

агрессивной среде, влияющей на работу электронной аппаратуры, на-

ходящейся в корпусе первичного преобразователя. Преобразователи

этого типа имеют класс точности 1,0 и 1,5. В качестве вторичных при-

боров используются миллиамперметры с соответствующим диапазо-

ном измерения.

5.4 Ферродинамические преобразователи

Ферродинамические преобразователи применяются в измери-

тельных устройствах для преобразования угловых перемещений чув-

ствительных элементов (мембран, сильфонов и др.) при измерении

давления или перепада давления жидких или газообразных сред.

Принцип действия ферродинамических преобразователей осно-

ван на зависимости взаимной индуктивности между обмоткой возбу-

ждения и рамкой от ее угла поворота, что приводит к зависимости на-

водимой в рамке ЭДС от угла поворота. Ферродинамический преобра-

зователь (рисунок 5.5) содержит магнитопровод "а", обмотку возбуж-

дения "б" с выводными контактами 3-4, обмотку смещения "в" с вы-

водными контактами 1-2, поворотную рамку "г" с выводными контак-

тами 5-6. Поворотная рамка кинематически связана с пружинным

ПРАКТИЧЕСКАЯ

МЕТРОЛОГИЯ

ИЗМЕРЕНИЯ

194

элементом, воспринимающим изменение давления или перепада дав-

ления в объекте.

Магнитный поток в магнитопроводе, создаваемый обмоткой

возбуждения (она питается переменным напряжением), индуктирует

ЭДС в рамке и в обмотке смещения. Индуктируемая ЭДС в рамке за-

висит от тока питания обмотки возбуждения и взаимной индуктивно-

сти между рамкой и обмоткой возбуждения. Взаимная индуктивность

изменяется при повороте рамки от нуля (когда плоскость рамки сов-

падает с магнитной нейтралью НН) до максимального значения, т.е.

на угол α=±20°. Амплитудное значение ЭДС, наводимое в рамке, оп-

ределяется по формуле:

E=2⋅π⋅f⋅n⋅S⋅В

⋅α,(5.1)

где f – частота;

n – число витков рамки;

S – площадь рамки;

– амплитудное значение индукции магнитного поля;

α - угол поворота рамки.

Таким образом, ЭДС, наводимая в рамке, линейно зависит от угла

поворота рамки при неизменном значении остальных величин, входя-

а – магнитопровод; б – обмотка возбуждения;

в – обмотка смещения; г – поворотная рамка

1, 2, 3, 4, 5, 6 - контакты

Рисунок 5.5 – Схема устройства ферродина-

мич

ского преобразователя

ПРАКТИЧЕСКАЯ

МЕТРОЛОГИЯ

ИЗМЕРЕНИЯ

195

щих в формулу (5.1). Рамка ферродинамических преобразователей по-

ворачивается в пределах ±20°, т. к. при больших углах нарушается ли-

нейность характеристики и увеличивается погрешность измерения.

Магнитная система преобразователя рассчитана таким образом, что на-

водимая в рамке ЭДС изменяется от –1 В до +1 В при повороте рамки

от –20° до +20°. Для получения на выводах рамки только положитель-

ных ЭДС последовательно с ней включается обмотка смещения. ЭДС,

наводимая в обмотке смещения, суммируется с ЭДС рамки и выходное

напряжение на рамке изменяется от 0 до +2 В. Преобразователи без об-

мотки смещения применяются в приборах с нулевой отметкой в центре

шкалы (например, при измерении положительных и отрицательных

давлений в рабочем пространстве нагревательных, плавильных печей,

котлов и других объектов). Преобразователи с обмоткой смещения

применяются в приборах с нулевой отметкой в начале шкалы.

Принципиальная схема дистанционной передачи показаний с

использованием ферродинамических преобразователей без обмоток

смещения представлена на рисунке 5.6. Обмотки возбуждения 1 и 2

передающего и компенсирующего преобразователей включены после-

довательно, чтобы исключить влияние на показания прибора измене-

ния частоты f и напряжения U

вх

входного питания. Рамки преобразо-

вателей 3 и 4 включены встречно, вследствие чего на вход усилителя

подается разность ЭДС ∆Е передающего и компенсирующего преоб-

разователей:

∆Е=Е

– Е

При ∆Е=0 на выходе усилителя сигнала нет и двигатель РД ос-

танавливается. При изменении давления (или перепада давления при

измерении расхода сужающими устройствами) мембрана чувстви-

тельного элемента через механическую передачу поворачивает рамку

передающего преобразователя, что приводит к изменению выходного

напряжения Е

На выходе усилителя появляется сигнал небаланса ∆Е, который

усиливается и приводит во вращение вал реверсивного двигателя, ки-

нематически связанного с рамкой компенсирующего преобразователя.

Двигатель будет изменять положение рамки до момента равенства

ПРАКТИЧЕСКАЯ

МЕТРОЛОГИЯ

ИЗМЕРЕНИЯ

196

ЭДС Е

и Е

. После этого двигатель обесточится так как ∆Е станет

равным нулю и стрелка прибора установится на отметке, соответст-

вующей значению измеряемого параметра.

В ферродинамической системе дистанционной передачи ис-

пользуются самопишущие и показывающие приборы, имеющие рав-

номерную шкалу и класс точности по показаниям 1,0. Ферродинами-

ческие преобразователи обладают такими же достоинствами и недос-

татками, как и дифференциально-трансформаторные.

∆

вх

1 – обмотка возбуждения передающего преобразователя;

2 – обмотка возбуждения компенсирующего преобразо-

вателя; 3, 4 – рамки преобразователей;

Рисунок 5.6 – Схема дистанционной передачи показаний

с использованием ферродинамических преобразователей

РД

ПРАКТИЧЕСКАЯ

МЕТРОЛОГИЯ

ИЗМЕРЕНИЯ

197

6 ИЗМЕРЕНИЕ УРОВНЯ

6.1 Общие сведения

При проведении многих технологических процессов используют-

ся емкости, заполненные жидкой средой: баки-сепараторы на паровых

котлах, водяные аккумуляторы, емкости с жидким топливом, емкости

с химическими реактивами и др. Измерение уровня жидкой среды в

различных ёмкостях может быть связано как с безопасной работой

агрегата, так и с измерением количества жидкости, расходуемой из

данной емкости. Таким образом, приборы – уровнемеры в зависимо-

сти от назначения могут выполнять различные функции: использова-

ние в системах автоматики для стабилизации значения уровня жидкой

среды в заданных пределах, измерение по уровню количества жидко-

сти в резервуаре, сигнализация предельных отклонений уровня от за-

данного значения.

На практике при выборе того или иного метода определения

уровня необходимо учитывать различные условия измерения: агрес-

сивность жидкой среды, различные физические и химические пара-

метры жидкости (температура, давление, вязкость, плотность, элек-

тропроводность и другие параметры), открытые или закрытые резер-

вуары, требования точности измерения и другие. В связи с этим при-

меняются следующие методы измерения уровня жидких сред в резер-

вуарах:

- визуальные;

- гидростатические;

- буйковые, поплавковые;

- емкостные;

- индуктивные;

- радиоизотопные;

- радиоволновые;

- акустические;

- термокондуктометрические.

6.2 Визуальные уровнемеры

В визуальных уровнемерах используется принцип сообщающих-

ся сосудов. Стеклянная трубка с нанесенными делениями одним кон-

ПРАКТИЧЕСКАЯ

МЕТРОЛОГИЯ

ИЗМЕРЕНИЯ

198

цом соединяется с жидкостью, а другим - с газовой средой резервуа-

ра, в котором измеряется уровень жидкой среды визуальным спосо-

бом (рисунок 6.1).

Погрешность измерения в

таких уровнемерах может возни-

кать из-за разности плотностей

жидкости в резервуаре и в указа-

тельной стеклянной трубке. Раз-

личие плотностей может быть

обусловлена разными температу-

рами жидкостей в резервуаре и

трубке. Абсолютная погрешность измерения уровня может быть вы-

числена по формуле:

∆h=h

- h

(6.1)

Используя формулу гидростатического давления для сообщаю-

щихся сосудов, можно записать:

⋅g⋅h

= ρ

⋅g⋅h

или ρ

⋅h

= ρ

⋅h

(6.2)

Отсюда погрешность измерения определится:













−=∆

1hh (6.3)

Действительное значение уровня жидкости в резервуаре можно

определить, используя выражение (6.2):

= (6.4)

Как видно из уравнения (6.3) и (6.4), погрешность измерения ∆h и

действительное значение h

можно определить при известных темпе-

ратурах жидкости в резервуаре t

и в стеклянной трубке t

, по кото-

рым находятся плотности ρ

и ρ

по справочным данным. С целью

уменьшения погрешности обычно производится либо тепловая изоля-

ция уровнемера, либо продувка его жидкостью из резервуара перед

отсчетом.

6.3 Гидростатические уровнемеры

В гидростатических уровнемерах измерение уровня жидкой сре-

ды производится по величине гидростатического давления, создавае-

мого столбом жидкости Н, находящейся в объекте измерения (откры-

Рисунок 6.1 – Схема визуального

уровнемера

ПРАКТИЧЕСКАЯ

МЕТРОЛОГИЯ

ИЗМЕРЕНИЯ

199

том и закрытом резервуаре, барабане котла, аккумуляторах тепла,

конденсаторах турбины и др.), т.е.:

Р=ρ⋅g⋅h.(6.5)

Чаще всего для измерения давления Р столба жидкости применя-

ются дифманометры с электрическим выходным сигналом. Схема

подключения дифманометра к открытому резервуару, находящемуся

под атмосферным давлением, показана на рисунке 6.2. Чувствитель-

ным элементом в гидростатическом уровнемере являются пружины

дифманометра с плоской мембраной 3. Манометр связан с резервуа-

ром 5 и уравнительным сосудом 1 двумя импульсными трубками 2,

заполненными водой (или другой жидкостью). Столб жидкости h

уравнительной линии поддерживается постоянным. Дифманометр из-

меряет разность давлений, действующих на его чувствительный эле-

мент в левой и правой импульсных трубках, т.е.:

∆Р=Р

– Р

=(H+h

)ρ

⋅g – h

⋅ρ

⋅g (6.6)

Если плотности ρ

и ρ

жидкости в обеих импульсных трубках

одинаковы и если h

, то:

∆Р=ρ⋅g⋅Н.

Из формулы (6.6) вид-

но, что показания уровнеме-

ра будут изменяться при из-

менении плотности жидко-

сти, находящейся в резер-

вуаре и в импульсных труб-

ках. Для исключения этой

погрешности импульсные

трубки прокладываются

близко друг от друга. Другая

погрешность, как видно из

этой же формулы, связана с

изменением уровня жидко-

сти в уравнительном сосуде,

так как высота h

зависит от

колебания уровня Н в резер-

вуаре. Чем больше Н, тем

больше прогиб мембраны в

пружинном дифманометре 3

и тем больший объем жид-

кости вытесняется из ниж-

ней половины дифманомет-

вх

вых

ДМ

1 – уравнительный сосуд; 2 – импульс-

ные трубки; 3 – пружинный элемент

дифманометра; 4 – электрический пре-

образователь; 5 – резервуар; ДМ – диф-

манометр

Рисунок 6.2 – Схема гидростатического

уровнемера