Процесни трансмитери за налягане

АвтоматизацияСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 9, 2010

Сред най-широко използваните са пиезоелектрическият, индуктивният, тензометричният и капацитивният методи за измерване

    Налягането е сред често измерваните величини в индустрията и играе съществена роля при управлението на редица технологични процеси. Широкият диапазон, в който то може да се променя, определя и разнообразието от методи и средства за неговото измерване. От друга страна контролът и управлението на производствените процеси изисква надеждно и точно измерване на процесните характеристики, което налага разработването на прецизни технически средства за измерване. Това би гарантирало добро управление на технологичните процеси и безопасна експлоатация на съоръженията и агрегатите.
По дефиниция налягането е физична величина, характеризираща нормално разпределена сила, с която едно тяло въздейства върху единица площ от друго тяло. Ако въздействащата среда е течност или газ, налягането характеризира вътрешната енергия на средата и е един от основните параметри на състоянието й. Мерната единица за налягане в системата SI е паскал (Ра), който представлява сила 1 N, разпределена върху площ 1 m2. В практиката се използват и много други извънсистемни единици. Например, за налягане на течности и газове широко използвана единица е бар (bar), като 1 bar = 0,1 MPa. За измерване на атмосферното налягане все още широко използвани са единиците милиметър воден стълб mmH2O (1 mmH2O = 9,81 Ра), милиметър живачен стълб mmHg (1 mmHg = 133 Ра), атмосфера atm (1 atm = 101 kРа). Други използвани единици са инч воден стълб inH2O, инч живачен стълб inHg, kgf/cm2, kgf/m2, psi. В различните държави, както и в различните области, популярност са добили различни мерни единици.
При измерване на налягане обикновено интерес представлява определянето на абсолютното налягане (pабс), свръхналягането (pс), атмосферното налягане (pа), диференциалното налягане (pд) и вакуумa (pв).
Абсолютното налягане в дадена точка се дефинира като пълното натисково напрежение в точката, породено от действието на всички външни сили, включително и тези от атмосферно налягане. За неговото определяне се използва сумата на манометричното pм и атмосферното налягане pа, т.е. pабс = pа + pм. В зависимост от това дали абсолютното налягане е по-голямо или по-малко от атмосферното се получава съответно свръхналягане pс = pабс - pа или вакуум pв = pа - pабс. От своя страна атмосферното налягане pа е резултат от теглото на въздушния стълб на атмосферата. То е променливо и зависи от геодезичните параметри и метеорологичните условия.
Диференциалното налягане Dp представлява разликата между две налягания.

Измерване на налягането
Уредите, използвани за измерване на налягането, се разделят на няколко групи в зависимост от измерваната величина. Например, за измерване на атмосферното налягане се използват барометри. За измерване на свръхналягането се използват манометри. Разлики в наляганията се измерват посредством диференциални манометри, а за вакуум се използват вакууммери. В съответствие с разнообразието от уреди за измерване на налягане, много са и използваните методи за неговото определяне. Те се основават на различни физични свойства на материалите, които се използват при изработването на датчици. В настоящата статия ще бъдат разгледани едни от най-разпространените методи за измерване на налягане, използвани при производството на интелигентни датчици за налягане.

Пиезоелектрически метод
Този метод се основава на пиезоелектрическия ефект, който се състои във възникване на електрически заряди на повърхността на кварцова пластина, към която е приложена сила. Принципна схема на пиезоелектрически манометър е показана на фиг. 1. Измерваното налягане се преобразува чрез мембраната 1 в сила, която натиска кварцовата пластина 2. Електрическият заряд, който възниква на метализираните повърхности 3 под действие на силата F от страна на мембраната 1, може да се определи с помощта на равенството Q = kF = kAp, където р е налягането, което действа на мембраната, Ра; А е ефективната площ на мембраната, m2, а с k е обозначена пиезоелектрическата константа, C/N.
Напрежението на входа на усилвателя, който е включен към изхода на пиезопреобразувател, се определя от общия капацитет на измервателната верига. Тъй като Q = CU, за напрежението на кристала се получава:
U = Q/C = kF/(Со + Cсп) = kpA/(Со + Cсп), V,
където Со е капацитетът на кварца, [F], а Cсп е капацитетът на съединителните проводници и включените устройства, [F].
Обикновено капацитетът Cсп превишава капацитета на пиезокристала Со, което рефлектира в рязко понижаване на полезния ефект. Това е причината капацитетът Со изкуствено да се увеличава, което се постига чрез паралелно съединение на няколко пластини. В зависимост от използвания брой пластини се определя и обхватът на измерването.
Величината Cсп отчита и капацитета на кабела, затова съединителните проводници се доставят от производителя, а стойността на капацитета им се отчита при калибрирането. На фиг. 2 е показана принципна схема на механичен силициев резонатор, използван в съвременните интелигентни трансмитери за измерване на налягане.
Силициевият резонатор представлява паралелепипед с плоска форма, защитен в херметична капсула и интегриран в плоскостта на силициева мембрана. При изработването на чувствителните елементи се използват технологии, благодарение на които цялата структура се получава с единна монокристална решетка.
В зависимост от знака на приложеното налягане, резонаторът се разтяга или свива, в резултат на което честотата на неговите собствени механични колебания нараства или намалява. Колебанията на механичния резонатор в постоянно магнитно поле се преобразуват в електрически колебания и на изхода на чувствителния елемент се получава честотен сигнал, отразяващ стойността на измерваното налягане.

Индуктивен метод
Използва зависимостта на промяната на индуктивността на бобина при изместване на нейната сърцевина.
Устройство на трансмитер с индуктивен датчик е показано на фиг. 3. Измерваната среда (течност, газ или пара) постъпва в измервателните камери 1. Налягането върху изолиращите гъвкави корозионноустойчиви мембрани 2 се предава през капилярни тръбички 3 посредством запълваща течност към измервателната мембрана с феритни дискове 5. При изместване на измервателната мембрана под действие на разликата в налягането, едновременно се променя разстоянието между двете стационарни магнитни системи, състоящи се от бобина и феритна сърцевина 4, които са разположени от двете страни на измервателната мембрана. В резултат на това индуктивността на всяка бобина се променя. В датчика е монтиран и температурен сензор. Стойностите на двете индуктивности и температурата постъпват в платката на електронния блок 7 за обработка. Производителят прави градуировка на изходните параметри на датчика по еталонни стойности на налягането и температурата. Тези параметри се записват в паметта на сензора.

Тензометричен метод
Този метод се основава на зависимостта между деформацията на един проводник или полупроводник и проводимостта му. На фиг. 4 е показана принципна схема на измервателен блок, използващ тензодатчици като чувствителни елементи. Сензорният модул се състои от тяло с присъединение към процесната среда 1, изолираща мембрана 2, запълваща течност 3, измервателна мембрана 4. Освен сензорът за налягане, в тялото е поместен и датчик за температура. Сигналът му се използва от микропроцесорния модул за елиминиране на температурната грешка.
В измервателната мембрана на един измервателен блок обикновено се вграждат няколко тензодатчика с цел минимизиране на грешки от нелинейност при деформация в различни направления. Най-добър ефект се постига с четири елемента, свързани в мост.
Принципна схема на разположение на тензорезисторите върху повърхността на мембрана е показана на фиг. 5а. При деформации на мембраната в съответствие с кривата на фиг. 5б тангенциалните напрежения st имат постоянен знак, а радиалните напрежения sr - променлив. В съответствие с това съпротивлението на радиално поставените резистори близо до края на мембраната намалява с увеличаването на налягането, а съпротивлението на тангенциално поставените резистори се увеличава. Чрез подходящ избор на точките на разполагане на тензорезисторите, чувствителността на измервателната схема може да се повиши.

Капацитивен метод
Използва зависимостта на капацитета от разстоянието между електродите или площта им. В този случай единият електрод в конструкцията на измервателния блок, под действието на налягането върху мембраната, се премества в определени граници. С цел компенсиране на температурната грешка, се монтира и датчик за температура. Капацитивните елементи се използват по-често в трансмитерите за ниски и диференциални налягания, тъй като се отличават с висока чувствителност. На фиг. 6 могат да се видят основните елементи от конструкцията на измервателен блок, използващ капацитивния метод за измерване на налягане. С позиция 1 е означено подаването на атмосферно налягане, с 2 - измервателната капсула, с 3 - електродите на кондензатора, а с 4 - чувствителната керамична мембрана, към която директно се подава измерваната среда. Под въздействие на налягането мембраната се деформира и променя стойността на капацитета на кондензатора.
Обхватът на измерване се определя от дебелината на мембраната и началното разстояние между пластините на кондензатора. Той може да се измести в областта на малките налягания чрез намаляване на разстоянието между пластините.

Статията продължава в следващ брой на сп. Инженеринг ревю.




ЕКСКЛУЗИВНО

Top