Лабораторная работа - Вимірювальний перетворювач диференціального тиску типу sitrans

Подождите немного. Документ загружается.

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № 1T - DS

ВИМІРЮВАЛЬНИЙ ПЕРЕТВОРЮВАЧ ДИФЕРЕНЦІАЛЬНОГО

ТИСКУ ТИПУ SITRANS Р DS III

1. Мета роботи

1.1.Вивчити принцип дії, конструкцію та методику повірки

вимірювального перетворювача диференціального тиску SITRANS Р DS

III фірми «Siemens» з цифровою індикацією та уніфікованим вихідним

сигналом по струму.

1.2. Провести повірку приладу.

2. Завдання на виконання роботи

2. 1. Познайомитись з лабораторним стендом.

2.2. Вивчити загальні відомості про диференціальні манометри, область їх

використовування. Вивчити позасистемні одиниці тиску та загальну класифікацію

манометрів по виду вимірюваного тиску. Вивчити методику вимірювання тиску.

2.3. Вивчити будову сенсорів та загальну структурну схему

вимірювального

диференціального перетворювача

SITRANS Р

DS III

цифровою індикацією і

уніфікованим вихідним сигналом по струму. Вивчити будову та основні характеристики реле

різниці тисів ДЕМ 202.

2.4 Зняти реальну статичну характеристику перетворення дифманометра

SITRANS Р

DS III . Оцінити зону гістерезису реле різниці тисків ДЕМ 202.

2.5. По статичним характеристикам перетворення визначити абсолютну, відносну та

приведену похибки дифманометра по діапазону вимірювання.

2.6. Побудувати графіки:

а) реальної статичної характеристики перетворення;

б) залежності відносних та приведених похибок по отриманому діапазону

вимірювання різниці тисків (точки наносити через кожних 20 кП).

3.Загальні теоретичні відомості про манометри та їх класифікація

3.1 Для вимірювання тиску використовуються манометри, назва яких походить

від грецького «manos» – рідкий, негустий, розріджений.

По принципу дїї манометри можуть бути розділені на дві великі групи:

- прилади, в яких сили, що утворюються вимірюваним тиском, зрівноважуються

відомими силами (силою ваги чи пружною силою деформації); до цієї групи входять:

рідинні, вагові та деформаційні манометри;

- прилади, тиск в яких вимірюється по зміні іншої фізичної властивості тіла під дією

сил тиску ( це манометри: опору, п’єзоелектричні, оптичні, електричні, теплові). В

основу принципу дії електричних манометрів, що отримують найбільше розповсюдження

за останнім часом, покладені різні фізичні явища, наприклад, зміна електричного опору

провідників та напівпровідників за дії вимірюваного тиску, виникнення

електростатичних розрядів за деформації деяких кристалів під дією тиску, зміна

теплопровідності газів залежно від тиску і інші.

3.2. Загальна класифікація манометрів по виду вимірюваного тиску.

По виду вимірюваного тиску манометри діляться на дві групи, які відрізняються

різними початками відліку тиску, тобто, різними, прийнятими за нуль, значеннями тиску:

в першу групу входять манометри надлишкового тиску, а у другу - абсолютного тиску.

В манометрах надлишкового тиску, як позитивного, тобто, більшого за атмосферний

тиск, так і від’ємного (вакуумметричного, тобто, меншого за тиск навколишнього

середовища), за нуль приймається значення атмосферного тиску. До них відносяться:

- манометри – прилади які призначені для вимірювання надлишкового тиску від 0,6 до

кгс/см (0,06...10МПа);

- вакуумметри - прилади для вимірювання розрідження (вакууметричних тисків) до -

1,0 кгс/ см

(-0,1МПа);

- мановакуумметри – прилади які призначені для вимірювання надлишкового тиску

від 0,6 до 24 кгс/ см

так і вакууметричного тиску до -1,0 кгс/ см

;

- напороміри – манометри для вимірювання малих надлишкових тисків (до +0,4 ат) від

атмосферного;

- тягоміри – вакуумметри верхнею межею вимірювання тиску яка не перевищує -

0,04МПа = -0,4 кгс/см

;

- тягонапороміри – мановакууметри з крайніми межами вимірювання відхилення

тиску від атмосферного в сторону розрідження та надлишкового тиску +- 0,2 кгс/см

(+- 0,02МПа) =



20 КПа.

Другу групу складають манометри абсолютного тиску, які пристосовані для

вимірювання тиску, що відраховується від абсолютного нуля тиску, тобто, повної його

відсутності. До них відносяться:

- барометри – манометри абсолютного тиску, які пристосовані для вимірювання тиску

атмосфери;

- укорочені рідинні манометри;

укорочені барометри – це ртутні вакуумметри для вимірювання абсолютних тисків

(менше 0,2 кгс/см

)

- вакуумметри залишкового тиску які призначені для вимірювання глибокого вакууму

тобто абсолютних тисків менш 0,002 кгс/см

;

Дещо осторонь стоїть третя група манометрів, яка включає в себе дифманометри та

мікроманометри.

Диференціальні манометри (дифманометри) - це манометри, які вимірюють

різницю двох тисків, ні один із яких не є атмосферним, і використовуються в

різних областях промисловості. Приклади використовування дифманометрів:

вимірювання перепадів тиску; вимірювання витрати рідин, газів та пари по

перепаду тиску на спеціальних звужуючих пристроях; вимірювання рівня рідин, що

знаходяться під дією атмосферного, надлишкового та вакуумметричного тисків

тощо.

Мікроманометри – це дифманометри лабораторного типу які використовуються для

вимірювання тиску чи різниці тисків в газових середовищах з верхньою межею

вимірювання менше за 0,04 кгс/см2.

3.3. Загальна теорія електричних манометрів опору

Для вимірювання тиску в важкодоступних місцях використовуються електричні

манометри опору. Принцип дії приладів цієї групи ґрунтується на непрямому методі

вимірювання - зміні електричного опору чутливого елемента під дією зовнішнього

тиску, які функціонально пов’язані між собою.

Принципово датчиком тиску може використовуватись будь-який метал або

напівпровідник. Але для використовування в сенсорі тиску, як правило, підбирають

метал з великою зміною опору під дією тиску, тобто, з великим, так званим,

п’єзокоефіцієнтом та малим температурним коефіцієнтом.

Зміна опору металу (в Ом), при прикладеному до нього тиску, відповідає залежності:

PRKR

**

де

- п’єзокоефіцієнт;

- опір металу, Ом;

- прикладений тиск.

Найбільш повно цим вимогам відповідає манганін, хоча його п’єзокоефіцієнт

відносно малий. Тому сенсори тиску, що виготовлені із манганіну, і реалізують такий

метод, доцільно використовувати при високих та над високих тисках – до 3ГПа.

Принципово такий манометр являє собою масивний порожнистий корпус, в

порожнину якого подають тиск і де знаходиться вимірювальна котушка, на якій в один

рядок намотаний тонкий манганіновий дріт діаметром 0,05 мм та менше. Опір дроту

вимірюють за допомогою відомих приладів: логометра, автоматичного моста тощо.

Крім металевих датчиків, в якості чутливих елементів використовуються вугільні та

напівпровідникові матеріали. Їхній п’єзокоефіцієнт в тисячі раз більший, ніж у

манганіну, але характеристика перетворення суттєво нелінійна. Крім цього вони мають

великий гістерезис та залежність від впливу температури. Напівпровідникові датчики

опору механічно не міцні і використовуються на тиски до 10МПа.

Терміни п’єзокоефіцієнт та п’єзоопір, використовуються, як правило, для описаних

вище сенсорів, хоча інколи ці терміни використовують, маючи на увазі класичний

тензометричний перетворювач.

3.4. Будова первинного

диференціального

вимірювального перетворювача

SITRANS Р

DS III

Загальний вигляд вимірювального перетворювача

SITRANS Р

DS III та схема

вимірювальної комірки (сенсора) дифманометра приведена нижче.

Із схеми видно, що датчик складається: із двох розподільчих мембран 1 (більшого

тиску «+» та меншого - «-») ; двох О-подібних кілець, що фіксують мембрани 1;

кремнієвої вимірювальної мембрани 3 з тензомодулем 4; корпусу вимірювальних комірок

6 з боковими фланцями 5 та рідини наповнення 7(силіконове масло).

Вимірювана різниця тисків через розподільчі мембрани 1 і наповнення 7 передається

на вимірювальну мембрану 3, деформуючи її. Одночасно деформується і кремнієвий

сенсор (тензомодуль) 4. Чотири встановлених на вимірювальну діаграму по мостовій

схемі тензорезостори (п’єзоопори) змінюють завдяки поданому тиску свій опір. Зміна

опорів визиває зміну напруги у вимірювальній діагоналі мосту, що пропорційна різниці

тисків на входах «+» та «-».

При перевищенні різниці тисків межових значень, що допустимі для даного датчика,

відхиляючись мембрана 3 торкається стінок корпусу 6 і захищає сенсор 4 від

перевантаження.

Для особливих випадків використовування, наприклад, вимірювання тиску

високов’язких матеріалів, вимірювальні перетворювачі SITRANS Р

DS III

поставляються з розділювачами тиску різноманітної конструкції.

3.5. Загальна методика вимірювання тиску

Вибір для використовування певного типу манометра залежить передусім від значення

вимірюваного тиску, потрібної точності та надійності вимірювань, а також від фізико-

механічних властивостей середовища.

Допустимий робочий тиск в середовищі не повинен перевищувати 3/4

верхньої межі вимірювань манометру, а у випадку змінного тиску — 2/3.

В якості пристроїв для відбирання тиску із середовища використовують

трубки діаметром 10-12 мм, які називають імпульсними. Імпульсні трубки

бажано розміщувати на відносно рівних (горизонтальних або з невеликим

нахилом) ділянках трубопроводу. У випадках вимірювання тиску газу або

пари відбирання тиску здійснюється вище осі трубопроводу, а за

вимірювання тиску рідин — нижче осі. Довжина імпульсних ліній для

манометрів з одновитковою пружиною і сильфоном — до 30 м. Кінець

трубки в середовищі повинен бути вмонтований врівень з внутрішньою

стінкою об'єкта, що обмежує вимірюване за тиском середовище.

Для зменшення впливу пульсацій тиску, а також для захисту чутливої

частини манометра від високих температур, перед манометром

установлюють так звану сифонну трубку у вигляді літери U або кільцевої

петлі (рис. 4.12). Для забезпечення можливості відключення манометра 3,

продування лінії та підключення контрольного манометра використовується

триходовий вентиль 2. За тиску вище 10 МПа, а також за контролю тиску

радіоактивного теплоносія, або вимірювального середовища з температурою понад 70

°С, сифонна трубка 4 заповнюється водою або самовільно конденсатом.

У випадках вимірювання тиску агресивних cepедовищ або таких, що швидко

псуються чи кристалізуються, використовуються манометри у поєднанні з

розділювальними мембранами або розділювальними посудинами. На рис. 4.13 Зображена

схема встановлення манометра у комплекті з мембранним роздільником. Із об'єкта

вимірювань 1 агресивне середовище проходить через штуцер 2, запірний голчастий

вентиль 3 і по імпульсній трубці 4 подається під мембрану 5, нижня частина якої, як і

стінки камери корпусу 6, покриті фторопластом. Простір, над мембраною і чутливий

елемент манометра 7, заповнюється кремнійорганічною рідиною. Мембранні роздільники

вносять додаткову похибку, яка не перевищує ± 1% від діапазону вимірювань.

Властивості ланцюгу передачі тиску

Температурна похибка залежить від жорсткості розділювальних мембран та впливу

передаючої зусилля наповнюючої рідини. Жорсткість розділювальної мембрани має

вирішальне значення. Чим більше її діаметр, тим менше її жорсткість. На невеликі

діапазони перепаду тиску, необхідно вибирати датчики з якомога більшими

розділювальними мембранами.

Будь-яка наповнююча рідина розширюється або стискується за зміни температури і

вносить теж додаткову похибку в результат вимірювань. Цю похибку можна

мінімізувати вибором датчика з наповнюючою рідиною, що відповідає межам

температурних обмежень та значенням робочого тиску.

Швидкодія такого ланцюга залежить від довжини імпульсної трубки та в’язкості

наповнюючої рідини.

3.6. Електрична схема вимірювального перетворювача DS ІІІ

Вхідний вимірювальний тиск, або різниця тисків, перетворюється в сенсорі 1

(тензомодулі) в електричний сигнал, який підсилюється в 2 та перетворюється в

цифровий код в АЦП 3. Цифрова інформація опрацьовується в мікроконтролері 4 з

одночасною корекцією характеристики перетворення по температурі та лінійності, і

перетворюється в ЦАП 5 в вихідний уніфікований струмовий сигнал, що об’єднується

одночасно із струмом живлення. Тобто, вимірювальний перетворювач виготовляється по

двопровідній схемі живлення, яка одночасно є лінією як живлення, так і отримання

нормованого сигналу 4-20 мА, пропорційного вимірюваному тиску.

Специфічні параметри налаштування сенсора та параметри налаштування

мікропроцесорного контролера, зберігаються в двох енергонезалежних ППЗП 6. Перший

ППЗП з’єднаний з сенсором, другий – з платою електроніки. Таке розділення пам’яті

дозволяє незалежну заміну сенсора та плати електроніки.

Налаштування перетворювача DS ІІІ можливе за допомогою клавіш 8 за місцем або

за допомогою НАRТ - модему 7, що дозволяє виконувати конфігурування приладу через

протокол НАRТ - специфікації.

При конфігуруванні (налаштуванні) перетворювача за через НАRТ – комунікацію,

здійснюється проміжне під’єднання НАRТ – модему 7 безпосередньо до його

двопровідної лінії живлення та конфігурування здійснюється за допомогою ноутбука або

РС - комп’ютера. Необхідні для комунікації по НАRТ – протоколу 5.х та 6.х сигнали

накладуються на вихідний уніфікований струмовий сигнал за частотно-комунікаційним

методом (метод FSK, Frequency Shift Keying).

Основні складові перетворювача:

1. Датчик (сенсор)

2. Підсилювач (міст Уітстона)

3. Аналого-цифровий перетворювач

4. Мікропроцесорний контролер

5. Цифро-аналоговий перетворювач

—



(= 12…30 В); І = 4…20 мА

—



- (двопровідна схема живлення)

6. Енергонезалежна пам'ять ( одна – для

налаштування мікропроцесора, друга -

для сенсора)

7. НАRТ -інтерфейс

8. Клавіші налаштування DS III

9. Цифровий індикатор

Прилади серії DS III можуть додатково

використовуватись для вимірювання витрати

по перепаду тиску на звужуючих пристроях,

тому забезпечують розрахунок функції:

f =



де

P

- перепад тиску на звужуючому

пристрої.

Фірмою “Сіменс” випускаються вимірювальні перетворювачі надлишкового тиску

SITRANS P серії МК-ІІ з вбудованими аналоговими та серії MS,DS - цифровими

індикаторами.

З аналоговими індикаторами на діапазон 0,23-160 бар, а цифровим 0,03-400 бар.

Серія DS SITRANS P може вимірювати крім різницевого(диференціального) тиску,

також надлишковий та абсолютний тиски.

3.7. Методика виконання роботи.

Повірка перетворювача DS ІІІ відбувається шляхом порівняння отриманої різниці

тисків, що подаються на його входи «+» та «-» та вимірюються відповідними зразковими

манометрами, з даними, які отримуються по показам цифрового дисплею DS ІІІ.

3.8. Порядок виконання повірки.

1.Ввімкнути тумблер подачі живлення на вимірювальний перетворювач Sitrans DS

III та ввімкнути пневматичні клапани «+» та «-» SitransDS III на пневматичних

лініях подачі більшого та меншого тисків.

2. Використовуючи пневмовентілі більшого тиску «+» та меншого тиску «-»,

зняти пряму та зворотну гілки перетворення перетворювача SitransDS III, регулюючи

вентиль меншого тиску «-».

2.1. Використовуючи пневмовентіль більшого тиску «+», виставити покази

зразкового манометра більшого тиску «+» на значенні 110 кПа.

2.2. Використовуючи пневмовентіль меншого тиску «-», виставити покази

зразкового манометра меншого тиску на значенні 10 кПа.

2.3. Зняти зворотну гілку характеристики перетворення перетворювача SITRANS Р

DS III. Для цього зменшувати різницю тисків на його входах, збільшуючи тиск на вході

«-». Повірку провести в діапазоні зміни різниці тисків від 100 кПа до 0 з кроком в 10

кПа.

В таблицю занести також різницю тисків на зразкових манометрах та покази

перетворювача SITRANS Р

DS III

2.4. Зняти пряму гілку характеристики перетворення перетворювача SITRANS Р

III. Для цього збільшувати різницю тисків на його входах (на вході «-» зменшувати тиск

від 110 кПа до 10 кПа з кроком 10 кПа)..

В таблиці №3 та №4 занести різниці тисків на зразкових манометрах та покази

перетворювача SITRANS Р

DS III і провести обробку результатів вимірювань по аналогії

з пунктом 2.6.

3. Використовуючи пневмовентілі більшого тиску «+» та меншого тиску «-»,

зняти пряму та зворотну гілки перетворення перетворювача SitransDS III, регулюючи

вентиль більшого тиску «+».

3.1. Використовуючи пневмовентіль більшого тиску «+», виставити покази

зразкового манометра більшого тиску «+» на значенні 10 кПа.

3.2. Використовуючи пневмовентіль меншого тиску «-», виставити покази

зразкового манометра меншого тиску на значенні 10 кПа.

3.3. Зняти пряму гілку характеристики перетворення перетворювача SITRANS Р

III. Для цього збільшувати різницю тисків на його входах, збільшуючи тиск на вході «+».

Повірку провести в діапазоні зміни різниці тисків від 10 кПа до 110 з кроком в 10 кПа.

В таблицю занести також різницю тисків на зразкових манометрах та покази

перетворювача SITRANS Р

DS III.

3.4. Зняти зворотну гілку характеристику перетворення перетворювача SITRANS Р

DS III. Для цього збільшуючи різницю тисків на його входах, зменшуючи тиск на вході

«+». Повірку провести в діапазоні зміни різниці тисків від 110 кПа до 10 кПа з кроком в

10 кПа.

В таблицю занести також різницю тисків на зразкових манометрах та покази

перетворювача SITRANS Р

DS III.

Табл..№1

Маном

„+” ,

кПа

Маном

„-„ ,

кПа



кПа

Покази

приладу

SITRANS Р

DS III

Абсолютна

, кПа

Приведена

, %

Відносна,

Похибки

110 10 100

4. Розрахувати похибки вимірювань та побудувати графік реальної статичної

характеристики перетворення.

Зробити висновки.