5.3.3. Преобразователи с электромагнитными системами
Измерительные преобразователи типа ДСЭ и ДМЭ функционируют на основе сильфонов или мембранных блоков (рис. 5.24) и объединены под названием «устройств с компенсацией магнитных потоков». Принцип действия измерительных преобразователей такого типа, как это описано в п.5.2, основан на взаимодействии электрического поля постоянного магнита, механически соединенного с чувствительным элементом, с магнитным полем, образованным неподвижно закрепленными катушками возбуждения. В результате взаимодействия магнитных полей устанавливается определенное равновесие магнитного потенциала результирующего поля. При смещении одного магнитного поля относительно другого индуцируется рассогласование, что в конечном счете отображает величину измеряемой разности давлений. В измерительных преобразователях разности давлений сильфонного типа (ДСЭ) первичным преобразующим элементом (рис. 5.24,а) служит сильфон 1, жестко закрепленный основанием в корпусе 2. Среды с различными давлениями через «плюсовый» и «минусовый» подводы, показанные на рисунке, подаются к сильфону. Причем среда «плюсового» давления подается во внутреннюю полость сильфона, а «минусовое» - в корпус прибора, таким образом воздействуя на наружную оболочку сильфона. В результате такого воздействия верхняя образующая сильфона перемещается и вызывает линейное движение плунжера, на конце которого жестко закреплен постоянный магнит 4. Плунжер 3 введен в зону электромагнитного преобразователя через узел уплотнения 5. В состав электромагнитного преобразователя включены катушки возбуждения 6, жестко соединенные с корпусной обечайкой. Рассогласование равновесия магнитных полей постоянного магнита и катушек возбуждения отображает линейное перемещение верхней образующей сильфона и соответственно разность между «плюсовым» и «минусовым» давлениями.
Рис. 5.24. Схемы измерительных преобразователей разности давлений на основе компенсации магнитных потоков:а – с сильфоном; б – с мембранным блоком; 1 – сильфон; 2 – корпус прибора; 3 – плунжер; 4 – постоянный магнит; 5 – узел уплотнения; 6 – катушки возбуждения; 7 – мембранная коробка «плюсового» давления; 8– мембранная коробка «минусового» давления; 9 – соединительный канал
В конструкции дифманометра типа ДМЭ (рис. 5.24б) первичным чувствительным элементом служит блок, состоящий из мембранной коробки «плюсового» 7 и «минусового» 8 давлений, соединенных каналом 9. Мембранные коробки с каналом образуют замкнутый герметичный сосуд, заполненный в конструкциях, предназначенных для работы при температурах окружающего воздуха от 5 до 60 оС, дистиллированной водой, а при температурах от–50…+60 – полиметилсилоксановой жидкостью. Мембранная коробка «плюсового» давления размещается в нижней части корпуса прибора. При воздействии на мембранный блок двух различающихся по давлению сред происходит «передавливание» жидкости из мембранной коробки «плюсового» давления через канал в мембранную коробку «минусового» давления. В результате этого происходит перемещение верхней площадки мембранной коробки «минусового» давления, на которой закреплен плунжер с постоянным магнитом на конце.
Мембранные коробки «плюсового» и «минусового» давлений изготавливаются из мембран с одинаковыми профилями, что позволяет выдерживать прибору перегрузки, значительно превышающие предел измерения.
Схемы преобразования линейного перемещения плунжера в унифицированный выходной электрический сигнал у приборов ДСЭ и ДМЭ, так же как у приборов МПЭ, идентичны.
Преобразователи разности давлений ДСЭ и ДМЭ могут применяться для измерения малых избыточных давлений. Тогда измеряемое давление подается в «плюсовую» камеру, а «минусовую» камеру оставляют открытой и сообщающейся с окружающей атмосферой. Таким образом, эти приборы могут использоваться для измерения уровня различных сред методом гидростатического столба. Устройства, предназначенные для подобного применения, имеют маркировки ДСЭУ и ДМЭУ.
Приборы с компенсацией магнитных потоков, использующиеся в измерении расходов различных сред по перепаду на сужающем устройстве (диафрагма, сопло, нестандартное сужение), снабжены «блоком извлечения корня». Прибор формирует линейный электрический выходной сигнал в зависимости от измеряемого расхода среды. Устройства с встроенным блоком такого типа маркируются ДМЭР или ДСЭР.
Измерительные блоки приборов с компенсацией магнитных потоков для каждого диапазона измерения оснащены отдельными мембранными коробками или сильфонами.
Дифманометры-перепадомеры, напоромеры, расходомеры, тягомеры сильфонные электрические, маркируемые как ДСЭ-МИ, ДСЭН-МИ, ДСЭР-М и ДСЭР-МИ, ДСЭТ-МИ, работоспособны в диапазоне измеряемых давлений от –4,0 до +4,0 кПа.
Тягомер типа ДСЭТ-МИ обеспечивает измерение давлений от 4,0 до 630 кПа.
Дифманометрами-перепадомерами, уровнемерами, расходомерами мембранными электрическими типов ДМЭ-МИ, ДМЭУ-МИ, ДМЭР-М и ДМЭР-МИ измеряется давление от 4,0 кПа до 1,6 МПа.
Пределы допускаемой основной погрешности описанных выше измерительных преобразователей разности давлений не превышают 0,6; 1,0 или 1,5 % нормируемого значения. Исключения составляют дифманометры-расходомеры, у которых в диапазоне измерения расхода от 0 до 30 % предел погрешности не нормируется.
Дифференциально-трансформаторная система преобразования и передачи достаточно широко применялась и применяется в измерительных преобразователях разности давлений. Наиболее типовыми манометрическими преобразователями, функционирующими с дифференциально-трансформаторными преобразователями, являются приборы серии ДМ.
Измерительный преобразователь разности давлений типа ДМ-3583, функционирующий на основе упругих чувствительных элементов – мембранных коробок, является типовым прибором с дифференциально-трансформаторной схемой и выходным унифицированным электрическим сигналом взаимоиндукции. Выходной сигнал преобразователя при воздействии на чувствительный элемент давления в пределах от «нуля» до номинального значения формируется в виде изменения взаимоиндуктивности в пределах 0…10 мГн. Основным чувствительным элементом служит, так же как и у приборов типа ДМЭ, блок 1 (рис. 5.25), закрепленный на перемыкающей плите 2 корпуса 3 и состоящий из «плюсовой» 4 и «минусовой» 5 мембранных коробок. К внешним камерам этих коробок с помощью импульсных линий 6 и 7 подводятся соответственно «плюсовое» р+ и «минусовое» р– давления. Внутренние полости мембранных коробок заполнены водным раствором этиленгликоля (дистиллятом или кремнийорганической жидкостью).
Рис. 5.25. Схема измерительного преобразователя разности давлений с мембранными коробками ДМ-3583:
1 – блок мембранных коробок; 2 – перемыкающая плита; 3 – корпус; 4 – «плюсовая» коробка; 5 – «минусовая» коробка; 6 – импульсная линия «плюсового» давления; 7 – импульсная линия «минусового» давления; 8 – разделительная трубка; 9 – плунжер; 10 – немагнитный шток; 11 – катушка; 12 – клапан «плюсового» давления; 13 – клапан «минусового» давления; 14 – уравнительный клапан
Над внутренней полостью коробки «минусового» давления на корпусе герметично установлена разделительная трубка 8, изготавливаемая из нержавеющей стали и не обладающая магнитными свойствами. Внутри этой трубки размещается плунжер 9, соединенный с верхней образующей коробки «минусового» давления, с помощью немагнитного штока 10. На разделительной трубке неподвижно закреплена электрическая катушка 11 дифференциально-трансформаторной схемы. На импульсных линиях «плюсового» р+ и «минусового» р– давлений установлены запорные клапаны 12 и 13, ниже которых эти трубопроводы соединены трубой с уравнительным клапаном 14.
Блоки мембранных коробок изготовляются для каждого диапазона давления и подразделяются по величине рабочего хода (перемещению верхней образующей коробки «минусового» давления) на три группы: ; 2,5±0,6; 4,0±1,0. Каждой группе блоков мембранных коробок соответствует группа дифференциально-трансформаторных катушек, отличающихся числом витков электрического провода. Чем меньше ход плунжера – перемещение верхней образующей блока, тем выше должна быть чувствительность дифференциально-трансформаторной катушки, что достигается увеличением числа ее витков.
Функционирование дифференциально-трансформаторного измерительного преобразователя базируется на зависимости положения плунжера, обеспечивающего перераспределение взаимоиндукции между обмоткой возбуждения и вторичной обмоткой (рис. 5.26). Обмотка возбуждения 1 запитывается от источника питания током возбуждения Iв, который обеспечивает при наличии плунжера 2 индуцирование ЭДС в обеих секциях 3 и 4 вторичной обмотки. Наводимая ЭДС E на одной из вторичных обмоток может быть рассчитана по следующей формуле
E = 2pf Iв H, (5.16)
где H – взаимная индуктивность между обмоткой возбуждения и одной из секций.
Рис. 5.26. Принципиальная электрическая схема взаимозаменяемого дифференциально-трансформаторного преобразователя:1 – обмотка возбуждения; 2 – плунжер; 3, 4 – секции вторичной обмотки
Соответственно результирующая ЭДСEр на выходе двух секций 3 и 4 вторичной обмотки на основании выражения (5.16), может быть определена как
Eр= 2pfIв(H3 – H4). (5.17)
Здесь H3 иH4 – взаимные индуктивности между обмоткой возбуждения и секциями 3 и 4 соответственно.
Из выражения (5.17) видно, что при условии H3 = H4, т. е. когда плунжер перекрывает вторичные обмотки на один и тот же размер, результирующая ЭДС равна 0. При смещении плунжера относительно среднего положения появляется различие между взаимными индуктивностями H3 иH4, и соответственно в электрической цепи преобразователя формируется результирующая ЭДС, пропорциональная величине такого смещения.
Производственные условия изготовления предопределяют различие выходных характеристик каждого преобразователя. Для устранения таких различий, т. е. обеспечения взаимозаменяемости, в электрической схеме прибора предусмотрены подстроечные резисторы R1 и R2 . Смещением движка резистора R1 устанавливается наклон характеристики зависимости результирующей ЭДС от величины смещения плунжера. Настройка «нулевой» точки прибора реализуется перемещением дифференциально-трансформаторной катушки вдоль разделительной трубки.
Классы точности таких приборов – 1,0 и 1,5.
Колокольные измерительные преобразователи разности давлений типа ДКО-3702 также имеют выходной сигнал в виде взаимоиндукции в дифференциально-трансформаторной схеме преобразования.
Принцип работы этих приборов может быть отнесен к гидростатическим и базируется на положении колокола, расположенного в жидкости, когда большее давление подведено к внутреннему объему, а меньшее воздействует на колокольное устройство снаружи.
Уравновешивание измеряемого дифференциального давления в приборах колокольного принципа работы, проявляемое в вертикальном перемещении колокола, осуществляется с помощью винтовой пружины или дополнительных специальных грузов. Чувствительность приборов такого типа пропорциональна площади колокола и обратно пропорциональна жесткости винтовой пружины или величине дополнительных грузов.
В качестве рабочей жидкости ранее применялась ртуть. В настоящее время используется только трансформаторное масло.
Схема колокольного преобразователя разности давлений типа ДКО-3702 приведена на рис. 5.27. На основании 1 прибора герметично установлен кожух 2, частично заполненный рабочей жидкостью. Внутри кожуха на его вертикальной оси установлен колокол 3, вертикальное перемещение которого в значительной мере определяется упругостью винтовой пружины 4
Рис. 5.27. Схема колокольного преобразователя разности давлений типа ДКО-3702:1 – основание; 2 – кожух; 3 – колокол; 4 – винтовая пружина; 5 – плунжер; 6 – трансформаторные катушки; 7 – штекерный разъем; 8 – подводящий клапан; 9 – вводная трубка; 10 – подводящий клапан подвода; 11–трубка ввода; 12 – уравнительный вентиль
На внутреннем центре колокола жестко закреплен плунжер 5, перемещающийся в зазоре трансформаторных катушек 6. Электрические соединения этих катушек реализованы через штекерный разъем 7.
Среда «пюсового» давления р+ через подводящий клапан 8 и вводную трубку 9 поступает во внутреннюю полость колокола, что приводит к его подъему. Противодействие этому подъему создается средой «минусового» давления р–, подводимым через клапан подвода 10 и трубку ввода 11 в верхнюю часть кожуха, и винтовой пружиной. Наступающее равновесие отслеживается дифференциально-трансформаторной схемой, включающей плунжер и трансформаторные катушки. На выходе этой схемы формируется взаимоиндуктивный электрический сигнал по взаимоиндукции. При изменении давления от «нуля» до максимального значения рабочего диапазона взаимная индуктивность возрастает от –10 до +10 мГ. Таким образом, нулевому значению выходного электрического параметра соответствует половина диапазона дифференциального давления измерителя.
Выходной сигнал приборов этого типа линейно связан с величиной дифференциального давления. При использовании колокольных преобразователей в измерениях расхода для получения линейной зависимости измеряемого перепада давления и расхода среды ранее применялись конструкции со специальной формой колокола. В настоящее время прибор доукомплектовывается электронным блоком извлечения корня.
Колокольные измерительные преобразователи из-за достаточно больших габаритных размеров кожуха, что предъявляет повышенные требования к его прочности, применяются при рабочих давлений до 0,25 МПа. Рабочие диапазоны измерительных преобразователей колокольного принципа действия составляют от 0,1 до 1 кПа при классе точности 1,0. При работе в комплекте со вторичным прибором класс точности снижается до 1,5.
Колокольные измерительные преобразователи не сложны в эксплуатации, выдерживают превышение номинальных значений рабочих давлений до 50 % от рабочего диапазона, отличаются высокой чувствительностью, что предопределило наиболее широкое их применение при измерении газов, имеющих небольшое избыточное давление.
