Пьезоэлектрические манометры

Принцип действия их основан на использовании прямого пьезоэлектрического эффекта монокристаллического кварца Х-среза. Пьезоэлектрический эффект состоит в возникновении электрического потенциала на сторонах кристалла (например кварцевого) при воздействии давления на две другие грани кристалла.

Рис.16. Структурная схема пьезометрического дифференциатора давления

Пьезоэлектрический дифференциатор давления (рис. 16) предназначен для измерения скорости изменения давления. Он представляет собой чувствительный пьезокварцевый столбик 3, набранный из нескольких кварцевых элементов и помещенный в полости дифференциатора, образованной его корпусом 1 и мембранами 2. Измеряемое давление p преобразуется мембранами 2 в силы, сжимающие чувствительный пьезокварцевый столбик 3. В результате изменения давления на гранях пьезоэлементов появляются положительные и отрицательные потенциалы, под действием которых в цепи с резистором R протекает электрический ток. Падение напряжения на этом резисторе R подается на электронный блок 4, усиливается и преобразуется в унифицированный выходной токовый сигнал I_вых:

,

где K– постоянный коэффициент; p – давление; t – время.

Выпускаемые промышленностью дифференциаторы давления имеют пределы измерения от 0 до 2,5 МПа/с. Класс точности 0,5.

Манометры сопротивления

Принцип действия манометров сопротивления основан на использовании зависимости электрического сопротивления чувствительного элемента от измеряемого давления. В пищевой промышленности применяются маномеры сопротивления с чувствительными элементами в виде катушек с однослойной бифилярной намоткой манганиновой проволоки диаметром 0,05 мм. Электрическое сопротивление проволоки изменяется линейно в соответствии с уравнением:

,

где k – пьезокоэффициент, величина которого зависит от материала проводника; p– измеряемое давление; R – сопротивление проволоки при р = р_атм.

Из-за небольшой величины пьезокоэффициента подобные манометры применяются для измерения сравнительно высоких давлений.

Одним из самых лучших электрических методов измерения давления является тензометрический метод, что связано с достижениями в области тонкопленочных технологий, полупроводниковой техники и микроэлектроники, открывшими широкие возможности для создания современных высокостабильных и надежных тензорезисторных преобразователей.

В измерительных преобразователях избыточного давления “Кристалл” чувствительным элементом является упругая сапфировая мембрана, на которой специальными методами выращена гетероэпитаксиальная пленка кремния, обладающая тензорезистивным эффектом. Под действием давления сапфировая мембрана деформируется и в кремниевых тензорезисторах возникают механические деформации, от которых сопротивление их меняется и в выходной диагонали измерительного моста, в который включены тензорезисторы, появляется электрический сигнал, который усиливается электронным усилителем и приводится к унифицированному виду 0-5 мА.

Измерительные преобразователи “Кристалл” изготавливаются для измерения избыточного давления в пределах от 0,1 до 40 МПа, класс точности 0,5; 1,0 и 1,5.

Отечественным приборостроением выпускаются тензорезисторные преобразователи “Сапфир” для измерения избыточного и абсолютного давления, разрежения и разности давлений во взрывозащищенном исполнении.

Принцип действия комплекса измерительных преобразователей “Сапфир” основан на тензорезистивном эффекте тензорезисторов, наносимых в виде монокристаллической пленки кремния на чувствительные элементы приборов – тензомодули.

Рис 17. Обобщенная структурная схема измерительного преобразователя «Сапфир»

В преобразователях “Сапфир” измеряемое давление, подводимое к измерительному блоку ИБ (рис. 17) первичного преобразователя ПП, вызывает изменение напряженного состояния тензорезисторов, жестко соединенных с чувствительным элементом тензомодуля. Изменение сопротивления тензорезисторов, пропорциональное изменению величины измеряемого параметра, преобразуется с помощью встроенного электронного устройства ВЭУ в токовый выходной сигнал 4…20 мА, который подается к блоку питания БП3, где преобразуется в унифицированный токовый сигнал I_вых (0...5; 0...20 или 4...20 мA) дистанционной передачи показаний на расстояние.

На рис. 18 представлены измерительные блоки (ИБ) преобразователей «Сапфир», предназначенные для измерения давления от 0,001 до 0,25МПа (а) и от 0,4 до 2,5 мПа (б).

Рис. 18. Измерительные блоки разности давлений с тензомодулем: а – рычажно-мембранный; б – мембранный

Измерительный блок (рис. 18а) представляет собой тензомодуль 6 рычажно-мембранного типа, размещенный в замкнутой полости основания 8, заполненной полиметилсилоксановой жидкостью. Блок отделен от измеряемой среды металлическими гофрированными мембранами 1, соединенными между собой штоком 7, который связан с концом рычага тензомодуля. Под действием разности давлений происходит перемещение штока 7, которое вызывает прогиб измерительной мембраны 2 тензомодуля, что ведет к изменению сопротивления тензорезисторов 5, нанесенных на измерительную мембрану. Электрический сигнал через герметичные выводы 3 передается на встроенный усилитель (ВЭУ) 4, с которого он далее передается блоку БПЗ.

Измерительный блок (рис. 18б) представляет собой тензомодуль 1 мембранного типа, закрепленный на основании 5 и отделенный от измеряемой среды с помощью двух разделительных металлических мембран 2. Замкнутые полости между тензомодулем и мембранами заполнены полиметилсилоксановой жидкостью. Измеряемая разность давлений воздействует на тензомодуль через разделительные мембраны и жидкость. Электрический сигнал через герметичные выводы 3 передается встроенному усилителю (ВЭУ) 4.

Измерительные преобразователи «Сапфир» обеспечивают измерения абсолютных давлений от 2,5 до 100 мПа и перепада давления от 2,5 до 16 мПа. Температура измеряемой среды от -50 до +120С, а температура окружающей среды электронного блока от -50 до +90С. Класс точности 0,1 или 0,5.

Датчики уровня

Измерение уровня

Практически во всех технологических процессах пищевой промышленности возникает необходимость измерять уровень жидких или сыпучих материалов, а также сигнализировать о достижении ими максимального или минимального значения для предупреждения от переливов и пересыпаний или снижения уровня ниже допустимого. Особенно широко средства измерения уровня используются в производствах, связанных с переработкой и транспортировкой больших объемов жидких и сыпучих продуктов (пивоварение, спиртовое, винодельческое производство, производство соков и т.п.), а также на элеваторах и мельницах.

Разнообразие условий измерения обусловило применение большого количества физических принципов измерения уровня. Широкое применение находят механические, электрические, гидростатические, акустические и другие принципы измерения.

Современные приборы для измерения уровня можно разделить на две основные группы:

1) уровнемеры, обеспечивающие получение непрерывной информации об уровне в контролируемой емкости в любой момент времени;

2) сигнализаторы, обеспечивающие получение информации (сигнала) о достижении уровнем каких-то фиксированных значений, определяемых местом установки их чувствительных элементов (датчиков).

Уровнемеры, могут быть снабжены сигнализирующими устройствами и, выполнять функции и сигнализаторов. Часто всю группу средств измерении и сигнализации уровня называют просто уровнемерами.

Приборостроением выпускается широкая номенклатура уровнемеров и сигнализаторов уровня, обеспечивающих измерение и сигнализацию уровня жидких и сыпучих материалов для весьма широкого диапазона их изменения (от нескольких сантиметров до десятков метров).

Механические уровнемеры

Уровнемеры и сигнализаторы этой группы получили широкое распространения в пищевой промышленности благодаря простоте, надежности и невысокой стоимости.

К группе механических уровнемеров относятся средства измерений, основанные на использовании механического силового воздействия уровня измеряемого вещества на их чувствительный элемент. Сюда относятся поплавковые, мембранные, контактно-механические и вибрационные приборы.

Поплавковые уровнемеры

Существует большое разнообразие типов и модификаций поплавковых уровнемеров и сигнализаторов, различающихся конструкцией, пределами измерения, условиями применения и т.п. Принцип их действия основан на использовании перемещения поплавка, плавающего на поверхности жидкости. Это перемещение механически или с помощью дистанционной передачи (электрической, пневматической и др.) передается к измерительной части прибора.

Структурная схема поплавкового уровнемера приведена на рис.19.

Рис. 19. Структурная схема поплавкового уровнемера

Изменение уровня жидкости в емкости определяется с помощью поплавка 1, плавающего на ее поверхности. Движение поплавка передается с помощью троса или мерной ленты 2, переброшенной через ролики 3 и 4, на мерный шкив 6, на оси которого укреплена стрелка 5, показывающая на шкале уровень жидкости в емкости. Поплавок и трос уравновешиваются контргрузом 7 или спиральной пружиной. Поплавковые приборы также широко применяются в качестве сигнализаторов и реле максимального и минимального уровней неагрессивных некристаллизующихся и не налипающих жидкостей.

Мембранные уровнемеры

Эти приборы применяются для измерения уровня зерна и других, сыпучих не слеживающихся материалов. В мембранном сигнализаторе уровня зерна (рис.20), крепящегося к стенке бункера, усилие давления зерна воздействует на гибкую мембрану 1 из прорезиненной ткани с жестким металлическим диском 2 и перемещает ее, преодолевая усилие пружины 3.

Это перемещение приводит к переключению электрических контактов микропереключателя 4, находящегося внутри корпуса 5. Срабатывание контактов происходит при высоте слоя пшеницы над мембраной около 150мм.

Рис. 20. Функциональная схема мембранного сигнализатора уровня