Автоматизация доменного процесса (стр. 10 из 11)
Для изготовления пьезоэлектрических датчиков наиболее широко применяется кварц, сочетающий хорошие пьезоэлектрические свойства с большой механической прочностью, высокими изоляционными свойствами и независимостью пьезоэлектрической характеристики в широких пределах от изменения температуры. Кварц SiO2 кристаллизуется в гексагональной системе, причем элементарной структурной ячейкой является шестигранная призма (рисунок 27). В кристаллах кварца различают продольную ось zz, которая носит название оптической оси, ось xx, проходящую через ребра призмы (электрическую ось), и оси уу, проходящие через середины противолежащих граней (механические или нейтральные). Если из кристалла кварца вырезать параллелепипед так, чтобы его грани были расположены перпендикулярно осям уу и хх, то он будет обладать пьезоэлектрическими свойствами. Силы, приложенные к нему по направлению оси zz, не вызовут электризации, а растягивающая или сжимающая сила Fx, приложенная по направлению электрической оси, вызовет появление разноименных зарядов на гранях, перпендикулярных к этой оси (продольный пьезоэффект).
Рисунок 27 – схема кристалла кварца
Величина заряда, возникающего на гранях, равна
,
или
,
где рхи Fх– давление и сила, действующие на площадь грани; sx– площадь грани; k– постоянная величина, так называемый пьезоэлектрический модуль.
При приложении силы Fy, действующей по направлению нейтральной оси, на гранях bс возникнут заряды противоположного знака по сравнению с силой, действующей по оси х.Пьезоэлектрическая постоянная кварца практически не зависит от температуры в пределах до 500° С. При температурах выше 500° С она быстро уменьшается и при температуре 570° С становится равной нулю, т.е. кварц теряет пьезоэлектрические свойства.
Рисунок 28 – пьезокварцевый манометр: 1 – корпус, 2 и 9 – гайки; 3 – мембрана; 4 и 7 – шайбы; 5 – кварцевая пластина; 6 – плитка; 8 – шарик; 10 – втулка
Из других пьезоэлектриков наибольшей чувствительностью обладает сегнетова соль. Однако высокая гигроскопичность, малая механическая прочность и низкое сопротивление сильно ограничивают ее применение. Применение в измерительной технике находит титанат бария, у которого пьезоэлектрический эффект в 50–60 раз выше, чем у кварца.
Устройство пьезокварцевого манометра показано на рисунке 28. Корпус 1 датчика манометра ввернут в гайку 2, снабженную ниппелем для присоединения к объекту измерения. В нижней части корпус герметически закрыт мембраной 3, образующей дно корпуса. На мембрану положена металлическая шайба 4 с цилиндрической выточкой для помещения кварцевой пластины 5. На кварцевую пластину кладется плитка 6. На нее укладывается вторая кварцевая пластина, покрываемая металлической шайбой 7. В центре верхней плоскости шайбы 7 помещается стальной шарик 8. Пакет из кварцевых пластин и стальных шайб поджимается гайкой 9, образующей крышку датчика.
Кварцевые пластины располагаются так, чтобы грани с отрицательным зарядом были обращены к средней плитке, а стороны с положительным зарядом – к шайбам 4 и 7. К средней плитке 6 припаян проводник, выходящий из корпуса через отверстие в стенке, втулку 10 и через янтарный изолятор.
Возникающие на гранях кристалла электростатические заряды сохраняются (при отсутствии утечки) во время действия силы и исчезают в момент прекращения ее действия.
Так как возникающие заряды очень малы, то прямое измерение их невозможно. Для этого необходимо использовать такие приборы, которые не расходовали бы возникающих зарядов. Поэтому применяют ламповые вольтметры постоянного тока на электрометрических лампах в сочетании со шлейфовым или катодным осциллографом, а также электростатические вольтметры. Точность измерения пьезоэлектрическим манометром составляет ±1,5–2%.
3.1.8 Теплопроводные манометры
При низких давлениях, когда длина свободного пробега молекул соизмерима с геометрическими размерами системы, теплопроводность газа зависит от давления. Эта зависимость используется в теплопроводных манометрах, применяемых для измерения давления газа в пределах от 0,0133 до 1333 Па (0,0001 – 10 мм рт. ст.) Датчик прибора состоит из нагревателя и измерителя температуры, помещенных в сосуд, в котором контролируется давление. В качестве измерителей температуры применяются термосопротивления и термопары (термопарный манометр). На рисунке 29 показана схема теплопроводного манометра низкого давления с термосопротивлением, включенным в мостовую схему. В два плеча моста включены нагреваемые током металлические или полупроводниковые термосопротивления Rtи RK. Постоянные сопротивления плеч моста R1и R2.
Сопротивление R, расположено в измеряемой среде; сопротивление RK, выполняющее роль температурного компенсатора, запаяно в баллоне.
 Рисунок 29 – схема теплопроводного манометра |  Рисунок 30 – принципиальная схема термопарного манометра с термосопротивлением1 – нагревательный элемент;2 – термопара; 3 – источник тока; 4 – измерительный прибор |
С изменением давления газа меняется его теплопроводность, что приводит к изменению величины электрического сопротивления Rt, следовательно, к разбалансу моста.
В термопарных манометрах измеряется не сопротивление, а температура проводника. Температура измеряется термопарой, термо ЭДС. которой является функцией измеряемого давления. Принципиальная схема термопарного манометра показана на рисунке 30. Манометр состоит из нагревательного элемента и термопары, замеряющей его температуру.
Элемент нагревается от источника тока; термо – ЭДС. термопары замеряется милливольтметром или потенциометром. Элемент нагревается до температуры порядка 200° С. В некоторых термопарных манометрах нагревательный элемент и термопара конструктивно объединены в одном элементе.
Теплопроводные манометры градуируются по определенному газу, для которого они предназначены.
3.2 Выбор рационального метода измерения давления природного газа
Наиболее широко применяются приборы (манометры, вакуумметры, мановакуумметры и дифманометры) с одновитковой трубчатой пружиной, такие приборы имеют большой диапазон измерения, сравнительно небольшие габариты, простоту конструкции, надежность. Исходя из этого, для измерения давления в АСК давления природного газа мы будем использовать бесшкальный прибор с дифференциально-трансформаторным датчиком, принципиальная схема которого изображена на рисунке 21. Такой прибор предназначен (в комплекте со вторичным прибором типа КСД) для дистанционного измерения.
4. Расчет измерительной схемы автоматического потенциометра
В системах автоматического контроля и регулирования различных параметров технологических процессов находят широкое применение в качестве вторичных приборов автоматические потенциометры и мосты. Мы рассматриваем схему автоматического потенциометра (рисунок 31), данные для расчета занесены таблицу 3. В этой схеме в качестве первичного измерительного преобразователя используется термопара, так как диапазон изменения температуры составляет 0–700º С, то наиболее целесообразно использовать термопару типа ТХА (-200÷1300º С).
Рисунок 31 – принципиальная измерительная схема автоматического потенциометра
Таблица 3 – исходные данные для расчета измерительной схемы
| шкала прибора | 0−700º С |
| градуировка термоэлектрического термометра | ТХА |
| Расчётное значение температуры свободных концов термометра | t0=200 C |
| Возможное значение температуры свободных концов термометра | t0=500 C |
| начальное значение шкалы | E(tH, t0)=-0,798мВ |
| Конечное значение шкалы | Е(tK, t0)=28,33 мВ |
| Диапазон измерений | Ед=29,128 мВ |
| Нормированное номинальное сопротивление реохорда | RH.P= 90 Ом |
| нерабочие участки реохорда | (l=0.025), 2×l=0.05 |
| Нормированное номинальное значение падения напряжения на резисторе RK | UK=1019 мВ |
| Выходное напряжение ИПС – 148 П | UИП=5 В |
| Номинальное значение силы тока в цепи ИПС – 148 П | I0=5 мА |
| Сопротивление нагрузки ИПС – 148 П | RИ.П=1000 Ом |
| Номинальное значение силы тока в верхней ветви измерительной схемы прибора | I1=3 мА |
| Номинальное значение силы тока в нижней ветви измерительной схемы прибора | I2=2 мА |
| Температурный коэффициент электрического сопротивления меди | a=4.25×10-30С |
Порядок расчёта
Определим Rn: