Руководство по измерению давления и вакуума
| Вид материала | Руководство |
- Билет №3, 172.94kb.
- И. П. Волк рлэ як-18т руководство, 1114.6kb.
- Законы эволюции вселенной час ть 10. Механизм формирования, 684.99kb.
- Н. А. Козырева как механика физического вакуума. Жвирблис В. Е. 1994, 245.74kb.
- Научная и производственная элита по вопросам измерения давления впервые собралась, 40.25kb.
- Методика обработки кривых восстановления давления, полученных при исследовании газовой, 153.93kb.
- Разработка системы автоматического управления компрессора сверхвысокого давления, 14.49kb.
- Литература. 27, 287.37kb.
- Роль атмосферного давления в поведении рыбы, 42.82kb.
- Невский завод, 56.79kb.
6.4.2 Внешняя среда
Хотя многие приборы будут работать в окружающей атмосфере, она может быть загрязнена влагой или едкими парами ( например, морскими брызгами). Эти факторы могут быть более важными при выборе соответствующей защиты для прибора , чем для самого датчика. Погруженные места требуют тщательного внимания, особенно там, где есть риск возникновения коррозии. Большая осторожность в выборе необходима там, где агрессивные газы сочетаются с высокими давлениями и высокими температурами, как например, в масляных и газовых резервуарах.
Британский Стандарт BS EN 60529:1992 [10] определяет несколько групп защиты приборов по признакам попадания воды или пыли, доступа к электрически заряженным частям и прочности на удар. Степень защиты дается как IP - оценка , включающая два или три числа, которые соответствуют определенным уровням защиты. Но следует проявлять некоторое внимание при их интерпретации. Защита от неблагоприятной окружающей среды может затруднить выполнение точных измерений давления.
6.4.3 Внешняя температура
В то время как диапазон рабочей температуры может быть хорошо известен, следует учитывать влияние близлежащих источников тепла.
Вокруг большого механизма, такого, как, например, дизельный двигатель, может находиться воздух, который намного горячее измеряемой температуры окружающей среды. Дополнительный фактор, часто упускаемый из вида, заключается в том, что во время работы прибор может подвергаться принудительному охлаждению, которое прекращается, как только выключается источник нагрева, и температура существенно увеличивается. Обратное также справедливо. Например, рассмотрим прибор на двигателе, который работает в условиях Арктики, где потеря тепла двигателем ведет к падению температуры прибора до уровня наименьшей температуры окружающей среды. Следовательно, необходимо учитывать как максимальную , так и минимальную температуру.
Там, где встречаются градиенты температуры, важно, чтобы чувствительный элемент прибора и любой компенсирующий температуру термометр были близки друг к другу. Диапазон нерабочей температуры (там, где она определена) будет шире, чем диапазон нормальных рабочих температур прибора. Превышение пределов нормальных температур может вызвать серьезные погрешности в работе. Температура в памяти обычно не вызывает проблем, но она не должна превышать пределы нерабочих температур.
Может возникнуть необходимость установить особенно чувствительное оборудование в среде с контролем температуры, либо в специально сконструированном для этих целей контейнере ,либо в комнате с кондиционированным воздухом.
Во многих приложениях высокого вакуума необходимо запечь систему, включающую в себя приборы, до температур, достигающих 250 оС. Приборы, кабели и т. д.должны быть выбраны так, чтобы выдержать такие температуры.
6.4.4 Вибрация
Некоторые приборы более чувствительны к вибрации , чем другие. Важно удостовериться в том, что выбранный прибор в достаточной степени нечувствителен к частоте и амплитуде вибраций в предназначенном для него месте. Например, приборы с вращающимся ротором могут быть особенно чувствительны к окружающим частотам близким к 400 Гц-их частоте вращения. Некоторые приборы, такие, как грузопоршневые манометры, чувствительны к вибрациям очень низкой частоты, как, например, приборы , находящиеся на корабле, медленно двигающемся вверх и вниз по волнам, или же приборы, установленные на нефтедобывающей платформе. Данные производителей могут иметь рекомендации насчет таких условий, но это часто связано с живучестью прибора, а не с вероятностью возникновения погрешностей.
6.4.5 Электромагнитные условия .
Электромагнитная совместимость включена в требования, обозначенные CE, для приборов , продаваемых в Европе, и подразумевает как влияние излучения от другого оборудования, так и от рассматриваемого прибора. Изделия с маркировкой CE и специально разработанные аэрокосмические приборы часто усиливаются в плане электромагнитной совместимости , для того чтобы быть устойчивыми к воздействию электромагнитных помех.
Ядерное излучение вредно для электроники и кабелей в общем и для полупроводников в частности. Чувствительный элемент может и не подвергаться воздействию, но электронные компоненты, используемые для компенсации или усиления сигнала могут подвергаться воздействию в течение определенного периода времени. Простые датчики без активных электронных составляющих с наибольшей вероятностью устойчивы к такому излучению.
Электрическая изоляция , как правило , требуется между чувствительной системой, которая включает в себя любую электронику, и корпусом , который по обыкновению считается имеющим ‘потенциал земли’, могущий значительно меняться при расположении прибора около электрогенераторной установки.
6.5 Физические характеристики
Общая устойчивость изделия должна рассматриваться исходя из информации о предполагаемом использовании и окружающей среде.
Это особенно важно, если существует вероятность того, что поблизости есть водные струи высокого давления, коррозийная очистка , или же в случае, когда технический персонал ходит без специальной обуви или работает молотками. Близость любой сварки может быть еще одной причиной для выбора устойчивого прибора. Для многих приборов выполняется коммерческая проверка устойчивости, заключающаяся в серии из падений из произвольных положений с высоты 1 метра на твердую стальную плиту. Могут проводиться тесты на линейное ускорение в центрифуге, в которой уровни g могут по желанию меняться или же оставаться постоянными при проведении измерений с учетом любых введенных погрешностей. Часто наиболее устойчивыми являются жесткие чувствительные компоненты без прикрепленных к ним других элементов, калиброванные датчики деформации и одиночные диафрагмы. Приборы ионизации с холодным катодом значительно более устойчивы, чем приборы ионизации с горячей нитью накаливания. Также следует помнить, что трудно вручную осуществлять операции с целым длинным кабелем, пытаясь с его помощью присоединить трансдьюсер к источнику давления, без того чтобы не повредить кабель или уплотнительные элементы.
Размер и вес приборов могут быть весьма важными критериями в определенных применениях.
6.6 Вид использования
При использовании прибора для обеспечения отслеживаемых измерений следует заметить, что стоимость перекалибровки и повторного анализа неопределенностей измерений может быть значительно выше стоимости прибора. Этот эффект становится более существенным, если собственные характеристики прибора едва ли соответствуют цели. Поэтому целесообразно приобретать прибор с более высокими характеристиками, чем прибор, рассматриваемый просто как подходящий.
Показания прибора в большей степени , чем точные измерения , подразумевают более низкую степень точности и/или получение в относительно стационарных приложениях с ручным управлением. Многие приборы не имеют собственной шкалы наподобие приборов типа трубчатого манометра; они зависят от электрических сигналов , преобразуемых в аналоговые или имеют цифровые дисплеи, которые могут располагаться на расстоянии.
В приложениях управления непосредственно с выхода прибора через соответствующий преобразователь снимается управляющий сигнал (обычно электрический) для управления регулирующим устройством. Обычно это может быть насос, установленный перед клапаном и используемый для управления потоком. Полученный в результате сигнал используется установленным точечным контроллером для настройки открывающего клапана с целью поддержания давления постоянным.
Измерение давления часто играет важную роль в приложениях , связанных с безопасностью передачи – как например, транспортировка газа по трубопроводу – при этом может быть необходим учет дополнительных требований.
Некоторые изделия могут использоваться в приложениях, критичными к безопасности и необходимо рассмотреть модели повреждений и общие оценки надежности. В добавок к этому некоторые физические области применений могут иметь специальные требования к безопасности и классифицироваться как таковые. Например, могут требоваться жароустойчивые ограждения, сконструированные для предотвращения воспламенения газа или паров вокруг ограждения, или же технологии ограничения энергии , которые ограничивают энергию электрической искры и поверхностные температуры компонентов в опасной области. Только определенное оборудование с соответствующим сертификатом может использоваться в опасных областях и только в условиях очень тщательного контроля с применением определенных методов установки и использования.
6.7. Установка и эксплуатация
6.7.1 Ориентация
Многие приборы чувствительны к их ориентации или расположению, но некоторые в большей степени, чем другие. Как правило , в сконструированных для очень низких давлений приборах механического отклонения используются структуры малой жесткости в качестве элементов отклонения, и довольно часто с датчиком связаны значительные массы. В результате получается система , которая чувствительна к ориентации , обладает низкочастотным откликом и может быть в какой-то степени хрупкой, требующая осторожности в транспортировке и установке. Системы с большими мехами или капсюльные LVDT системы имеют низкую жесткость и большую массу датчика, что делает их чувствительными к расположению, вибрации и сотрясению.
Что касается всех инструментов, то следует обсудить вопрос об установке прибора с такой ориентацией, чтобы уменьшить или исключить возможность оседания вещества на датчике. Необходимо заметить, что калибровку приборов следует проводить в той же самой предпочтительной ориентации.
Некоторые вакуумные приборы, такие как приборы с вращающимся ротором могут быть установлены только в одном положении. Другие приборы, например,приборы ионизации можно устанавливать в любой ориентации, но горизонтальная установка может привести к физическому искривлению внутри прибора и ,следовательно, к изменениям характеристик приборов.
Некоторые приборы должны располагаться в горизонтальной или вертикальной плоскости , и установка должна быть сконструирована соответствующим образом. Такими примерами являются ртутные столбики большого диаметра и грузопоршневые манометры и при использовании их выше первого этажа необходимо внимательно проверять , чтобы суточный наклон здания не вносил существенную погрешность. (Смотрите разделы 9.1.9 и 9.3).
6.7.2. Сборка и установка
Стоимость установки прибора может быть существенной и должна входить в общую оценку выбора прибора. Например, если прибор дистанционно управляемый, стоимость передачи сигнала может оказаться больше стоимости прибора.
Многие приборы достаточно малы для того, чтобы их можно было крепить прямым привинчиванием к порту давления, и практически нет ухудшений в работе при условии, что установка выполняется в соответствии с рекомендациями производителей. Чрезмерное затягивание скрепляющих болтов может передавать напряжение в корпус некоторых приборов, которое в свою очередь передается датчику, вызывая погрешность. Некоторые приборы ,как, например, трубчатые манометры со шкалой, имеют большие размеры и подходят для того, чтобы устанавливать их на стене на удалении от источника давления, при этом давление подается к прибору по трубам.
Помимо этих двух крайностей много других вариантов.
Легкость и стоимость подгонки электрических выходов и электрических соединений для удовлетворения частных требований также должны рассматриваться на стадии выбора; последующие адаптации, возможно, для того чтобы облегчить перемещение в целях ремонта или калибровки может быть дорогой.
Может возникнуть необходимость в конструировании установки таким образом , чтобы удовлетворить все требования по расположению прибора. (смотрите раздел 6.7.1).
Рекомендации по установке вакуумных приборов даны в разделе 9.4.1.
6.7.3 Повторная калибровка и обслуживание
Повторная калибровка может быть очень дорогой, и если не проводить ее на хорошо определенной основе, то достоверность полученных данных может быть сомнительной. Частота калибровок будет зависеть отчасти от дрейфа характеристик прибора и от требований к точности данного приложения (смотрите раздел 7.4). Все приборы различны, как и приложения. Именно от пользователя завсит решение о необходимости и частоте повторных калибровок. Это можно сделать путем анализа записанных результатов повторных калибровок, принимая во внимание конкретное использование и связанные с ним окружающие условия. Если для проведения калибровки трансдьюсер необходимо периодически перемещать, следует рассмотреть используемые методы соединений. Штепсельные вилки и разъемы возможно наиболее простые в употреблении, но более дорогостоящие, чем интегральное соединение и местная распределительная коробка. При калибровке следует учитывать всю измерительную систему, а не только трансдьюсер.
Если необходимо переместить прибор ,как это обыкновенно случается, следует рассмотреть вопрос отсоединения кабеля и самого прибора от источника давления. Это может быть особенно важно, если, например, установка должна оставаться в состянии непрерывной работы, давление не должно достигать атмосферного или же среда является опасной. Использование изолирующих клапанов должно быть тщательно продумано, так как некоторые типы клапанов могут блокироваться и поглощать некоторые среды давления. Если среда является жидкой, и если дальнейшее уплотнение клапана уменьшает охватываемый объем, то давление резко возрастет и может легко вызвать повреждение за счет превышения предела избыточного давления прибора. Изменения температуры охватываемого объема могут усугубить это положение.
- Преобразование сигналов, выходы и индикаторы.
- Введение
При выборе оборудования для измерения давления необходимо учитывать, какие методы отображения, передачи и записи значений давления подходят для данного применения, а также требуемую степень преобразований сигналов.
- Преобразование сигналов.
В большинстве систем для измерения давления, механических или электрических, в той или иной форме используется преобразование сигналов. По существу это преобразование ‘необработанных’ выходных сигналов в сигналы, которые изменяются пропорционально изменениям давления, в форме более пригодной для отображения и легкой для передачи. Например, первичный выход датчика давления может быть очень маленьким, иметь недостаточную мощность или физическое смещение для того, чтобы непосредственно управлять измерительным прибором или индикатором.Кроме того этот выход может быть нелинейным или нуждаться в масштабировании. Потому может применяться преобразование для усиления, линеаризации или масштабирования. Кроме того преобразование может применяться для компенсации изменений рабочей температуры, влияний вторичного давления и т.д.
Возможно самым известным индикатором давления является механический трубчатый манометр с круговой шкалой (смотрите рисунок 5-7) Его первичным сигналом является перемещение кончика во время выпрямления трубы, который и усиливается , и масштабируется рычагом, анкером, шестерней и стрелкой. Электронные сенсоры и системы располагают гораздо большим диапазоном функций преобразования, чем механические датчики. В наибольшей степени это относится к тем устройствам, которые используют микропроцессоры, а в случае так называемых интеллектуальных устройств со встроенными микропроцессорами вид преобразования сигналов может легко изменяться. Например,если прибор сконструирован для измерения давлений, скажем, до 100 МПа, но должен использоваться в системе с максимальным давлением только 10 Мпа, то его выход может быть перемасштабирован так, чтобы иметь полную электрическую шкалу на 10 МПа. Заметьте, что несмотря на то, что эта тактика может изменять электрический выход прибора, механические характеристики датчика не меняются. Использование встроенных электрических компонентов может ограничивать диапазон температур, воздействию которых может подвергаться датчик.
- Выходы и индикаторы.
Выбор выходов и индикаторов в большой степени зависит от отностительных положений датчика, управляющей электроники и индикатора, а также от окружающей среды, в которой они должны использоваться.
Самые большие возможности выбора для тех систем , которые не нужно совмещать с другим оборудованием и в которых датчик, электроника и индикатор должны находиться в одном и том же электромагнитно безопасном помещении. Чаще всего это лабораторные приложения, когда, вероятно, практически не имеет значения, выполняется ли преобразование сигнала на датчике, в расположенном вблизи блоке электроники или с помощью компьютера в реальном масштабе времени. По другому может обстоять дело с большим количеством трансдьюсеров с токовым выходом, показания которых необходимо снимать в контролируемом пространстве с другой стороны электромагнитно несовместимой технологической установки, или же в случае трансдьюсеров с потенциальным выходом, которые должны быть совместимы с другим оборудованием в самолете.
Самые простые индикаторы связаны с механическими приборами, такими, как обычный трубчатый манометр, имеющими аналоговые шкалы, показания которых снимаются визуально. Электронные приборы могут иметь аналоговые индикаторы, цифровые дисплеи или совсем не иметь индикатора. Последний вариант может быть подходящим, если есть электрический выход (потенциальный, токовый или цифровой) для того, чтобы приспособить индикатор и/или электрическую регистрацию данных где-нибудь в другом месте. Оцифрованные выходы выглядят обычно в форме стандартных компьютерных интерфейсов, некоторые резонирующие датчики давления имеют выходы необработанных частотных данных, но они не предназначены для передачи этих данных на дальние расстояния в этой форме. Аналоговые индикаторы могут недооцениваться. Имея всего лишь одну линию или стрелку , они могут отображать величину давления, скорость изменения и тенденцию к повышению/ понижению в некоторой степени в манере, часто отсутствующей в устройствах обработки оцифрованных данных с низкой частотой дискретизации.
Трансдьюсеры с потенциальным выходом могут использоваться с простым преобразованием сигнала, но они более чувствительны к электромагнитным излучениям. Электрическое сопротивление соединительного кабеля, если он длинный , может привести к значительным погрешностям. Поэтому требуется три или четыре соединительных провода для подачи питания и передачи выходного сигнала.
Трансмиттеры с токовым выходом могут иметь два или три провода. Если и для питания , и для передачи выходного сигнала используется два провода , то можно значительно сэкономить там, где требуются длинные кабели. Часто они подбираются в диапазоне от 4 мА до 20 мА, что соответствует изменениям давления от минимума до максимума. Следовательно, встороенная электроника должна иметь возможность работать с максимальным током менее 4 мА. Будучи ‘управляемой током’ встроенная схема контролирует напряжение между двумя выходами трансмиттеров c целью поддержания соответствующего тока, пропорционального давлению , причем независимо от того, соответствует ли линейное сопротивление определенному пределу. Поэтому эти приборы очень хорошо подходят для использования с длинными кабелями и они гораздо менее чувствительны к электромагнитному излучению, чем трансдьюсеры с потенциальным выходом. Иногда могут быть достаточно легко последовательно подключены дополнительные индикаторные устройства в разных местах без уменьшения выходного сигнала. Эти устройства иногда называются токовой петлей или прибором последовательного действия. Выходной сигнал таких приборов обычно с увеличением расстояния заметно не ухудшается.
Трансмиттеры с цифровым выходом обычно содержат микропроцессор, который предбразует значения измеренного давления в цифровые коды, которые передаются на удаленный приемник, или ‘хост’, по проводам, оптические волокнам или радио. Существуют стандартные системы, такие, как Филдбас (IEC 1158) и HART. Последняя может совместно работать с более традиционными системами с токовым выходом от 4 мА до 20 мА. Кроме предоставления значений давления цифровая передача может включать в себя диагностическую информацию, состояни, признаки аварий, а также информацию для дистанционной реконфигурации трансмиттеров.
6.9. Технические характеристики.
6.9.1 Введение
Перед покупкой прибора для измерения давления или вакуума большинство пользователей обращаются к данным производителя для того, чтобы оценить, удовлетворяют ли объявленные эксплуатационные, характеристики планируемому применению. Несомненно, данные производителя предоставляются для того, чтобы облегчить этот процесс, но также и для того, чтобы продать прибор, а потому следует позаботиться о том, чтобы не воспринимать их буквально. В конечном счете калибровка или другое тестирование индивидуального прибора являются единственным способом проверить, удовлетворяет ли спецификация требованиям или нет.
Ниже перечислены некоторые термины , которые обычно встречаются в данных производителей, используемых для описания работы прибора:
- Точность, неопределенность ‘в пределах спецификации’ и ‘полоса общей погрешности’
- Диапазон, настраиваемость амплитуды изменений регулируемой величины и охват
- Разрешение
- Повторяемость
- Воспроизводимость и дрейф
- Нелинейность
- Гистерезис
- Время отклика
- Температурный коэффициент
- Эффекты линейного давления
- Смещение нуля
Этот список неполный, хотя он все- таки отражает самые важные характеристики, на которые нужно обращать внимание при выборе прибора. Практические характеристики, такие, как размеры, источники питания и выходные сигналы, могут быть очень важны, и к ним также следует относиться внимательно, если прибор должен удовлетворять каким – то конкретным технологическим требованиям.