Измерение давления

Давлением называют отношение силы, действующей перпендикулярно поверхности, к площади этой поверхности.

Различают следующие виды давления: атмосферное, абсолютное, избыточное и вакуум (разрежение).

Атмосферное (барометрическое) давление – давление, создаваемое массой воздушного столба земной атмосферы.

Абсолютное давление – давление, отсчитанное от абсолютного нуля, за который принимают давление внутри сосуда, из которого полностью откачан воздух.

Избыточное давление – разность между абсолютным и атмосферным давлениями.

Вакуум (разрежение) - разность между атмосферным и абсолютным давлениями.

В Международной системе единиц величин за единицу давления принят паскаль (Па). На практике по-прежнему используются и внесистемные единицы: бар, миллиметр ртутного или водяного столба, килограмм – сила на квадратный сантиметр и другие.

Средства измерения давления классифицируют по виду измеряемого давления и принципу действия.

По виду измеряемого давления различают следующие средства измерений:

-манометры избыточного давления;

-манометры абсолютного давления;

-барометры (для измерения атмосферного давления);

-вакуумметры;

-моновакуумметры (для измерения избыточного давления и разрежения);

-дифференциальные манометры (средства измерения разности давлений).

По принципу действия различают средства измерения давления: жидкостные, поршневые, деформационные (пружинные), ионизационные, тепловые, электрические.

Жидкостный манометр – манометр, в котором измеряемое давление уравновешивается давлением столба жидкости, образующегося под действием этого давления. В простейшем исполнении жидкостные манометры (рис. 54), называемые также пьезометрами, представляют собой стеклянные U – образные трубки, заполненные жидкостью. Название жидкости присутствует в названии манометра (ртутный, водяной, спиртовой и др.).

Рис. 54. Основные типы жидкостных манометров: а)U – образный, б) чашечный, в) двухчашечный, г) чашечный с наклонной трубкой

В зависимости от схемы подключения жидкостный манометр может измерять избыточное давление или разрежение, абсолютное давление и разность давлений. В первом случае один конец трубки соединяют с объектом измерения, а второй конец оставляют открытым, связанным с атмосферой. Для измерения абсолютного давления второй конец трубки соединяют с баллоном, из которого откачан воздух. В третьем случае оба конца трубки подсоединяют к точкам отбора давления, между которыми необходимо измерить разность давлений.

Вариантами конструктивного исполнения жидкостных манометров являются чашечные, двухчашечные манометры и чашечные манометры с наклонной трубкой (рис.).

В жидкостном манометре давление определяется по разности уровней жидкости в трубках при известной плотности жидкости р, налитой в манометр:

P=ρ·g·h,

где h - разность уровней жидкости; g - ускорение свободного падения. Если ρ выражена в кг/м³, g в м/c² и h в м, то давление выразится в Паскалях.

Рис. 55 Конструкции жидкостных манометров Рис. 56. Поршневой манометр

Жидкостные манометры универсальны, имеют простую конструкцию, отличаются точностью и их можно размещать на значительном расстоянии от места замера. Однако им присущи и недостатки: трудность одновременной фиксации уровней жидкости в обоих вервях трубки, особенно в случае колебания давления, сравнительно небольшая прочность стеклянных трубок, необходимость строго вертикальной установки прибора, ограниченный диапазон измерений. Точность измерений жидкостными манометрами достигает 0,5%.

Серийно выпускаемые жидкостные манометры имеют диапазон измерений: водяные от 0 до 100 гПа (от 0 до 1000 мм в. ст.), ртутные от 0 до 210 гПа (от 0 до 160 мм рт. ст.), ртутные барометры от 650 до 1090 гПа, манометры абсолютного давления от 2 до 1070 гПа.

Поршневой манометр – манометр, в котором действующее на поршень давление создает силу и определяется по значению силы, необходимой для её уравновешивания. Наиболее часто измеряемое давление уравновешивают грузом, вес которого может быть установлен с высокой точностью (рис. 56). Поршневые манометры используются в основном как эталоны избыточного давления и разрежения в диапазоне от - 100 кПа до 2500 МПа. Класс точности приборов, определяемый относительной погрешностью, от 0,01 до 0,2.

Деформационные средства измерения давления – средства измерения, в которых измеряемое давление, действующее на упругий чувствительный элемент, уравновешивается силой сопротивления деформации. Таким образом, упругий чувствительный элемент преобразует входной сигнал измерительной информации – давление в выходной сигнал – деформацию (перемещение).

Основными формами чувствительных элементов, получившими распространение на практике, являются трубчатые пружины, сильфоны и мембраны (рис. 57).

Рис. 57. Конструкции чувствительных элементов деформационных средств измерений давления.

Наибольшее распространение получила трубчатая пружина (манометрическая трубка, трубка Бурдона) в виде криволинейной металлической трубки (рис. 57а), один из концов которой закреплен, а другой конец имеет возможность свободно перемещаться.

Под действием избыточного давления трубка разгибается, а под действием разрежения дополнительно сгибается. При этом свободный конец пружины перемещается пропорционально изменению давления.

Для измерения больших давлений до 1000 МПа используют криволинейные и прямолинейные трубчатые пружины. Форма сечения прямолинейной трубчатой пружины показана на рис. 57в. Перемещение свободного конца пружины происходит не из-за изменения поперечного сечения, а вследствие действия изгибающего момента.

Основной недостаток рассмотренных пружин – малый угол поворота, что требует применения передаточных механизмов в качестве масштабных преобразователей измерительного сигнала. Для чувствительных элементов типа витой трубчатой пружины овального или звезчатого сечения (рис. 57г) угол поворота достигает 60 градусов.

Сильфоном называют тонкостенную цилиндрическую оболочку с поперечными гофрами (рис. 57д), способную в значительной мере изменять свой размер в осевом направлении под действием давления или сосредоточенной силы. Для увеличения жесткости внутри сильфона часто помещают пружину.

Мембрана представляет собой гибкую плоскую или гофрированную пластину круглой формы (рис. 57е,ж), жестко закрепленную по периметру и способную прогибаться под действием давления. При необходимости получения большого прогиба используют соединение мембран в виде мембранных коробок (рис. 57з), а также блоки, собранные из нескольких мембранных коробок (рис. 57к). Мембраны изготавливают из металла, прорезиненной ткани, тефлона и др. (рис. 57м,н –эластичные мембраны). Заполнение мембранного блока жидкостью (рис. 57о) применяют при измерениях перепадов давления для защиты мембран от повреждения при перегрузках.

Деформационные средства измерения давления характеризуются высокой точностью, простотой конструкции, надежностью, низкой стоимостью и поэтому они получили широкое распространение для измерения давления в промышленности и на транспорте, в научных исследованиях.

На рисунке 58 показаны измерительные приборы с одновитковой трубчатой пружиной и мембранным чувствительным элементом.

Диапазон измерений манометров с трубчатой пружиной от 0 до 1000 МПа, вакуумметров 0т –0,1 до 0 МПа. Классы точности от 0,4 до 4,0.

Измерительные приборы с сильфонным чувствительным элементом характеризуются верхним пределом измерения 0,025 – 0,4 МПа. Классы точности манометров, вакуумметров и мановакуумметров: 1,5; 2,5. Максимальный диапазон измерения мембранных манометров 0 – 2,5 МПа, вакуумметров – от 0,1 до 0 МПа. Классы точности приборов: 1,5; 2,5.

При выборе манометров руководствуются правилами: рабочий предел измерения избыточного давления должен быть не более 3/4 верхнего предела измерений при постоянном давлении и не более 2/3 - при переменном давлении.

а) б)

Рис. 58. Схема манометра а)с одновитковой трубчатой пружиной, б) с мембранным чувствительным элементом

Поскольку на выходе деформационных средств измерения давления сигнал измерительной информации представлен в виде перемещения, то он легко может быть преобразован в электрический сигнал с помощью индуктивных, емкостных, тензорезисторных и других преобразовательных элементов (см. раздел3.1). В этом случае средство измерения электрической величины градуируют в единицах давления.

Рис. 59. Схемы деформационных преобразователей давления: а) индуктивного типа, б) дифференциально-трансформаторного типа, в) емкостного типа

Обозначения на рисунках. Рисунок а: 1 – мембрана, воспринимающая давление и являющаяся якорем электромагнита 2, 3 – обмотка.

Рисунок б: 1 – трубчатая пружина, 2 – преобразователь типа «перемещение – ток», 3 – тяга, 4 и 5 – две секции вторичной обмотки, 6 – подвижный сердечник из магнитомягкого материала, 7 – первичная обмотка.

Рисунок в: 1 – мембрана, являющаяся подвижным электродом емкостного преобразовательного элемента, 2 – неподвижный электрод.

При динамических измерениях для преобразования давления в электрический сигнал измерительной информации используют пьезоэлектрические преобразовательные элементы. Серийно изготавливают датчики на основе тензорезисторов и пьезоэлектриковс прямым пьезоэффектом.

Рис. 60. Схема пьезоэлектрического измерительного преобразователя давления: 1 –выводы, 2 – кварцевые пластины, 3 – камера, 4 – мембрана, 5 – электронный усилитель.

Находят применение манометры, принцип действия которых основан на эффекте ионизации.

Для измерения давления ниже атмосферного (измерения вакуума) кроме жидкостных и деформационных вакуумметров используется еще целый ряд устройств, принципиально отличающихся от рассмотренных выше. Такими вакуумметрами являются радиометрические приборы, вязкостные, ионизационные, магнитные, электроразрядные манометры [Козлов].

В области измерения взрывных давлений мерой достигнутого максимального давления может служить пластическая деформация чувствительного элемента, а также электрические, оптические и химические явления, возникающие при определенных давлениях.

Поиск по сайту: