Методы и средства измерения давления

Давление характеризует напряженное состояние жидкостей и газов в условиях всестороннего сжатия и определяется частным от деления нормальной к поверхности силы на площадь этой поверхности

, (1)

где р — давление; N — нормальная сила, действующая на поверхность; F — площадь поверхности.

В применяемых до настоящего времени жидкостных манометрах мерой измеряемого давления является высота столба жидкости. Поэтому естественно применение единиц давления, определяемых высотой столба жидкости, т. е. основанных на единицах длины. В странах с метрически­ми системами мер получили распространение единицы давления милли­метр и метр водяного столба (мм вод. ст. и м вод. ст.) и миллиметр ртутного столба (мм рт. ст.).

Размеры этих единиц давления пересчитываются в единицы СИ на основании формулы

(2)

где Н - высота столба жидкости, м, р - плотность жидкости, кг/м3, g -ускорение свободного падения, м/с2.

 

Методы измерения давления во многом предопределяют как принци­пы действия, так и конструктивные особенности средств измерений. В этой связи в первую очередь следует остановиться на наиболее общих ме­тодологических вопросах техники измерения давления.

Давление, исходя из самых общих позиций, может быть определено как путем его непосредственного измерения, так и посредством измере­ния другой физической величины, функционально связанной с измеряе­мым давлением.

В первом случае измеряемое давление воздействует непосредствен­но на чувствительный элемент прибора, который передает информацию о значении давления последующим звеньям измерительной цепи, преоб­разующим ее в требуемую форму. Этот метод определения давления яв­ляется методом прямых измерений, и получил наибольшее распростране­ние в технике измерения давления. На нем основаны принципы действия большинства манометров и измерительных преобразователей давления.

Во втором случае непосредственно измеряются другие физические величины или параметры, характеризующие физические свойства изме­ряемой среды, значения которых закономерно связаны с давлением (температура кипения жидкости, скорость распространения ультразву­ка, теплопроводность газа и т. д.). Этот метод является методом косвен­ных измерений давления и применяется, как правило, в тех случаях, когда прямой метод по тем или иным причинам неприменим, например, при измерении сверхнизкого давления (вакуумная техника) или при изме­рении высоких и сверхвысоких давлений [1].

Давление является производной физической величиной, определяе­мой тремя основными физическими величинами — массой, длиной и вре­менем. Конкретная реализация значения давления зависит от способа воспроизведения единицы давления. При измерении по формуле (1) давление определяется силой и площадью, а по формуле (2) — длиной, плотностью и ускорением. Методы определения давления, основанные на измерении указанных величин, являются абсолютными (фундамен­тальными) методами и применяются при воспроизведении единицы дав­ления эталонами грузопоршневого и жидкостного типа, а также позволя­ют, при необходимости, производить аттестацию образцовых средств измерений.

Относительный метод измерений, в отличие от абсолютного, основан на предварительном исследовании зависимости от давления физических свойств и параметров чувствительных элементов средств измерения дав­ления при методах прямых, измерений или других физических величин и свойств измеряемой среды — при методах косвенных измерений. На­пример, деформационные манометры перед их применением для измерения давления должны быть сначала отградуированы по образцовым средствам измерений соответствующей точности.

Помимо классификации по основным методам измерений и видам давления, средства измерений давления классифицируют по принципу действия, функциональному назначению, диапазону и точности измере­ний.

Наиболее существенный классификационный признак — принцип действия средства измерения давления, в соответствии с ним и построе­но дальнейшее изложение.

Современные средства измерений давления представляют собой измерительные системы, звенья которых имеют различное функциональное назначение. Обобщенные блок-схемы манометров и измерительных преобразователей давления приведены соответственно на рис. 1, а и б. Важнейшим звеном любого средства измерения давления является его чувствительный элемент (ЧЭ), который воспринимает измеряемое давление и преобразует его в первичный сигнал, поступающий в измеритель­ную цепь прибора. С помощью промежуточных преобразователей сигнал от ЧЭ преобразуется в показания манометра или регистрируется им, а в измерительных преобразователях (ИНД) - в унифицированный выходкой сигнал, поступающий в системы измерения, контроля, регулирования и управления. При этом промежуточные преобразователи и вто­ричные приборы во многих случаях унифицированы и могут приме­няться в сочетании с ЧЭ различных типов. Поэтому принципиальные особенности манометров и ИПД зависят, в первую очередь, от типа ЧЭ [1].

 

 

Рис. 1. Структурные блок-схемы:

а — манометра; б — измерительного преобразователя давле­ния; р — измеряемое давление; 1 — чувствительный эле­мент (первичный преобразователь); 2 — промежуточные преобразователи; 3 — показания; 4 — регистрация; 5 — выходной сигнал; → к системам: I — измерения и контроль; II - регистрации; III — регулирования; IV – управления

По принципу действия ЧЭ средства измерения давления можно разделить на следующие основные группы.

1. Средства измерения давления, основанные на прямых абсолютных методах: поршневые манометры и ИПД, в том числе и грузопоршневые манометры, манометры с нецилиндрическим неуплотненным поршнем, колокольные, кольцевые и жидкостные манометры.

В первых трех манометрах метод измерений реализуется уравнением (1), основанным на определении величины давления по отношению си­лы к площади; в жидкостных манометрах - уравнением (2), основан­ным на уравновешивании давления столбом жидкости.

2. Средства измерения давления, основанные на прямых относитель­ных методах: деформационные манометры и ИПД, в том числе и с силовой компенсацией; полупроводниковые манометры и ИПД; манометры других типов, основанные на изменении физических свойств ЧЭ под дей­ствием давления.

3. Средства измерения давления, основанные на методах косвенных измерений: установки и приборы для определения давления по результа­там измерения других физических величин; установки и приборы для определения давления по результатам измерения параметров физических свойств измеряемой среды (термопарные и ионизационные вакууммет­ры, ультразвуковые манометры, вязкостные вакуумметры и др.).

Следует отметить, что абсолютные методы измерений, заложенные в поршневых и жидкостных манометрах, во многих случаях на практике не реализуются. Например, жидкостные манометры, исключая первичные эталоны, градуируются и поверяются не абсолютным, а относительным методом, путем их сличения с образцовыми средствами измерений соот­ветствующей точности.

Деформационные измерительные преобразователи давления, основанные на методе прямого преобразования.

Выпускаемые в настоящее время измерительные преобразователи давления, основанные на методе прямого преобразования, разли­чаются как видом деформационного чувствительного элемента, так и способом преобразования его перемещения или развиваемого им усилия в сигнал измерительной информации. Для преобразования перемещения чувствительного элемента в сигнал измерительной ин­формации широко применяются индуктивные, дифференциально-трансформаторные, емкостные, тензорезисторные и другие преоб­разовательные элементы. Преобразование усилия, развиваемого чувствительным элементом, в сигнал измерительной информации осуществляется пьезоэлектрическими преобразовательными эле­ментами.

1.1.4 Деформационные измерительные преобразователи давления, основанные на методе прямого преобразования