Средства измерения давления. Пр-п действия,конструкции,хар-ка

Давлением наз. отношение силы, действующей перпендикулярно поверхности, к площади этой пов-ти. Давлением во многом определ. ход технолог. пр-са, состояние технолог. аппаратов и режимы их функцион-ния. виды давления:

Атмосферное (барометрическое) давление – давление, создаваемое массой воздушного столба земной атмосферы. Абсолютное давление – полное давление с учетом давления атмосферы, отсчитываемое от абсолютного нуля. Избыточное давление – разность м-ду абсолютным и барометрическим давлениями. Вакуум (разрежение) – разность м-ду барометрическим и абсолютным давлениями. Дифференциальное давление – разность двух измеряемых давлений, ни одно из кот. не явл. давлением окружающей среды.

В системе (СИ) за ед-цу давления принят Паскаль (Па) – давление, создаваемое силой в 1 Ньютон (Н), равномерно распределенной по поверхности площадью 1 м² и направленной нормально к ней.Давление в 1 Па очень мало и поэтому наряду с системной единицей широко исп. и внесистемные единицы: бар (10⁵ Па), миллиметр ртутного столба, килограмм-сила на квадратный сантиметр (атм), миллиметр водного столба. Средства измерений давления классифиц. по виду измеряемого давления и пр-пу действия. По виду измеряемого давления средства измерений подразделяют на:

- манометры избыточного давления,

- манометры абсолютного давления,

- барометры,

- вакуумметры,

- мановакуумметры – для измер.избыточного и вакуумметрического давления;

- напоромеры – манометры малых избыточных давлений (до 40 кПа);

- тягомеры – вакуумметры с верхним пределом измерения до 40 кПа;

- дифференциальные манометры – средства измерений разности давлений.

Общий пр-п действия манометров осн. на уравновешивании измеряемого давления некот. известной силой. По пр-пу действия средства измерений давления:жидкостные, поршневые, деформационные (пружинные) и др.

Пр-п действия жидкостных манометров основан на з-не Паскаля – измеряемое давление уравновешивается весом столба рабочей жидк.: P = ρgh. Состоят из резервуара и капилляра. В кач-ве рабочих жидк. используются дистиллированная вода, ртуть, этиловый спирт. Применяются для измерений малых избыточных давлений и вакуума, барометрического давления. Они просты по конструкции, но отсутствует дистанционная передача данных.

Иногда для увеличения чувствительности капилляр располагают под некот. углом к горизонту. Тогда: P = ρgL Sinα.

В деформационных манометрах исп-тся противодействие упругой деформации чувствительного элемента (ЧЭ) или развиваемой им силы. Различают три основные формы ЧЭ, получивших распростр.ие в практике измерения: трубчатые пружины, сильфоны и мембраны.

Трубчатая пружина (манометрическая пружина, трубка Бурдона) – упругая металлич. трубка, один из концов кот. запаян и имеет возм-сть перемещаться, а другой – жестко закреплен. Трубчатые пружины исп. в основном для преобразования измеряемого давления, поданного во внутреннее пространство пружины, в пропорциональное перемещ. ее свободного конца.

Наиб. распростр.одновитковая трубчатая пружина, представляющая собой изогнутую на 270° трубку с овальным или эллиптическим поперечным сечением. Под влиянием поданного избыточного давления трубка раскручивается, а под действием разрежения скручивается. Такое направление перемещ. трубки объясняется тем, что под влиянием внутреннего избыточного давления малая ось эллипса увелич., в то время как длина трубки остается постоян.. Основной «-» рассмотренных пружин – малый угол поворота, что требует применения передаточных мех-змов. С их пом. перемещ. свободного конца трубчатой пружины на неск-ко градусов или миллиметров преобразуется в угловое перемещ. стрелки на 270 – 300°. «+» – близкая к линейной статическая хар-тика. Основное применение – показывающие приборы. Диапазоны измерений манометров от 0до10³МПа; вакуумметров – от 0,1 до 0 МПа. Классы точности приборов: от 0,15 (образцовые) до 4.Трубчатые пружины изготавливают из латуни, бронзы, нержавеющей стали.

Сильфоны. Сильфон – тонкостенный металлический стакан с поперечными гофрами. Дно стакана перемещ. под действием давления или силы.

В пределах линейности статической хар-тики сильфона отношение действующей на него силы к вызванной ею деформации остается постоян. и наз-тся жесткостью сильфона. Сильфоны изготовляют из бронзы различных марок, углеродистой стали, нержавеющей стали, алюминиевых сплавов и др. Серийно производят сильфоны диаметром от 8 –10 до 80 – 100 мм и толщиной стенки 0,1 – 0,3 мм.

Мембраны. Бывают упругие и эластичные мембраны. Упругая мембрана – гибкая круглая плоская или гофрированная пластина, сп-бная получить прогиб под действием давления.

 

Статическая хар-тика плоских мембран измен. нелинейно с увелич. давления, поэтому в кач-ве рабочего участка используют небольшую часть возможного хода. Гофрированные мембраны могут применяться при больших прогибах, чем плоские, т.к. имеют значительн.о меньшую нелинейность хар-тики. Мембраны изготовляют из различных марок стали: бронзы, латуни и т. д. Гофры применяются треугольной, трапециевидной, синусоидальной и круговой форм. Глубина гофр оказывает существенное влияние на линейность статической хар-тики. Чем больше глубина гофр, тем выше линейность статической хар-тики.

Полупроводниковые датчики давления (HONEYWELL) относ. к деформационным и состоят из четырех идентичных резисторов, имплантированных на поверхность круглой тонкой кремниевой диафрагмы и включенных по схеме моста Уитсона. При этом для повышения чувствительности сопротивление двух противоположных резисторов при деформации увелич., а двух других – уменьш.. По сравнению с сенсорами на основе металлич. мембран, кремниевые имеют неск-ко преимуществ:1)долговременная стабильность параметров. Однородный кристалл кремния явл. идеальным м-м для восприятия усилий благодаря своей сверхэластичности, не меняющейся даже при экстремальных нагрузках. Ему несвойственна остаточная деформация после снятия усилия. Он либо сохраняет свою точную первоначальную форму, независимо от приложенного усилия, либо разрушается в случае возникновения предельно допустимой деформации;2)более выс. тензочувствительность – почти в 100 раз выше, чем у классич. тензодатчиков с металлич. мембраной; 3)более выс. точность и линейность хар-тики преобразования; 4)очень малые габариты, дешевизна (при серийном производстве), выс. надежность и простота эксплуатации.

Дифманометры. В дифманометрах на ЧЭ(чувств.элемент) действуют два давления в противоположных направлениях. Жидкостный ДМ представл. собой U – образную трубку.

Особенностью работы явл. то, что измеряемый перепад давлений м.б. значительн.о меньше подводимых давлений Р₁ и Р₂. Поэтому в хар-ках ДМ кроме диапазона измерений дополнит. указ. рабочее давление – давление, на кот. рассчитан корпус прибора. Кроме того, большее давление всегда подают в одну и ту же камеру, кот. наз-тся «плюсовой». «+» – простота конструкции, наглядность показаний. «-» – только для газов, малые рабочие давления, невозм-сть передачи инф-ции на расстояние. В кач-ве деформационных ЧЭ чаще используют сильфоны и мембраны. При подключении дифманометра к проц-су (трубопроводу или аппарату) должна отсутствовать возм-сть разрушения ЧЭ (вследствие разницы измеряемого перепада и рабочих давлений), для чего исп-тся специальная схема подключения. ДМ подключается с пом. трубок, кот. наз-тся импульсными и представляют собой стальные или медные трубки диаметром 6 – 10 мм.

Многие промышленные дифманометры (например, Сапфир 22 –ДД) преобразуют перепад давлений в унифицированный токовый сигнал 0–5 мА или пневматический – 0,02 – 0,1МПа.

Электрич. манометры Кроме первичных приборов давления, кот. вместе с вторичными преобразователями реализуют измерительную цепь «давление–перемещ.–унифицированный электрический сигнал», сущ. электрич. приборы давления, в ЧЭ кот.идет прямое преобразование давления в электрич. измерительный сигнал. Электрич. манометры, пр-п действия кот.осн. на зав-сти электрического сопротивления веществ от измеряемого давления, наз-ют тензопреобразователями. В приборах серии «Сапфир» в кач-ве ЧЭ служит сапфировая мембрана с напыленными полупроводниковыми сопротивлениями. Полупроводниковые тензопреобразователи в сравнении с металлическими обладают большей чувствит-стью, малыми размерами и массой. Манометр «Сапфир-22ДИ» предназначен для измерения избыточного давления и состоит из измерительного блока 4 и унифицированного электронного устройства 5. Внутри основания 2 блока 4 размещен мембранный тензопреобразователь 7, полость 8 кот. заполнена кремнийорганической жидк.ю и отделена от измеряемой среды металлической гофрированной мембраной 10. Мембрана приварена по наружному контуру к основанию 2. Чувствительным элементом тензопреобразователя явл. пластина из монокристаллического сапфира с кремниевыми пленочными тензорезисторами, прочно соединенная с мембраной 10.

Измеряемая величина (давление среды в технологическом ап-те или трубопроводе) подается в камеру 11 фланца измерительного блока и воздействует на мембрану, вызывая ее прогиб и изменение электрического сопротивления тензорезисторов. Электрич. сигнал от тензопреобразователя передается от измерительного блока в электронное устр-во 5 по проводам ч-з вывод 6. Электронное устр-во преобразует этот сигнал в токовый вых. сигнал манометра, знач. кот. зависит от измеряемого давления. Эти манометры исп. в системах автоматизации в кач-ве измерительных преобразователей давления или разрежения со вторичной регистрирующей и показывающей аппаратурой и автоматическими регуляторами, работающими от стандартного электрического входного сигнала 0...5, 0...20 или 4... 20 мА постоянного тока. Недостатками приборов серии «Сапфир» явл. необх-мость индивидуальной градуировки и зав-сть показаний прибора от темп-ры измеряемого объекта. Из-за последнего недостатка приходится вводить в измерительную схему устройства термокомпенсации.