Глава 10. Датчики давления
ИЗМЕРЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ В ОТРАСЛИ ПРОМЫШЛЕННОСТИ
1. Методы и средства измерений давлений
1.1 Виды давления. Единицы измерений. Средства измерений давления. Классификация. Жидкостные манометры. V - образные и колокольные дифманометры. Метрологические характеристики
Различают следующие виды давления:
· Атмосферное (барометрическое) давление - давление, создаваемое массой воздушного столба земной атмосферы.
· Абсолютное давление - давление, отсчитанное от абсолютного нуля. За начало отсчета абсолютного давления принимают давление внутри сосуда, из которого полностью откачен воздух.
Термин абсолютное давление применяется для давления, измеренного относительно нулевого давления. Термин давление датчика (относительное давление) используется для давления, измеренного относительно атмосферного давления. На поверхности Земли абсолютное давление считается равным 100 кПа. На поверхности Земли справедливо:
абсолютное давление = относительное давление + атмосферное давление
Относительное давление на некоторой глубине h покоящейся жидкости, возникающее из-за действия веса столба жидкости над ней. Сила, действующая на поверхность площадью S на этой глубине, равна весу жидкости, находящейся непосредственно над этой площадкой, т.е..
. (6.1)
· Избыточное давление -- это давление газа, превышающее давление окружающей среды. В противоположном случае -- речь идет о вакууме. Избыточное давление - разность, между абсолютным и барометрическим давлениями.
· Вакуум (разрежение) - разность между барометрическим и абсолютным давлениями.
Единицы измерений
В системе СИ единицей измерения давления является Паскаль:
1 Па=1Н/м2.
Это значит, что давление 1 Паскаль равно силе, равномерно распределенной по поверхности площадью 1 квадратный метр. Иногда в качестве технической единицы измерения давления применяется единица, называемая атмосфера, обозначаемая 1 атм. Одна атмосфера это давление, которое оказывает столб воды высотой 1 метр на площадку 1 квадратный сантиметр при температуре +4°С и нормальном гравитационном ускорении. Между единицами давления существует следующая взаимосвязь:
1Па = 9.869х 10-6 атм = 7.5x10-4 см ртутного столба.
В промышленности применяется другая единица давления, называемая торр (это название дано в честь физика Торричелли), которая определяется как давление, создаваемое столбиком ртути высотой 1 мм при 0°С, нормальном атмосферном давлении и нормальной гравитации. Идеальное давление атмосферы Земли, равное 760 торр, называется технической атмосферой:
1атм = 760 торр = 101.325 Па.
Средства измерений давления. Классификация
Средства измерений давления классифицируют:
· По виду измеряемого давления средства измерений подразделяют на:
- манометры избыточного давления - для измерения избыточного давления;
- манометры абсолютного давления - для измерения давления, отсчитанного от абсолютного нуля;
- барометры - для измерения атмосферного давления;
- вакуумметры - для измерения вакуума (разрежения);
- мановакуумметры - для измерения избыточного давления и вакуума (разрежения).
Кроме перечисленных средств измерений в практике измерений получили распространение:
- напоромеры - манометры малых избыточных давлений (до 40 кПа);
- тягомеры - вакуумметры с верхним пределом измерения не более - 40 кПа;
- тягонапоромеры - мановакуумметры с диапазоном измерений (+20) ч (-20) кПа;
- вакуумметры остаточного давления - вакуумметры, предназначенные для измерения глубокого вакуума или остаточного давления, т.е. абсолютных давлений мене 200Па;
- дифференциальные манометры - средства измерений разности давлений.
· В зависимости от принципа, используемого для преобразования силового воздействия на чувствительный элемент в показания СИ давления разделяются на: жидкостные, деформационные, поршневые, электрические, ионизационные, тепловые.
В жидкостных манометрах измеряемое давление или разность давлений уравновешивается давлением столба жидкости. В приборах используют принцип сообщающихся сосудов, в которых уровни рабочей жидкости совпадают при равенстве давлений над ними, а при неравенстве занимают такое положение, когда избыточное давление в одном из сосудов уравновешивается гидростатическим давлением столба жидкости в другом.
В деформационных манометрах используется зависимость деформации чувствительного элемента или развиваемой им силы от измеряемого давления. Пропорциональная последнему деформация или сила преобразуется в показания или соответствующие изменения выходного сигнала. В соответствии с используемым чувствительным элементом деформационные манометры подразделяют на трубчато-пружинные, сильфонные и мембранные.
К электрическим приборам для измерения давления относятся манометры с тензопреобразователями и пьезоэлектрические. Чувствительным элементом манометров с тензопреобразователями является мембрана, на которой размещены проволочные, фольговые или полупроводниковые резисторы. При деформации мембраны под действием контролируемого давления сопротивление резисторов меняется. Принцип действия пьезоэлектрических манометров основан на пьезоэлектрическом эффекте, сущность которого заключается в возникновении электрических зарядов на поверхности сжатой кварцевой пластины, вырезанной перпендикулярно к электрической оси кристаллов кварца.
Для измерения давления в диапазоне от 10-11 до 1012 Па используют ионизационные манометры, основным элементом которых является стеклянная манометрическая лампа. Принцип действия приборов заключается в том, что эжектируемые раскаленным катодом электроны ускоряются положительным напряжением, приложенным между анодом и катодом, и при своем движении ионизируют молекулы разреженного газа. Положительные ионы попадают на отрицательно заряженный коллектор; при постоянстве анодного напряжения и электронной эмиссии величина коллекторного тока зависит от измеряемого давления.
В поршневых манометрах измеряемое давление уравновешивается силой тяжести неуплотненного поршня с грузами. Манометры используют в качестве образцовых средств воспроизведения единицы давления в диапазоне от 10-1 до 1010 Па, а также для точных измерений давления в лабораторной практике.
Жидкостные манометры. V-образные и колокольные дифманометры. Метрологические характеристики U-образный манометр
Базовый вид U-образного трубчатого манометра состоит из U-образной трубки, содержащей жидкость (Рис. 1).
Рисунок 1 U-образный трубчатый манометр
Перепад давления газов над жидкостью в двух ветвях создает разность h в вертикальных высотах жидкости. Давления у оснований двух столбиков жидкости равны и соответственно. Так как они одинаковы по закону Паскаля, то:
(6.2)
где -- плотность жидкости в манометре, g -- ускорение свободного падения. Следовательно, перепад давления Р:
(6.3)
Если одна из ветвей такого манометра сообщается с атмосферой, то перепад давления равен относительному давлению. В качестве манометрических жидкостей обычно используются вода, спирт или ртуть. При этом может быть измерен перепад давления в диапазоне 20 Па - 140 кПа. Ошибки могут возрастать, если высоты измерены не в строго вертикальном направлении, а также за счет влияния температуры на плотность жидкости и использования неточных величин ускорения земного притяжения. Типичное значение погрешности измерения перепада давления при помощи U-образной трубки составляет ±1%. Поправки, которые необходимо делать на температурную зависимость плотности манометрической жидкости, вытекают из следующего: масса m жидкости при 0°С в объеме V0 и плотности 0 связаны соотношением:
(6.4)
При температуре t та же масса жидкости будет иметь объем V0 и плотность 0, т.е.
(6.5)
Следовательно:
(6.6)
Объем при температуре t связан с объемом при температуре 0°С как:
(6.7)
где -- коэффициент объемного расширения жидкости. Следовательно:
(6.8)
Таким образом, пренебрегая любыми другими поправками, давление, измеренное таким манометром при температуре t, приводится к давлению при 0°С по формуле:
(6.9)
Для уточнения значений ускорения свободного падения в зависимости от географической широты и высоты над уровнем моря Н обычно используют следующую зависимость
В зависимости от широты ускорение свободного падения может изменяться от 9,78049 м/c2 при =0° до 9, 83221 м/c2 при =90° при нулевых высотах над уровнем моря.
Манометр с наклонной трубкой.
Манометр с наклонной трубкой (Рис. 2) - это U-образная трубка, одна ветвь которой имеет большую площадь поперечного сечения, чем другая. Узкая ветвь наклонена под некоторым углом к горизонтали.
Рисунок 2
Вертикальное смещение уровня жидкости в наклонной ветви связано с перемещением х жидкости вдоль трубки соотношением:
(6.10)
Так как перемещение х измеряется, то справедливо следующее:
(6.11)
Это уравнение можно представить в следующем виде:
(6.12)
Так как перемещение х больше, чем вертикальное смещение, это дает более высокую точность по сравнению с обычным U-образным манометром.
Колокольные дифманометры
Предназначены для измерения давления нагретых газов. Чувствительным элементом прибора является колокол (4), частично погруженный в трансформаторное масло (2) и соединенный с системой рычагов со стрелкой (5). Внутрь колокола введена трубка (1), соединяемая с окружающей средой. С измерением давления в подколокольном пространстве, колокол либо поднимается, либо опускается, приводя в действие стрелку прибора. При использовании прибора в качестве дифманометра к колоколу подводится разность давлений, большее давление создается в пространстве над колоколом с помощью трубки (3), меньшее в пространстве под колоколом. Дифманометры выпускаются на перепады давления 1-4 МПа. Основная погрешность измерения ±(1,6-4%)
Колокольные дифманометры с гидростатическим уравновешиванием обладают высокой чувствительностью и могут быть использованы для измерения малых давлений, перепадов давлений и разрежений.
Некоторые модификации колокольных дифманометров с гидростатическим уравновешиванием оснащаются преобразователями, посредством которых перемещение поплавка преобразуется в унифицированный сигнал измерительной информации, передаваемый по каналу связи.
Жидкостные средства измерения имеют высокую точность, однако сложны по конструкции и в обслуживании, поэтому используются редко.
Рисунок 3 Колокольный дифманометр: 1, 3 - трубка; 2 - трансформаторное масло; 4 - колокол; 5 - система рычагов со стрелкой
1.2 Деформационные манометры. Элементы, воспринимающие давление. Метрологические характеристики. Тензо и пьезорезистивные манометры. Вакуумметры. Измерение перепада давлений. Требования к установке манометров, дифманометров. Метрологическое обеспечение СИ давления
измерение давление электрический прибор
Деформационные манометры. Элементы, воспринимающие давление. Метрологические характеристики
Высокая точность, простота конструкции, надежность и низкая стоимость являются основными факторами, обуславливающими широкое распространение деформационных приборов для измерения давления в промышленности и научных исследованиях.
Принцип действия деформационных средств измерений давления основан на использовании упругой деформации чувствительного элемента (ЧЭ) или развиваемой им силы. Мерой измеряемого давления в средствах измерений данного вида является деформация упругого чувствительного элемента или развиваемая им сила. Различают три основные формы ЧЭ, получивших распространение в практике измерения: трубчатые пружины, сильфоны и мембраны.
Трубчатые пружины
Трубчатая пружина (манометрическая трубка, пружина Бурдона) -- упругая криволинейная металлическая полая трубка, один из концов которой имеет возможность перемещаться, а другой -- жестко закреплен. Трубчатые пружины используются в основном для преобразования измеряемого давления, поданного во внутреннее пространство пружины, в пропорциональное перемещение ее свободного конца.
Трубки Бурдона -- это трубки с поперечным сечением почти прямоугольной или эллиптической формы, выполненные из материалов типа нержавеющей стали или фосфористой бронзы. По форме эти трубки изгибаются в виде буквы «С» (Рис. 4 а). Когда давление внутри трубки увеличивается, то С-форма раскрывается и, таким образом, происходит перемещение закрытого конца такой С-трубки. Это дает возможность измерять давление.
Спиральная форма трубки рис. 4 б позволяет получить большие смещения ее конца. В другом варианте трубка закручивается винтом рис. 4 в, и изменение давления приводит к ее раскручиванию.
Увеличение давления в трубке заставляет ее распрямляться, величина этого перемещения зависит от изменения давления.
Рисунок 4
Перемещение конца трубки можно измерять различными способами.
Рисунок 5
Например, непосредственно по перемещению стрелки, приводимой в движение системой шестеренок и рычагов (Рис. 5 а). Можно перемещать движок потенциометра (Рис. 5 в) или сердечник линейно-перестраиваемого дифференциального трансформатора (Рис. 5 б). Приборы на основе трубок Бурдона обычно работают в диапазоне давлений 10 кПа...100 МПа. Этот диапазон зависит от того, какая форма и материал используются для изготовления трубки. С-образные трубки, изготовленные из латуни или фосфористой бронзы, имеют диапазон измеряемых давлений 35 кПа...100 МПа. Спиральные и винтообразные трубки имеют большее расширение и большую чувствительность, но, как следствие этого, меньшее максимальное давление, которое может быть измерено, обычно до 50 МПа. Бурдоновские трубки прочные, имеют точность ±1% к полной шкале измерения.