Датчик давления

В отличие от датчика давления, манометр -- прибор, предназначенный для измерения (а не просто преобразования) давления. В манометре от давления зависят показания прибора, которые могут быть считаны с его шкалы, дисплея или аналогичного устройства.

Рисунок 1.1.1 конструкция датчика давления

1.3 Методы измерения давления

Существует несколько наиболее часто используемых методов измерения давления. Эти методы включают в себя визуальный замер высоты жидкости в колонне, метод упругой деформации и электрические методы.

Высота жидкости в колонне: Давление можно выразить как высоту жидкости с известной плотностью в трубке. Для измерения высоты жидкости в колонне, может быть использована шкала с единицами измерения расстояния, также как и откалиброванная шкала давления. Обычно в качестве жидкости в этих колоннах используется вода или ртуть. Вода используется, когда вы хотите достичь более высокой чувствительности (плотность воды значительно меньше, чем плотность жидкой ртути, так что высота столба воды будет более сильно меняться при изменении давления). Ртуть же используется, когда вы хотите измерять более высокие значения давления, но с меньшей чувствительностью.

Упругая деформация: Этот метод измерения давления основан на принципе, который гласит, что степень деформации упругого материала прямо пропорциональна прикладываемому давлению. Для данного метода, в основном, используются три типа датчиков: трубки Бурдона, диафрагмы и сильфоны.

Электрические методы: Электрические методы, используемые для измерения давления основаны на принципе, основывающимся на том, что изменение размера влияет на электрическое сопротивление проводника. Устройства, использующие для измерения давления изменение сопротивления называют тензодатчиками.

Также существуют и другие электрические датчики, например емкостные, индуктивные, магнетосопротивления (Холла), потенциометрические, пьезометрические и пьезорезистивные преобразователи.

2. Типы датчиков

Существует множество различных датчиков давления являющихся наиболее подходящими для конкретного процесса, но их обычно можно разделить на несколько категорий, а именно: упругие датчики, электрические преобразователи, датчики дифференциального давления и датчики давления вакуума. Ниже представлены категории, каждая из которых содержит уникальные внутренние компоненты более подходящие под использование в конкретной ситуации.

2.1 Упругие датчики

Большинство датчиков давления жидкости имеют упругую структуру, где жидкость заключена в небольшой отсек по меньшей мере с одной упругой стенкой. При использовании данного метода, показания давления определяются путем измерения отклонения этой эластичной стенки, представляя результат непосредственным отсчетом через соответствующие связи, либо через трансдуцированные электрические сигналы. Упругие датчики давления очень чувствительны, они довольно хрупкие и подвержены вибрации. Кроме того, они, как правило, значительно дороже, чем манометры, и поэтому в основном используются для передачи измеренных данных и измерения разности давлений. Теоретически можно использовать довольно широкий спектр упругих элементов для упругих датчиков давления. Однако большинство устройств используют ту или иную форму трубки Бурдона или диафрагмы.

2.2 Электрические датчики

Сегодня датчики не только обязательно подключаются к стрелочным указателям, для отображения давления, но также могут служить для преобразования давления в электрический или пневматический сигнал, который может быть передан в диспетчерскую в которой производится считывание и определение давления. Электрические датчики принимают данные полученные механическое воздействие от упругого датчика и включают в себя электрический компонент, таким образом, усиливая чувствительность и увеличивая сферы применения датчиков. Существуют такие типы датчиков давления: емкостной, индуктивный, датчик магнетосопротивления (датчик Холла), пьезоэлектрический, тензодатчик, виброэлемент, и потенциометрический тип датчика.

2.3 Трубки Бурдона

Индуктивные датчики давления в сочетании с диафрагмой или трубкой Бурдона. Ферромагнитный сердечник прикреплен к упругому элементу и имеет первичную и две вторичные обмотки. Ток подается на первичную обмотку. Когда сердечник по центру то то же напряжение будет индуцироваться к двум вторичными обмотками. Когда сердечник перемещается под влиянием давления, отношение напряжения между двумя вторичными обмотками изменяется. Разность напряжений пропорциональна изменению давления. Ниже показан пример индуктивного датчика давления с использованием диафрагмы. Для этого вида датчика давления, принимая камеру 1 в качестве эталонной камеры с опорным давлением Р 1 подающегося и катушку заряжаемую эталонным током. Когда давление в других камерах изменяется, диафрагма движется и индуцирует ток в другой катушке, который измеряется и выражает измеренное значение тока в единицах давления. Такие датчики могут быть использованы с любым упругим элементом (хотя, как правило, используются в сочетании с диафрагмой или трубкой Бурдона). Чтение значения создаваемого давления, будет определяться калибровкой напряжения. Таким образом, диапазон давления, в котором может быть использован этот датчик определяется относительно упругого элемента, но лежит в диапазоне от 250 Па - 70 МПа.

Рисунок 2.8.1 Индуктивный датчик давления

3. Области применения датчиков давления

Приборы для определения давления применяются, практически, во всех отраслях промышленности, особенно в машиностроении, химической, пищевой промышленности и энергетике. Датчики давления можно разделить на следующие группы по типу измеряемого давления:

Датчики абсолютного давления. Точкой отсчета для датчиков абсолютного давления служит нулевое давление, то есть вакуум. Их применяют в основном на химических, пищевых производствах, в фармацевтике - там, где параметры технологического процесса зависят от абсолютного значения давления. Измеряемое абсолютное давление обычно не превышает значения 50-60 Бар. Датчики относительного давления. Показания этих датчиков отсчитываются от значения внешнего атмосферного давления.

Датчики относительного давления применяют в системах водоснабжения, различных трубопроводах и емкостях.

Далее - датчики дифференциального давления. Датчики имеют два входа, и результатом измерения является разница давлений между этими двумя входами. Эта разница может быть как положительной, так и отрицательной, однако некоторые модели датчиков могут измерять только односторонние изменения давлений. Датчики дифференциального давления применяются для контроля загрязнения фильтров при фильтрации жидкостей, или газов. Также они могут использоваться как датчики уровня жидкости при измерении уровня гидростатическим методом.

4. Принцип работы манометра

Принцип действия манометра основан на уравновешивании измеряемого давления силой упругой деформации трубчатой пружины или более чувствительной двухпластинчатой мембраны, один конец которой запаян в держатель, а другой через тягу связан с трибко-секторным механизмом, преобразующим линейное перемещение упругого чувствительного элемента в круговое движение показывающей стрелки.

Рисунок 4.1 Принципиальная схема манометра 1 - штуцер; 2 - манометрическая пружина; 5 - ось; 6 - сектор; 7 - стрелка; 8 - циферблат; 9- тяга;10- ведущий поводок; 11 - контакт «min»; 12 - контакт «max»

4.1 Жидкостные манометры

Жидкостные манометры отличаются простотой устройства при относительно высокой точности измерения. Их действие основано на уравновешивании внешнего давления столбом затворной (рабочей) жидкости, в качестве которой используют ртуть, воду, трансформаторное масло или спирт.

U-образный манометр представляет собой стеклянную трубку, изогнутую в виде буквы U и заполненную затворной жидкостью так, чтобы уровень жидкости в обоих коленах находился против нулевых отметок. Один конец трубки подсоединяется к объему, в котором необходимо измерить давление Р, а второй сообщается с атмосферой. Отсчет производится по шкале. Разность уровней h определяет избыточное давление Р и плотность жидкости у.

Верхний предел измерения U-образного манометра составляет 10 кПа. при этом погрешность не превышает 2 %.

U-образные манометры используют для измерения разрежения или разности давлений. Основным недостатком U-образных манометров является необходимость снятия при каждом замере двух отсчетов. Этот недостаток частично устранен в чашечном манометре (рис. 1,6), состоящем из сосудов разного диаметра. Под действием измеряемого давления Р уровень жидкости в чашке снижается на высоту h2, значительно меньшую высоты h (диаметр чашки в несколько раз больше диаметра трубки). Разность уровней h в чашечном манометре в основном определяется перемещением мениска в тонкой трубке, так как h1 > h2.

Чашечные манометры имеют верхний предел измерения 10 кПа, а погрешность измерения составляет 0,4... 0,25 %.

При точных измерениях небольших избыточных давлений и разрежений применяют специальные чашечные манометры с наклонной трубкой (рис.1,в). Изменение угла наклона, а трубки позволяет при малой высоте h1 получить более точное измерение.

Жидкостные стеклянные манометры не приспособлены для записи показаний и их дистанционной передачи. Поэтому их используют, в основном, для местного контроля, а также для поверки и градуировки манометров других систем.

Рисунок 4.1.1 Жидкостные манометры

4.2 Мембранные манометры

Мембранный манометр типа ММ (рис.3) предназначен для измерения давления до 2,5 МПа. В манометре под действием измеряемого давления мембрана 2, находящаяся в коробке 1, прогибается, перемещая шток 3, соединенный через рычаг 4 с зубчатым сектором 6. Зубчатый сектор находится в зацеплении с зубчатым колесом 8, которое через пружину 9 соединено со стрелкой 7, перемещающейся по шкале 5. Снизу у манометра предусмотрен резьбовой штуцер для установки манометра на объект измерения.

Мембранные манометры применяют, как правило, для измерения небольших давлений. Недостатками мембранных манометров являются малая чувствительность системы, трудность регулировки и изменение характеристик во времени вследствие «усталости мембраны».

Для изготовления мембран используют бронзу, латунь и хромоникелевые сплавы.

Рисунок 4.2.1 Мембранный манометр

4.3 Грузопоршеневые манометры

В этих приборах измеряемое давление определяется по величине нагрузки, воздействующей на поршень определенной площади. Грузопоршневые манометры имеют высокую точность (0,02; 0,05; 0,2) и широкий диапазон измерения (0,1- 250 МПа). Обычно их применяют для градуировки и поверки грузопоршневых манометров.

Грузопоршневой образцовый манометр МП-60 (рисунок 4), предназначенный для поверки технических манометров с одновитковой трубчатой пружиной состоит из вертикального цилиндра 8 с тщательно пригнанным стальным поршнем 5, на верхнем конце которого закреплена тарелка 7 для укладки образцовых грузов 6, имеющих форму дисков. Воронка 4 служит для заполнения прибора минеральным маслом. Прибор имеет поршневой пресс 1 с манжетным уплотнением. Для установки поверяемых манометров предназначены штуцеры 3 и 10. Игольчатые вентили 2, 9, и 11 служат для перекрытия каналов, вентиль 12 для спуска масла. Создаваемое грузом давление P = m/A, где m - масса поршня с тарелкой и грузом; А - эффективная площадь поршня, за которую принимают сумму площади сечения поршня и половину площади кольцевого зазора между поршнем и цилиндром (обычно А=0,996-1,004см²). Пределы измерения прибора 0 - 6 МПа. Класс точности 0,05.

Рисунок 4.3.1 Грузопоршневой образцовый манометр

4.4 Электрические манометры

Действие этих приборов основано на зависимости электрических параметров преобразователя давления от величины измеряемого давления. К ним относятся: пьезометрические манометры, в которых используется зависимость электрического заряда пьезоэлемента от измеряемого давления; манометры сопротивления, основанные на зависимости электрического сопротивления чувствительного элемента от измеряемого давления; ионизационные манометры, действие которых базируется на зависимости силы тока положительных ионов, образованных в результате ионизации молекул разреженного газа, от измеряемого давления; а также радиоизотопные манометры, в которых для ионизации газа используется излучение радиоизотопных источников.

5. Применение манометров