Средства измерения давления

Размещено на http://www.allbest.ru/

Средства измерения давления

1. Жидкостные манометры

Вопросы водоснабжения для человечества всегда были очень важными. Честь первооткрывателя принадлежит крупнейшему итальянскому художнику Леонардо да Винчи (1452-1519 гг.), который впервые применил пьезометрическую трубку для измерения давления воды в трубопроводах. Дальнейшее развитие науки и техники привело к появлению большого количества жидкостных манометров различных типов, при измерениях особо высокой точности в области давлений, близких к атмосферному, они пока незаменимы.

Принцип действия жидкостных манометров можно проиллюстрировать на примере U-образного жидкостного манометра , состоящего из двух соединенных между собой вертикальных трубок 1 и 2, наполовину заполненных жидкостью. В соответствии с законами гидростатики при равенстве давлений и свободные поверхности жидкости (мениски) в обеих трубках установятся на уровне I-I. Если одно из давлений превышает другое (), то разность давлений вызовет опускание уровня жидкости в трубке 1 и, соответственно, подъем в трубке 2, вплоть до достижения состояния равновесия. При этом на уровне II-II уравнения равновесия примет вид

Чашечный жидкостный манометр состоит из соединенных между собой чашки 1 и вертикальной трубки 2, причем площадь поперечного сечения чашки существенно больше, чем трубки. Поэтому под воздействием разности давления изменение уровня жидкости в чашке гораздо меньше, чем подъем уровня жидкости в трубке:

,

где - изменение уровня жидкости в чашке; - изменение уровня жидкости в трубке; - площадь сечения трубки; - площадь сечения чашки.

Поэтому при известном коэффициенте разность давлений может быть определена по изменению уровня жидкости в одной трубке, что упрощает процесс измерений.

Двухчашечный манометр состоит из двух соединенных при помощи гибкого шланга чашек 1 и 2, одна из которых жестко закреплена, а вторая может перемещаться в вертикальном направлении. При равенстве давлений и чашки, а следовательно, сводные поверхности жидкости находятся на одном уровне I-I. Если , то чашка 2 поднимается вплоть до достижения равновесия.

Единство принципа действия жидкостных манометров всех типов обусловливает их универсальность с точки зрения возможности измерения давления любого вида - абсолютного и избыточного и разности давлений.

Микроманометр , состоит из чашки 1, которая соединена с трубкой 2, установленной под углом ? к горизонтальному уровню I-I. Если при равенстве давлений и поверхности жидкости в чашке и трубке находились на уровне I-I, то увеличение давления в чашке () вызовет опускание уровня жидкости в чашке и ее подъем в трубке. При этом высота столба жидкости , и его длина по оси трубки будут связаны соотношением

.

Второй способ увеличения чувствительности состоит в уравновешивании давления столбом двух несмешивающихся жидкостей. Двухчашечный манометр заполняется жидкостями так, чтобы граница их раздела находилась в пределах вертикального участка трубки, примыкающей к чашке 2. При давление на уровне I-I.

2. Жидкостно-поршневые манометры

Такие манометры содержат в себе жидкость, но по принципу действия в корне отличаются от жидкостных. Например дифманометр типа «кольцевые весы» , состоящий из тороидального корпуса 1, внутренняя полость которого в верхней части разделена перегородкой 2, а нижняя часть до половины заполнена жидкостью 4. Таким образом корпус имеет две измерительные камеры А и Б, в которые через гибкие шланги подаются измеряемые давления и . Корпус может поворачиваться относительно опоры 3, расположенной в его геометрическом центре. К нижней части корпуса прикреплен противовес 5.

При равенстве давлений в камерах А и Б корпус прибора располагается в соответствии с А. Если одно из давлений больше другого, например, , то под действием разности давлений, воздействующей на перегородку, корпус повернется, на определенный угол ?, а уровни жидкости внутри корпуса займут положения соответствующие Б.

3. Грузопоршневые манометры

Поршневой манометр - манометр, в которой действующее на поршень измеряемое давление преобразуется в силу и определяется по значению силы, необходимой для ее уравновешивания. В наиболее распространенных поршневых манометрах давление уравновешивается весом грузов. Такие манометры называются грузопоршневыми.

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 манометров.

Грузопоршневой образцовый манометр МП-60 , 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:

где - масса поршня с тарелкой и грузом; - эффективная площадь поршня, за которую принимают сумму площади сечения поршня и половину площади кольцевого зазора между поршнем и цилиндром (обычно ). Пределы измерения прибора 0 - 6 МПа. Класс точности 0,05.

4. Деформационные манометры

манометр давление тензорезистор

Первый деформационный манометр с трубчатым чувствительным элементом был изобретен случайно. Рабочий, при изготовлении змеевика, сплющил поперечное сечение цилиндрической трубки, изогнутой по спирали. Тогда, чтобы восстановить форму трубки, один конец ее заглушили, а в другой конец насосом дали давление воды. При этом часть трубки разогнулась. Этот эффект был использован немецким инженером Шницем в 1845 г. Для измерения давления. Диапазон измерения деформационных манометров охватывает почти 10 порядков, простираясь от 10 Па (1 мм вод. ст.) до 1-2 ГПа (более 10000 кгс/см2). При этом достигается высокая точность измерений, в отдельных случаях погрешности измерений не превышают 0,02-0,05 %.

Деформационный манометр - манометр, в котором измеряемое давление, действующее на упругую оболочку УЧЭ (упругий чувствительный элемент), уравновешивается напряжениями, которые возникают в материале другой оболочки.

Основные типы УЧЭ:

Мембрана (РИС ХХХ А) представляет собой упругую пластину в форме диска, жестко закрепленную по наружному контуру, прогиб которой определяется действующим на нее давлением.

Мембранная коробка (РИС ХХХ Б) состоит из двух гофрированных мембран, герметично соединенных по наружному контуру, что соответственно увеличивает ее прогиб под действием давления.

Сильфон (РИС ХХХ В) имеет форму тонкостенного цилиндра, боковая поверхность которого гофрирована с целью увеличения его прогиба под действием давления. При большой глубине вытяжки гофр, сильфона становится идентичным батарее последовательно соединенных мембранных коробок.

Трубчатая пружина (РИС ХХХ Г) представляет собой тонкостенную трубку, ось которой искривлена по дуге окружности. В отличие от предыдущего трубчатая пружина под действием давления разгибается, а е свободный конец перемещается по дуге.

В зависимости от назначения и области применения основные типы УЧЭ имеют многочисленные разновидности:

Мембраны - плоские тонкостенные и толстостенные, с жестким центром, гофрированные, с предварительным натяжением;

Мембранные коробки - сваренные по грибковой схеме, складывающиеся, блоки мембранных коробок;

Сильфоны - бесшовные, сварные, однослойные и многослойные; трубчатые пружины - одновитковые круговые, многовитковые винтовые и спиральные, S-образные, витые, с эксцентрическим внутренним отверстием.

Наиболее распространенным манометром со свободным перемещением УЧЭ является деформационный манометр с одновитковой трубчатой пружиной . Измерительная система манометра содержит одновитковую трубчатую пружину 1, один конец которой герметично соединен с держателей 7, а на другой конец с наконечником 5 смонтирована тяга 6, которая шарнирно соединена с зубчатым сегментом 4. Перемещение наконечника трубчатой пружины преобразуется во вращение оси стрелочного указателя 2 с помощью насаженной на ось трубки 3 указателя, находящейся в зацеплении с зубчатым венцом сегмента 4. При возрастании давления, подаваемого внутрь трубчатой пружины, последняя разгибается, и стрелочный указатель поворачивается по часовой стрелке относительно шкалы 9, нанесенной на циферблат, закрепленный на корпусе 10 манометра. Для корректировки угла поворота указателя относительно шкалы длины плеч шарнирно-рычажного механизма, состоящего из тяги 6 и зубчатого сегмента 4, юстируются зажимными винтами. Штуцером 8 манометр присоединяется к источнику давления.

Одна из типичных конструкций деформационных манометров с мембранным УЧЭ представлена на РИС ХХХ. Манометр содержит гофрированную мембрану 9, герметично закрепленную между фланцами 8 и 10, жесткий центр 7 которой шарнирно соединен с тягой 6. Перемещение мембраны под действием давления, подаваемого через штуцер фланца 10, шарнирно-рычажным механизмом и зубчатым сегментом 4 с трубкой, насаженной на ось 3, преобразуется в угловое вращение стрелки 2 относительно шкалы, нанесенной на циферблат 11, который смонтирован на корпусе 5 манометра. Передаточный механизм вместе со стрелкой монтируются на жестко связанную с корпусом стойку 1.

В технике измерения давления находят применение индуктивные и трансформаторные (взаимоиндуктивные) электромагнитные преобразователи. Индуктивными преобразователями называются преобразователи, преобразующие перемещение в изменение индуктивности магнитной цепи. Принцип действия преобразователя заключается в следующем . Преобразователь содержит магнитопроводы 1 и 2 с катушками Z1 и Z2, между которыми помещен жесткий центр 3 мембраны. Катушки питаются напряжением переменного тока и включены в индуктивный мост, два дополнительных плеча которого составляют постоянные сопротивления Z3 и Z4. В равновесном положении мост сбалансирован и сила тока Iк в диагонали моста равна нулю. При воздействии на мембрану давления жесткий центр сместится, что приведет к увеличению магнитного сопротивления магнитопровода 1 и уменьшению сопротивления магнитопровода 2, а вместе с тем и их полных электрических сопротивлений Z1 и Z2. В результате разбаланса моста по диагонали последнего течет ток Iк, пропорциональный перемещению центра мембраны, а следовательно, давлению.

Простейший электростатический преобразователь (РИС ХХХ А) содержит два электрода в форме плоских пластин, расположенных параллельно относительно друг друга, которые образуют конденсатор. Если одна из пластин имеет возможность перемещаться, то электрическая емкость C преобразователя обратно пропорциональна расстоянию между пластинами. Т.к. мерой перемещения является электрическая емкость, преобразователи этого типа называются емкостными.

Типичным примером реализации данного принципа является емкостный преобразователь типа 1151ДР фирмы «Rosemount Inc.», США (РИС ХХХ Б). Он содержит измерительную мембрану 1, герметично закрепленную между втулками 5 и 10, в которые запрессованы керамические твердые подложки 3 и 12. На внутренние поверхности подложек нанесены тонкопленочные электроды 4 и 11. Измерительные камеры изолированы от среды, давление которой измеряется, разделительными мембранами 6 и 9, имеющими относительно небольшую жесткость и защищенными крышками 7 и 8. Пространство между разделительными и измерительной мембранами заполнено силиконовым маслом, что обеспечивает постоянство диэлектрической проницаемости и предохраняет измерительную мембрану от перегрузок давлением. Мембрана и электроды включаются в мостовую схему с помощью экранированных проводов 2, 13 и 14, выходной сигнал которой путем демоделирования и дальнейших преобразований поступает на показывающие или регистрирующие приборы, а также системы регулирования и управления в форме унифицированного токового сигнала 4 - 20 мА.

Преобразователи имеют диапазоны измерний разности давлений от 0 - 1,25 кПа до 0 - 200 кПа при статическом давлении до 14 МПа. Погрешность менее ±0,2%.

Резистивные деформационные манометры основаны на изменении активного электросопротивления проводников при их механической деформации. Впервые этот эффект (тензоэффект) был рассмотрен английским физиком В. Томпсоном (лорд Кельвин) в 1856 г. Принципиальное отличие тензометрического метода измерения давления состоит в том, что мерой давления является не перемещение заданной точки УЧЭ в осевом направлении, а деформации поверхности УЧЭ или поверхности связанного с ним тела. Измерительный преобразователь, который преобразует деформации поверхности твердого тела в изменение его электросопротивления, называется тензорезистором.

Манганиновый манометр содержит катушку сопротивления 6, каркас которой с помощью двух металлических стержней 1 прикрепленк к втулке 3, и корпус 7 с штуцером для подключения измеряемого давления. Для уплотрения стержней в их средней части имеются польцевые утолщения, с двух сторон котороых помещены прокладки 4. Предварительное уплотнение производится прямо с помощью гайки 2, а затем под действием давления верхние прокладки самоуплотняются. Для электрической изоляции стержней, предназначенных для включения катушки сопротивления в мостовую схему, стержни отделены от металлических деталей воздушными зазорами, которые обеспечиваются центровкой стержней посредством изолирующих втулок 5 и уплотнений 4. Диапазон давлений, измеряемых манганиновыми манометрами, составляет от 100 МПа до 4 ГПа, погрешность измерений от 0,4 до 2,5%.

Типичная конструкция фольгового тензорезистора (РИС ХХХ А) состоит из тонкой металлической фольги 1, выполненной в виде петлеобразной решетки, которая специальным клеем закреплена на подложке 2 из изоляционного материала. К расширенным концам решетки припаиваются проволочные токосъемники 3, а сверху на решетку наносится изоляционное покрытие 4 для защиты от воздействия окружающей среды. Сопротивление резистора определяется базой l, числом последовательно соединенных полосок фольги и их поперечным сечением. В качестве материала фольги обычно применяются константан, подложки - бакелитовую или эпоксидную смолу. Для изготовления фольговых тензорезисторов и их закрепления на поверхности УЧЭ используются в зависимости от условий работы (температуры, влажности, агрессивности среды) различные клеящие составы, затвердевающие в горячем состоянии.

Все рассмотренные выше деформационные манометры основаны на методе прямого преобразования давления. Метод уравновешивающего преобразования давления, хотя и менее распространен в технике измерения давления, но продолжает сохранять заметную роль в некоторых отраслях промышленности, в которой находят применение манометры с силовым уравновешиванием двух типов: уравновешивание измеряемого давления пневматическим давлением (пневматическая силовая компенсация); уравновешивание измеряемого давления электромагнитными силами (электромагнитная силовая компенсация).

В нашей стране серийно выпускаются измерительные преобразователи давления типа ИПД, предназначенные для прецизионных измерений в системах автоматического контроля, регулирования и управления технологическими процессами. Преобразователь состоит из чувствительного элемента (сильфона) 5, рычага 3, с опорой 4, двух механизмов обратной связи 1 и 7, индикатора рассогласования 6 дифференциально-трансформаторного типа, нагрузочного устройства 2 и блока усилителя 8.

Преобразователь работает следующим образом. В чувствительный элемент 5 подается измеряемое давление, который преобразует это давление в усилие, передаваемое на рычаг 3, что приводит к перемещению рычага и связанного с ним плуншера индикатора рассогласования 6. Индикатор преобразует перемещение в управляющий сигнал переменного тока, поступающий на вход блока усилителя 8, который преобразуется в выходной сигнал постоянного тока. Последний поступает одновременно в обмотки катушек силовых механизмов обратной связи 1 и 7 и на блок резисторов 11, преобразующих выходной сигнал усилителя в выходной сигнал преобразователя в виде напряжения постоянного тока. В силовом механизме взаимодействие поля постоянного магнита с магнитным полем, которое создается током усилителя 8, протекающим по обмотке подвижной катушки, создает пропорциональное этому току усилие. Обмотки катушек силовых механизмов 1 и 7 включены в противоположном направлении, поэтому моменты развиваемых ими сил складываются и уравновешивают момент силы, создаваемый чувствительным элементом на плече L.

Питание преобразователя производится от сети переменного тока напряжение 220 В понижающим трансформатором 9 и источником стабилизированного питания 10.

5. Косвенные

Термопарный манометр (РИС ХХХ, А) так же, как и тепловой, основан на зависимости теплопроводности разреженного газа от давления. Манометр содержит стеклянную или металлическую колбу 3, в которой помещены нагреватель 1 и впаянная в него термопара 2. Нагреватель питается от источника переменного тока, и его температура, а, следовательно, и температура термопары, определяется теплоотдачей в окружающий разреженный газ. Чем меньше давление газа, тем меньше его теплопроводность и тем больше температура, а следовательно, ЭДС на выходе термопары, которая и является мерой измеряемого давления. Шкала прибора 4 для измерения ЭДС градуируется, как правило, в единицах давления. Данный принцип наиболее эффективен при давлениях от 0,1 до 100 Па. При давлениях, меньших 0,1 Па все большая доля тепла передается излучением, а при давлениях, больших 100 Па, увеличение теплопроводности газа резко замедляется. В обоих случаях существенно уменьшается чувствительность прибора. Погрешность измерений составляет 10 - 30 %. На градировочную характеристику существенно влияет состав газа. Поэтому для уточнения показаний термопарного манометра необходима индивидуальная градуировка.

Размещено на Allbest.ru