Электрические приборы измерения давления

Давление — это физическая величина, характеризующая напряжённое состояние среды (жидкой или газообразной. Давление возникает в результате действия силы на поверхность тела. Оно определяет термодинамическое состояние веществ. Давлением во многом определяется ход технологического процесса, состояние технологических аппаратов и режимы их функционирования. С задачей измерения давления приходится сталкиваться в измерениях некоторых технологических параметров, например расхода газа или пара, при изменяющихся термодинамических параметрах, уровня жидкости, и др. Повышенное или пониженное давление (несоблюдение режима) в ходе технологического процесса в каком-либо аппарате может привести к потере качества продукта на конечной стадии процесса.

По Международной системе единиц (СИ), единицей измерения давления принят паскаль (Па) — давление, создаваемое силой в 1 ньютон (Н), равномерно распределенной по поверхности площадью 1м² и направленной нормально к ней. Для технических измерений была принята техническая атмосфера, равная давлению, которое производит сила в 1 кгс (9,80665 н) на площадь в 1 см². Разнообразие видов измеряемых давлений, а также областей их применения в технологии обусловило использование наряду с системной единицей давления и внесистемных единиц. К их числу относятся бар, миллиметр ртутного столба, килограмм-сила на квадратный сантиметр, килограмм — сила на квадратный метр, миллиметр водяного столба.

Приборы давления применяются для контроля и управления технологическими процессами. Это устройства служат для прямого или косвенного сравнения измеряемой величины с мерой. На промышленных установках наиболее распространены манометры избыточного давления, имеющие обычно нулевую точку отсчета (от атмосферного давления). Применяются и узкопредельные манометры — манометры с безнулевой шкалой.

Напоромеры — это манометры избыточного давления в газовых средах с верхним пределом измерения не более 40 кПа.

Вакуумметры — это приборы для измерения давления разреженного газа.

Тягомеры — это вакуумметры для измерения давления разреженного газа с верхним пределом измерения не более — 40 кПа.

Мановакуумметры — предназначенных для измерения избыточного давления и давления разреженного газа.

Тягонапоромеры — это мановакуумметры для газовых сред с верхним пределом измерения не более 20 кПа.

Дифманометры — это приборы измеряющие разность двух давлений.

Манометры применяют для измерения постоянных и переменных по направлению давлений.

Постоянным давлением — считают давление, не изменяющееся или плавно изменяющееся по времени со скоростью не более 1% / cек. от суммы верхних пределов измерений приборов.

Переменным давлением — считают давление, плавно и многократно возрастающее или убывающее по любому периодическому закону со скоростью от 1 до 10% /с от суммы верхних пределов измерений.

По принципу действия средства измерений давления подразделяются на следующие:

Жидкостные — основанные на уравновешивании измеряемого давления соответствующего столба жидкости.

Деформационные (пружинные) — измеряющие давление по величине деформации упругих различных элементов или по развиваемой ими силе.

Грузопоршневые — в которых измеряемое давление уравновешивается внешней силой, действующей на поршень.

Электрические — основанные или на преобразовании давления в одну из электрических величин, или на изменении электрических свойств материала под действием давления. Такое подразделение не является полным и может быть дополнено средствами измерений, основанными на других физических явлениях.

Жидкостные средства измерений давления с гидростатическим уравновешиванием.

В жидкостных приборах с гидростатическим уравновешиванием мерой измеряемого давления является высота столба рабочей жидкости. В качестве рабочей жидкости, называемой затворной или манометрической, применяются дистиллированная вода, ртуть, этиловый спирт, трансформаторное масло. Выбор рабочей жидкости определяется диапазоном измеряемого давления, условиями эксплуатации и требуемой точностью измерений.

В настоящее время номенклатура жидкостных средств измерений давления с гидростатическим уравновешиванием существенно ограничена. В большинстве случаев они заменены более совершенными деформационными средствами измерений.

К числу жидкостных средств измерений давления (разности давлений и разряжения) с гидростатическим уравновешиванием, ещё применяются на технологических потоках, относятся поплавковые и колокольные дифманометры. Принцип действия поплавковых дифманометров основан на уравновешивании измеряемого перепада давления гидростатическим давлением, создаваемым столбом рабочей жидкости, заполняющей дифманометр. Поплавковый дифманометр представляет собой два сообщающихся сосуда. Площадь одного сосуда значительно больше другого. Внутренняя полость сообщающихся сосудов заполняется рабочей жидкостью (ртутью или трансформаторным маслом) до нулевой отметки. О значение измеряемой разности давлений судят по отсчетному устройству, указатель которого механически связан с поплавком, расположенным в полости широкого сосуда.

Поплавковые дифманометры рассчитаны на номинальные перепады давления, верхние пределы которых ограничены значениями от 6,3 кПа до 0,10 кПа. Такие дифманометры используются при статических давлениях измеряемой среды не более 25 МПа. Класс точности 1,0 и 1,5.

Поплавковые дифманометры рассчитаны на номинальные перепады давления, верхние пределы которых ограничены значениями от 6,3 кПа до 0,10 кПа. Такие дифманометры используются при статических давлениях измеряемой среды не более 25 МПа. Класс точности 1,0 и 1,5.

Колокольные дифманометры этого типа представляю собой колокол, погруженный в рабочую жидкость и перемещающийся под влиянием разности давлений. Противодействующая сила создается за счет утяжеления колокола при его подъеме и уменьшении тяжести колокола при его погружении. Достигается это за счет изменения гидростатической подъемной силы, действующей на колокол согласно закона Архимеда.

Колокольные дифманометры с гидростатическим уравновешиванием обладают высокой чувствительностью и использовались для измерения малых давлений, перепадов давлений и разряжений.

Деформационные средства измерений давления.

Высокая точность, простота конструкции, надежность и низкая стоимость являются основными факторами, обуславливающими широкое распространение деформационных приборов для измерения давления в промышленности. Эти приборы предназначены для измерения избыточного давления и разряжения неагрессивных жидких и газообразных сред.

Принцип действия деформационных средств измерений давления основан на использовании упругой деформации чувствительного элемента или развиваемой им силы. Мерой измеряемого давления в средствах измерений данного типа является деформация упругого элемента или развиваемая им сила. Наибольшее распространение в практике измерений получили три основные формы чувствительных элементов: трубчатые пружины, сильфоны и мембраны.

Трубчатая пружина (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. Наиболее распространена одновитковая трубчатая пружина, представляющая собой изогнутую по дуге окружности трубку с обычно овальным поперечным сечением. Под влиянием поданного избыточного давления трубка раскручивается, а под действием разряжения скручивается. Для передачи перемещения свободного конца деформационного чувствительного элемента к указателю манометра используют секторные и рычажные передаточные механизмы. С помощью передаточного механизма перемещение свободного конца трубчатой пружины в несколько градусов или миллиметров преобразуется в угловое перемещение стрелки на 270 — 300 г.

Манометры имеют разные шкалы в зависимости от контролируемого параметра и градуируются в кгс/ cм2. Рабочая зона манометра находится на средине шкалы и должна быть не более 2/3 от шкалы. Для отсчета показаний во многих приборах имеются отсчетные приспособления (чаще всего шкала или указатель). Шкала — это совокупность отметок, расположенных вдоль какой — либо линии или по окружности (манометры), которые изображают ряд последовательных чисел, соответствующих значениям измеряемой среды. Значение измеряемой величины, соответствующее одному делению, называют ценой деления шкалы. Указатель шкалы представляет собой в большинстве случаев стрелку, позволяющую отсчитывать по шкале значение измеряемой величины. На шкале обычно указывают класс точности прибора.

Сильфон — тонкостенная цилиндрическая оболочка с поперечными гофрами способная получать значительные перемещения под действием давления или силы. При действии осевой нагрузки, внешнего или внутреннего давления длина сильфона изменяется, увеличиваясь или уменьшаясь в зависимости от направления приложенной силы. В значительных пределах деформация сильфона пропорциональна действующей силе, т. е. характеристика сильфона прямолинейна. В пределах линейности статической характеристики сильфона отношение действующей на него силы к вызванной ею деформации остается постоянным и называется жёсткостью сильфона. Для увеличения жесткости внутри сильфона часто помещают пружину. Сильфоны изготовляют из бронзы различных марок, углеродистой стали, нержавеющей стали, алюминиевых сплавов и др. Серийно производят бесшовные и сварные сильфоны диаметром от 8 — 10 до 80 — 100 мм и толщиной стенки 0,1 — 0,3мм.

Приборы этого типа предназначены для измерения избыточного давления, разряжения и разности давлений.

Мембраны бывают упругие и эластичные. Упругая мембрана — гибкая круглая плоская (плоская мембрана) или гофрированная (гофрированная мембрана) пластина, способная получить прогиб под действием давления. Статическая характеристика плоских мембран изменяется нелинейно с увеличением давления, поэтому здесь в качестве рабочего участка используют небольшую часть возможного хода. Гофрированные мембраны могут применяться при больших прогибах, чем плоские, так как имеют значительно меньшую нелинейность характеристики. Мембраны изготавливают, из различных марок стали, бронзы, латуни и т. д. Эластичная мембрана, предназначена для измерения малых давлений и разности давлений, представляет собой зажатые между фланцами плоские или гофрированные диски, выполненные из прорезиненной ткани, тефлона и др.

Измерительные приборы с чувствительным мембранным элементом предназначены для измерения атмосферного и избыточного давлений и разряжения. Из-за малости усилий, развиваемых чувствительным деформационным элементом, мембранные приборы выпускаются в основном показывающими. Принцип действия приборов состоит в преобразовании измеряемого давления или разряжения в перемещение жесткого центра чувствительного мембранного элемента, которое с помощью передаточного механизма преобразуется во вращательное движение указателя.

Грузопоршневые манометры.

Грузопоршневые манометры — в основном применяются в качестве эталонных и образцовых приборов для градуировки и поверки различных видов пружинных манометров, так как они отличаются от манометров других видов высокой точностью и широким диапазоном измерений.

Принцип действия состоит в уравновешивании давления, действующего на поршень с одной стороны, давлением грузов с другой стороны.

Электрические средства измерений давления.

К электрическим средствам измерения давления относятся 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 преобразований применяются индуктивные, дифференциально- трансформаторные, емкостные, тензорезисторные и др. преобразовательные элементы. Преобразование усилия, развиваемого чувствительным элементом, в сигнал измерительной информации осуществляется пьезоэлектрическими элементами.

Индуктивные преобразователи давления — мембрана воспринимающая давление, является подвижным якорем электромагнита. Под действием измеряемого давления мембрана перемещается, что вызывает изменение электрического сопротивления индуктивного преобразовательного элемента.

Эта величина измеряется обычно мостами переменного тока или резонансными контурами. с последующим отображением на шкале прибора.

Дифференциально — трансформаторный преобразователь — содержит деформационный чувствительный элемент и деформационно — трансформаторный преобразователь. Дифференциально — трансформаторный преобразователь содержит каркас из диэлектрика, на котором размещены катушка с первичной обмоткой, состоящей из двух секций и двух секций вторичной обмотки. Внутри канала катушки расположен подвижный сердечник из магнитомягкого материала, связанный с пружиной тягой. К выходу вторичной обмотки подключен делитель, состоящий из регулируемого и постоянного резисторов. Принцип действия основан на возникновении магнитного потока, пронизывающего обе секции вторичной обмотки и индуцирующие в них ЭДС, при протекании по первичной обмотке токового сигнала. Выходной сигнал определяется взаимной индуктивностью между первичной обмоткой и выходной цепью и может быть представлен в виде сигнала напряжения переменного тока. Преобразование измеряемого давления осуществляется путем преобразования давления в деформацию (перемещение) чувствительного элемента и последующего преобразования в электрический сигнал, приходящий на показывающий прибор в операторной.

Емкостной преобразователь — измерение давления основано на зависимости емкости преобразовательного элемента от перемещения мембраны под действием измеряемого давления. Преобразователь состоит из металлической мембраны, являющейся подвижным электродом емкостного преобразовательного элемента и неподвижного электрода изолированного от корпуса с помощью кварцевых изоляторов.

Тензорезисторные преобразователи — это приборы оснащенные преобразовательными элементами тензорезисторного типа и получили название тензорезисторных измерительных преобразователей давления. Преобразователи давления этого вида представляют собой чувствительный деформационный элемент, чаше всего мембрану, на которую наклеиваются или напыляются тензорезисторы (тензодатчик). В основе принципа лежит явление тензоэффекта, суть которого состоит в изменении сопротивления проводников и полупроводников при их деформации. Под воздействием измеряемого давления деформируемый упругий элемент вызывает пропорциональное изменение электрического сопротивления тензорезисторов, собранных по мостовой схеме, которое в дальнейшем преобразуется и усиливается для формирования унифицированного аналогового выходного сигнала (4 – 20 мА).

Системы измерения давления сред на современных автоматизированных производствах используют в качестве первичных преобразователей измерительные преобразователи (датчики) давления с выходными электрическими токовыми сигналами.

Эти датчики по сравнению с показывающими манометрами имеют значительно более высокий класс точности, более трудоемки в наладке, при проверке требуют применения образцовых высокоточных средств измерения на входе и выходе.

На рисунке представлена схема электрического соединения оборудования КИП, обеспечивающего контроль давления на технологической установке.

Преобразователь давления устанавливается во взрывоопасном помещении или в специальном шкафу на территории технологической установки. Они как правило, не имеют шкалы, позволяющей непосредственно оценить давление, а преобразуют его в электрический сигнал. Измеряемое давление воздействующее на тензодатчик, преобразуется электронным блоком в токовый сигнал, который передается по искробезопасной двухпроводной линии передачи к терминальному оборудованию и блоку питания, находящимся во невзрывоопасном (операторная или машинный зал) помещении.

Блок питания обеспечивает по той же линии питание первичного преобразователя (датчика давления) и терминального оборудования.

Манометры (от греч. manos — редкий, неплотный и metreo — измеряю), служат для измерения давления жидкостей.газов и паров. Различают манометры для определения абсолютного давления, отсчитываемого от нуля (полного вакуума); избыточного давления, то есть превышения давления над атмосферным; разности двух давлений, отличающихся от атмосферного (дифференциальные манометры, или дифманометры). Приборы для измерения давления, соответствующего атмосферному, называют барометрами, давления ниже атмосферного — вакуумметрами. избыточного давления и давления ниже атмосферного-ман.вакуумметрами. Шкалы манометра могут быть градуированы в килопаскалях (кПа) или мегапаскалях (MПа), а также в кгс/м 2 , кгс/см 2 , барах, мм вод. ст., мм рт. ст. и др.

По принципу действия манометры могут быть жидкостными, грузопоршневыми, деформационными (смотри рисунок), тепловыми и другими, по способу представления информации о величине измеряемого давления — показывающими, регистрирующими и сигнализирующими. Кроме манометров с непосредственным отсчетом показаний применяют так называемые бесшкальные датчики (измерительные преобразователи) давления с унифицированными (стандартизованными) пневматическими или электрическими выходными сигналами. Такие датчики широко используют в системах автоматического контроля, регулирования и управления химико-технологическими процессами, в частности при автоматизации пожаро- и взрывоопасных производств. Датчики давления должны надежно работать при наличии интенсивной вибрации, нестационарных температурных и электромагнитных полей, а также в агрессивных средах, в условиях высокой влажности. запыленности и загазованности окружающей среды. Дифманометры применяют в приборах для измерения уровня и плотности жидкости по величине гидростатического давления, а также в приборах для измерения расхода жидкости, пара или газа по перепаду давлений на сужающих поток устройствах (диафрагмах, соплах Вентури и других).

Основные типы манометров: жидкостные (а — U-образный, б, в — чашечные соотв. с постоянным и переменным углом j наклона трубки, г — поплавковый, д — колокольный, е — кольцевой); грузопоршневые (ж); деформационные (з —показывающий с трубчатой пружиной, и — мембранный разделитель давлений с закрытой камерой); 1 — поплавок; 2 — колокол; 3 — перегородка; 4 — опора; 5, 8 — грузы; 6 — поршень; 7 — цилиндр; 9 — пружина; 10 — передаточный механизм; 11 — камера; р, р_атм — соотв. измеряемое и атмосферное давления; Н — высота столба манометрической жидкости; х, a_x— меры измеряемого давления.

Жидкостные манометры В таких приборах измеряемое давление (разрежение) либо разность давлений уравновешивается давлением столба манометрической жидкости, заполняющей прибор. Диапазон измерения — 10 — 10 5 Па. Жидкостные манометры применяют в основном при определении давления в лаб. условиях и при поверке других манометры Погрешность измерения U-образных и чашечных манометры (0,5-1,0%) определяется погрешностью самого прибора, ошибкой отсчета показаний и несоответствием действительного и расчетного значений плотности манометрической жидкости. Двухчашечные (компенсационные) микроманометры с верхними пределами измерения до 2,5-10 3 Па имеют погрешность 0,02-0,05%. При малых пределах измерения (до 10 4 Па) манометры заполняют легкими жидкостями (водой, спиртом, толуолом, силиконовым маслом), при увеличении пределов измерения до 10 5 Па — ртутью.

В поплавковых, колокольных и кольцевых дифманометрах мера измеряемого давления (перепада) — не высота столба жидкости, а определяемое им положение подвижного элемента прибора. Манометрической жидкостью в поплавковых дифманометрах обычно служит ртуть или силиконовое масло. Пределы измерения серийных приборов (от 4-10 3 Па до 0,16 MПа) обеспечиваются изменением высоты и диаметра одного из сосудов дифманометра. Погрешность не более 2,5% от верхнего предела измерения. Колокольные дифманометры (манометрическая жидкость — вода или масло) используют для измерения малых давлений и перепадов давлений от 25 до 400 Па. Погрешность 1,5 и 2,5% от диапазона измерения.

В кольцевых дифманометрах (кольцевых весах) замкнутый сосуд с непроницаемой перегородкой в верхней части установлен на призматическую опору, которая расположена в центре тяжести сосуда.

Под действием разности давлений по обе стороны перегородки манометрическая жидкость перемещается внутри кольца в сторону полости с меньшим давлением. Кольцо поворачивается в обратном направлении, пока момент силы, действующей на перегородку, не станет равным моменту силы тяжести противодействующего груза. Мера измеряемой разности давлений — угол поворота кольца. Основные достоинства кольцевых манометры: высокая чувствительность, независимость угла поворота от плотности манометрической жидкости, независимость показаний от температуры окружающего воздуха. Верхние пределы измерения от 400 до 2,5 • 10 4 Па, погрешность 1,0 и 1,5% от предела шкалы. Поплавковые, колокольные и кольцевые дифманометры — показывающие или записывающие приборы, которые манометры б. снабжены счетчиками расхода, регуляторами, сигнализаторами, а также устройствами для получения унифицированных пневматических или электрических сигналов дистанционной передачи.

Грузопоршневые манометры В этих приборах измеряемое давление, действующее через манометрическую жидкость на поршень манометры, уравновешивается весом поршня и набора калиброванных грузов. Наиболее распространены манометры с неуплотненным поршнем, между которым и цилиндром имеется небольшой зазор. Пространство под поршнем заполнено специальным маслом, которое под давлением поступает в зазор и обеспечивает смазку трущихся поверхностей. При измерении давления для уменьшения трения между цилиндром и поршнем. Последний приводится во вращение электродвигателем или вручную. Изменяя вес грузов и площадь сечения поршня, можно изменять пределы измерения манометры в широком диапазоне (от 2500 Па до 2500 MПа). Приборы отличаются высокой точностью и стабильностью показаний; погрешность от 0,02 до 0,2% от верхнего предела измерения. Для определения небольших избыточных давлений, разрежения, абсолютного и атмосферного давлений применяют манометры специальных конструкций. Грузопоршневые манометры используют, как правило, для поверки манометров других типов и при лабораторных измерениях.

Деформационные манометры Измеряемое давление или разность давлений определяется по деформации упругих чувствительных элементов: трубчатых манометрических пружин — одно- и двухвитковых, S-образных, винтовых, геликоидальных, спиральных; плоских и гофрированных мембран; мембранных коробок; сильфонов; цилиндрических трубок и стаканов. Пределы измерения от 10 до 2,5 • 10 9 Па. Простота преобразования давления в упругую деформацию чувствительного элемента и большое разнообразие удобных в эксплуатации конструкций обусловили широкое применение деформационных манометры в химической промышленности наиболее распространены так называемые пружинные манометры с одновитковым трубчатым чувствительным элементом. Под действием давлениядеформируется сечение пружины и происходит перемещение ее свободного конца, преобразуемое передаточным механизмом в перемещение стрелки, которая показывает давление по шкале. Диапазон измерения обычно от 0,1 до 2500 MПа, погрешность 0,16-4,0%.

В химии и химической технологии для защиты пружинных манометры от контакта с агрессивными и высокотемпературными средами часто используют т. наз. мембранные разделители давления с закрытой камерой. Внутренняя полость манометрической пружины заполняется минеральным или силиконовым маслом, через которое передается измеряемое давление рабочей среды, непосредственно соприкасающейся с разделительной мембраной. Последнюю изготовляют из нержавеющих сталей и сплавов, в том чсле с высоким содержанием Ni и Мо, а также из титановых сплавов и Та. При измерении давления вязких, полимеризующихся и кристаллизующихся сред применяют так называемые бескамерные манометры с открытым чувствительным или разделительным элементом — сильфоном либо мембраной.

Для измерения небольших давлений (разрежений) и разности давлений применяют манометры с чувствительными элементами в виде сильфонов, гофрированных мембран и мембранных коробок. В зависимости от диаметра, толщины и свойств материала, формы и глубины гофрировки чувствительных элементов можно измерять давление от 100 до 10 7 Па и более. Погрешность 0,5-2,5%.

В химической промышленности распространены датчики, основанные обычно на принципе электрической (реже — пневматической) компенсации. Диапазон измерения от 100 Па до 1000 MПа, погрешность 0,5-1,5%. Наиболее перспективны приборы, действие которых основано на так называемом тензорезистивном эффекте — изменении электрического сопротивления твердого проводника (чувствительного элемента) в результате его деформации, пропорциональной измеряемому давлению. Эти датчики отличаются простотой конструкции, небольшими габаритами и массой, повышенной виброустойчивостью, высокими динамическими характеристиками и небольшой погрешностью (0,25-0,50%). В СССР разработан комплекс тензорезисторных преобразователей давления (избыточного и абсолютного, а также разрежения) и разности давлений с упругими чувствительными элементами на основе монокристаллических подложек из искусственного сапфира с кремниевыми тензорезисторами. Диапазон измерения от 60 до 10 8 Па, погрешность обычно не превышает 0,1, 0,25 или 0,5%. В комплекс входят также преобразователи гидростатического давления, предназначенные для получения информации о плотности или уровне жидкостей. которые находятся в открытых либо закрытых резервуарах под давлением. Фланцевое крепление датчика к резервуару с рабочей жидкостью и бескамерная конструкция мембранного измерительного узла позволяют контролировать гидростатическое давление агрессивных, вязких и кристаллизующихся сред при 200-300°С.

В манганиновых датчиках под действием давления изменяется электрическое сопротивление тонкой манганиновой проволоки. Эти датчики обычно используют для измерения давления свыше 100 MПа. Принцип устройства индуктивных датчиков состоит в изменении индуктивности системы при перемещении чувствительного элемента. Индуктивность системы зависит от магнитного сопротивления зазора в магнитопроводе или от реактивного магнитного сопротивления, которое изменяется с введением в зазор электропроводной пластины либо короткозамкнутого витка.

Действие емкостных датчиков основано на преобразовании перемещения чувствительного элемента в изменение емкости конденсатора, зависящее от зазора между обкладками, их площади, материала диэлектрика или диэлектрической проницаемости. Этим датчикам свойственны значительные температурные погрешности. В трансформаторных датчиках входное перемещение чувствительного элемента и соединенного с ним плунжера изменяет коэффициентом индуктивной связи между системами обмоток, одна из которых питается переменным током. Эффективное значение эдс, наводимой в другой обмотке, является выходной величиной датчика. Погрешность обычно 1,5-2,5%.

Принцип действия электронных и ионных датчиков основан на изменении характеристик соответствующих электронных и ионных ламп при взаимном перемещении их электродов, один из которых связан с чувствительным элементом датчика. Действие магнитоупругих датчиков обусловлено свойством ферромагнитных материалов изменять магнитную проницаемость под действием давления. Чувствительный элемент — обмотка с замкнутым магнитопроводом, деформирующимся под влиянием входного перемещения или усилия, пропорционального измеряемому давлению. В пьезоэлектрических датчиках используется эффект появления зарядов на гранях кристалла (обычно кварца) при его сжатии. Величина заряда пропорциональна уд. давлению и площади грани, перпендикулярной к "электрической" оси.

Радиационные датчики обычно состоят из чувствительного элемента, воспринимающего измеряемое давление, источника и приемника лучистой энергии и расположенного между ними экрана. Действие датчиков основано на зависимости от давления интенсивности потока, поступающего от источника излучения к приемнику. При изменениидавления чувствительный элемент вызывает пропорциональное перемещение экрана, управляющего интенсивностью потока. Наиболее распространены приборы, использующие видимый свет (оптические датчики) либо проникающее γ—или β-излучение. Источники излучения видимого света — лампы накаливания, ртутные точечные лампы высокого давления, лампы тлеющего разряда и др.; жестких излучений — рентгеновские трубки, искусственные радиоактивные вещества. Приемники: видимого излучения — вакуумные и газонаполненные элементы с внеш. фотоэффектом, фотосопротивления, вентильные фотоэлементы с фотоумножителями; жестких излучений — ионизационные камеры, счетчики Гейгера-Мюллера, пропорциональные, сцинтилляционные и кристаллические счетчики.

Тепловые манометры Используют для измерения небольших абсолютных давлений (1-10 3 Па). Действие основано на линейной зависимости теплопроводности газов от степени их разрежения в указанных пределах. Манометры представляет собой стеклянный баллон, внутренняя полость которого соединена с аппаратом, где измеряется давление. Внутри баллона находится тонкая вольфрамовая нить, нагреваемая электрическим током. При изменениидавления изменяется теплоотвод от нити. Если поддерживать постоянным ток накала нити, то при изменениидавления изменится ее температура. Изменяя силу тока так, чтобы эта температура оставалась постоянной, можно за меру измеряемого давления принять величину тока или напряжения, подаваемого на нить.

Классификация приборов для измерения давления.

Приборы для измерения давления можно разделить на группы но следующим признакам:

• по измеряемой величине:
• по принципу действии;
• по назначению.

В зависимости от измеряемой величины приборы имеют различные названия, Приборы, предназначенные для измерения избыточного давления, называются манометрами, для измерения вакуума — вакууметрами, а для измерения разрежения — т я г омер а м и. Приборы для измерения атмосферного давления называются барометрами. По принципу действия приборы для измерения давления можно разделить на жидкостные, пружинные, поршневые и электрические.

В жидкостных приборах измеряемое давление уравновешивается давлением столба жидкости, высота которого и является величиной, определяющей давление. В пружинных приборах давление уравновешивается упругими силами пружинных элементов. Величиной, определяющей давление, служит деформация пружинного элемента.

В поршневых манометрах измеряемое давление уравновешивается весом груза, действующего на поршень определенной площади.

Электрические приборы дли измерения давления используют различные электрические явления, связанные с изменением давления, например пьезоэлектричество, изменение сопротивления проводников, емкости и т.п.

ЖИДКОСТНЫЕ ПРИБОРЫ (U-образные манометры)

Жидкостные манометры являются наиболее простыми из приборов для измерения давления и в то же время обладают достаточно высокой точностью. Недостатком этих манометров является то, что ими могут быть измерены сравнительно небольшие по величине давления.

Наиболее простым из жидкостных приборов является так называемый U-образиый манометр, представляющий собой стеклянную трубку, согнутую в форме буквы U. Трубка до половины высоты заполняется жидкостью и укрепляется на доске со шкалой. Если одни конец трубки соединить с пространством, в котором необходимо измерить давление, а другой оставить открытым, то в одном колене манометра жидкость опустится, а в другом поднимется. Разность уровней жидкости является величиной определяющей давление.

В то же время точность измерений U-образным манометром достаточно высока. Отсчет уровня жидкости в трубках производится по шкале, расположенной вдоль трубок и градуированной в миллиметрах. При замере высоты столба жидкости невооруженным глазом абсолютная погрешность отсчета составляет в среднем 0,5 мм. Так как в приборе нужно делать два отсчета, то наибольшая абсолютная погрешность составит 1 мм. Следовательно, при измерении давлении больше 100 мм столба жидкости относительная погрешность будет менее 1 %.

U-образные манометры можно применять также для измерения разрежения и вакуума. Для этого колено манометра, и котором жидкость должна подниматься, присоединяется к пространству, где измеряется разрежение, а колено, в котором жидкость должна опускаться, оставляется открытым.

Если оба колена прибора присоединить к пространствам, где должно измеряться давление, то разность уровней жидкости будет показывать разность давлений в обоих пространствах. Такой манометр называется дифференциальным или сокращенно дифманометром.

Отсчет уровня жидкости следует производить по выпуклой части мениска: по его нижнему краю при смачивающих стекло жидкостях (вода, спирт и др.) и по верхнему краю при жидкостях, не смачивающих стекло (ртуть). Для большей точности отсчета желательно, чтобы шкала была расположена возможно ближе к трубке или нанесена на самой трубке.

Микроманометры

Измерение давлений или разрежений меньших 100 мм вод. ст. U-образным или чашечным манометром сопровождается значительной погрешностью. В этом случае применяются приборы специальных конструкций, называемые микроманометрами. Наиболее простым является микроманометр с наклонной трубкой, представляющий собой чашечный манометр, трубка которого расположена не вертикально, а под углом а к горизонту.

Микроманометр смонтирован на треугольной металлической плите, опирающейся на три ножки, две из которых сделаны винтовыми и длину их можно изменять для установки прибора по уровню.

Наиболее простой проверкой исправности манометра является проверка нулевого положения стрелки, которая производится спуском давления до нуля. Так как вследствие упругого последействия стрелка не сразу возвращается на нулевую отметку, то это может ввести в заблуждение. Потому в пружинных манометрах нулевую отметку немного смещают вверх по шкале, сокращая мерное деление, и ставят около нулевой отметки штифт, в который упирается стрелка манометра при отсутствии давления. Манометр имеет ниппель с резьбой для присоединении его к источнику давления. Ниппель должен иметь шестигранник или квадрат для ввертывания манометра гаечным ключом.

В большинстве манометров ниппель располагается в нижней части корпуса, а в некоторых случаях в задней стенке. Приборы, применяемые для измерения как избыточного давления, так и вакуума, носят название мановакуумметров. Нулевая отметка у них находится в самой верхней части шкалы, манометрическая часть шкалы расположена вправо от нуля, а вакуумметрическая — слева. Класс точности манометров и вакуумметров зависит от предела шкалы н размеров прибора. Манометры малого размера относятся к более низким классам точности. Для манометров с корпусом диаметром 150 мм класс точности установлен 2,5. Для манометров с корпусом диаметром 100 мм классы точности соответственно установлены 4 и 2,5.

Для вакуумметров и вакуумметрнческон части шкалы мановакуумметров класс точности установлен 4. Для специальных целей применяются пружинные манометры различных модификаций.

Рассмотрим некоторые из них. В ряде случаев необходимо, чтобы измеряемое давление не превышало некоторого заданного значения. Например, это необходимо на паровых котлах, паровозах и т. п. Для того чтобы иметь возможность следить за тем. не было ли давление повышено выше допустимого предела и таким образом контролировать работу обслуживающего персонала, применяются манометры с контрольной стрелкой.

В этом манометре на циферблате нанесена вторая шкала меньшего диаметра, повторяющая основную шкалу. Относительно эти шкалы перемешается контрольная стрелка, окрашенная в красный uцвет и укрепленная на циферблате при помощи втулки с плоской пру жинон, не дающей возможности контрольной стрелке перемещаться самопроизвольно. Стрелка манометра имеете нижней стороны иебо.и. шой штифт, которым она при повышении давления толкает контрольную стрелку. Если давление будет понижаться, то стрелка остается на том месте, куда ее довела стрелка манометра. Таким образом, контрольная стрелка показывает наибольшее давление, измеренное манометром за промежуток времени после предыдущего наблюдения.

Мембранные приборы

В мембранных приборах упругим элементом является либо упругая металлическая мембрана, либо мягкая мембрана с дополнительной пружиной. В зависимости от свойств мембраны приборы предназначаются для измерения различных величии давления. Наиболее распространенными мембранными приборами являются манометры с упругой мембраной, папоромеры и тягомеры с мембранной коробкой, папоромеры и тягомеры с мягкой мембраной.

Мембранные манометры имеют два существенных недостатка: возможность разрыва мембраны вследствие усталости металла при переменных давлениях и трудность регулировки. Так как прогиб мембраны очень мал и составляет 2,5—3 мм, то для поворота стрелки ни угол 270° плечо зубчатого сектора, к которому прикрепляется поводок, делается очень малым.

Мембранные приборы нашли наибольшее распространение для измерения низких давлений и разрежении — тягомеры. Выпускаются также приборы, имеющие нулевую отметку в середине шкалы, т. е. предназначенные для измерения и давления, и разрежения, называемые тягонапоромерами.

Мембранные тягомеры и напоромеры изготовляются с металлической мембранной коробкой и с мягкой мембраной.

Манометры с гармониковыми мембранами

По сравнению с упругой мембраной и мембранной коробкой значительно большую чувствительность имеет гармоникообразная мембрана, называемая иногда сильфоном. Мембрана представляет собой цилиндрическую коробку со стен ками. имеющими равномерные поперечные складки или гофры. Чувствителыюсть гармониковой мембраны зависит от толщины ее стены и от количества и размеров гофр на стенках. Манометры с гармониковой мембраной монтируются в стандартном круглом корпусе диаметром 305 мм.

Контрольные и образцовые манометры

Для поверки рабочих манометров и вакуумметров применяются контрольные и образцовые манометры н вакуумметры. Контрольные приборы представляют собой манометры с двумя трубчатыми одновитковыми пружинами, двумя передаточными механизмами и двумя стрелками. Обе трубчатые пружины соединены с одним ниппелем и,следовательно, находятся под одинаковым давлением, т. е. манометр является сдвоенным. Это сделано для возможности контроля исправности манометра. У исправного манометра показания на обеих шкалах должны быть одинаковыми, если при измерении наблюдается расхождение в показаниях, то это указывает, что манометр требует ремонта и применять его для поверки нельзя.

Кольцевые тяго-напоромеры

Кольцевые тяго-напоромеры являются жидкостными приборами, пригодными для измерения давления или разрежении небольшой величины. Конструктивно они значительно отличаются от других жидкостных приборов. Чувствительным элементом прибора является полос кольцо, имеющее перегородку, разделяющую внутреннюю полость кольни на две части. Нижняя часть кольца заполняется запорной жидкостью, в качестве которой применяется вода, масло или ртуть. В случае заполнения ртутью кольцо изготовляется из стальной цельнотянутой трубы, а при заполнении маслом или водой спаивается из листового металла в виде кольцеобразного барабана.

Предельная величина давления или разрежения, которая может быть измерена кольцевым прибором, равна размеру внутреннего диаметра кольца. Изменение пределов измерения производится изменением веса груза. Достоинствами кольцевых тяго-напороморов являются простота устройства и надежность действия, а также значительная величина устанавливающего момента.

Электрические манометры

В ряде случаев измерение давления невозможно осуществить описанными выше жидкостными или пружинными приборами. например при измерении быстроизменяющихся или очень высоких давлений. В этих случаях применяются различные приборы, основанные на изменении электрических свойств чувствительного элемента при воздействии давления. К такому типу приборов относятся пьезоэлектрические манометры.

Пьезоэлектрический эффект заключается в следующем. Если вырезать из кристалла кварца, турмалина или сегнетовой соли прямоугольную пластинку и подвергнуть ее сжатию в направлении, перпендикулярном к оптической оси кристалла, то на металлических обкладках, приложенных к пластинке, возникает электрический заряд.

Достоинством пьезоэлектрического чувствительного элемента является его безынерционность и возможность измерении быстро-изменяющихся давлений, поэтому пьезоэлектрические манометры находят применение при исследовании процессов, происходящих и двигателях внутреннего сгорания, при исследовании взрывных процессов и т.п.

Емкостные манометры

Принцип действия емкостного манометра основан на изменении емкости плоского конденсатора при уменьшении расстояния между его пластинами. В таком манометре одной пластиной обычно является корпус прибора, а другая прикреплена к мембране, прогибающейся под действием давления. Емкостный манометр включается в электрн ческую схему, которая дает возможность тем или другим способом измерять изменение едкости конденсатора.

Для получения достаточной величины емкости расстояние между пластинами конденсатора должно быть сравнительно малым, а поэтому прогиб мембраны должен быть также небольшим.

Емкостные манометры малоинерционны и поэтому применяются для измерения быстроизменяющпхея давлении. Более широкое применение нашли емкостные манометры в виде так называемых месс-доз-приборов для измерения давлений в деталях механизмов.

Индуктивные манометры

Кроме описанных выше электрических манометров, для измерений быстро изменяющихся давлений применяются также индуктивные манометры, основанные на изменении магнитного потока в катушках. Мембрана, воспринимающая изменения давления, изготовляется из пермаллоя и является частью магнитопровода. Изменение положения мембраны вызывает изменение магнитного потока, что в свою очередь изменяет индуктивное сопротивление обмотки, намотанной на магнитоироводе.

В других конструкциях к мембране прикрепляется сердечник, перемещающийся в катушке и изменяющий ее индуктивное сопротивление. Чувствительность индуктивных манометров увеличивается, если катушки питаются током повышенной частоты.

Электрические вакуумметры с термосопротивлением

Измерение вакуума можно производить различными электрическими приборами. Одним из таких приборов является вакуумметр с термосопротивлением, позволяющий измерять абсолютное давление. Принцип действия этого прибора основан на зависимости теплопроводности сильно разреженных газов от величины разрежения. В сильно разреженных газах величина средней длины свободного пробега молекул значительно увеличивается по сравнению с газом при атмосферном давлении, поэтому передача тепла зависит от количества молекул, участвующих в этом процессе, а следовательно, от степени разрежения газа, т. е. от вакуума. Изменение теплопроводности газа вызывает изменение температуры нагретой проволоки; ее измерение может быть произведено либо термопарой, либо термометром сопротивления.Чувствительным элементом в этом приборе является так называемый ионизационный преобразователь или манометрическая лампа, представляющая собой трехэлектродную электронную лампу, баллон которой соединяется с пространством, где измеряется вакуум. Электроны, эмитируемые накаленным катодом, вызывают ионизацию газа в колбе, вследствие чего появляется ионный ток в цени сетки. Величина этого тока зависит от степени ионизации газа, следовательно, от вакуума в лампе. В некоторых случаях положительный потенциал подают на сетку, а отрицательный — на анод. Измерительный прибор, показывающий силу ионного тока, при этом включают в анодную цепь. Такая схема дает несколько большую чувствительность.

Отношение ионного и электронного токов измеряется ламповой схемой с измерительным прибором в анодной цепи. Измерение вакуума может производиться также с помощью радиоактивного излучения. Принцип действия радиоактивного вакуумметра основан на том, что в камере, соединенной с измеряемым пространством, ионный ток, появляющийся вследствие ионизации газа ос-излучением радиоактивного изотопа, зависит от плотности газа, т. е. от его абсолютного давления.