Средства измерения давления. Принципы действия, конструкции, характеристики.

Давлением называют отношение силы, действующей перпендикулярно поверхности, к площади этой поверхности. Давлением во многом определяется ход технологического процесса, состояние технологических аппаратов и режимы их функционирования.

Различают следующие 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 между абсолютным и барометрическим давлениями.

Вакуум (разрежение) – разность между барометрическим и абсолютным давлениями.

Дифференциальное давление – разность двух измеряемых давлений, ни одно из которых не является давлением окружающей среды.

В Международной системе единиц (СИ) за единицу 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 используются и внесистемные единицы: бар (10 5 Па), миллиметр ртутного столба, килограмм-сила на квадратный сантиметр (атм), миллиметр водного столба.

Средства измерений давления классифицируют по виду измеряемого давления и принципу действия. По виду измеряемого давления средства измерений подразделяют на:

- манометры избыточного давления,

- манометры абсолютного давления,

- барометры,

- вакуумметры,

- мановакуумметры – для измерения 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 принцип действия манометров основан на уравновешивании измеряемого давления некоторой известной силой. По принципу действия средства измерений давления подразделяют на жидкостные, поршневые, деформационные (пружинные) и др.

Принцип действия жидкостных манометров основан на законе Паскаля – измеряемое давление уравновешивается весом столба рабочей жидкости: P = ρgh. Состоят из резервуара и капилляра. В качестве рабочих жидкостей 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 некоторым углом к горизонту. Тогда: P = ρgL Sinα.

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

Трубчатая пружина (манометрическая пружина, трубка Бурдона) – упругая металлическая трубка, один из концов которой запаян и 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 на 270° трубку с овальным или эллиптическим поперечным сечением. Под влиянием поданного избыточного давления трубка раскручивается, а под действием разрежения скручивается. Такое направление перемещения трубки объясняется тем, что под влиянием внутреннего избыточного давления малая ось эллипса увеличивается, в то время как длина трубки остается постоянной.

Основной недостаток рассмотренных пружин – малый угол поворота, что требует применения передаточных механизмов. С их помощью перемещение свободного конца трубчатой пружины на несколько градусов или миллиметров преобразуется в угловое перемещение стрелки на 270 – 300°.

Преимущество – близкая к линейной статическая характеристика. Основное применение – показывающие приборы. Диапазоны измерений манометров от 0 до 10³ МПа; 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 перемещается под действием давления или силы.

В пределах линейности статической характеристики сильфона отношение действующей на него силы к вызванной ею деформации остается постоянным и называется 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. Различают упругие и эластичные мембраны. Упругая мембрана – гибкая круглая плоская или гофрированная пластина, способная получить прогиб под действием давления.

Статическая характеристика плоских мембран изменяется нелинейно с увеличением давления, поэтому 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 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 характеристики. Чем больше глубина гофр, тем выше линейность статической характеристики.

Полупроводниковые датчики давления (HONEYWELL) относятся 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 увеличивается, а двух других – уменьшается.

По сравнению с сенсорами на основе металлических мембран, кремниевые имеют несколько преимуществ:

- долговременная стабильность параметров. Однородный кристалл кремния является идеальным материалом для восприятия усилий благодаря своей сверхэластичности, не меняющейся даже при экстремальных нагрузках. Ему несвойственна, по сравнению, например, со стальными диафрагмами, остаточная деформация после снятия усилия. Он либо сохраняет свою точную первоначальную форму, независимо от приложенного усилия, либо разрушается в случае возникновения предельно допустимой деформации.

- более высокая тензочувствительность – почти в 100 раз выше, чем у классических тензодатчиков с металлической мембраной,

- более высокая точность и линейность характеристики преобразования,

- очень малые габариты, дешевизна (при серийном производстве), высокая надежность и простота эксплуатации.