1.2.4. Измерители высоких давлений и разрежений.

Для измерения давлений от 5*10⁷ до (3-4)*10⁹ Па применяются датчики, в основе действия которых лежит изменение омического сопротивления некоторых проводников и полупроводников при их объемном сжатии.

R=R₀(1+jP),

где R₀ – начальное сопротивление; Р – Давление; j – коэффициент, характеризующий чувствительность сопротивления проводника к изменению давления. Постоянное значение j в диапазоне от 0 до 3*10⁹Па имеют манганин (сплав Сu, 13% Mn, 3%Ni), j=2,5*10^-11Па^-1, вольфрам j=1,3*10^-11Па^-1.

Для измерения малых абсолютных давлений могут быть использованы различные явления. Известны вакуумметры, действие которых основаны на изменении вязкости, теплопроводности, степени ионизации и других свойств газа в связи с изменением его давления.

В вязкостных датчиках регистрируются параметры движения твердого тела, подверженного взаимодействию с газом, давление которого меняется (оценка затухания колебаний кварцевой нити или упругой пластины оптическими методами измеряет 10^-3 - 10^-7 мм рт. ст.).

При снижении давления газа увеличивается длина свободного пробега молекул. При соизмеримости длины пробега с геометрическими размерами системы коэффициент конвективной теплопередачи зависит от давления. Этот эффект позволяет измерять давление от 10^-3 до 10 мм рт. ст.

Кроме рассмотренных датчиков и схем, существуют и другие. Часть из них представлены на рисунках в таблице 2.

1.2.5. Особенности измерения давлений в сложных условиях.

Измерения в движущихся средах.

При изучении параметров движущихся жидкостей важное значение имеет различие между статическим и полным давлением.

Статическое давление в невозмущенном потоке определяется как давление, которое действовало бы на стенку тела, движущегося вместе с потоком, или на неподвижную стенку, расположенную параллельно вектору скорости потока.

Измеряется либо через отверстия в стенках каналов, либо с помощью введенных в поток заборных устройств – насадков. Наличие тонкого пограничного слоя в потоке газа с практически постоянным давлением поперек слоя не препятствует проникновению статического давления в приемные отверстия.

Практические ошибки, связанные с кривизной линий тока практически составляют 1-3% при приемных отверстиях 0,5 – 1,5 мм в зависимости от диаметра канала и скорости. На точность измерений влияет качество выполнения формы отверстий: степень остроты кромки отверстия, угол наклона относительно перпендикуляра к касательной поверхности канала; каждая составляющая таких погрешностей может доходить до 0,5 – 1,0%.

Применяются насадки двух типов:

Первого – имеют небольшую протяженность в направлении потока. Погрешность существенно зависит от чисел Re и М, а также отклонений положения приемных отверстий. Применяются, когда определяющим фактором являются малые поперечные размеры.

Второго – имеют вытянутые в направлении потока приемники. При движении вдоль приемника возмущенный поток успевает выровняться, местное давление становится равным статическому давлению набегающего потока. В этих зонах и располагаются приемные отверстия. Наибольшее применение в этой группе имеют Г – образные (типа приемника Прандтля) и дисковые.

Полное давление – давление адиабатически заторможенного потока, или давление, которое испытывает плоское тело, расположенное перпендикулярно потоку.

В потоке идеальной жидкости, движущейся с большими скоростями, давление торможения р_т, статическое давление р₀и число М связаны зависимостью:

При малых значениях М это уравнение приближенно представляется в виде

р_т=р₀+0,5w²

Наибольшее расхождение между Р и Рт в случае несжимаемой вязкой жидкости вызывается изменением числа Re и формой приемника. При измерении сверхзвуковых потоков следует учитывать механические потери при прохождении потока через прямой скачек уплотнения и снижении скорости до дозвуковых значений. Потери полного давления в скачках уплотнения на скоростях до 1,25М составляют менее 1%.

Второй по значению фактор – скос потока относительно приемного отверстия. Чем больше приемное отверстие, тем чувствительность к скосу меньше. В крайнем случае, применяются экранированные насадки.

Третий – турбулентность. Влияние турбулентности невозмущенного потока на показания приемника Рт в случаях дозвуковых потоков несжимаемой жидкости особенно существенно вблизи твердой поверхности. Оно м. б. определено по формуле:

где ₀ – средняя величина статического давления в невозмущенном потоке;

- среднеквадратическое значение турбулентных пульсаций скорости.

Измерения в агрессивных средах.

При измерении давлений агрессивных или горячих сред в начале манометрических магистралей устанавливаются механические (мембранные) или гидравлические разделители, а сами магистрали заполняются нейтральными жидкостями.

Наличие в среде взвесей может вызвать необходимость установки фильтров или отстойников.

При однородности среды (тщательная заливка жидкостью с дренированием воздушных пузырей) и полной герметичностью системы гидравлические параметры магистрали сказываются только на динамических режимах измерения давления.

Измерения быстропеременных давлений.

При таких измерениях датчики стремятся установить как можно ближе к точке измерения, что исключает влияние соединительной магистрали. При этом следует учитывать собственные динамические характеристики датчика, которые могут вызвать нежелательные динамические эффекты. (Пример – резонанс давления в объеме камеры сгорания).

Основными причинами инерционного запаздывания являются геометрические размеры манометрической магистрали. При малых диаметрах – это длина. При больших диаметрах запаздывание растет из-за увеличения емкости, при малых – из-за роста сопротивления.

Таблица 2