2 ЧАСТЬ РЕФЕРАТ

ИЗМЕРЕНИЕ ДАВЛЕНИЯ

2.1. Единицы и методы измерения давления.

Измерение давления необходимо для управления технологическими процессами и обеспечения безопасности производства. Кроме того, этот параметр используется при косвенных измерениях других технологических параметров: уровня, расхода, температуры, плотности и т. д. В системе СИ за единицу давления принят паскаль (Па). Так же существуют и другие единицы измерения давления:

• Паскаль (ньютон на квадратный метр)

• Бар

• Миллиметр ртутного столба (торр)

• Микрон ртутного столба (10⁻³ торр)

• Миллиметр водяного (или водного) столба

• Атмосфера

  • Атмосфера физическая

  • Атмосфера техническая

• Килограмм-сила на квадратный сантиметр, килограмм-сила на квадратный метр

• Дина на квадратный сантиметр (бария)

• Фунт-сила на квадратный дюйм (psi)

• Пьеза (тонно-сила на квадратный метр, стен на квадратный метр)

Соотношения между ними приведены в таблице 1.

Таблица 1.

	Паскаль (Pa, Па)	Бар (bar, бар)	Техническая атмосфера	Физическая атмосфера	Миллиметр ртутного столба	Метр водяного столба	Фунт-сила на кв. дюйм (psi)
1 Па	1 Н/м^2	10^−5	10,197·10^−6	9,8692·10^−6	7,5006·10^−3	1,0197·10^−4	145,04·10^−6
1 бар	10^5	1·10^6 дин/см^2	1,0197	0,98692	750,06	10,197	14,504
1 ат	98066,5	0,980665	1 кгс/см^2	0,96784	735,56	10	14,223
1 атм	101325	1,01325	1,033	1 атм	760	10,33	14,696
1 мм рт.ст.	133,322	1,3332·10^−3	1,3595·10^−3	1,3158·10^−3	1 мм рт.ст.	13,595·10^−3	19,337·10^−3
1 м вод. ст.	9806,65	9,80665·10^−2	0,1	0,096784	73,556	1 м вод. ст.	1,4223
1 psi	6894,76	68,948·10^−3	70,307·10^−3	68,046·10^−3	51,715

В большинстве случаев первичные преобразователи давления имеют неэлектрический выходной сигнал в виде силы или перемещения и объединены в один блок с измерительным прибором. Если результаты измерений необходимо передавать на расстояние, то применяют промежуточное преобразование этого неэлектрического сигнала в унифицированный электрический или пневматический. При этом первичный и промежуточный преобразователи объединяют в один измерительный преобразователь.

Для измерения давления используют манометры, вакуумметры, мановакуумметры, напоромеры, тягомеры,тягонапоромеры, датчики давления, дифманометры.

Методы измерения давления во многом предопределяют как принци­пы действия, так и конструктивные особенности средств измерений. В этой связи в первую очередь следует остановиться на наиболее общих ме­тодологических вопросах техники измерения давления.

Давление, исходя из самых общих позиций, может быть определено как путем его непосредственного измерения, так и посредством измере­ния другой физической величины, функционально связанной с измеряе­мым давлением.

В первом случае измеряемое давление воздействует непосредствен­но на чувствительный элемент прибора, который передает информацию о значении давления последующим звеньям измерительной цепи, преоб­разующим ее в требуемую форму. Этот метод определения давления яв­ляется методом прямых измерений и получил наибольшее распростране­ние в технике измерения давления. На нем основаны принципы действия большинства манометров и измерительных преобразователей давления.

Во втором случае непосредственно измеряются другие физические величины или параметры, характеризующие физические свойства изме­ряемой среды, значения которых закономерно связаны с давлением (температура кипения жидкости, скорость распространения ультразву­ка, теплопроводность газа и т. д.). Этот метод является методом косвен­ных измерений давления и применяется, как правило, в тех случаях, ког-

да прямой метод по тем или иным причинам неприменим, например, при измерении сверхнизкого давления (вакуумная техника) или при изме­рении высоких и сверхвысоких давлений.

Методологически не менее важен и вопрос о способе, которым сред­ство измерений воспроизводит единицу давления, что непосредственно сказывается на его функциональных возможностях.

Давление является производной физической величиной, определяе­мой тремя основными физическими величинами — массой, длиной и вре­менем. Конкретная реализация значения давления зависит от способа воспроизведения единицы давления. Методы определения давления, основанные на измерении указанных величин, являются абсолютными (фундамен­тальными) методами и применяются при воспроизведении единицы дав­ления эталонами грузопоршневого и жидкостного типа, а также позволя­ют, при необходимости, производить аттестацию образцовых средств измерений.

Относительный метод измерений, в отличие от абсолютного, основан на предварительном исследовании зависимости от давления физических свойств и параметров чувствительных элементов средств измерения дав­ления при методах прямых, измерений или других физических величин и свойств измеряемой среды — при методах косвенных измерений. На­пример, деформационные манометры перед их применением для изме­рения давления должны быть сначала отградуированы по образцовым средствам измерений соответствующей точности.

Помимо классификации по основным методам измерений и видам давления, средства измерений давления классифицируют по принципу действия, функциональному назначению, диапазону и точности измере­ний.

Наиболее существенный классификационный признак — принцип действия средства измерения давления, в соответствии с ним и построе­но дальнейшее изложение.

Современные средства измерений давления представляют собой измерительные системы, звенья которых имеют различное функциональ­ное назначение. Обобщенные блок-схемы манометров и измерительных преобразователей давления приведены соответственно на рис. 3, а и б. Важнейшим звеном любого средства измерения давления является его чувствительный элемент (ЧЭ), который воспринимает измеряемое дав­ление и преобразует его в первичный сигнал, поступающий в измеритель­ную цепь прибора. С помощью промежуточных преобразователей сигнал от. ЧЭ преобразуется -в показания манометра или регистрируется им, а в измерительных преобразователях (ИПД) — в унифицированный вы­ходной сигнал, поступающий в системы измерения, контроля, регулиро­вания и управления. При этом промежуточные преобразователи и вто­ричные приборы во многих случаях унифицированы и могут приме­няться в сочетании с ЧЭ различных типов. Поэтому принципиальные особенности манометров и ИПД зависят, в первую очередь, от типа ЧЭ.

2.2. Жидкостные манометры.

По принципу действия различают приборы жидкостные, пружинные, поршневые, электрические, комбинированные и др.

К жидкостным относятся приборы, основанные на гидростатическом принципе действия, заключающемся в том, что измеряемое давление уравновешивается давлением, создаваемым весом столба жидкости, высота которого служит мерой давления. Они нашли широкое применение благодаря их исключительной простоте и относительно высокой точности.

Наполнителями жидкостных манометров являются дистиллированная вода, подкрашенный этиловый спирт. ртуть, а в некоторых случаях керосин, толуол и др.

Шкалы жидкостных манометров обычно градуируются в миллиметрах соответствующего столба жидкости. В Международной системе единиц СИ давление выражается в паскалях.

При необходимости можно пересчитать единицы давления: 1Па = 1 Н/м²; 1 кгс/см² = 1 атм = 98066,5 Па; 760 мм рт. ст = 101,325 кПа.

Простейший по конструкции двухтрубный (U – образный) манометр представлен на рисунке 1.

Рисунок 1. Двухтрубный манометр.

Модификацией его является однотрубный (чашечный) манометр (рисунок 2), который позволяет производить один отсчет.

Рисунок 2. Однотрубный манометр.

Для измерения малых давлений применяются манометры, представляющие собой разновидность чашечных манометров. На рисунке 3 представлен микроманометр ЦАГИ.

Рисунок 3. Микроманометр ЦАГИ: 1 – металлический резервуар, заполненный спиртом; 2 – наклонная рубка со шкалой; 3 – штуцеры.

Угол наклона трубки 2 можно менять, меняя тем самым диапазон измеряемых давлений и точность отсчета. При этом отсчет по шкале должен быть пересчитан по формуле , избыточное давление по формуле , величины поправок на угол наклона можно найти в соответствующих описаниях приборов.

Манометры с постоянным углом наклона трубки для измерения небольших давлений и разряжений называются тягонапоромерами.

На рисунке 4 представлен микроманометр типа ММН классов точности 0,6 и 0,1.

Рисунок 4. Микроманометр типа ММН: 1 – цилиндрический сосуд; 2, 3 – штуцеры; 4 – трехходовой кран; 5 – корректор нуля; 6 – резиновый шланг; 7 – измерительная трубка; 8 – уровни; 9 – винтовые ножки; 10 – стойка; 11 – основание; 12 – поршень вытеснения; 13 – кронштейн; 14 – резиновый шланг.

2.3.Деформационные манометры.

В большинстве приборов измеряемое давление преобразуется в деформацию упругих элементов, поэтому они называются деформационными.

Деформационные приборы широко применяют для измерения давления при ведении технологических процессов благодаря простоте устройства, удобству и безопасности в работе. Все деформационные приборы имеют в схеме какой-либо упругий элемент, который деформируется под действием измеряемого давления: трубчатую пружину, мембрану или сильфон.

Наибольшее применение получили приборы с трубчатой пружиной. Их выпускают в виде показывающих манометров и вакуумметров c максимальным пределом измерений. В таких приборах с изменением измеряемого давления р трубчатая пружина / изменяет свою кривизну. Ее свободный конец через тягу поворачивает зубчатый сектор и находящуюся с ним в зацеплении шестерню. Вместе с шестерней поворачивается закрепленная на ней стрелка, перемещающаяся вдоль шкалы. Для дистанционной передачи показаний выпускают манометры с промежуточными преобразователями с токовым и пневматическим выходом (МП-Э, МП-П), а также с дифференциально-трансформаторными преобразователями (МЭД).

Промышленность выпускает также мембранные дифманометры с промежуточными преобразователями, имеющими унифицированные токовые или пневматические сигналы.

Для преобразования деформации мембраны в унифицированный токовый сигнал применяют также тензорезисторные промежуточные преобразователи, в которых сопротивление резистора изменяется при его растяжении или сжатии. В таких приборах тензорезистор укреплен на жесткой измерительной мембране. Деформация мембраны, пропорциональная приложенному давлению, приводит к деформации тензорезистора и изменению его сопротивления. Это сопротивление преобразуется измерительной схемой, включающей неуравновешенный мост, в выходной сигнал постоянного тока. Так как деформация жесткой мембраны мала, то применяют полупроводниковые кремниевые тензорезисторы, обладающие высокой чувствительностью.

В дифманометрах чувствительным элементом служит блок из двух неупругих мембран, соединенных между собой штоком. Смещение этого штока под действием перепада давлений приводит к изгибу рычага и деформации измерительной мембраны. Мембраны выполнены из коррозионно-стойкого материала, что позволяет использовать дифманометр для измерений в сильноагрессивных средах.

Для измерения давления агрессивных сред применяют датчики, снабженные защитной мембраной, изготовленной, как и в дифманометрах, из коррозионно-стойкого материала. Измеряемое давление передается к измерительной мембране через силиконовое масло, которым заполнена внутренняя полость датчика.

Промышленные тензорезисторные преобразователи предназначены для преобразования давления, разрежения и разности давлений в пропорциональное значение выходного сигнала — постоянного тока.

Особенности эксплуатации приборов для измерения давления

При эксплуатации приборов, измеряющих давление, часто требуется защита их от агрессивного и теплового воздействия среды.

Деформационные приборы требуют периодической поверки. В эксплуатационных условиях у них проверяют нулевую и рабочую точки шкалы. Для этого применяют трехходовые краны. При поверке нулевой точки прибор соединяют с атмосферой. Стрелка прибора должна вернуться к нулевой отметке. Поверку прибора в рабочей точке шкалы осуществляют по контрольному манометру, укрепляемому на боковом фланце. При пользовании краном необходимо строго соблюдать плавность включения и выключения прибора.