Что называется избыточным давлением и каким прибором оно измеряется
Приборы для измерения давлений
ПРОВЕРИЛ:________________
ЦЕЛЬ РАБОТЫ
Изучение назначения, устройства, принцип действия и тарировки приборов дня измерения давления (абсолютного, манометрического вакуумметрического).
Приборы для измерения давлений
Приборы для измерения давлений классифицируют по различным признакам. По характеру измеряемого давления приборы разделяют на следующие классы:
По принципу действий приборы различают:
Простейшим прибором для измерения избыточного давления является пьезометр (рис.1, а). Он представляет собой вертикально установленную прозрачную стеклянную или ПВХ трубку с открытым верхним концом
Измерения по пьезометру проводят в единицах длины, поэтому иногда давления выражают в единицах высоты столба определенной жидкости. Пьезометр высотой 1,5. 2м позволяет измерить давление до 0,15. 0,20 атм.
Основным достоинством пьезометра является простота устройства и точность измерения. Основным недостатком пьезометра является малый диапазон измеряемых давлений. При больших давлениях пьезометр становится слишком громоздким. К недостаткам пьезометра также можно отнести хрупкость.
Избыточное давление в жидкостях или газах измеряется манометрами. Это весьма обширный набор измерительных приборов различной конструкции и различного исполнения
На рисунке 1,б показана схема действия поршневого манометра. При увеличении давления в сосуде жидкость или газ по закону Паскаля передаёт это давление на нижнюю поверхность поршня, заставляя его тем самым подниматься или опускаться. Поршень связан через систему рычагов с указательной стрелкой.
Рис.1 Приборы для измерения избыточного давления
а) пьезометр, б) поршневой манометр, в) жидкостный манометр, г) мембранный манометр, д) сильфонный манометр
Жидкость или газ, производя давление изнутри трубки, выпрямляет ее.
Жидкость или газ подается в штуцер 3, соединенный с трубкой 1. Трубка, распрямляясь, приводит в движение систему зубчатых колес и рычагов 2, которые поворачивают стрелку 4; чем больше давление, тем на больший угол повернется стрелка. Угол поворота стрелки пропорционален измеряемому давлению. Шкала, нанесенная на циферблате, градуирована в единицах давления. Обычно манометр калибруется в МПа. Такие манометры применяются при измерении давления воздуха, пара, газов и жидкостей. Манометры для измерения давления в шинах автомобиля часто бывают типа манометра Бурдона.
Таким образом, это деформационный манометр.
К деформационным относятся также мембранные и сильфонные манометры (рис. 1, г, д)
Главной частью мембранного манометра является гибкая круглая плоская пластина способная получить прогиб под действием давления.
Сильфонный манометр (сильфон) представляют собой тонкостенную цилиндрическую оболочку с поперечными гофрами, способную получать значительное перемещении под действием давления. Для увеличения жесткости внутрь сильфона часто помещают пружину. Сильфоны изготавливают из бронзы, углеродистой стали, алюминиевых сплавов. Серийно производят бесшовные и сварные сильфоны диаметром от 8-10 до 80-100 мм. Сильфоны более чувствительны, чем мембранные манометры и имеют больший диапазон измерений.
Основными достоинствами приборов являются большой диапазон измеряемых давлений, простота устройства и применения, портативность и универсальность.
Основным недостатком приборов является непостоянство их показаний, вследствие постепенных изменений упругих свойств пружинящего элемента, возникновения остаточной деформации, износа передаточного механизма. Поэтому такие приборы необходимо периодически проверять.
Манометры позволяют определять давление лишь с определенной точностью, класс точности манометров определяется величиной k, выражающей максимальную допустимую погрешность величины 
, соответствующей предельному показанию 
шкалы прибора
Номинальный ряд классов, точности манометров: 0,005; 0,02; 0,05; 0,1; 0.2; 0,35; 1; 2; 2,5; 4,0; 6,0.
Манометры и вакуумметры, пружинные образцовые служат для контроля манометров общего назначения и для проведения особо точных замеров. Для контроля образцовых манометров используются грузопоршневые манометры.
| |
|
Стенд для тарировки включает:
| Показания образцового манометра | Показания проверяемого манометра,  | |||
| Давление, | При прямом ходе | погрешность | При обратном ходе | погрешность |
ВЫВОДЫ
Давление и силы действующие на жидкость
Массовые и поверхностные силы действующие на жидкость
Из-за легкоподвижности на жидкость не могут действовать сосредоточенные нагрузки, а возможно лишь действие сил непрерывно распределенных либо по массе либо по поверхности жидкости. Все многообразие сил делят на массовые и поверхностные.
Массовые силы распределены по массе жидкого тела, и при их непрерывном распределении пропорционально этой массе.
В гидравлических расчетах используют единичные массовые силы, приходящиеся на единицу массы твердого тела.
Поверхностная сила ΔR, с которой выше лежащие потоки действуют на нижележащие.
ΔFр направленная перпендикулярно площадке нормально сжимающая сила или сила давления
В механике жидкости и газа используют единичные поверхностные силы, то есть напряжения. Единица измерения напряжения Н/м 2 = Па (Паскаль).
Средняя величина нормально вжимающего напряжения в площадке ΔA определяется по формуле:
Истинное давление в данной точке жидкого тела.
Давление
Измеряется давление в системе СИ Н/м 2 или Па (Паскалях), также существует множество других единиц измерения давления.
Давление, приложенное к внешней поверхности жидкости передается вем точкам и во сех направлениях одинаково, это положение называют законом Паскаля.
В обычных условиях (медленное текущих) жидкость на растяжение не работает, а значит давление положительно.
Если жидкость очень чистая (дегазированная), а процесс проходит очень быстро, знакопеременно, то в жидкости возможны кратковременные растягивающие напряжения, то есть давление может быть отрицательным.
Абсолютное и избыточное давление
Давление может измеряться по избыточный или абсолютной шкалам.
В избыточной шкале за 0 принято давление атмосферы, давление ниже атмосферного записывается со знаком минус.
Истинное давление называют абсолютным.
Таким образом, можно записать зависимости:
Манометрическое и вакуумметрическое давление
Положительное избыточное давление называют манометрическим, его измеряют с помощью манометра.
Отрицательное избыточное давление называют вакуумметрическим, его измеряют с помощью вакуумметра.
Приборы для измерения давления. Виды и работа. Применение
Виды и работа
Приборы для измерения давления, называются манометрами. В технике чаще всего приходится определять избыточное давление. Значительный интервал измеряемых величин давлений, особые условия измерения их во всевозможных технологических процессах обуславливает разнообразие видов манометров, которые имеют свои различия по конструктивным особенностям и по принципу работы.
Виды давления
Барометры
Барометром называют прибор, измеряющий давление воздуха в атмосфере. Существует несколько видов барометров.
Ртутный барометр действует на основе перемещения ртути в трубке по определенной шкале.
Жидкостный барометр работает по принципу уравновешивания жидкости давлением атмосферы.
Барометр-анероид работает на изменении размеров металлической герметичной коробки с вакуумом внутри, под действием давления атмосферы.
Электронный барометр является более современным прибором. Он преобразовывает параметры обычного анероида в цифровой сигнал, отображающийся на жидкокристаллическом дисплее.
Жидкостные манометры
В этих моделях приборов давление определяется высотой столба жидкости, которое выравнивает это давление. Жидкостные приборы для измерения давления чаще всего выполняют в виде 2-х стеклянных сосудов, соединенных между собой, в которые залита жидкость (вода, ртуть, спирт).
Рис-1
Один конец емкости соединен с измеряемой средой, а второй открыт. Под давлением среды жидкость перетекает из одного сосуда в другой до выравнивания давления. Разность уровней жидкости определяет избыточное давление. Такими приборами замеряют разность давлений и разрежение.
На рисунке 1а изображен 2-х трубный манометр, измеряющий вакуум, избыточное и атмосферное давление. Недостатком является значительная погрешность измерения давлений, имеющих пульсацию. Для таких случаев применяют 1-трубные манометры (рисунок 1б). В них один край сосуда большего размера. Чашка соединена с измеряемой полостью, давление которой передвигает жидкость в узкую часть сосуда.
При замере берется во внимание только высота жидкости в узком колене, так как жидкость изменяет свой уровень в чашке незначительно, и этим пренебрегают. Чтобы произвести замеры малых избыточных давлений используют 1-трубные микроманометры с трубкой, наклоненной под углом (рисунок 1в). Чем больше наклон трубки, тем точнее показания прибора, вследствие увеличения длины уровня жидкости.
Особой группой считаются приборы для измерения давления, в которых движение жидкости в емкости действует на чувствительный элемент – поплавок (1) на рисунке 2а, кольцо (3) (рисунок 2в) или колокол (2) (рисунок 2б), которые связаны со стрелкой, являющейся указателем давления.
Рис-2
Преимуществами таких приборов является дистанционная передача и их регистрация значений.
Деформационные манометры
В технической области приобрели популярность деформационные приборы для измерения давления. Их принцип работы заключается в деформации чувствительного элемента. Эта деформация появляется под действием давления. Упругий компонент связан со считывающим устройством, имеющим шкалу с градуировкой единицами давления.
Деформационные манометры делятся на:
Рис-3
Пружинные манометры
В этих приборах чувствительным элементом является пружина, соединенная со стрелкой передаточным механизмом. Давление воздействует внутри трубки, сечение старается принять круглую форму, пружина (1) пытается раскручиваться, в результате стрелка передвигается по шкале (рисунок 3а).
Мембранные манометры
В этих приборах упругим компонентом является мембрана (2). Она прогибается под давлением, и воздействует на стрелку с помощью передаточного механизма. Мембрану изготавливают по типу коробки (3). Это увеличивает точность и чувствительность прибора из-за большего прогиба при равном давлении (рисунок 3б).
Сильфонные манометры
В приборах сильфонного типа (рисунок 3в) упругим элементом является сильфон (4), который выполнен в виде гофрированной тонкостенной трубки. В эту трубку воздействует давление. При этом сильфон увеличивается в длину и с помощью механизма передачи передвигает стрелку манометра.
Сильфонные и мембранные виды манометров используют для замеров незначительных избыточных давлений и вакуума, так как упругий компонент имеет небольшую жесткость. При применении таких приборов для измерения вакуума они получили название тягомеров. Прибор, измеряющий избыточное давление, является напоромером, для измерения избыточного давления и вакуума служат тягонапоромеры.
Приборы для измерения давления деформационного типа имеют преимущество в сравнении с жидкостными моделями. Они позволяют производить передачу показаний дистанционно и записывать их в автоматическом режиме.
Это происходит вследствие преобразования деформации упругого компонента в выходной сигнал электрического тока. Сигнал фиксируется приборами измерений, которые имеют градуировку по единицам давления. Такие приборы имеют название деформационно-электрических манометров. Широкое использование нашли тензометрические, дифференциально-трансформаторные и магнитомодуляционные преобразователи.
Дифференциально-трансформаторный преобразователь
Рис-4
Принципом работы такого преобразователя является изменение силы тока индукции в зависимости от величины давления.
Приборы с наличием такого преобразователя имеют трубчатую пружину (1), которая передвигает стальной сердечник (2) трансформатора, а не стрелку. В итоге изменяется сила индукционного тока, подающегося через усилитель (4) на измерительный прибор (3).
Магнитомодуляционные приборы для измерения давления
В таких приборах усилие преобразуется в сигнал электрического тока вследствие передвижения магнита, связанного с упругим компонентом. При движении магнит воздействует на магнитомодуляционный преобразователь.
Электрический сигнал усиливается в полупроводниковом усилителе и поступает на вторичные электроизмерительные устройства.
Тензометрические манометры
Преобразователи на основе тензометрического датчика работают на основе зависимости электрического сопротивления тензорезистора от величины деформации.
Тензодатчики (1) (рисунок 5) фиксируются на упругом элементе прибора. Электрический сигнал на выходе возникает вследствие изменения сопротивления тензорезистора, и фиксируется вторичными устройствами измерения.
Электроконтактные манометры
В схемах сигнализации, системах авторегулирования технологических процессов, приборах тепловой защиты популярными стали электроконтактные манометры. На рисунке изображена схема и вид прибора.
Упругим компонентом в приборе выступает трубчатая одновитковая пружина. Контакты (1) и (2) выполняются для любых отметок шкалы прибора, вращая винт в головке (3), которая находится на внешней стороне стекла.
При уменьшении давления и достижении его нижнего предела, стрелка (4) с помощью контакта (5) включит цепь лампы соответствующего цвета. При возрастании давления до верхнего предела, который задан контактом (2), стрелка замыкает цепь красной лампы контактом (5).
Классы точности
Измерительные манометры разделяют на два класса:
Образцовые приборы определяют погрешность показаний рабочих приборов, которые участвуют в технологии производства продукции.
Класс точности взаимосвязан с допустимой погрешностью, которая является величиной отклонения манометра от действительных величин. Точность прибора определяется процентным соотношением от максимально допустимой погрешности к номинальному значению. Чем больше процент, тем меньше точность прибора.
Образцовые манометры имеют точность намного выше рабочих моделей, так как они служат для оценки соответствия показаний рабочих моделей приборов. Образцовые манометры применяются в основном в условиях лаборатории, поэтому они изготавливаются без дополнительной защиты от внешней среды.
Пружинные манометры имеют 3 класса точности: 0,16, 0,25 и 0,4. Рабочие модели манометров имеют такие классы точности от 0,5 до 4.
Применение манометров
Приборы для измерения давления наиболее популярные приборы в различных отраслях промышленности при работе с жидким или газообразным сырьем.
Виды давления
Давление — действующая сила, находящаяся на поверхности тела, деленная на площадь данной поверхности. В системе СИ измеряется в Па (Паскалях). Метрологи измеряют давление в единицах измерения – миллибар, которая равно 100 Па. Для обозначения типа в нашем каталоге в разделе датчики давления у каждого датчика существует специально поле «Тип измеряемого давления». Разберем какие бывают типы.
Барометрическое давление — это абсолютное давление земной атмосферы. Свое название этот тип давления получил от измерительного прибора барометра, который как известно определяет атмосферное давление в определенный момент времени при определенно температуре и на определенной высоте над уровнем моря. Относительно этого давления определяются избыточное давление и вакуум.
Избыточное давление имеет место в том случае если имеется положительная разность между измеряемым давлением и барометрическим. То есть избыточное давление — это величина на которую измеряемое давлением больше барометрического. Для измерения этого вида давления используют манометр. В качестве примера датчика этого типа можете посмотреть прибор Агат-100М-ДИ.
Вакуум или по-другому вакуумметрическое давление — это величина на которую измеряемое давление меньше барометрического. Если избыточное давление обозначается в положительных единицах, то вакуум в отрицательных. Например, датчик Агат-100М-ДВ, способный измерять вакуум. Приборы способные измерять этот тип давления называют вакуумметрами.
Дифференциальное давление имеет место если сравнивается одно давление относительно другого, причем ни одно из них не равно барометрическому. Избыточное давление и вакуум меряется относительно барометрического давления. Если же измерить эти величины относительно любой другой величины, то мы получим уже дифференциальное. Мы могли бы привести пример и датчика дифференциального давления, но лучше дадим вам ссылку на поиск с помощью которого можно найти датчик любого типа из описанных в этой статье типа.
Глава 5. Методы и приборы для измерения давления и разряжения
Глава 5. Методы и приборы для измерения давления и разряжения.
Глава 5. Методы и приборы для измерения давления и разряжения.
Давлением называют отношение силы, действующей перпендикулярно поверхности, к площади этой поверхности. Давление — одна из основных величин, определяющих термодинамическое состояние веществ и ход технологических процессов.
Различают следующие виды давления: атмосферное, абсолютное, избыточное и вакуум (разрежение).
Атмосферное (барометрическое) давление — давление, создаваемое массой воздушного столба земной атмосферы.
Абсолютное давление — давление, отсчитанное от абсолютного нуля. За начало отсчета абсолютного давления принимают давление внутри сосуда, из которого полностью откачан воздух.
Избыточное давление — разность между абсолютным и барометрическим давлениями.
Вакуум (разрежение) — разность между барометрическим и абсолютным давлениями.
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.
В технической системе единиц (МКГСС) давление выражается в килограммах силы на квадратный сантиметр (кгс/см2) и килограммах силы на квадратный метр (кгс/м2). Единица кгс/см2 получила название технической или метрической атмосферы (ат). Помимо указанных единиц существуют такие единицы измерения давления как бар, миллиметр ртутного столба (мм рт. ст.), миллиметр водного столба (мм вод. ст.), а также физическая или нормальная атмосфера (атм), которая эквивалентна 760 мм рт. ст.
Датчики давления можно разделить на измерительные приборы давления и измерительные преобразователи давления (датчики давления).
Классификация датчиков по типу измеряемого давления
• Датчики абсолютного давления (Absolute Pressure Sensor)
Эти датчики измеряют давление относительно абсолютного вакуума.
Применение: пищевые и химические производства.
• Датчики избыточного (относительного) давления, манометры
(Gauge Pressure Sensor)
Эти датчики измеряют давление относительно атмосферного давления в этом месте. Барометры измеряют атмосферное давление.
Применение: водоснабжение и водоотведение.
• Датчики дифференциального (перепада) давления (Differential Pressure Sensor)
Эти датчики измеряют перепад (разность) давления в двух точках.
Применение: контроль загрязнения фильтров, измерение расхода и уровня жидкости (гидростатический метод).
• Вакуумные датчики, датчики разряжения (Vacuum Pressure Sensor)
Измеряют давление, которое ниже атмосферного (вакуум).
Рис.1 Измерение давления в гидравлическом прессе
6.1 Жидкостные манометры
В жидкостных манометрах измеряемое давление уравновешивается гидростатическим давлением столба рабочей жидкости. В качестве рабочей (манометрической) жидкости применяются дистиллированная вода, этиловый спирт, трансформаторное масло. Эти манометры предназначены для измерения избыточного давления до 0,1 МПа, разряжения и разности давлений. Жидкостные манометры используются в основном в качестве образцовых приборов для лабораторных и технических измерений.
В зависимости от конструкции сосуда с рабочей жидкостью жидкостные манометры могут быть U-образные (двухтрубные) и чашечные (однотрубные) с вертикальной или наклонной трубкой (рис. ). U-образный манометр (рис. а) представляет собой изогнутую в виде латинской буквы U стеклянную трубку, заполненную до половины рабочей жидкостью. Трубка закрепляется вертикально на твердом основании (рис. а). Отсчет производится по шкале, имеющей нулевую отметку при равенстве давлений в обоих коленах трубки. Измеряемая величина уравновешивается столбом рабочей жидкости, высота которого равна сумме высот столбов в обоих коленах трубки. При измерении давления или разрежения один конец трубки оставляют открытым в атмосферу, а другой соединяют с объектом измерения; при измерении разности давлений их подводят к обоим концам трубки.
Рис. Схемы жидкостных манометров
а — U-образный; б — чашечный с вертикальной трубкой; в — чашечный с наклонной трубкой. Рабс — абсолютное давление; Ратм — атмосферное давление; h1 и h2 — перемещения уровня манометрической жидкости
в коленах манометра; с1 — плотность манометрической жидкости; с2 — плотность жидкости или газа, заполняющего пространство в манометре над манометрической жидкостью; F1 и F2 — средние площади поперечных сечений трубок;l — длина столбика рабочей жидкости в трубке; б — угол наклона трубки.
Уравнение измеряемого давления, показанного на рис а имеет вид:
где Ризм — измеряемое давление, Па;
Рабс — абсолютное давление, Па;
Ратм — атмосферное давление, Па;
h1 и h2 — перемещения уровня манометрической жидкости в коленах манометра, м;
с1 — плотность манометрической жидкости, кг/м3;
с2 — плотность жидкости или газа, заполняющего пространство в манометре над манометрической жидкостью, кг/м3;
g — ускорение свободного падения в месте измерений, м/с2.
Если средние площади поперечных сечений трубок F1 и F2 равны, то
В чашечных (однотрубных) манометрах одна из трубок заменена широким сосудом, сообщающимся с измерительной стеклянной трубкой (вертикальной или наклонной). Площадь сечения сосуда значительно больше, чем площадь сечения измерительной трубки. При измерении давления или разности давлений большее из них подается в сосуд, а меньшее — в измерительную трубку (рис. в). Под действием измеряемого давления жидкость в трубке поднимается на высоту h1, a в сосуде опускается на h2, при этом высота столба жидкости, соответствующего измеряемой величине, равна сумме h1 и h2. Однако, если отношение площадей поперечных сечений сосуда и трубки больше 400, величиной h2 можно пренебречь и отсчет вести только по уровню жидкости в трубке. При точных измерениях применяют чашечные манометры с наклонной трубкой, имеющие большую чувствительность (рис., с). Показания манометра при измерениях определяются по длине столбика l рабочей жидкости в трубке, имеющей угол наклона б. При этом
Так как sin б h и точность отсчета увеличивается. Внешний вид манометра с наклонной трубкой показан на рис. в.
Рис. Внешний вид U-образного манометра (а) и чашечного манометра с наклонной трубкой (в)
6.2 Деформационные манометры
Наиболее часто на сегодняшний день используют пружинные датчики давления. Их действие будет основано на том, что возникновении упругой деформации пружины, которая считается пружинным элементом прибора. При изменении давления будет возникать деформация внутри и снаружи.
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
(1 – трубка; 2 – рычаг передаточного механизма; 3 – передаточный механизм; 4 – стрелка и шкала отсчётного устройства)
Источник: http://dic. academic. ru/pictures/enc_tech/i_363.jpg
Верхний предел измерения таких манометров 103 МПа.
Сильфон — тонкостенная цилиндрическая оболочка с поперечными гофрами способная получать значительные перемещения под действием давления.
Его упругость определяется материалом и толщиной стенки, числом гофр и их кривизной. Сильфоны изготавливают из бронзы, нержавеющей стали и т. д.
а — схема; б — внешний вид
1, 2 — сильфоны; 3 — шток; 4 — рычаг; 5 — стрелка; 6 — шкала; Р — измеряемое давление
Рис. Сильфонный дифманометр
Под действием разности давлений сильфон 1, расположенный в плюсовой камере дифманометра, сжимается и кремнийорганическая жидкость, заполняющая внутреннюю полость сильфона 1, частично вытесняется во внутреннюю полость сильфона 2, находящегося в минусовой камере дифманометра. При этом перемещается шток 3, жестко соединенный с дном сильфона 2. Со штоком соединен конец рычага 4, на который насажена стрелка прибора 5 для отсчета показаний по шкале 6. Для увеличения жесткости сильфонов внутри них могут быть установлены винтовые пружины.
Сильфоны более чувствительны к изменению давления, чем трубчатые пружины. Поэтому сильфонные манометры применяют для измерения сравнительно небольших разрежений и давлений.
Верхний предел измерений сильфонных манометров — 0,4 МПа.
Сильфоны также применяются в качестве гибких соединений трубопроводов, компенсаторов температурных удлинений, упругих разделителей сред и т. п.
Рис. Манометр сильфонный дифференциального давления
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 (или пластинчатые пружины) представляют собой гибкие плоские или гофрированные диски, способные получать 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 бомльших прогибах, чем плоские, так как имеют значительно меньшую нелинейность характеристики. При этом чем больше глубина гофр, тем линейность статической характеристики выше. Различают упругие и эластичные мембраны. Упругие мембраны выполняются из стали, бронзы, латуни и др. Эластичные мембраны изготавливаются из прорезиненной ткани, тефлона и т. п. и предназначены для измерения малых давлений и разности давлений. Для увеличения перестановочного усилия и уменьшения нелинейности характеристики применяют эластичные мембраны с жестким центром, представляющим собой два металлических диска, закрепленных с двух сторон на мембране.
1 — гофрированная мембрана; 2 — фланцы; 3 — шток; 4 — зубчатый сектор; 5 — шестерня; 6 — стрелка;
7 — шкала; 8 — штуцер; Р — измеряемое давление
Рис. — Мембранный манометр
В мембранном манометре (рис) мембрана 1 зажимается или приваривается по краю между двумя фланцами 2. Давление, действующее на мембрану, вызывает ее прогиб, в результате которого изогнутый шток 3 совершает вертикальное перемещение. Перемещение штока передается зубчатому сектору 4 и шестерне 5, на оси которой насажена стрелка прибора 6 для отсчета показаний на шкале 7. Прибор устанавливается на технологическом объекте с помощью штуцера 8.
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.
Рис. 1-гофрированный сосуд; 2-плоская пружина;3-стрелка-указатель;4-ограничитель;5-шкала.
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.
При необходимости получения большого прогиба мембраны соединяются в так называемые мембранные коробки, а также блоки, собранные из нескольких коробок. На рисунке 2.6 показаны схема и внешний вид манометра с мембранной коробкой. Давление измеряемой среды воздействует на внутреннюю сторону мембранной коробки 1, состоящей из двух герметично прилегающих друг к другу по внешней кромке мембран. Возникающее под действием давления поступательное движение через передаточный механизм 2 передается на стрелку 3 для отсчета показаний по шкале 4.
Манометры с мембранной коробкой особенно пригодны для измерений давления газообразных сред. При измерении атмосферного давления получили распространение гофрированные мембранные коробки, из внутренней полости которых удален воздух. Верхний предел измерений мембранных манометров — 2,5 МПа.
6.3 Электрические датчики давления
Принципиально электрические датчики давления подразделяются на:
Резистивный или тензорезистивный датчик давления — это устройство, чувствительный элемент которого изменяет свое электрическое сопротивление под действием деформирующей нагрузки. Тензорезисторы устанавливаются на чувствительную мембрану, которая под давлением изгибается, и изгибает прикрепленные к ней тензорезисторы. Сопротивление тензорезисторов меняется, и соответственно меняется величина тока цепи первичного преобразователя.
Индуктивные преобразователи давления — мембрана воспринимающая давление, является подвижным якорем электромагнита. Под действием измеряемого давления мембрана перемещается, что вызывает изменение электрического сопротивления индуктивного преобразовательного элемента.
Индуктивный преобразователь давления. 1- мембрана с подвижным якорем; 2- электромгнит;3- электрическая обмотка.
1-деформационный чувствительный элемент; 2-дифференциально-трансформаторный элемент;3- тяга; 4- подвижный сердечник; 5-первичная обмотка; 6- вторичная обмотка.
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.
1-металлическая мембрана-подвижный электрод; 2-неподвижный электрод, изолированный от корпуса кварцевым изолятором.
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).
Принцип действия тензорезистивного датчика давления. а) устройство; б) схема. 1-корпус; 2-мембрана; 3-тензорезисторы
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.
Пьезоэлектрический датчика давления.
В качестве чувствительного элемента здесь выступает пьезоэлемент. Пьезоэлемент на основе пьезоэлектрика генерирует электрический сигнал при деформации, это так называемый прямой пьезоэффект. Пьезоэлемент помещается в измеряемую среду, и тогда ток в цепи преобразователя будет по величине пропорционален изменению давления в этой среде.
Поскольку для возникновения пьезоэффекта требуется именно изменение давления, а не постоянное давление, то данный тип датчиков давления годится лишь для измерения давления в динамике. Если же давление будет постоянным, то процесса деформации пьезоэлемента не произойдет, и ток не будет пьезоэлектриком сгенерирован.
Рис. Пьезоэлектрический датчик
Кварцевые пластины обычно расположены таким образом, что в измерительную схему подается отрицательный потенциал. Положительный потенциал подается на корпус датчика. Использование двух (а иногда и больше) пластин повышает выходную ЭДС, поскольку выходные сигналы пластин складываются.
Ёмкостные датчики давления.
Два плоских электрода и зазор между ними образуют конденсатор. Один из электродов — мембрана, на которую действует измеряемое давление, что и приводит к изменению толщины зазора между, по сути, обкладками конденсатора. Общеизвестно, что емкость плоского конденсатора изменяется с изменением величины зазора при постоянной площади обкладок, поэтому для фиксации даже очень малых изменений давления емкостные датчики оказываются весьма и весьма эффективными.
Малогабаритные емкостные датчики давления позволяют измерять избыточное давление в жидкостях, газах, в паре. Конструкция датчика устойчива к перепадам температур и вибрациям, невосприимчива к электромагнитным помехам и агрессивным условиям среды.
Индуктивные или магнитные датчики давления, отдаленно похожих на емкостные. Проводящая мембрана, чувствительная к давлению, расположена на некотором расстоянии от тонкого Ш — образного магнитопровода, на среднем керне которого намотана катушка. Между мембраной и магнитопроводом выставлен определенный воздушный зазор.
Поскольку магнитная проницаемость в зазоре приблизительно в 1000 раз меньше, чем в магнитопроводе и в мембране, то даже небольшое изменение толщины зазора приводит к ощутимому изменению индуктивности цепи.
Под действием измеряемого давления чувствительная мембрана претерпевает изгиб, и комплексное сопротивление обмотки изменяется. Преобразователь конвертирует это изменение в электрический сигнал. Измерительная часть преобразователя выполнена по мостовой схеме, где в одно из плеч включена обмотка датчика. Посредством АЦП сигнал с измерительной части переводится в пропорциональный измеряемому давлению электрический сигнал.
Оптоэлектронные датчики давления.
Оптоэлектронные датчики состоят из многослойных прозрачных структур.
Через эту структуру пропускают свет. Один из прозрачных слоев может изменять свои параметры исходя из давления среды: показатель преломления и толщина слоя.
Рис. иллюстрация изменения показателя преломления — рис а, изменение толщины слоя — рис б.
Рис. Схема установки датчиков давления жидкости и пара
Рис. Схема установки датчика давления
6.5 Грузопоршневые манометры
Принцип действия грузопоршневых манометров основан на уравновешивании измеряемого давления калиброванным грузом, действующим на поршень. Они применяются для измерения давления до 103 МПа, а также для градуировки и поверки манометров других типов.
Грузопоршневой манометр (рис.) имеет грузовую и поршневую части. Грузовая часть состоит из колонки 1, в центральной части которой имеется полированный цилиндрический канал, в который вставляется поршень 2. Поршень в верхней части имеет тарелку 3, на которую накладываются контрольные грузы 4. Канал колонки сообщается с горизонтальным каналом 5, который соединен со штуцерами 6 и 7, бачком с рабочей жидкостью 8 и поршневой частью манометра. Поршневая часть состоит из цилиндра 9 с поршнем 10, шток которого выполнен в виде винта со штурвалом 11. Вентили 12, 13, 14, 15 служат для перекрытия соответствующих каналов. Полость системы заполнена рабочей жидкостью (трансформаторным маслом).
В штуцер 6 устанавливается поверяемый манометр 16. Давление в системе изменяют, перемещая поршень 10 с помощью штурвала 11 (при этом вентиль 15 закрыт). На поршень 2, свободно перемещающийся в канале колонки 1, действуют две противодействующие силы: сила, создаваемая давлением жидкости, и сила тяжести поршня и грузов. При равенстве этих сил поршень уравновешивается и поднимается на определенную высоту.
Вопросы для самоповторения
1.Что принято за единицу давления в системе СИ?
2.Выразите давление 15,5 кгс/см2 в Па.
3.Чем отличается избыточное давление от абсолютного?
4.Какие Вы знаете типы манометров в зависимости от их назначения и принципа действия?
Вопрос1. Принцип действия пружинных манометров основан на преобразовании измеряемой величины в
1) разность абсолютных значений удлинений двух стержней ;2) деформацию некоторого элемента; 3) давление рабочего вещества, лишенного возможности свободно расширяться; 4) упругость насыщенных паров низкокипящей жидкости; 5) ЭДС цепи ; 6) длины волн, испускаемых телом; 7) сопротивление; 8) разность давлений; 9) динамический напор;10) линейное перемещение; 11) электрическую емкость; 12) не перечисленную здесь физическую величину.
Вопрос 2. Вакуумметры относятся к приборам измерения
Ответы: 1) давления 2) температуры 3) уровня 4) расхода 5) прозрачности 6) концентрации 7) состава 8) не перечисленной здесь физической величины
Вопрос 3. Тягомеры относятся к приборам измерения
Ответы: 1) давления 2) температуры 3) уровня 4) расхода 5) прозрачности 6) концентрации 7) состава 8) силы 9) не перечисленной здесь физической величины
Вопрос 4.Напоромеры относятся к приборам измерения
Ответы: 1) давления 2) температуры 3) уровня 4) расхода 5) прозрачности 6) концентрации 7) состава 8) силы 9) не перечисленной здесь физической величины
Вопрос 5.Барометры относятся к приборам измерения
Ответы: 1) давления 2) температуры 3) уровня 4) расхода 5) прозрачности 6) концентрации 7) состава 8) не перечисленной здесь физической величины
Вопрос 6.Дифманометры относятся к приборам измерения
Ответы: 1) давления 2) температуры 3) уровня 4) расхода 5) прозрачности 6) концентрации 7) состава 8) не перечисленной здесь физической величины
Вопрос 7. Давление в сосуде, за начало отсчета которого принимается давление атмосферы, называется
Ответы: 1) барометрическим 2) абсолютным 3) избыточным 4) иным
Вопрос 8. Давление, оказываемое атмосферой на все находящиеся в ней предметы, называется
Ответы: 1) барометрическим 2) абсолютным 3) избыточным 4) иным
Вопрос 9. Тягомеры служат для измерения
Ответы: 1) силы 2) давления разряжения 3) избыточного давления 4) как давления разряжения, так и избыточного 5) разности давлений 6) барометрического давления 7) уровня 8) высоты 9) не перечисленной здесь физической величины
Вопрос 10. Манометры служат для измерения
Ответы: 1) силы 2) давления разряжения 3) избыточного давления 4) как давления разряжения, так и избыточного 5) разности давлений 6) барометрического давления 7) уровня 8) высоты 9) не перечисленной здесь физической величины
Вопрос 11. Вакуумметры служат для измерения
Ответы: 1) силы 2) давления разряжения 3) избыточного давления 4) как давления разряжения, так и избыточного 5) разности давлений 6) барометрического давления 7) уровня 8) высоты 9) не перечисленной здесь физической величины
Вопрос 12. Мановакуумметры служат для измерения
Ответы: 1) силы 2) давления разряжения 3) избыточного давления 4) как давления разряжения, так и избыточного 5) разности давлений 6) барометрического давления 7) уровня 8) высоты 9) не перечисленной здесь физической величины
Вопрос 13. Напоромеры служат для измерения
Ответы: 1) силы 2) давления разряжения 3) избыточного давления 4) как давления разряжения, так и избыточного 5) разности давлений 6) барометрического давления 7) уровня 8) высоты 9) не перечисленной здесь физической величины
Вопрос 14. Тягонапоромеры служат для измерения
Ответы: 1) силы 2) давления разряжения 3) избыточного давления 4) как давления разряжения, так и избыточного 5) разности давлений 6) барометрического давления 7) уровня 8) высоты 9) не перечисленной здесь физической величины
Вопрос 15. Дифманометры служат для измерения
Ответы: 1) силы 2) давления разряжения 3) избыточного давления 4) как давления разряжения, так и избыточного 5) разности давлений 6) барометрического давления 7) уровня 8) высоты 9) не перечисленной здесь физической величины
Вопрос 16. Барометры служат для измерения
Ответы: 1) силы 2) давления разряжения 3) избыточного давления 4) как давления разряжения, так и избыточного 5) разности давлений 6) барометрического давления 7) уровня 8) высоты 9) не перечисленной здесь физической величины
Вопрос 17. Отличительной чертой чашечных манометров является
Ответы: 1) наклоненная под углом одна из трубок 2) большой диаметр одной из трубок 3) одинаковый диаметр обеих трубок 4) наличие деформируемой трубки 5) здесь не перечислено
Вопрос 18. Отличительной чертой жидкостных микроманометров является
Ответы: 1) наклоненная под углом одна из трубок 2) большой диаметр одной из трубок 3) одинаковый диаметр обеих трубок 4) наличие деформируемой трубки 5) здесь не перечислено
Вопрос 19. Отличительной чертой пружинных манометров является
Ответы: 1) наклоненная под углом одна из трубок 2) большой диаметр одной из трубок 3) одинаковый диаметр обеих трубок 4) наличие деформируемой трубки 5) здесь не перечислено
Вопрос 20. Принцип действия жидкостного манометра основан на
Ответы: 1) уравновешивании измеряемого давления некоторой внешней силой, действующей на поршень 2) уравновешивании измеряемого давления столбом жидкости 3) деформации упругого элемента под действием измеряемого давления 4) преобразовании давления в какую-либо электрическую величину 5) иное
Вопрос 21. Принцип действия поршневого манометра основан на
Ответы: 1) уравновешивании измеряемого давления некоторой внешней силой, действующей на поршень 2) уравновешивании измеряемого давления столбом жидкости 3) деформации упругого элемента под действием измеряемого давления 4) преобразовании давления в какую-либо электрическую величину 5) иное
Вопрос 22. Принцип действия электрического манометра основан на
Ответы: 1) уравновешивании измеряемого давления некоторой внешней силой, действующей на поршень 2) уравновешивании измеряемого давления столбом жидкости 3) деформации упругого элемента под действием измеряемого давления 4) преобразовании давления в какую-либо электрическую величину 5) иное
Вопрос 23. Принцип действия пружинного манометра основан на
Ответы: 1) уравновешивании измеряемого давления некоторой внешней силой, действующей на поршень 2) уравновешивании измеряемого давления столбом жидкости 3) деформации упругого элемента под действием измеряемого давления 4) преобразовании давления в какую-либо электрическую величину 5) иное