Приборы измерения давления

     - измерительные информационные системы  – это измерительное устройство, которое осуществляет многоканальное  измерение и обработку информации  по некоторому заданному алгоритму.

     В зависимости от назначения средства измерений подразделяются на три  категории:

     1) рабочие меры, измерительные приборы и преобразователи;

     2) образцовые меры, измерительные приборы и преобразователи;

     3) эталоны.

     Рабочие средства измерений применяют для  измерений в производственных и  лабораторных условиях. Образцовые средства измерений предназначены для  проверки рабочих средств измерений. Эталоны предназначены для хранения единиц измерений и проверки мер, приборов и преобразователей высшего  разряда точности. 

 

     2. Методы и средства  контроля давления 

     2.1 Физические основы  измерения давления. Классификация приборов  измерения и контроля  давления 

     За  основную единицу измерения давления согласно Международной системы (СИ) принята единица – Паскаль.

     Кроме этого в промышленности для измерения  давления используют следующие единицы:

     - техническая атмосфера – равная давлению, которое испытывает 1 см2 плоской поверхности под действием равномерно распределенной перпендикулярной к поверхности нагрузки в 1 кгс. Эту единицу обозначают кгс/см2, т.к. кгс килограмм-сила – сообщающая массе, равной массе международного прототипа килограмма, ускорение, равное 9,80665 м/сек2 , допускается сокращенное обозначение килограмм-силы: кГ.

     - метр водяного столба (м вод. ст.);

     - миллиметр водяного столба (мм вод. ст.);

     - миллиметр ртутного столба (мм рт. ст.). 

     Эти единицы связаны следующими соотношениями:

 

     При измерении давления различают абсолютное давление Ра, избыточное давление Р  и разряжение Рh.

     Под абсолютным давлением подразумевается  полное давление, под которым находится  жидкость, пар или газ.

     Избыточное  давление, показываемое манометром, равно  разности между абсолютным давлением, большим, чем атмосферное, и атмосферным  давлением Рb, показываемым барометром: 

     Р = Ра - Рb . 

     Разряжение (вакуум) равно разности между атмосферным  давлением и абсолютным давлением, меньшим, чем атмосферное: 

     Рh = Рb - Ра . 

     Абсолютное  и избыточное давления обычно выражают в кГ/см2, разряжение (вакуум) – в  мм рт. ст. или мм вод. ст.

     Атмосферное давление, равное давлению на горизонтальную плоскость столба ртути высотой  в 760 мм при плотности ртути, равной 13,5951 г/см2, при 00С и ускорении силы тяжести 980,665 см/сек2, называют физической атмосферой, в отличии от единицы  кГ/см2 – технической атмосферы. Взаимосвязь между технической  и физической атмосферами следующая: 

     1 кГ/см2 = 0,9678 атм;

     1 атм. = 1,0332 кг/см2 = 10,332 м вод. ст. при  40С. 

      

 

     Приборами для измерения и контроля давления служат манометры, для измерения  и контроля давления и разряжения – мановакууметры, для измерения  разряжения вакууметры и для измерения  разности (перепада) давлений дифференциальные манометры.

     Приборы для измерения и контроля давления можно классифицировать по различным  признакам: по принципу действия, назначению, конструктивным признакам и классу точности.

     По  принципу действия приборы разделяются  на :

     - жидкостные, в которых измеряемое давление (или разряжение) уравновешивается давлением столба затворной жидкости соответствующей высоты;

     - пружинные, в которых для определения давления измеряется возникающая под действием измеряемого давления деформация различного рода упругих элементов – трубчатой пружины, мембраны, гармониковой мембраны (сильфона) и т.д.;

     - поршневые, в которых измеряемое давление определяется нагрузкой на поршень, перемещаемый в цилиндре, заполненном маслом;

     - радиоактивные, в которых измеряемое давление (разряжение) определяется изменением ионизации, производимой излучениями;

     - пьезоэлектрические, в которых используется пьезоэлектрический эффект, заключающийся в том, что в некоторых кристаллах (турмалин, кварц, сегнетовая соль, пьезокерамика и т.д.) под влиянием силы, действующей в направлении, зависящей от строения кристалла, появляются равные по величине и противоположные по знаку заряды, пропорциональные действующей силе, и исчезающие при снятии нагрузки;

     - проволочные тензоманометры, в которых используется изменение сопротивления проволоки под влиянием механических напряжений и деформаций. Материалом для изготовления проволочных тензоманометров может служить проволока нихрома, манганина или константана.

     По  назначению приборы разделяются  на :

     - рабочие; 

     - контрольные;

      - образцовые.

     По  конструктивным признакам приборы  подразделяют на:

     - жидкостные:

     а) трубные манометры (стеклянные двухтрубные  манометры, чашечные однотрубные манометры, наклонные жидкостные манометры);

     б) колокольные;

     в) кольцевые;

     г) поплавковые.

     - пружинные:

     а) с одновитковой трубчатой пружиной;

     б) с многовитковой трубчатой (геликоидальной) пружиной;

     в) мембранные с плоской гофрированной  мембраной;

     г) мембранные с гармониковой мембранной (сильфонные).

     - поршневые.

     Основные  характеристики каждой группы приборов будем рассматривать при их изучении.  

     2.2 Датчики давления 

     Принцип действия датчиков давления основан  на использовании деформационных свойств  материалов. Датчик состоит из двух преобразователей:

     1) чувствительного элемента (механического преобразователя), преобразующего измеряемую величину ( Р) в линейное перемещение штока чувствительного элемента ( l);

     2) индукционной катушки (электрического преобразователя), преобразующей линейное перемещение штока чувствительного элемента ( l) в напряжение переменного тока ( U).

     ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЕ  ЭЛЕМЕНТЫ.

     В датчиках давления используются разнообразные  чувствительные элементы.

     Наиболее  простым ЧЭ является гофрированная  мембрана. Такая мембрана штампуется из стали, латуни, бронзы в виде диска  с кольцевыми гофрами для повышения  упругости и закрепляется в корпусе  прибора. Корпус и мембрана образуют полость, сообщающуюся с измеряемой средой. Под воздействием избыточного  давления мембрана деформируется. К  мембране крепится шток, который соединен с сердечником катушки.

     Более сложным ЧЭ является гофрированная  мембранная коробка. Она состоит  из двух гофрированных мембран, сваренных  по периметру и образующих полость. Мембранная коробка обладает большей  чувствительностью, чем одинарная  мембрана.

     Наиболее  сложным по конструкции ЧЭ является мембранный блок, состоящий из двух мембранных коробок. Он применяется  для измерения перепада давлений и имеет наибольшую чувствительность. Такой ЧЭ помещается в корпус, разделенный  диафрагмой на две камеры, к которым  подсоединяют измеряемое давление. Под  действием перепада давлений жидкость перетекает из одной коробки в  другую, которая деформируется, расширяется  и перемещает шток чувствительного  элемента.

     В качестве чувствительного элемента применяют трубчатую пружину (трубка Бурдона).

       
 
 

     3. Датчик давления  серии DMD 331-A-S.

      Датчик давления серии DMD 331-A-S (в дальнейшем датчик), предназначен для непрерывного преобразования измеряемой величины - разности давления жидких и газообразных (в том числе газообразного кислорода и кислородсодержащих газовых смесей) сред (в том числе агрессивных) в унифицированный токовый выходной сигнал 4 -20 мА и цифровой сигнал на базе HART-протокола. Цифровой сигнал может приниматься любым устройством поддерживающим HART протокол. Для связи с датчиком и настройки его параметров может использоваться ручной HART-коммуникатор или HART-модем. Датчик может быть оснащен многострочным жидкокристаллическим дисплеем.

Датчик предназначен для использования в системах автоматического контроля, регулирования  и управления технологическими процессами в различных отраслях промышленности. Может быть оснащен выносными  мембранами для работы с высокотемпературными и/или агрессивными средами. Разделитель  заполняется силиконовым маслом. Для работы с кислородом (и иными  сильными окислителями) разделитель  заполняется галокарбоном. Варианты материала мембраны разделителя -сталь  нержавеющая различных марок, тантал.  Датчик может быть выполнен во взрывозащищенном исполнении. Взрывозащищенный датчик соответствует требованиям ГОСТ Р 51330.0, ГОСТ Р 51330.10 или ГОСТ Р 51330.1 и  имеет вид взрывозащиты "искробезопасная  электрическая цепь" с уровнем  взрывозащиты "особовзрывобезопасный" с маркировкой 0ExiaIICT4 или "взрывонепроницаемая оболочка" с уровнем взрывозащиты "взрывобезопасный" с маркировкой 1ExdIICT6. Взрывозащищенный датчик предназначен для установки и работы во взрывоопасных зонах помещений и наружных установок согласно нормативным документам, регламентирующих применение электрооборудования во взрывоопасных зонах.

В таблице 1 приведены  верхние пределы измерений (ВПИ) и значения статического давления. Нижний предел измерения (НИИ) и диапазон датчика может быть перенастроен в широких пределах. НИИ по умолчанию  равен нулю. 
 

Таблица 1.

 

      Выходной сигнал датчика: 4 - 20 мА  с цифровым сигналом на базе  HART-протокола имеет следующие характеристики выходного сигнала:

- линейная характеристика 

У_вых = , где

P- текущее значение измеряемого давления,

Р_нд = Р_впи  - Р _нпи -  номинальный диапазон давления (диапазон измерения),

Р_впи  , Р _нпи , - соответственно верхний и нижний предел измерений датчика, Н, , значения выходного сигнала соответствующие верхнему и нижнему пределу измерений датчика.  

- квадратичная  характеристика

Y_вых = 10 , где

 Y_вых и P выражено в % от диапазона

Характеристика  квадратична выше точки отсечки  и линейна ниже данной точки (см рис. 1). По умолчанию точка отсечки установлена равной 6% от диапазона измерения. 

                                            Рисунок 1. Квадратичная характеристика 

- квадратичная, третьей степени 

Yвых=0.1 ³ , где

  Yвых   и P выражено в % от диапазона

- квадратичная, пятой степени

Y_eux = 0.001⁵ , где