Исследование  рынка малогабаритных датчиков давления. Измерение давления (Часть 1)

Измерение давления

 
1.1. Давление, его виды и единицы  измерения  
1.2 Классификация средств измерения давления  
1.3 Установка и использование измерительных преобразователей давления  
1.4 Рекомендации по выбору оборудования для измерения давления  
1.5 Устройство и принцип работы преобразователей давления

1. Измерение  давления

1.1. Давление, его виды и единицы измерения

  Давление  является одним из важнейших физических параметров, и его измерение необходимо как в расчетных целях, например для определения расхода, количества и тепловой энергии среды, так и в технологических целях, например для контроля и прогнозирования безопасных и эффективных гидравлических режимов напорных трубопроводов, используемых на предприятии. Рассмотрим основные понятия, связанные с давлением и его измерением.

  Давлением Р называют отношение Р=F/S абсолютной величины нормального, то есть действующего перпендикулярно к поверхности  тела, вектора силы F к площади S этой поверхности. Если сила равномерно распределена по площади, то указанное отношение задает точное значение давления в каждой ее точке, в противном же случае - только его среднее значение (точное значение меняется от точки к точке и определяется пределом отношения силы ΔF, приложенной на бесконечно малом участке поверхности, к его площади ΔS). В отличие от силы, величина которой может зависеть от размеров поверхности ее приложения, давление позволяет при рассмотрении взаимодействия физических тел исключить фактор площади, поскольку оно является удельной, то есть отнесенной к единице площади, силой.

Виды измеряемых давлений

  Жидкие  и газообразные среды характеризуются  свойствами упругости - обратимого изменения  объема, то есть уменьшения объема среды  при сжатии ее под давлением и восстановления исходного объема при снятии этого давления, и текучести - обратимого изменения формы. В этих средах различают давление внешнее (поверхностное) - на границе (поверхности) сред - и внутреннее - внутри, в объеме или массе среды.

  Внешнее давление Р на поверхность S жидкой или газообразной среды, равное отношению  нормальной составляющей суммы сил F, приложенной извне, к площади  поверхности S, передается внутрь среды (рис. 1.1) без изменений и равномерно во все стороны. То есть порождаемое внутреннее давление направлено перпендикулярно к любой внутренней площадке среды .S, независимо от ее формы и положения в среде, а величина давления в среде пропорциональна величине выделенной площадки (закон Паскаля). Очевидно, что Р=F/S= ΔF/ΔS для любой точки среды. Внутреннее давление покоящихся жидких и газообразных сред зависит не только от внешнего давления, но и от веса самой среды. Эта зависимость наиболее существенна для жидкостей, обладающих большей плотностью, чем газы. Положение точки измерения относительно горизонтальных плоскостей - поверхностей равного давления - определяет весовую составляющую внутреннего давления - гидростатическое давление. Закон Паскаля справедлив не только для покоящихся, но и для движущихся сред, если их можно считать идеальными (отсутствует трение между слоями среды - вязкость). В вязких же движущихся средах величина внутреннего давления зависит от направления, и поэтому под внутренним давлением среды понимают его усредненное значение по трем взаимно перпендикулярным направлениям в точке измерения. Полное внутреннее давление в движущейся среде, например, горизонтального напорного трубопровода определяется суммой внешнего, гидростатического и гидродинамического давления - скоростного напорного давления, а также потерями давления на трение по всей длине трубы и вихревыми потерями при изменениях величины и направления потока в гидравлических сопротивлениях - коленах, задвижках, диафрагмах. В напорных трубопроводах с энергоносителями измеряется, как правило, статическое давление, которое является разностью полного и динамического давлений; при этом скоростные характеристики потока учитываются в расходомерах и счетчиках при измерениях расхода и количества среды.

 
 
На практике давления газообразных и жидких сред могут измеряться относительно двух различных уровней (рис. 1.2): 
1) уровня абсолютного вакуума, или абсолютного нуля давления - идеализированного состояния среды в замкнутом пространстве, из которого удалены все молекулы и атомы вещества среды, 
2) уровня атмосферного, или барометрического, давления (ГОСТ 8.271_77). Давление, измеряемое относительно вакуума, называют давлением абсолютным (ДА). Барометрическое давление (ДБ) - это абсолютное давление земной атмосферы. Оно зависит от конкретных условий измерения: температуры воздуха и высоты над уровнем моря. Давление, которое больше или меньше атмосферного, но измеряется относительно атмосферного, называют соответственно избыточным (ДИ) или давлением разрежения, вакуумметрическим (ДВ). Очевидно, что ДА=ДБ+ДИ или ДА=ДБ-ДВ. При измерении разности давлений сред в двух различных процессах или двух точках одного процесса, причем таких, что ни одно из давлений не является атмосферным, такую разность называют дифференциальным давлением (ДД).

Системные и  внесистемные единицы измерения  давления

Единицы измерения  давления (СТ СЭВ 1052_89) определяются одним из двух способов: 1) через высоту столба жидкости, уравновешивающей измеряемое давление в конкретном физическом процессе: в единицах водяного столба при 4°С (мм вод. ст. или м вод. ст.) или ртутного столба при 0°С (мм рт. ст., или Торр) и нормальном ускорении свободного падения (в англоязычных странах используются соответствующие единицы in H2O, ft H2O- дюйм вод. ст., фут вод. ст. и in Hg - дюйм рт. ст.; 1 дюйм=25,4 мм, 1 фут=30,48 см); 2) через единицы силы и площади. 
 
В Международной системе единиц (СИ), принятой в 1960 году, единицей силы является Н (ньютон), а единицей площади - м2. Отсюда определяется единица давления паскаль Па=1 Н/м2 и ее производные, например, килопаскаль (1 кПа=103 Па), мегапаскаль (1 МПа=103 кПа=106 Па). Наряду с системой СИ в области измерения давления продолжают использоваться единицы и других, более ранних систем, а также внесистемные единицы. 
 
В технической системе единиц МКГСС (метр, килограммсила, секунда) сила измеряется в килограммах силы (1 кгс.9,8 Н). Единицы давления в МГКСС - кгс/м2 и кгс/см2; единица кгс/см2 получила название технической, или метрической атмосферы (ат). В случае измерения в единицах технической атмосферы избыточного давления используется обозначение «ати». 
 
В физической системе единиц СГС (сантиметр, грамм, секунда) единицей силы является дина (1 дин=10-5 Н). В рамках СГС введена единица давления бар (1 бар=1 дин/см2). Существует одноименная внесистемная, метеорологическая единица бар, или стандартная атмосфера (1 бар=106 дин/см2; 1 мбар = 10-3 бар = 103 дин/см2), что иногда, вне контекста, вызывает путаницу. Кроме указанных единиц на практике используется такая внесистемная единица, как физическая, или нормальная атмосфера (атм), которая эквивалентна уравновешивающему столбу 760 мм рт. ст. 
 
Изредка находит применение единица давления из системы единиц МТС (метр, тонна, секунда) пьеза (1 пз = 1 сн/м2, где 1 сн = 108 дин - сила в 1 стен, сообщающая телу массой в 1 тонну ускорение 1 м/с2). В англоязычных странах широко распространена единица давления пси (psi=lbf/in2) - фунт силы на квадратный дюйм (1 фунт= 0,4536 кг). При измерении абсолютного и избыточного давления используются соответственно обозначения psia (absolute - абсолютный) и psig (gage - избыточный). 
 
В таблице 1.1 указаны коэффициенты перевода одних системных или внесистемных единиц давления в другие: например, одной технической атмосфере соответствует давление 0,980665 в барах (здесь бар является внесистемной единицей). В действительности не всегда требуется столь высокая точность перевода единиц, которая отражена в таблице 1.1. Для приблизительных оценок и расчетов давления с относительной погрешностью не более 0,5% полезно использовать следующие соотношения: 
 
1 ат = 1 кгс/см2 = 104 кгс/м2 = 0,97 атм = 0, 98×103 мбар = 0,98 бар = 104 мм вод.ст. = 10 м вод.ст = 735 мм рт.ст. = =0,98×105 Па = 98 кПа= 0,098 МПа 
 
С ошибкой в 2% можно пренебречь разницей между технической атмосферой, стандартной атмосферой (баром) и десятой частью мегапаскаля (1 ат = 1 бар = 0,1 МПа), а с ошибкой в 3% - разницей между технической и физической атмосферами (1 ат = 1 атм). На практике из-за использования разнородного гидравлического и измерительного оборудования разных изготовителей и стран, причем нередко давнего года выпуска, потребность перевода одних единиц давления в другие возникает постоянно. Приведенные таблица и соотношения позволят быстро справиться с такими задачами. 
Диапазон давлений, измеряемых в технике, достигает 17 порядков: от 10-8 Па в электровакуумном оборудовании до 103 МПа при обработке металлов давлением. Материальным хранителем единиц давления являются первичные (национальные) и вторичные (рабочие) эталоны давления. Для поддиапазона 1-100 кПа избыточных, абсолютных и разностных давлений в качестве первичного эталона используется, как правило, ртутный двухтрубный (U-образный) манометр с лазерным считыванием высоты мениска (погрешность считывания не более 10-3 мм, а абсолютная суммарная погрешность прибора, учитывающая в том числе и влияние температуры, не превышает 0,0005% от верхней границы диапазона). Для поддиапазона 100 кПа-100 МПа применяются газовые грузопоршневые манометры (точность 0,0035-0,004% от показаний). Газовые и жидкостные грузопоршневые манометры используются и как рабочие эталоны для передачи единиц давления промышленным образцовым приборам (их точность 0,01-0,1%).

Таблица 1.1 - Таблица соответствия единиц давления 

1.2 Классификация  средств измерения давления

  Для прямого измерения давления жидкой или газообразной среды с отображением его значения непосредственно на шкале, табло или индикаторе первичного измерительного прибора применяются манометры (ГОСТ 8.271-77). Если отображение значения давления на самом первичном приборе не производится, но он позволяет получать и дистанционно передавать соответствующий измеряемому параметру сигнал, то такой прибор называют измерительным преобразователем давления (ИПД), или датчиком давления. Возможно объединение этих двух свойств в одном приборе (манометр-датчик).

  Манометры классифицируют по принципу действия и конструкции, по виду измеряемого  давления, по применению и назначению, по типу отображения данных и другим признакам (рис. 1.3). По принципу действия манометры можно подразделить на жидкостные (измеряемое давление уравновешивается гидростатически столбом жидкости - воды, ртути - соответствующей высоты), деформационные (давление определяется по величине деформации и перемещения упругого чувствительного элемента УЧЭ - мембраны, трубчатой пружины, сильфона), грузопоршневые (измеряемое или воспроизводимое давление гидростатически уравновешивается через жидкую или газообразную среду прибора давлением веса поршня с грузоприемным устройством и комплектом образцовых гирь), электрические (давление определяется на основании зависимости электрических параметров: сопротивления, емкости, заряда, частоты - чувствительного элемента ЧЭ от измеряемого давления) и другие (тепловые, ионизационные, термопарные и т.п.). В промышленности при локальных измерениях давлений энергоносителей в большинстве случаев используются деформационные манометры на основе одновитковой трубчатой пружины - трубки Бурдона - для прямопоказывающих стрелочных приборов или с многовитковыми пружинами для самопишущих манометров), но на смену им всё чаще приходят электрические манометры с цифровым табло и развитой системой интерфейсов.

  По  виду измеряемого давления манометры  подразделяют на приборы измерения  избыточного и абсолютного давления - собственно манометры, разрежения - вакуумметры, давления и разрежения - мановакуумметры, атмосферного давления - барометры и разностного давления - дифференциальные манометры (дифманометры). Манометры, вакуумметры и мановакуумметры для измерения небольших (до 20-40 кПа) давлений газовых сред называют соответственно напоромерами, тягомерами и тягонапоромерами, а дифманометры с таким диапазоном измерения - микроманометрами (ГОСТ 8.271-77). Технические характеристики всех этих средств измерения давления определяются соответствующими общими техническими условиями (ГОСТ 2405-88, ГОСТ 18140-81 и другими).

  По  области применения манометры подразделяют на общепромышленные, или технические, работающие в промышленных условиях (при перепадах температур и влажности окружающей среды, вибрациях, загрязнении внешней среды и т.п.), лабораторные (приборы повышенной точности для использования в комфортных и стабильных условиях лабораторий), специальные (применяются в экстремальных условиях: на железнодорожном транспорте, судах, котельных установках, при работе с кислотными и другими агрессивными средами), образцовые (для поверки рабочих манометров) и эталонные (хранители единиц давления с целью передачи их образцовым приборам).

  По  типу отображения значений измеряемого  давления манометры подразделяют на прямопоказывающие - с визуальным считыванием данных непосредственно по аналоговой (стрелочной) или цифровой шкале прибора, на сигнализирующие (электроконтактные) - с выдачей управляющего электрического сигнала путем замыкания или размыкания контактов при достижении измеряемым давлением заранее установленного контрольного значения, на регистрирующие (самопишущие) - с записью в память значений давления как функции времени и их отображением на электронном табло. Манометры выполняют функцию локального контроля и в большинстве случаев из-за отсутствия возможности дистанционного доступа к их показаниям (за исключением манометров с унифицированным выходным электрическим сигналом) не могут использоваться для целей современной автоматизации. Такую возможность обеспечивают измерительные преобразователи давления (рис. 1.4).

  По  способу обработки и отображения  измеряемого давления ИПД подразделяют на первичные (формируют для дистанционной передачи выходной сигнал, соответствующий измеряемому давлению) и вторичные (получают сигнал от первичных преобразователей, обрабатывают его, накапливают, отображают и передают на более высокий уровень системы). Современная тенденция развития ИПД заключается в их «интеллектуализации» на базе микроэлектронной технологии и микропроцессорной техники, предполагающей передачу части функций системы управления вторичным преобразователям, а некоторых традиционных функций вторичных преобразователей - первичным. Известны десятки способов преобразования давления в электрический сигнал, но только некоторые из них получили широкое применение в общепромышленных ИПД. По принципу действия, или способу преобразования измеряемого давления в выходной сигнал, первичные ИПД подразделяют прежде всего на деформационные и электрические. В первых деформационные перемещения УЧЭ (мембраны, сильфона, трубки Бурдона) трансформируются с помощью дополнительных промежуточных механизмов и преобразователей (например, магнитотранзисторного или оптоэлектронного) в электрический или электромагнитный сигнал, а во вторых измеряемое давление, оказывая воздействия на ЧЭ, изменяет его собственные электрические параметры: сопротивление, ёмкость или заряд, которые становятся мерой этого давления. Подавляющее большинство современных общепромышленных ИПД реализованы на основе ёмкостных (используют УЧЭ в виде конденсатора с переменным зазором: смещение или прогиб под действием прилагаемого давления подвижного электрода-мембраны относительно неподвижного изменяет ёмкость УЧЭ), пьезоэлектрических (основаны на зависимости поляризованного заряда или резонансной частоты пьезокристаллов: кварца, турмалина и других - от давления) или тензорезисторных (используют зависимость активного сопротивления проводника или полупроводника от степени его деформации) принципах. В последние годы получили развитие и другие принципы создания ИПД: волоконно_оптические, гальваномагнитные, объемного сжатия, акустические, диффузионные и т.д.

  На  сегодняшний день самыми популярными  в СНГ являются тензорезисторные ИПД. Тензорезисторные чувствительные элементы ТРЧЭ (в переводной литературе их иногда называют пьезорезисторными, не надо путать с пьезоэлектрическими) представляют собой металлическую и/или диэлектрическую измерительную мембрану, на которой размещаются тензорезисторы (чаще всего в виде уравновешенного измерительного моста) с контактными площадками для проводного подключения к внутренней или внешней электроизмерительной схеме - электронному блоку обработки. Деформация мембраны под воздействием внешнего давления Р приводит к локальным деформациям тензорезисторного моста и его разбалансу - изменению сопротивления, которое измеряется электронным блоком (рис. 1.5).

  Тензорезисторы (ТР) выполняются как из металла (проволочные, фольговые или пленочные), так  и из полупроводника (поликристаллические из порошкообразного полупроводника и монокристаллические из кристалла кремния). Поскольку чувствительность полупроводниковых ТР в десятки раз выше, чем у металлических, и, кроме того, интегральная технология позволяет в одном кристалле кремния формировать одновременно как тензорезисторы, так и микроэлектронный блок обработки, то в последние годы получили преимущественное развитие интегральные полупроводниковые ТРЧЭ. Такие элементы реализуются либо по технологии диффузионных резисторов с изоляцией их от проводящей кремниевой подложки p-n переходами - технология «кремний на кремнии», либо по гетероэпитаксиальной технологии «кремний на диэлектрике» на стеклокерамике, кварце или сапфире. Для ТРЧЭ, особенно полупроводниковых, существенно влияние температуры на упругие и электрические характеристики ТР, что требует применения специальных схем температурной компенсации погрешностей (в частности, с этой целью в расширенной схеме тензомоста используются компенсационные резисторы и терморезисторы). Особенно широкое применение в изготовлении общепромышленных ИПД в силу своих высоких механических, изолирующих и теплоустойчивых качеств получила технология КНС - «кремний на сапфире».

  По  выходному сигналу ИПД подразделяются на аналоговые и цифровые. Основной парк действующих ИПД относится к аналоговым с унифицированным токовым сигналом 0...5, 0...20 или 4...20 мA. В последнее десятилетие наметился переход к ИПД с цифровым выходом. Широкое распространение получил цифровой протокол HART. Этот открытый стандартный гибридный протокол двунаправленной связи предусматривает передачу цифровой информации поверх стандартного аналогового сигнала 4-20 мA. Бурно развивается системная интеграция первичных преобразователей с использованием различных разновидностей промышленных сетей Foundation Fieldbus, ModBus, Profibus и др.). При этом используется полностью цифровой коммуникационный протокол для передачи информации в обоих направлениях между ИПД и системами управления, существенно облегчая взаимозаменяемость приборов разных мировых производителей. В отечественных цифровых ИПД пока преобладают такие цифровые интерфейсы, как ДДПК (двоично-десятичный параллельный код), ИРПС (интерфейс радиальный последовательный) и RS-232C.