Методы и средства измерения давления

Одно из обязательных условий, обеспечиваю­щих возможность выполнения измерения — сохранение постоянства из­меряемого давления при его измерении. В жидкостно-поршневых мано­метрах это достигается уравновешиванием измеряемого давления гидро­статическим давлением столба жидкости. Например, в колокольном манометре столб образуется в кольцевом пространстве между боковыми поверхностями колокола и сосуда, в которой залита разделительная жидкость (гидростатический затвор). В отличие от этого в поршневых манометрах постоянство давления в измерительной камере поддержива­ется благодаря гидравлическому сопротивлению протекания жидкости через зазор между поршнем и цилиндром (гидродинамический затвор). При этом ввиду малости зазора (1-2 мкм) гидравлическое сопротивле­ние позволяет поддерживать постоянство давления с допускаемыми от­клонениями. Не обеспечивая полную герметичность, гидродинамический затвор обладает очень важным преимуществом - измеряемое давление практически не влияет на размеры прибора, в то время как во всех жид­костных манометрах высота столба жидкости, необходимая для уравновешивания, прямо пропорциональна измеряемому давлению.

Измерительные системы поршневых манометров могут быть класси­фицированы по различным признакам: форме и конструкции поршне­вых пар, уравновешенности собственного веса поршня и способам его уравновешивания, видам измеряемой среды, способам уравновешивания измеряемого давления, назначению поршневого манометра, виду измеря­емого давления и пр.

Основные конструктивные формы цилиндрических поршневых пар, представленные на рис. 6, позволяют осуществить преобразование из­меряемого давления в силу или в давление другого назначения.

Различные формы поршневых пар при их применении в поршневых манометрах для измерения различных видов давления имеют свои пре­имущества и недостатки.

Рис. 6. Формы цилиндрических поршневых пар

При измерении избыточного давления наиболее предпочтительны од­ноступенчатые поршневые пары (рис. 6, а), которые обеспечивают мак­симальную конструктивную простоту манометров и технологичность их изготовления. При этом масса грузов, которые, как правило, применяют­ся для уравновешивания измеряемого давления, при измерении избыточ­ного давления (рабс > ратм) прилагается непосредственно к верхнему торцу 2 поршня; а при измерении отрицательного избыточного давления (рабс < ратм) к нижнему торцу 1 поршня. На этом принципе основаны образцовые и эталонные манометры с верхни ми диапазонами измерений от 40 кПа до 250 МПа, а в некоторых случаях до 600 МПа.

При измерении абсолютного давления и разности применение одно­ступенчатой поршневой пары приводит к существенному усложнению конструкции поршневого манометра и методики выполнения измерений. Так, при измерении абсолютного давления пространство над верхним торцом 2 поршня должно быть вакуумировано, что приводит к необхо­димости герметизации верхней части прибора, а это существенно услож­няет процесс наложения уравновешивающих грузов при измерении дав­ления. В данном случае более предпочтительно применение трехступенча­той поршневой пары (рис. 6, в), которая позволяет подводить измеряемое и опорное давления непосредственно в замкнутые измерительные камеры 2 и 3. При этом обеспечивается свободный доступ к верхнему торцу 4 поршня при наложении уравновешивающихся грузов.

Двухступенчатые (дифференциальные) поршневые пары (рис. 6. б) наиболее часто применяются для многократного уменьшения измеря­емого давления при измерении высоких избыточных давлений или уве­личения измеряемого давления при измерении низких давлений.

Показания поршневых манометров, как и любых других приборов, зависят от условий, в которых проводятся измерения. Поэтому, несмот­ря на то, что поршневые манометры являются наиболее стабильными по сравнению с манометрами других типов, в их показания при измерениях высокой точности необходимо вводить соответствующие поправки, учи­тывающие влияние условий измерений, k ним относятся влияние темпе­ратуры окружающей среды, деформации поршня и цилиндра под дейст­вием измеряемого давления, а для поршневых манометров, в которых измеряемое давление определяется по весу уравновешивающих его гру­зов, необходимо учитывать местное ускорение свободного падения и потерю массы грузов в воздухе.

Перспективы развития поршневых манометров тесно связаны с об­щим развитием науки и техники. Здесь, в первую очередь, следует отме­тить достижения в создании новых материалов поршневых пар, повы­шающих точность их изготовления, прочностные характеристики и изно­состойкость, а также достижения в развитии микроэлектроники, пред­ставляющие новые возможности автоматизации поршневых манометров.

Повышение качества изготовления поршневых пар — одна из важней­ших задач в развитии поршневой манометрии. Применение в качестве материалов поршневых пар сверхтвердых сплавов на основе карбида вольфрама, прочностные характеристики которых (твердость, модуль упругости) существенно выше, чем у обычно применяемых легирован­ных сталей, а температурный коэффициент линейного расширения ниже, позволяет соответственно снизить влияние измеряемого давления и тем­пературы на постоянство эффективной площади поршня и ее стабиль­ность в период эксплуатации манометра.

1.3. Деформационные манометры

По мере развития промышленности, особенно в связи с появлением паровых машин и железных дорог, потребовались более удобные, чем жидкостные маномет­ры приборы.

Первый деформационный манометр с трубчатым чувствительным элементом был изобретен случайно. Рабочий, при изготовлении змеевика для дистилляционного аппарата, сплющил поперечное сечение цилиндрической трубки, изогнутой по спирали. Тогда, чтобы восстановить форму трубки, один конец ее заглушили, а в другой конец насосом дали давление воды. При этом часть трубки с деформиро­ванным сечением приняла цилиндрическую форму, а спираль на этом участке разо­гнулась. Этот эффект был использован немецким инженером Шинцем, который в 1845 г. применил трубчатый чувствительный элемент для измерения давления.

Простота и компактность деформационных манометров, возможность их применения в различных условиях эксплуатации очень быстро поставили их на первое место в технике измерения давления практически во всех отраслях народного хозяйства.

Диапазон измерений деформационных манометров охватывает почти 10 порядков, простираясь от 10 Па (1 мм вод.ст.) до 1-2 ГПа (более 10000 кгс/см2). При этом достигается высокая точность измерений, в отдельных случаях погреш­ности измерений не превышают 0,02-0,05 %.

1.3.1. Основные принципы преобразования давления деформационным манометром

Принципиальное отличие деформационных манометров от жидкост­ных и поршневых состоит в применении упругого чувствительного эле­мента (УЧЭ) в качестве первичного преобразователя давления. Чувстви­тельный элемент, воспринимающий измеряемое давление, представляет собой упругую оболочку, которая обычно выполняется в форме тела вращения, причем толщина стенки оболочки существенно меньше ее внешних размеров. Под действием измеряемого давления упругая обо­лочка деформируется так, что в любой точке оболочки возникают напря­жения, уравновешивающие действующее на нее давление.

Понятие „деформационный манометр" в общем виде может быть сформулировано следующим образом. Деформационный манометр - ма­нометр, в котором измеряемое давление, действующее на упругую обо­лочку УЧЭ, уравновешивается напряжениями, которые возникают в ма­териале упругой оболочки. Таким образом УЧЭ преобразует давление, являющееся входной величиной, в выходную величину, несущую изме­рительную информацию о значении давления. Для УЧЭ естественно вы­брать в качестве выходной величины в зависимости от принципа дейст­вия деформационного манометра: перемещение заданной точки УЧЭ; напряжение в материале заданной точки и усилие, развиваемое УЧЭ под действием давления.

Выбор того или иного выходного сигнала УЧЭ определяет способы его дальнейшего преобразования для получения результатов измерения давления, а, следовательно, и принцип действия деформационного мано­метра. В технике измерения давления нашли применение два основных ме­тода: метод прямого преобразования и метод уравновешивающего пре­образования (рис.7).

По методу прямого преобразования (рис. 7, а) все преобразования информации о значении давления проводятся в направлении от УЧЭ через посредство промежуточных преобразователей П1, П2, . . ., Пn к устройству И, представляющему резуль­таты измерений давления в требуемой форме. При этом суммарная погреш­ность преобразования опре­деляется погрешностями всех преобразователей, вхо­дящих в измерительный ка­нал.

Рис. 7. Методы измерения давления

Метод уравновешива­ющего преобразования (рис. 7, б) характеризу­ется тем, что используются две цепи преобразователей: цепь прямого преобразования, состоящая из цепи промежуточных преоб­разователи П1, П2, . . ., Пn, выходной сигнал которой Увых поступает на указатель результата измерений И и, одновременно на цепь обратного преобразования, состоящей из преобразователя ОП. Метод уравновешивания состоит в том, что усилие N, развиваемое УЧЭ, уравновешивается усилием Nоп, создаваемым обратным преобразователем ОП выходного сигнала Iвых цепи прямого преобразования. Поэтому на вход последней поступает лишь отклонение заданной точки УЧЭ от положения равновесия. В отличие от предыдущего метода суммарная погрешность преобра­зования в данном случае почти полностью определяется погрешностью обратного преобразователя. Однако применение метода уравновешивания приводит к усложнению конструкции деформационного манометра В зависимости от назначения и принципа действия отдельные звенья измерительных цепей деформационных манометров могут конструктивно выполняться в виде самостоятельных блоков. Во многих случаях, на­пример, при жестких эксплуатационных условиях на объекте измерения (повышенная или пониженная температура, высокий уровень вибрации труднодоступность места подключения и пр.) целесообразно свести к минимуму количество звеньев, находящихся непосредственно на объекте Конструктивная совокупность этих измерительных элементов с обяза­тельным включением в нее УЧЭ называется датчиком. В то же время указатель результата измерений должен находиться в месте, с более благоприятными условиями, удобном для наблюдателя. Это же касается и остальной части измерительной цепи. Блочный принцип построения целесообразен также и с точки зрения изготовления манометров на разных предприятиях при массовом производстве.

В этой связи следует остановиться на часто применяемом понятии "измерительный преобразователь давления" (ИПД). В принципе, ИПД — это составная часть измерительной цепи многих современных деформа­ционных манометров, включающая промежуточный преобразователь с унифицированным выходным сигналом. Поэтому выделение ИПД в самостоятельный раздел нецелесообразно из-за неизбежности повторов при их описании. В то же время ИПД по функциональным возможностям имеет более широкое применение, чем манометры.

1.3.2. Упругие чувствительные элементы деформационных манометров (УЧЭ)

Исторически первыми получили развитие деформационные мано­метры, в которых мерой давления является деформация УЧЭ (переме­щение заданной точки его упругой оболочки). Эти манометры широко применяются и в настоящее время благодаря относительной простоте преобразования перемещения в информацию об измеряемом давлении. Вместе с тем, широкое распространение получили деформационные ма­нометры, основанные на непосредственном преобразовании в информа­цию об измеряемом давлении напряжений (методы прямого преобразо­вания), а также способы силовой компенсации измеряемого давления (методы уравновешивания). Однако во всех случаях применяются одни и те же типы УЧЭ. Основные типы УЧЭ: мембраны, мембранные короб­ки, сильфоны и трубчатые пружины (рис. 8).

Мембрана (рис. 8, а) представляет собой упругую пластину в фор­ме диска, жестко закрепленную по наружному контуру, прогиб которой определяется действующим на нее давлением.

Рис. 8. Основные типы УЧЭ

Мембранная коробка (рис. 8, б) состоит из двух гофрированных мембран, герметично соединенных по наружному контуру, что соответ­ственно увеличивает ее прогиб под действием давления.

Сильфон (рис. 8, в) имеет форму тонкостенного цилиндра, боковая поверхность которого гофрирована с целью увеличения его прогиба под действием давления. При большой глубине вытяжки гофр сильфона ста­новится идентичным батарее последовательно соединенных мембранных коробок.

Трубчатая пружина (рис. 8, г) представляет собой тонкостенную трубку, ось которой искривлена по дуге окружности. В отличие от пре­дыдущего трубчатая пружина под действием давления разгибается, а ее свободный конец перемещается по дуге.

При преобразовании давления в перемещение основными метрологи­ческими характеристиками УЧЭ являются: упругая характеристика, не­линейность упругой характеристики, чувствительность и жесткость, гис­терезис и постоянство упругой характеристики.