Давление, его виды и единицы измерения

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. 

Рисунок 1.3 - Классификация  манометров

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).

Рисунок 1.4 - Классификация  измерительных преобразователей давления

 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).

Рисунок 1.5 - Структурная схема  первичного тензорезисторного  ИПД

   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. 

   ИПД различаются, кроме того, по видам  измеряемого давления, используемым единицам измерения и ряду основных технических параметров (ГОСТ 22520-85): диапазону измеряемого давления (выбирается для каждой модели из стандартного ряда давлений), пределу основной допускаемой  погрешности (определяется при нормальной температуре +25°С от верхнего предела  диапазона измерения и включает в себя, как правило, погрешности от гистерезиса ЧЭ, его линейности и воспроизводимости результатов измерения), пределу дополнительной температурной погрешности (этот предел задается от изменения температуры относительно нормальной на каждые 10 или 28°С или на весь температурный диапазон работы), допустимому рабочему диапазону температур окружающей среды (иногда дополнительно указывают допустимый диапазон температур технологического процесса или измеряемой среды и корпуса прибора), динамическому диапазону измерения давлений (отношению максимального значения измеряемого давления к минимальному), стабильности метрологических характеристик во времени (как процент от верхнего предела диапазона измерения в течение 6 или 12 месяцев), устойчивости к вибрациям, защите от высокочастотных помех, климатическим и взрывозащищенным исполнениям (ГОСТ 15150-69 и ГОСТ 14254-96), требованиям к источнику питания и по другим параметрам.

   Таблица 1.2 Характеристики наиболее распространённых моделей  общепромышленных ИПД

3. Установка и использование  измерительных преобразователей давления

  Установка конкретного ИПД для измерения  давления в напорном трубопроводе должна производиться таким образом, чтобы  исключить или свести к минимуму влияние на процесс измерения  и эксплуатации прибора таких  дестабилизирующих и опасных  факторов, как а) высокие температуры  среды энергоносителя и внешней  окружающей среды, б) вибрации трубопровода, в) химическая агрессивность среды  энергоносителя, г) взрывоопасность  среды энергоносителя и внешней  среды, д) электромагнитные помехи и  радиация. С учетом предельных характеристик  ИПД и конкретных условий окружающей среды преобразователи устанавливаются  и закрепляются либо непосредственно  на трубе в месте измерения  давления, либо дистанционно на настенной  панели с подводкой к измеряемой среде посредством соединительных трубок (рукавов) и, если необходимо, разделителей мембранных (РМ) или сосудов уравнительных  и уравнительных конденсационных. Кроме того, как в первом, так  и во втором случаях подключение  ИПД осуществляется, как правило, через вентильный (клапанный) блок, позволяющий, вопервых, отключить через  запорный вентиль прибор от точки  измерения, во-вторых, с целью контроля и поверки прибора в рабочих  условиях подключить параллельно прибору  через уравнительный вентиль  другой контрольный (образцовый) прибор или другую среду (например, атмосферный  воздух), в-третьих, через спусковой (продувочный или дренажный) вентиль  удалить скопившийся газ или  конденсат из измерительной полости  прибора или соединительной трубки. 

  При измерении давления химически агрессивных  сред необходимо либо использовать ИПД  с соответствующими защитными характеристиками (например, с защитным фторопластовым слоем наружной стороны измерительной  мембраны или со встроенной внутренней защитно-разделительной мембраной  из коррозионно-стойкого материала  типа, например, титана или тантала), либо применять внешние выносные РМ, которые могут соединяться  с ИПД непосредственно через  штуцер прямым монтажом или капиллярным  монтажом через соединительную трубку. Использование внешних РМ позволяет  применять обычные ИПД в условиях, превышающих их защитные характеристики: в агрессивной среде, при наличии  в среде твердых осадков и  абразивов, в вязкой среде (например, мазуте), при повышенных санитарно-гигиенических  требованиях к процессу измерения (среды медицинских или пищевых  продуктов). Внешние разделители  содержат, как правило, замкнутую  полость между двумя разделительными  мембранами, наполненную инертной жидкостью (например силиконовым маслом). Передача давления от РМ к измерительной мембране ИПД через соединительные трубки также осуществляется посредством  жидкости, заполняющей эти трубки. 

  На  практике часто вместо РМ используются устаревшие безмембранные разделительные сосуды, в которых часть сосуда заполняется измеряемой средой, а  другая часть со стороны ИПД и соединительной трубки - передаточной, или разделительной жидкостью. Такое решение при измерении жидких сред может со временем привести к смешиванию в результате диффузии измеряемой и разделительной сред, то есть утрате самой разделительной функции с соответствующими последствиями, а при измерении газовых сред - к диффузии газа в разделительную среду с переводом ее в двухфазное состояние с потерей функции несжимаемости, что ведет к росту погрешности измерения давления. 

  Соединительные  трубки (металлические) используются прежде всего с целью снижения температуры  измерительной или передаточной среды до допустимого температурного диапазона работы конкретного ИПД. Для этого трубки выполняются  без тепловой изоляции, а их длина  выбирается таким образом, чтобы  в месте установки прибора  температура среды не превышала  допустимого значения. При длинной  соединительной трубке (обычно ее длина  не превышает нескольких десятков метров) у места ее присоединения к  трубопроводу устанавливается дополнительный запорный вентиль для отключения трубки в случае аварии. Трубки не должны вносить дополнительные погрешности  в измерение давления, и с этой целью их надлежит заполнять однофазной несжимаемой передаточной средой, а  также присоединять к трубопроводу и прокладывать так, чтобы исключить  образование в них двухфазных сред - газовоздушных пузырей («газовых мешков») при измерении давления жидких сред или конденсата при измерении  давления газовых сред (рис. 1.7, 1.8). Это  достигается подключением трубок к  горизонтальному трубопроводу с  середины его профиля при измерении  давления жидких сред и сверху - при  измерении газовых сред, а также  прокладкой соединительных трубок с  уклоном в сторону, обеспечивающую удаление газов (уклон вниз) или конденсата (уклон вверх) в измеряемую среду  трубопровода. В этих же целях необходимо размещать ИПД для жидких сред ниже уровня отбора давления, а для  газовых сред - выше этого уровня. Если такие условия трудновыполнимы, то в соединительных линиях предусматривают  газосборники со спусковыми клапанами (их функцию в ряде случаев могут  выполнять уравнительные клапаны) или конденсатосборники с дренажными клапанами (вентилями) для периодического удаления побочной среды. Соединительные трубки должны быть защищены от переменных воздействий внешних источников тепла или холода (за исключением  естественного постоянного теплообмена  с окружающей средой).