Методи та засоби вимірювання тиску

Тиск є одним з найважливіших параметрів технологічних і теплових процесів, який характеризує внутрішню енергію середовища та стан обладнання. Він належить до найменш інерційних параметрів, а тиск насиченої пари чітко пов'язаний з її температурою.

Тиском називається сила, яка рівномірно і нормально діє на площу. Одиниця тиску - це відношення одиниці сили до одиниці площі. За одиницю тиску прийнято паскаль - тиск, з яким рівномірно і нормально діє сила в 1 ньютон на площу 1 м².

За видом вимірювання величини прилади для вимірювання тиску ділять на: диференційні манометри, манометри, вакуумметри; за принципом дії - на рідинні, деформаційні, гідростатичні, електричні, поплавкові та ін.; за точністю - на зразкові, лабораторні, технічні та ін. Рідинні прилади тиску. Принцип їх дії грунтується на зрівноваженні вимірюваного тиску або різниці тисків гідростатичним стовпом рідини. Залежно від величини вимірюваного тиску чи вакууму застосовують такі рідини як: воду, спирт, ртуть і мінеральні масла. Перевага рідинних приладів полягає у їхній простоті, низькій вартості, високій точності, надійності та наочності.

Рідинні прилади бувають дво - і однотрубними.

Двотрубні прилади тиску (рис. 2.15) складаються з U - подібної скляної трубки 1 діаметром 5-10 мм, заповненої до половини висоти робочою рідиною 3 і шкали 2. Система знаходиться в рівновазі, коли гідростатичний тиск відкритого коліна зрівноважує вимірюваний тиск Р, який діє на друге коліно трубки приладу:

P_aS = P₆S + HS pg, (2.28)

де S - площа перерізу трубки, м²; Н - різниця рівнів рідини в трубках, мм; р- густина рідини, кг/м³; g - прискорення вільного падіння, м/с².

Із рівняння 2.28, розділивши на S, одержимо вираз надлишкового тиску:

∆P = P_a - P₆ = pgH. (2.29)

Рис.2.15. Двотрубні прилади тиску

Таким чином, надлишковий тиск пропорційний різниці висот гідростатичних стовпів рідини в двотрубному манометрі. Недоліком їх є подвійна похибка відліку за шкалою.

Деформаційні прилади найпоширеніші при вимірюванні тиску в промисловості. Вони прості й компактні за конструкцією, надійні в роботі, мають широкий діапазон вимірювання тиску - від 0,1 до 160 МПа при достатній точності. Чутливими елементами їх є прості й гофровані мембрани, сильфони, одно - та багатовиткові трубчасті пружини. Принцип дії цих приладів грунтується на пружних деформаціях чутливих елементів під впливом тиску чи розрідження.

Рис.2.16. Мембранний дифманометр

Чутливим елементом дифманометра (рис.2.16) є мембранний блок, який складається із двох мембранних коробок 1 і 3, розміщених у різних камерах і з'єднаних між собою каналом 2. Мембранні коробки заповнені дисти­льованою водою. У нижній камері тиск Р₁ вищий, а у верхній Р₂ -нижчий. Із центром мембрани верхньої коробки 3 жорстко з'єднаний сердечник 4 дифтрансформаторного перетворювача 5. Сердечник розмішений всередині роздільної трубки 6 з нержавіючої сталі. При перепаді тиску у приладі рідина з нижньої мембранної коробки 1 по каналу 2 перетікає у верхню коробку 3, в результаті чого її об'єм збільшується, верхня мембрана зміститься вгору і перемістить плунжер 4. Прилад формує електричний сигнал, пропорційний перепаду тисків.

Івано-Франківське ВО "Промприлад" випускає дифманометри типу ДМ 3583М з дифтрансформаторними перетворювачами та ДМТ 3583М із струмовими перетворювачами (0-5 мА) на перепади тиску 1,6; 2,5; 4; 6,3; 10; 16 і 25 кПа; 0,04; 0,063; 0,1; 0,16; 0,25; 0,4 та 0,63 МПа. Класи точності приладів - 1; 1,5.

Трубчасто-пружинні манометри найбільш поширені при вимірюванні тиску і розрідження у промисловості завдяки своїй простоті, надійності, компактності, ремонтоздатності та низькій вартості. Основним елементом цих приладів є одновиткова трубчаста пружина 1, зігнута по дузі кола з радіусом R, еліпсовидного (а) чи плоско овального (в) перерізу (рис.2.17). Один кінець трубки жорстко закріплений у державці 2, через ніпель якої підводиться тиск у внутрішню порожнину трубки, а другий кінець вільний. Якщо в трубку подати тиск, то її радіус збільшується і вона розпрямляється; при розрідженні радіус зменшується і вона закручується. Під дією тиску Р вільний кінець трубки переміщується на величину λ і через важіль З, зубчастий сектор 4 і трибок 5 переміщує стрілку приладу 6 на осі трибка.

За шкалою 7 здійснюється відлік вимірюваного тиску.

Принцип дії електричних манометрів грунтується на перетворенні тиску чи вакууму в електричний параметр, який функціонально пов'язаний із тиском. Електричні прилади нині широко використовують не тільки в лабораторній і дослідницькій роботі, а й у промисловості. До цієї групи належать: мано­метри опору, п'єзоелектричні, тензоелектричні та ін.

Рис.2.17. Трубчасто-пружинний манометр

Манометри опору. Принцип роботи таких приладів грунтується на зміні електричного опору провідників під дією зовнішнього надлишкового тиску. Найширше використовують манганін, температурний коефіцієнт опору якого дуже низький. Недоліком його є малий приріст опору на одиницю тиску. Тому за його допомогою вимірюють високий і надвисокий тиск (до 3000 МПа). Для вимірювання опору чутливого елемента використовують мостові схеми.

П'єзоелектричні манометри. Принцип дії їх грунтується на властивостях^кристалічних речовин нагромаджувати електричні заряди на поверхні під дією механічної сили (тиску). Це явище називається п'єзоефектом, воно характерне для кристалів кварцу, турмаліну, сегнетової солі, титану барію та ін. П'єзоефект без інерційний, заряди виникають у момент дії сили тиску.

Для виготовлення п'єзокристалічних датчиків частіше, використовують кварц, який має безінерційний п'єзоефект, механічну міцність, добрі ізоляційні властивості і негігроскопічний. Його п'єзоефект не залежить від температури до +500^СС.

Тензоелектричні прилади набули поширення при вивченні різних деформацій механічних конструкцій та елементів. Першими приладами для вимірювання тиску були манометри з напівпровідниковими тензоперетворювачами типу "Кристал". Поява гетероепоксіальних структур "кремній на сапфірі" (КНС) дала можливість розробити і впровадити у серійне виробництво тензорезисторні перетворювачі з високими метрологічними властивостями. Точність вимірювання тиску досягла 0,1% від діапазону при 10000 годин роботи. Промисловістю освоєно випуск приладів з тензоперетворювачами "Сапфір-22" для вимірювання тиску, у яких тиск перетворюється в електричний сигнал (рис. 2.18). Чутливий елемент 1 розміщений у металевому корпусі 2. Тиск через ніпель 5, роздільну мембрану 4 та кремнійорганічну рідину підводиться до другої металевої мембрани чутливого елемента 1. На поверхню пружної мембрани нанесено сапфіровий ізоляційний шар, а на нього - кремнієві тензорезистори з вивідними провідниками до вимірювального блоку 3.

Перетворювачі "Сапфір-22" мають на виході струмовий сигнал 0-5 мА (4-20, 0-20 мА) при опорі навантаження 2,5 кОм (1 кОм), межова похибка приладів - 0,25; 0,5 %, напруга живлення - 36 В постійного струму. Основ ними позитивними якостями перетворювачів є використання малих деформацій чутливих елементів, надійність, безінерційність, стабільність характеристик, компактність, вібро- та термостійкість. Похибку вимірювання можна знизити до 0,1 %.

Рис.2.18. Схема тензоперетворювача типу Сапфір-22

Дата добавления: 2014-01-07