Жидкостные приборы давления
Жидкостные приборы давления используют в качестве манометров для измерения давления неагрессивных газов вплоть до 0,1 МПа, тягомеров для измерения разрежения Рв до 7000 Па, вакуумметров для измерения вакуума Рвдо 0,1 МПа и дифференциальных манометров для измерения разности давлений неагрессивных жидкостей, паров и газов до 0,07 МПа. Их применяют в качестве приборов, устанавливаемых по месту эксплуатации отдельных узлов оборудования или на площадках обслуживания, а также в качестве образцовых при поверке рабочих приборов, рассчитанных на те же диапазоны измерения давления, разрежения или разности давлений.
При измерении давления или разности давлений большее из них подается в сосуд, а меньшее — в измерительную трубку.
Разновидностью однотрубных манометров являются поплавковые дифманометры ДП. В отличие от рассмотренных выше приборов в широком сосуде дифманометра, куда подается большее давление, находится поплавок, который перемещается, следуя за изменением уровня рабочей жидкости. Основной недостаток этих приборов — необходимость передачи перемещений поплавка, расположенного внутри сосуда высокого давления, к отсчетному устройству.
В качестве образцовых или лабораторных средств измерений давления в диапазоне от 10-1 до 1023 Па используют грузопоршневые манометры МП (классов точности 0,02; 0,05), которые также работают по методу сообщающихся сосудов. Измеряемое давление в них уравновешивается силой тяжести поршня с грузами.
Высокая точность воспроизведения и измерения давления в этих манометрах определяется высокой точностью заданной массы грузов и площади поперечного сечения поршня.
Принцип действия барометров основан на уравновешивании атмосферного давления давлением ртутного столба, заключенного в барометрической: трубке. Погрешность считывания в этих приборах не превышает ±0,1 мм.
Приборы для измерения давления и разности давлений с упругой деформацией чувствительных элементов
Приборы для измерения давления, основанные на упругой деформации чувствительных элементов под действием измеряемой величины, широко применяют в диапазоне от 50 Па до 1000 МПа. Деформация или сила, пропорциональная давлению, преобразуется в показания прибора или в изменения выходного сигнала. Такие приборы изготовляют в виде тягомеров, напоромеров, манометров и _вакуумметров.
Рис. 2. Упругие чувствительные элементы приборов для изменения давления (а, б — мембраны, в — мембранная коробка, г — сильфон, д — трубчатая пружина) и их статические характеристики (е)
В качестве упругих чувствительных элементов приборов для измерения давления применяют мембраны (рис. 2, а, б), мембранные коробки (рис. 2, в), сильфоны (рис. 2, г), трубчатые пружины (рис. 2, д). Мембраны, мембранные коробки и сильфоны используют также и в дифманометрах.
Чувствительный элемент прибора характеризуется зависимостью перемещения его рабочей точки ΔХ от действующего давления или разности давлений Р(рис. 2, е). Обычно эту зависимость в приборе стремятся получить линейной, для чего используют прочные сплавы цветных металлов с высоким модулем упругости. С ростом измеряемого давления упругие деформации перейдут в пластические и зависимость ΔХот Рстанет нелинейной.
В настоящее время выпускают показывающие и самопишущие манометры с одновитковой (МТ, МП) трубчатой пружиной. Верхний предел измеряемого давления определяется стандартным рядом (0,6; 1; 1,6; 2,5; 4)-10n МПа, где п= —1; 0; 1; 2; 3. Пружинные вакуумметры имеют диапазон измерения от —0,1 до 0 МПа.
Трубчато-пружинные манометры МЭД выпускают с дифференциально-трансформаторными преобразователями, встроенными в корпус прибора. Другие манометры МПЭ выпускают с преобразователями магнитной или силовой компенсации. Верхние пределы измерений давления этих манометров от 4 до 60 МПа и от 4 до 100 МПа.
В пружинных манометрах применяют также пневматические преобразователи, позволяющие получать на выходе унифицированный сигнал по давлению воздуха.
| Рис. 3. Устройство манометра с одновитковой пружиной: 1 — стрелка, 2,3 — пружины, 4 - поводок, 5 — штуцер |
Такие манометры типа МП-П выпускают на те же пределы измерений, что и МПЭ. Для сигнализации предельных отклонений давления в цепях защиты и позиционного регулирования служат электроконтактные манометры (ЭКМ), в которых дополнительно введены стрелки с электроконтактами, устанавливаемыми напротив сигнализируемого значения давления. Показывающая стрелка также, имеет контакт. При ее совмещении с любой дополнительной стрелкой возникает электрический сигнал.
Разновидностью приборов для измерения давления с упругой пружиной в качестве чувствительного элемента являются колокольные дифманометры, предназначенные для дистанционного измерения разности давлений, избыточного и вакуумметрического давлений.
В другой группе приборов для измерения давления чувствительные элементы выполняют в виде сильфона.
Сильфон (см. рис. 2, г) представляет собой тонкостенную трубку с кольцевыми гофрами на боковой поверхности. Его упругость определяется материалом и толщиной стенки, числом гофр и их кривизной. Первичные приборы с сильфоном выпускаются показывающими (индекс «П») и самопишущими (индекс «С»). Поскольку сильфоны более чувствительны к изменению давления, чем трубчатые пружины, приборы с ними применяют для измерения сравнительно небольших разрежений и давлений.
Самыми разнообразными по конструкции чувствительных элементов являются приборы с мембранными элементами. Статическая характеристика плоской мембраны имеет нелинейный вид, поэтому такие мембраны в приборах давления неиспользуют. Для линеаризации статической характеристики применяют гофрированные мембраны (см. рис. 2, б)и мембранные коробки (см. рис. 2, в). Чаще всего используют мембранные коробки, жесткость которых меньше чем жесткость отдельной мембраны. Это приводит к росту крутизны статической характеристики и увеличению зоны перемещений, пропорциональных приложенному давлению.
Мембранные чувствительные элементы имеют статическую характеристику зависимости (ΔХ от Р) более крутую, чем сильфоны, что позволяет широко использовать их для измерения малых напоров и разрежений.
Электрические манометры
В отличие от первичных приборов давления и приборов со встроенными преобразователями (давление — перемещение — унифицированный электрический сигнал) существуют электрические приборы давления, в чувствительных элементах которых происходит прямое преобразование давления в электрический измерительный сигнал.
Рассмотрим электрические манометры, принцип действия которых основан на зависимости электрического сопротивления веществ от измеряемого давления. Их называют тензопреобразователями. Тензопреобразователи изготовляют из полупроводников, константана, платины, сплавов меди и никеля. В приборах давления их используют в качестве чувствительных элементов, механически соединенных с мембраной или пружиной прибора, которая деформируется под действием измеряемого давления.
Для измерения высоких давлений (до 1000 МПа) применяют тензопреобразоеатели из манганина. В приборах для измерения Давления чувствительные элементы из этого материала выполняют в виде катушек. Сопротивления катушек под давлением определяют с помощью мостовых измерительных схем, а при необходимости точных измерений — потенциометрами.
Принцип действия других электрических приборов для измерения давления основан на использовании пьезоэлектрического эффекта. Эффект связан с появлением электростатических зарядов на гранях кристаллов кварца при их деформации вдоль оси перпендикулярно этим граням. Кристаллы выполняют в виде двух пластин, механически соединенных с мембраной, на которую воздействует измеряемое давление. Пьезокварцевые манометры позволяют измерять давление до 100 МПа и широко применяются при измерении циклически меняющихся давлений большой частоты. Чувствительность таких преобразователей можно повысить, используя большее количество кварцевых пластин, увеличивая активную площадь мембраны или удлиняя пластину.
Недостатками пьезокварцевых манометров является низкая точность измерения статического давления из-за утечки электрического заряда, а достоинством их — низкая температурная погрешность.