Вимірювання тиску

2 ДАТЧИКИ ДЛЯ ВИМІРУ ТИСКУ

Прилади для виміру надлишкового тиску (вище атмосферного) називаються манометрами, для виміру вакуумного тиску (нижче атмосферного) -вакуумметрами.

Прилади, призначені для виміру різниці тиску (перепаду), називаються диференціальними манометрами (дифманометрами).

За принципом дії манометри розділяються на:

рідинні,

пружинні,

мембранні,

сильфоні й електричні.

Рідинні манометри відрізняються простою конструкції, невеликою вартістю виготовлення і відносно високою точністю виготовлення і відносно високою точністю виміру, завдяки чому широко застосовуються у виробничих і лабораторних умовах.

Рідинні манометри являють собою сполучені посудини, заповнені робочою рідиною (вода, ртуть, олія, спирт, і т.д.). При наявності різниці тисків рівні робочої рідини переміщаються до встановлення рівноваги.

Найпростіші рідинні U-образні манометри застосовують для виміру не великих тисків і їх границь. Похибка відліку складає +(-) 2мм. стовпа робочої рідини і не залежить від діаметра трубки.

При частих коливаннях вимірювального тиску відлік по шкалі U-образного манометра скрутний у зв'язку з коливаннями рівня робочої рідини в трубках, тому доцільно застосовувати одно трубний чашковий манометр.

Похибка відліку показань може складатися + (-) 1мм стовпа робочої рідини .

Рідинні манометри і вакуумметри працюють за принципом зрівноважування вимірювального тиску або розрядження тиском стовпа врівноваженої рідини.

Умова рівноваги в приладі характеризується рівнянням:

Р абс = Ратм f + h Yp f;

але тому що Рабс - Ратм =Рнадм, то Рнадм= h Yp, де:

Рабс- вимірювальний абсолютний тиск;

Ратм- барометричний тиск ( атмосфери);

Рнадм надмірний тиск;

f-площа перетину трубки;

h-різниця рівнів рідини в обох колінах манометра;

Yp- питома вага врівноваженої рідини;

а) б) в)

Мал. Манометри: а)- U -образний, б) чашковий однотрубний , в) типу “кільцеві ваги”

г) дзвоновий д) одно витковий трубчастий

Мембранні манометри призначені для виміру тиску стиснутого повітря або газів, нейтральних стосовно сталі, кольоровим металам і їхнім сплавам. У мембранному манометрі в якості вимірювального елемента використана гофрована пружна платівка - мембрана, що під дією надлишкового тиску прогинається. Манометри цього типу призначені для виміру невеличких тисків.

В даний час широко застосовуються сильфоні манометри, чутливим елементом яких є гармонікова мембрана -сильфон, виконаний із пружного металу (нержавіючої сталі, томпак і інші сплави).

Електричні манометри ще не одержали достатнього поширення в техніці. Прикладом такого типу приладу є електричний вакуумметр із термоопором. Термоопір, виконаний із пластикового дроту, включено в ланцюг постійного току. Тут використовується амперметр та реостат і служать для підтримки постійним нагріваючого току. До термоопору приварений робочий кінець термопари, виготовленої з хром ель - копеля. Термо ЕРС, що вимірюється магнітоелектричним мілівольтметром, визначається температурою термоопору і, отже, ступенем вакууму в колбі, під’єдненого до контрольованого об'єкта.

Роздивимося два найбільш уживані датчики тиску :

1. Сильфоні;

2. Магнето пружні.

Сильфоні датчики тиску газів складаються з гофрованої трубки 1, рейки 2 і зубцюватого колеса 3, пов'язаного з щіткою потенціометра 4.

Під дією тиску Р сильфон розтягується і переміщає рейку.

а) Сильфоний датчик тиску газів. б) Сильфоний датчик тиску рідини.

При цьому зубцювате колесо буде переміщати повзунок потенціометра, змінюючи знімаємо з виходу потенціометра напругу Uвих:

Uвих= k p.

При вимірі тиску рідин застосовується інша конструктивна схема сильфоного датчика (мал. б). Рідина під тиском р надходить у порожнину сильфона. Сильфон, розтягуючись, переміщає повзунок потенціометра.

Магнето пружні датчики тиску засновані на властивості зміни магнітної проникності від сил стиску або розтяги. Конструктивно магнітний елемент датчика тиску виконується у виді сталевої трубки 1, на якій запресовується трубка 2 з інвару. Усередині поміщається котушка дроселя 3. Тиск, що надходить на вхід трубки 1, викликає розтяг трубки 2, що призводить до зміни її магнітної проникності.

а) б)

Мал. Магніто пружний чутливий елемент датчика тиску а)

і залежність магнітної проникності від тиску ( б) .

Зміна магнітної проникності визначається шляхом виміру коефіцієнта само індуктивності дроселя:

Lдр=0,4pw² 10-8 m F/ l ,

де: w - число витків котушки;

m - магнітна проникність матеріалу;

l - довжина магнітопровода;

F- площа поперечного перетину магнітопровода.

Даний тип датчика має високу швидкодію, малі габарити і застосовується при вимірі високих тисків.

Застосовуються тензодатчики для виміру тиску. У цьому випадку використовується проміжне перетворення тиску в деформацію. Для цього тензодатчик виконують у виді стрижня з пружного матеріалу, насвердленого з торця до половини. Стрижень поверх ізольований тонким прошарком паперу, на якому наклеюється дріт. Середня точка і кінці дроту включаються в мостову схему. Під дією тиску стінка трубки разом із тензорезистром розтягується. Друга половина тензодатчика опору не змінюється і використовується для температурної компенсації.

Вимірювачі тиску з пьезорезисторами використовуються для контролю надвисоких тисків (до 10⁸Н/м²). Принцип дії таких вимірювачів заснований на зміні опору металів або напівпровідників під впливом прикладеного тиску. При використанні пьезоелектричних датчиків - у них використовується ефект появи зарядів на гранях кристала (звичайно кварцу) при стиску. Розмір заряду прямо пропорційний питомому тиску і площі грані, перпендикулярної напрямку тиску.

2.1 Диференціальні манометри

Диференціальні манометри застосовуються головним чином для виміру витрат рідин. Принцип дії цього датчика ілюструється схемою мал. а.

а) б)

Схема диференціального манометра. Схема вмикання індуктивного датчика.

Жорстка перегородка 1 розділяє камери на дві порожнини, до однієї з яких, нижньої 4, підводиться більше (“плюсове“) тиск, а до верхнього 3 менше (“мінусове“). У цю перегородку по обидва боки угвинчені дві мембранні коробки 2, заповнені дистильованою водою. Ці коробки з'єднуються через отвір у перегородці й утворять єдину порожнину - чутливий елемент датчика. З верхньою мембранною коробкою сполучений плунжер індукційного датчика.

При зміні перепаду тиску рідина переміщається з однієї частини мембранної коробки в другу. Ця зміна тиску рідини врівноважується пругкістю мембранної коробки. До індукційного датчика підводиться напруга за схемою мал. б. Зміна положення плунжера викликає зміну індуктивного опору плечей моста, і на діагоналі моста, на опорі R, з'являється перемінна напруга, що подається у вимірювальний блок регулятора.

2.2 Диференціальні тягоміри

Диференціальні тягоміри використовуються для виміру витрат і тиску газів і повітря. Принцип дії диференціального тягоміра пояснюється на мал.а.

Перепад тиску підводиться у верхню і нижню порожнини мембранної коробки. Зміна перепаду тиску викликає переміщення мембрани. Зусилля, обумовлене розміром перепаду, компенсується пругкістю мембрани. Центр мембрани пов'язаний із плунжером індукційного датчика. Цей плунжер знаходиться в трубці з немагнітного матеріалу на який надягнута котушка диференційно-трансформаторного датчика. Електрична схема приведена на мал.б. Переміщення плунжера викликає зміну індуктивного опору повторних обмоток датчика, включених назустріч одна одній. При різноманітних індуктивних опорах з'являється напруга на повторній обмотці датчика. Ця напруга, фаза якої визначається напрямком переміщення плунжера, подається у вимірювальний блок регулятора.

а) Схема диференціального тягоміра. б) Схема диференціально - трансформаторного датчика

2.3 Основні різновиди рідинних приладів.

2.4.Тензоперетворювачі для виміру тисків.

Широко використовуються тензоперетворювачі з дротовими, фольговими і напівпровідниковими тензорезисторами, причому завдяки високій верхній частотній межі напівпровідникові тензорезистори останнім часом стали усе частіше застосовуватися в перетворювачах для виміру тисків (у першу чергу динамічних тисків).

Для виміру тисків використовуються в основному два види пружних перетворювачів: мембрані і циліндричні оболонки.

Мембранні перетворювачі тисків у якості пружного елемента мають мембрану - тонку платівку, що навантажується з однієї сторони вимірювальним тиском Р. Пруга платівка закріплюється по контору, а на поверхні, протилежної тієї, на яку діє тиск, розташовується тензочутливий елемент. Звичайно застосовуються круглі платівки, причому їхня жорсткість і геометричні розміри вибираються такими, що впливом ланцюгових напруг можна зневажити.

Якщо через великі навантаження або недостатню жорсткість мембрана одержує великі прогини, то на ізгибі напруги накладаються ланцюгові напруги і лінійність залежності між тиском Р і відносною деформацією на поверхні порушується.

Великий вплив на якість роботи мембранного перетворювача тисків, лінійність його функції перетворення і чутливість робить ступінь замазування мембрани по контурі. Звичайно варто ринутися до жорсткого замазування, тому що при цьому створюються оптимальні умови розташування на мембрані тензочутливого елемента і забезпечується більш висока власна частота самої мембрани.

Тензочутливі елементи можуть бути виконані у виді дротових, фольгових або напівпровідникових тензорезисторів.

Відносна зміна опору тензорезистору визначається формулою:

DR / R Dl / l ( 1+ 2 m ) +Dr / r,

де:

R- опір тензорезистору, Ом;

l - довжина дроту , м ;

m - коефіцієнт Пуассона для матеріалу дроту;

r- питомий опір матеріалу дроту, Ом м.

Коефіцієнт чутливості тензорезистору:

Ко = ( ( R / R ) / ( ( l / l ) = ( 1 + 2 m ) + ( D r / r ) / ( Dl / l ) .

Приклад релейної системи програмного управління тиску ресивера

Задатчик тиску П1 формує сигнал Р2 (t) у вигляді напруги, що поступає на вхід електронного підсилювача У (см . мал.) . Реле Р включає одну з обмоток серієсного електродвигуна М залежно від знаку полярності напруги Uс. Двигун М через редуктор переміщатиме заслінку 3 вгору або вниз, зменшуючи або збільшуючи тиск в ресивері. Як вимірник тиску в схемі застосований сільфоний датчик СД, зв'язаний тягою з потенціометром зворотного зв'язку П2. У даній схемі передбачений внутрішній гнучкий тахометричний зворотний зв'язок, що складається з резисторів R1,R2, R3, діодів В1, В2 і конденсатора С.

Електричні манометри ще не набули достатнього поширення в техніці.Прикладом такого типу приладу є електричний вакуумметр з термо опором Термо опір, виконаний з пластикового дроту, включено в ланцюг постійного струму. Амперметр і реостат служать для підтримки постійним нагріваючого струму. До термо опору приварений робочий кінець термопари, виготовленої з хромель - копеля. Термо ЕДС, вимірювана магнітоелектричним мілівольтметром, визначається температурою термо опору і, отже, ступенем вакууму в колбі, приєднаній до контрольованого об'єкту.

ДАТЧИКИ РІВНЯ І ВИТРАТИ

Простий датчик рівня рідини є одним або наскільки електричних контактів, розташованих в судині з рідиною на різних рівнях. По досягненню рідиною цих рівнів електричні ланцюги контактів замикаються через неї. Для нормальної роботи такого датчика рідина повинна володіти достатньою електропровідністю.

Недоліками датчиків цього типу є швидке погіршення якості контакту через корозію і неможливість отримання аналогової величини .

Датчики поплавців перетворять рівень рідини в механічне переміщення поплавця, вимірюване одним із способів використовуваних для датчиків переміщення. Проста схема датчика поплавця, використовуючи датчик потенціометра кутового переміщення, показана на мал. а.

Для вимірювання рівня рідин і сипких матеріалів широко застосовуються датчики ємностей, різновиди яких використовуються також для вимірювання переміщень, тиску, вогкості і т.д.

Датчики ємностей засновані на зміні ефективної площі обкладань, величини зазору або діелектричної проникності середовища між обкладаннями, а також на використовуванні комбінацій цих параметрів.

Такий датчик є конденсатором тієї або іншої форми і конструкції - плоский, циліндровий і т.д.

На мал. б показаний датчик, у якого концентрична проникність рідини е1 набагато вище за діелектричну проникність повітряного середовища е2 над її поверхнею, зміна рівня рідини приводить до зміни місткості між електродами.

Отвори на нижньому кінці зовнішнього циліндра забезпечують гідравлічний зв'язок між електродного простору із зовнішньою рідиною і механічне демпфування коливань її поверхні при швидких змінах рівня.

Основним джерелом погрішності вимірювань є нестабільність діелектричної проникності рідини унаслідок зміни температури, кількості і складу домішок і т.д.

Для вимірювань звичайно використовують мостову схему включення датчиків (мал. в). Як С1 і С2 використовують ідентичні датчики, що знаходяться в однакових умовах, завдяки чому істотно знижується вплив температури, вогкості і інших зовнішніх умов. При цьому власне датчиком служить один з них, а другий виконує функції задатчика.

Знаходять також застосування датчики ємностей, в яких одним з електродів є середовище, рівень якої вимірюється. Другий електрод тієї або іншої форми зміцнюється нерухомо над поверхнею вимірюваної речовини. При зміні рівня речовини змінюється електрична місткість конденсатора, утвореного нерухомим електродом і контрольованою речовиною. Цей метод придатний для вимірювання рівнів як провідних, так і діелектричних середовищ, важливо тільки, щоб їх провідність істотно відрізнялася від провідності повітряного середовища над вимірюваним рівнем.

Датчики ємностей володіють підвищеною чутливістю, незначними розмірами і вагою, простою конструкцією. Їх інерційність визначається частотою живлячої напруги.

Радіоізотопні датчики

Для вимірювання рівня сипких матеріалів знаходять застосування також радіоізотопні датчики. На мал. г приведена схема контролю заповнення бункера, використовуючи такий датчик. Випромінювач 1 є металевим корпусом, в якому знаходиться капсула з радіоактивним препаратом. Чутливим елементом 2 служать звичайно газорозрядні трубки або сцинтиляційні лічильники. Їх робота заснована відповідно на зміні електричного опору газу або на сприйнятті фотоелементом світлових спалахів, що виникають в сцинтиляторі під дією гамма-променів. Коли бункер заповнюється на стільки, що на шляху гамма - проміння виявляється не прозоре для них середовище, інтенсивність опромінювання чутливого елементу різко падає, що і наголошується вимірювальним пристроєм 3, на виході якого може бути включене реле, контрольний прилад й інше.

Датчики витрати рідин і газів

Один з найбільш ширше вживаних методів вимірювання витрати полягає в перетворенні швидкості потоку в трубопроводі в перепад тиску, який і вимірюється. Для цього перетворення використовують спеціальні звужуючі вимірювальні вставки в трубопровід, званих діафрагмами або дроселями.

Статичний тиск в трубопроводі після діафрагми менше, ніж до неї, причому різниця цього тиску тим більше, чим вища швидкість руху речовини по трубопроводу, тобто чим більше витрата цієї речовини.

Перепад тиску звичайно вимірюється диференціальними манометрами (ДМ). Витратоміром цьому випадку називають дифманометр, проградуйований в одиницях витрати. Описаний спосіб вимірювання

представлений на мал.

Конструкція більшості диференціальних манометрів є судиною з двома робочими камерами, між якими знаходиться чутливий елемент (мембрана, сильфон, дзвін), що переміщається під дією різниці тиску в робочих камерах.

Якщо робочі камери розділяються глухою перегородкою, то функції чутливого елементу виконує сама судина. Прикладом такого дифманометра є " кільцеві ваги " (мал. би), що є порожнистим кільцем, що наполовину заповнене робочою рідиною (водою, маслом, ртуттю) і спирається призмою на нерухому підставу. У верхній частині кільце, герметично розділено перегородкою, і до кожної його половини за допомогою гнучких трубок підведений тиск Р1 і Р2 відповідно до і після звужуючої вставки в трубопровід . Під дією перепаду тиску DР= Р1-Р2 виникає обертаючий момент, що повертає кільце . Грузнув G і вагу робочої рідини створюють протидіючий момент, прагнучий повернути кільце в початковий стан. Кут а, при повороті на деякий обидва моменти врівноважуються, є функцією величини DР і, отже швидкості потоку або витрати в одиницю часу.

Відомі також турбо тахометричні датчики витрати, в яких швидкість потоку перетвориться в швидкість обертання турбіни, поміщеної в потік, а швидкість обертання перетвориться в електрорушійну силу за допомогою тахогенератора, механічно сполученого з турбінною. При цьому вихідна напруга тахогенератора виявляється пропорційною витраті.

Витрату рідин звичайно вимірюють або датчиками перепаду (різниці) тиску, або механічними контактними датчиками (наприклад, турбіною).

Швидкість потоку F характеризує швидкість руху рідини і звичайно має розмірність м/ с,

Об'ємний потік Q є об'єм рідини, що протікає в одиницю часу, наприклад

м/с³.

Для газів потік маси М визначають в кг/с.

Оскільки різниця тиску між двома крапками рівна натиску, то елементи конструкції датчика потоку, що працює на принципі вимірювання різниці тиску, аналогічні елементам вимірників натиску або вимірників зміни натиску. Перепад тиску пропорційний вазі стовпа рідини в диференціальному манометрі.

Швидкість потоку V обчислюється із залежності, що пов'язує її з прискоренням вільного падіння (q=9,8 м/с²) і перепадом тиску DP, вираженому в м вод. ст.:

V =Ö 2 q Ö D P м / с.

Витрата рідини у відкритих каналах вимірюється за допомогою пристроїв, в яких створюється перепад тиску , наприклад лотків і зливів. Вимірювання натиску виробляється методом вимірювання ваги потоку , що проходить через злив. Далі, як показано на мал. а, змірявши площу поперечного перетину потоку L x H, можна одержати об'ємну витрату

Q = Ö 2 L H Ö H м/с³,

де Н и L - відповідно висота і ширина потоку в сливі.

+ ÖD Р

Р L Ö Н Х

H Слив Датчик

рівня

а) б)

Мал. Вимірювання швидкості потоку а) і об'ємної витрати рідини б).

На рис. в показані елементи конструкції диференціальних датчиків, що використовують принцип вимірювання різниці тиску .

Отвір Трубка Вентурі Трубка Піто

Мал. в . Елементи диференціальних датчиків тиску.

При вимірюванні вагової витрати ( або витрати маси) потрібні додаткові датчики для вимірювання температури і тиск. Для збільшення точності температура повинна вимірюватися в кожній крапці, в якій виробляється вимірювання швидкості ( див. мал.)

Р М

Х + Ö

- DР

+

Т

_

+

Помітимо, що статичний тиск можна вважати постійним по перетину

каналу. Краще всього датчики швидкості об'єднувати з датчиками температури . Як відомо, коефіцієнт калібрування К і вимірювану величину М можна одержати відповідно з наступних виразів:

К = Ö R D Po / D P x, K / c^1/2

M = K Ö P D P / T, кг /с ,

де : D Po - дійсний перепад тиску Ро - Р ¥, торр;

D P x- зміряний перепад тиску, торр;

R- універсальна газова постійна.

До витратоміра з механічним контактом відносяться турбінні і гіроскопічні перетворювачі, які вимірюють швидкість потоку по кутовому моменту; охолоджувані термоелектричні перетворювачі швидкості; датчики, що вимірюють швидкість по електричному опору, а також датчики, що вимірюють швидкість потоку з використанням b - випромінювання.

Для широко поширених турбінних витратомірів зв'язок між швидкістю потоку і кутовою швидкістю обертання турбіни виражається наступним рівнянням:

F = w r / tg a , м/с

w-кутова швидкість обертання;

r- середній радіус лопатей ротора;

a- кут між лопатнями ротора.