Класифікація методів вимірювання тиску

Тиском називають відношення сили, що діє перпендикулярно поверхні, до площі цієї поверхні. Тиск - одна з основних величин, що визначає термодинамічний стан речовин.

Вимірювання тиску

Вимі́рювання ти́ску полягає у встановленні значення тиску у рідкому чи газоподібному середовищі. Це необхідно для керування технологічними процесами та забезпечення безпеки виробництва. Крім цього, цей параметр використовується при непрямих вимірюваннях інших технологічних параметрів: рівня, витрати, температури, густини тощо. В системі СІ за одиницю тиску береться паскаль (Па). У більшості випадків первинні перетворювачі тиску мають неелектричний вихідний сигнал у вигляді сили або переміщення і об'єднані в один блок з вимірювальним приладом. Якщо результати вимірювань необхідно передавати на відстань, то застосовують проміжне перетворення цього неелектричного сигналу в уніфікований електричний або пневматичний. При цьому первинний і проміжний перетворювачі об'єднують в один вимірювальний перетворювач.

Види тиску

Розрізняють наступні основні види тиску: атмосферний, абсолютний, надлишковий і вакуум (розрідження).

• Атмосферний (барометричний) тиск (Рб) — тиск, створюваний масою повітряного стовпа земної атмосфери. Він має змінне значення, що залежить від висоти місцевості над рівнем моря, географічної широти і метеорологічних умов (погоди).

• Надлишковий тиск (Р) — різниця між абсолютним і барометричним тисками.

• Абсолютний тиск (Ра)— тиск, відлічений від абсолютного нуля. За початок відліку абсолютного тиску приймають тиск усередині посудини, з якої повністю видалене повітря.

Абсолютний тиск Ра середовища може бути більше або менше атмосферного. У першому випадку абсолютний тиск дорівнює сумі атмосферного і надлишкового тисків: Ра = Рб + Р (1) У другому випадку абсолютний тиск менше атмосферного на величину вакуум метричного тиску, тобто Ра = Рб − Р (2)

• Вакуум (розрідження) (Рв)— різниця між барометричним і абсолютним тисками.

Класифікація приладів для вимірювання тиску

Засоби вимірювання тиску класифікують по виду вимірювального тиску і принципу дії. По виду вимірювального тиску засоби вимірювання підрозділяють на:

• манометри надлишкового тиску — для вимірювання надлишкового тиску;
• манометри абсолютного тиску — для вимірювання тиску, відліченого від абсолютного нуля;
• барометри — для вимірювання атмосферного тиску. Барометри розділяються на ртутні і мембранні;
• вакуумметри — для вимірювання вакууму (розрідження);
• мановакуумметри — для вимірювання надлишкового тиску і вакууму (розрідження).

Крім перелічених засобів вимірювання у практиці вимірювання одержали поширення:

• напороміри — манометри рисих надлишкових тисків (до 40 кПа);
• тягоміри — вакууметри з верхньою межею вимірювання не більше — 40 кПа;
• тягонапороміри — мановакуумметри з діапазоном вимірювання +20…-20 кПа;
• вакуумметри залишкового тиску — вакуумметри, призначені для вимірювання глибокого вакууму або залишкового тиску, тобто абсолютних тисків менш 200 Па;
• диференційні манометри — прилади вимірювання різниці тисків.

За принципом дії засоби вимірювання тиску підрозділяють на: рідинні, поршневі, деформаційні (пружинні), іонізаційні, теплові, електричні. Така кваліфікація не є вичерпною і може бути доповнена засобами вимірювання, заснованими на інших фізичних явищах.

Рідинні засоби вимірювання тиску

Для рідинних манометрів величиною, що характеризує вимірювальний тиск, служить видима висота стовпа (рівень) рідини, який врівноважується, у скляній вимірювальній трубці. До приладів цього виду відносяться однотрубні (чашкові) і двотрубні (U-образні) манометри. До числа рідинних засобів вимірювання тиску (різниці тисків і розрідження) з гідростатичним зрівноважуванням, які ще застосовуються у технологічних процесах, відносяться поплавкові і колокольні дифманометри. Рідинні манометри є досить простими і точними приладами, що служать для визначення невеликих надлишкових тисків, що не перевищують 0,2 МПа. Вони широко застосовуються при дослідницьких і налагоджувальних роботах. У цих манометрах у якості врівноважувальної рідини використовують ртуть, дистильовану воду або етиловий спирт.

Двотрубні манометри

Найбільше часто застосовується двотрубний манометр (рис.5.1), що складається зі скляних вимірювальних трубок 1 і 2, з'єднаних унизу і закріплених на вертикальній підставі 3. Між трубками поміщена міліметрова шкала 4 з нульовою оцінкою посередині. Вимірювальні трубки заповнюються рідиною, що врівноважує, до нульової відмітки шкали. Трубка 1 з’єднана гумовою трубкою 5 з вимірювальним середовищем, яке перебуває під абсолютним тиском Ра, а трубка 2 — з атмосферою, яка має тиск Рб. Як правило, трубка 1, зв'язана із середовищем більшого тиску, позначається знаком “+” (плюсова трубка), а трубка 2, зв'язана із середовищем меншого тиску, позначається знаком “—“ (мінусова трубка). При включенні манометра вимірювальний тиск врівноважується стовпом рідини висотою h, який відлічується по шкалі приладу. Внаслідок того, що рівень рідини в трубці 1 понизиться, а в трубці 2 відповідно зросте, то загальна висота стовпа h буде дорівнювати сумі поділок, позначених на шкалі вище і нижче нульової поділки. При вимірюванні тиску двотрубним манометром представляє незручність відлік рівнів рідини одночасно в обох вимірювальних трубках. При значних коливаннях вимірювального тиску це утрудняє точне визначення показань приладу. У таких випадках для зменшення коливань рівнів рідини застосовують місцеве звуження перетину сполучної лінії.

Однотрубні манометри

На рис 5.2 показана схема однотрубного манометра, що відрізняється від двотрубного тим, що замість другої вимірювальної трубки має широку посудину (чашку) 1. До нижньої частини посудини приєднана скляна вимірювальна трубка 2, поруч із якої закріплена міліметрова шкала 3. Прилад змонтований на вертикальній підставі 4. Посудина манометра контактує з вимірювальним середовищем трубкою 5. Вільний кінець вимірювальної трубки з'єднаний з атмосферою. Посудина і вимірювальна трубка заповнюються рідиною, що врівноважує, до нульової поділки шкали. У більшості випадків зниженням рівня рідини в посудині, тобто h2 (див. рис 5.2), можна зневажити і вважати h≈h1.

Похибка вимірювання однотрубним манометром вище, ніж двотрубним, зате більшою зручністю першого з них є вимірювання рівня рідини в одній трубці.

Деформаційні прилади для вимірювання тиску

Висока точність, простота конструкції, надійність і низька вартість є основними факторами, що обумовлюють широке розповсюдження деформаційних приладів для вимірювання тиску в промисловості і наукових дослідженнях. Досить розповсюдженим видом деформаційних приладів, які використовуються для визначення надлишкового тиску, є трубчасто-пружинні манометри, що відіграють винятково важливу роль у технічних вимірюваннях. Ці манометри виготовляються з одновитковою трубчастою пружиною, що представляє собою вигнуту по окружності металеву пружну трубку овального перетину. Під дією вимірювального тиску усередині трубки вона частково розкручується внаслідок деформації її перетину, що прагне прийняти форму кола.

Манометри з одновитковою пружиною

Вимірювальні прилади з одновитковою трубчастою пружиною призначені для вимірювання надлишкового тиску і розрідження неагресивних рідких і газоподібних середовищ. Прилади цього типу випускаються тільки показуючими у звичайному, вібростійкому, антикорозійному, вогне- і вибухозахищеному виконаннях. На рис. 5.3 показана конструкція манометра із секторним передавальним механізмом. Прилад складається із трубчастої пружини 5, один кінець якої впаяний в отвір утримувача 1, а іншої (рухливий) кінець наглухо запаяний і несе на собі наконечник 10. Порожнина пружини пов'язана з вимірювальним середовищем через канал у утримувачі 1, об’єднаному з радіальним штуцером 14. Утримувач приладу оснащений платою 2, на якій монтується трибко-секторний механізм. Останній включає зубчасте колесо (трибку) 8 і зубчастий сектор 9. Для виключення люфту в передавальному механізмі використається спіральна пружина 7, один кінець якої за допомогою штифта кріпиться на осі трибки, а інший - до колонки 6, укріпленої на платі 2. До хвостовика сектора 9 за допомогою гвинта 12 кріпиться тяга 11. За допомогою тяги переміщення вільного кінця пружини передається зубчастому сектору, що має вісь обертання 13. Обертання зубчастого сектора передається на трибку, на осі якої насаджена стрілка 4 для відліку показань на шкалі 3. Шкала манометра рівномірна, тому що переміщення вільного кінця пружини пропорційно вимірювальному тиску. Регулювання ходу стрілки проводиться гвинтом 12.

Електроконтактні манометри

Поряд з розглянутими приладами, оснащеними однаковою трубчастою пружиною, у практиці вимірювання тиску і розрідження одержали широке поширення манометри і вакуумметри, оснащеними електроконтактними пристроями, що сигналізують. Ці засоби вимірювання тиску одержали назву електроконтактних. Клас точності електроконтактних манометрів і вакуумметрів 1,5. Похибка спрацьовування пристрою, що сигналізує, ±2,5%. Загальний вигляд манометра-сигналізатора електроконтактного типу показаний на рис. 5.4. Прилад містить вказівну стрілку 1, сигнальні (мінімального і максимального тиску) стрілки 2 і 3, які установлюються на задані значення тисків за допомогою ключа, і коробці 4 із затискачами для приєднання до приладу ланцюга сигналізації. Механізм манометра вмонтований у корпус 5. Прилад контактує з вимірювальним середовищем через штуцер 6. При досягненні кожного із заданих граничних тисків контакт, пов'язаний із вказівною стрілкою, стикається з контактом, розташованим на відповідній сигнальній стрілці, і замикає ланцюг сигналізації. Зазначені манометри придатні для вимірювання тисків, що плавно змінюються. Контактний пристрій їх живиться від мережі постійного або змінного струму, напругою 220 В. Розривна потужність контактів 10 В•А

Прилади з мембранним чутливим елементом

Ці прилади (рис. 5.5)призначені для вимірювання атмосферного і надлишкового тисків і розрідження. Через малість зусиль, що розвиваються деформаційним чутливим елементом, мембранні прилади випускаються в основному показуючими. Принцип дії приладів складається в перетворенні вимірювального тиску або розрідження в переміщення твердого центра мембранного чутливого елемента, що за допомогою передатного трибко-секторного механізму перетворюється в обертовий рух покажчика. Максимальний діапазон вимірювання мембранних манометрів 0...2,5 МПа, вакуумметрів — від -0,1 до 0 МПа. Класи точності приладів 1,5 і 2,5. Крім розглянутих приладів випускаються мембранні тягоміри, напороміри і тягонапороміри класів точності 1,5; 2,5.

Деформаційні вимірювальні перетворювачі тиску прямого перетворення

Вимірювальні перетворювачі тиску, які випускаються у даний час, засновані на методі прямого перетворення, розрізняються як видом деформаційного чутливого елемента, так і способом перетворення його переміщення або зусилля, яке розвивається ним, у сигнал вимірювальної інформації.

Індуктивні вимірювальні перетворювачі тиску

На рис. 5.6, а) показана схема вимірювального перетворювача тиску, оснащеного перетворювальним елементом індуктивного типу. Мембрана 1, що сприймає тиск, є рухливим якорем електромагніта 2 з обмоткою 3. Під дією вимірювального тиску мембрана 1 переміщується, що викликає зміну електричного опору індуктивного перетворювального елемента.

Диференційно-трансформаторні вимірювальні перетворювачі тиску

Вимірювальний перетворювач тиску диференційно-трансформаторного (ДТ) типу (рис. 5.6, б) містить деформаційний чутливий елемент 1 і ДТ-елемент 2. Перетворювальний елемент являє собою каркас із діелектрика, на якому розміщені катушка з первинною обмоткою 7, що складається із двох секцій, згідно намотаних, і двох секцій 4, вторинні обмотки 5, включених зустрічно. Усередині каналу катушки розташований рухомий сердечник 6 з магнитом’якого матеріалу, пов'язаний із пружиною 1 тягою 3. Шляхом зміни регульованого опору R1 можна змінювати межі вимірювання на ±25%. Формування вихідного сигналу ДТ-елемента здійснюється в такий спосіб. При протіканні по первинних обмотках струму виникають магнітні потоки, що пронизують обидві секції вторинної обмотки і індуцює в них ЕРС. Значення цього ЕРС пов'язані із взаємними індуктивностями між первинною обмоткою і кожною із секцій вторинної обмотки. Перетворення вимірювального тиску в електричні сигнали розглянутим перетворювачем тиску здійснюється шляхом перетворення тиску в деформацію (переміщення) чутливого елементу, жорстко з’єднаного із сердечником 6, і наступного перетворення переміщення сердечника 6 в електричний сигнал ДТ-елементом. Класи точності 1,0 і 1,5. Для вимірювання перепаду тисків розроблені мембранні дифманометри із ДТ-елементом, що здійснює перетворення переміщення мембранного блоку в сигнал вимірювальної інформації. Класи точності перетворювачів перепаду тиску 1,0 і 1,5. Час установлення вихідних сигналів не більше 1 с.

Ємнісні вимірювальні перетворювачі тиску

Схема вимірювального перетворювача тиску, оснащеного ємнісним перетворювальним елементом, наведена на рис. 5.6 ,в. Вимірювальний тиск сприймається металевою мембраною 1, що є рухливим електродом ємнісного перетворювального елемента. Нерухомий електрод 2 ізолюється від корпуса за допомогою кварцових ізоляторів. По залежності ємності С перетворювального елемента від переміщення δ мембрани 1 вимірюється величина тиску.

Тензорезисторні вимірювальні перетворювачі тиску

Перетворювачі тиску цих видів являють собою деформаційний чутливий елемент, найчастіше мембрану, на яку наклеюються тензорезистори. В основі принципу роботи тензорезисторів лежить явище тензоефекту, суть якого полягає в зміні опору провідників і напівпровідників при їхній деформації. Існує зв'язок між зміною опору тензорезистору і його деформацією Отримали розповсюдження дротові і фольгові тензорезистори, що виготовляють із провідників типу манганіну, ніхрому, константану, а також напівпровідникові тензорезистори, що виготовляють із кремнію і германія р- і л-типів. Опір тензорезисторів, що виготовляють із провідників, становить 30…500 Ом, а опір напівпровідникових тензорезисторів від 5•10-2…10 кОм.