Тема №11. Датчики давления

Давление – физическая величина, характеризующая интенсивность нормальных (перпендикулярных к поверхности) сил, с которыми одно тело действует на площадь поверхности другого.

Измерение давления дает количественную оценку участвующим в технологическом процессе газам, парам и жидкостям. Кроме того, давление само по себе является одним из факторов технологического процесса, определяющим его результат и скорость. Измерение давления используется также для контроля за напряжениями, возникающими в механизмах. Измерение давления охватывает все три агрегатные формы, т. е. газ, жидкость и твердое тело.

Для измерения давления и разрежения используют одинаковые единицы.

В Международной системе единиц принята единица давления - паскаль, равная давлению в 1Н/м. Для обозначения средних и высоких давлений применяют килопаскаль и мегапаскаль. Эта единица давления должна применяться как предпочтительная при измерении давления.

Приборы, служащие для измерения давления выше атмосферного, называют манометрами, а для измерения давления ниже атмосферного - вакуумметрами. Для измерения малых давлений (до 500 мм вод. ст.) применяют микроманометры, а для малых разрежений - микровакуумметры.

Для измерения разности или перепада давлений применяют дифференциальные манометры (дифманометры).

В зависимости от устройства измерители давления и разрежения подразделяют на следующие группы:

жидкостные, в которых измеряемое давление определяется давлением столба жидкости соответствующей высоты;

пружинные, где давление измеряется силой упругой деформации элементов различного вида;

поршневые, в которых измеряемое давление определяется силой, действующей на площадь поршня; эти приборы применяют главным образом для проверки и градуировки пружинных манометров;

электрические, в них давление определяется по измерению электрических величин (емкости, сопротивления, силы тока).

Жидкостный манометр в простейшем виде состоит из U -образной стеклянной трубки с равномерными делениями. Наименьшее деление шкалы 1мм. Шкала обычно двусторонняя с нулевой отметкой посередине. Оба конца трубки заполнены жидкостью до нулевой отметки (рис. 1, а).

Рис. 1.

При подводе давления к одному концу трубки жидкость перетекает и сквозь стекло видна разница в уровнях жидкости. Разность уровней, выраженная в миллиметрах, дает значение измеряемого давления. Если в трубку налита ртуть, давление выразится в миллиметрах ртутного столба (мм рт. ст.); при заполнении трубки водой давление будет выражаться в миллиметрах водяного столба (мм вод. ст.).

Если манометр заливается не водой, пересчет показаний можно сделать (мм вод. ст.) по следующей формуле:

h_в = h₁ ρ_1/ ρ₂,

где h_в - измеряемое давление, мм вод. ст.; h₁, - фактическая разность уровней жидкости; ρ₁, — плотность жидкости, залитой в манометр; ρ₂ — плотность воды.

При увеличении площади поперечного сечения одного колена (U -образного манометра в 10...20 раз по сравнению с площадью другого колена во столько же раз изменится величина отклонения уровня в каждом колене от среднего. В узкой трубке уровень поднимается на большую высоту, в то время как в широкой трубке он опустится незначительно. Величиной изменения уровня в широкой трубке при достаточно большом диаметре можно пренебречь и отсчитывать показания прибора только по изменению уровня в узкой трубке. Такой манометр называют однотрубным или чашечным (рис. 1, б).

На рис. 1, в показана схема простейшего жидкостного однотрубного микроманометра с наклонной трубкой, применяемого для измерения малых давлений и разрежений или их перепадов. В этом приборе благодаря наклону трубки увеличивается масштаб показаний. Пренебрегая опусканием уровня в сосуде на величину h₁, можно написать

h₂ = L ρ sinα,

где h₂ - измеряемое давление, мм вод. ст.; L - отсчет по наклонной шкале, мм; ρ - плотность залитой в прибор жидкости; а - угол наклона трубки, откуда L = h₂/ (ρ sinα)

Из этой формулы видно, что чем меньше угол α, тем больше масштаб отсчета, и наоборот. Микроманометры изготовляют с постоянным или переменным углом наклона трубки.

На принципе кольцевых весов основано действие манометров (дифманометров), в которых измерительный элемент выполнен из кольцевой трубки (рис. 2), разделенной перегородкой. 2 обеих сторон перегородки имеются два присоединительных штуцера. Кольцо до половины заливается рабочей жидкостью. Если уровень рабочей жидкости в левой половине кольца понизится, а следовательно, в правой повысится, кольцо начнет поворачиваться по часовой стрелке до тех пор, пока масса столба жидкости не уравновесится грузом-противовесом. Стрелка прибора покажет на шкале величину измеряемого давления. При использовании кольцевых манометров для измерения разности давления (в качестве дифманометров) на левую половину кольца подается большее, а на правую меньшее давление.

Рис. 2.

Колокольные манометры (дифманометры) предназначены для измерения давления неагрессивных газов. Манометр (рис. 3, а) состоит из сосуда с рабочей жидкостью и колокола, соединенного через систему рычагов со стрелкой. Внутрь колокола введена трубка 1, соединенная со средой, давление которой следует измерить. При изменении давления в подколокольном пространстве колокол либо поднимается, приводя в движение стрелку прибора, либо опускается. Этим прибором можно измерять разность давлений, т.е. использовать его в качестве дпфманометра. В этом случае сосуд оборудуется трубкой 3 для соединения подколокольного пространства с измеряемой средой.

Рис.3.

Поплавковые манометры по принципу действия аналогичны чашечным. Манометр (рис. 3, 6) состоит из двух сообщающихся сосудов 1 и 4, заполненных ртутью. На поверхности ртути в сосуде 4 находится чугунный поплавок, соединенный через передающее устройство со стрелкой прибора. Если с помощью трубки 3 сосуд 4 соединить со средой с избыточным давлением, уровень ртути в нем опустится, а в сосуде 1 поднимется. Поплавок, опускаясь, приведет в движение стрелку, которая покажет величину избыточного давления. В том случае, когда нужно определить разность давлений, к измеряемой среде подключают одновременно две трубки 2 и 3.

Сильфонные манометры. Чувствительным элементом прибора (рис.4) является сильфон, выполненный из упругого металла. Верхняя часть снльфона жестко соединена с перегородкой герметической камеры. Ко дну сильфона припаяна стойка, соединенная со стрелкой манометра передаточным механизмом. На герметическую камеру через штуцер действует давление, и сильфон деформируется в продольном направлении. Свободный конец стойки перемещается и приводит в движение стрелку прибора. При снятии давления вследствие упругих свойств пружины сильфон возвращается в первоначальное положение.

Рис. 4.

Мембранные манометры Принцип действия манометра с пластинчатой мембраной (рис. 5, а) основан на использовании упругих свойств мембраны. Давление измеряемой среды через штуцер воздействует на мембрану, сообщающуюся с атмосферой, и выгибает ее. В центре мембраны закреплена стойка, которая через передаточный механизм приводит в движение стрелку. В отличие от пружинных манометров мембранные манометры менее чувствительны к вибрации.

а б

Рис. 5.

Большое распространение для измерения перепада давления получили мембранные днфманометры (рис. 5, б), чувствительным элементом которых являются две гофрированные мембраны 9 и 6, расположенные в герметических камерах 7 и 5. Мембраны заполнены жидкостью (например, дистиллированной водой) и сообщаются между собой через канал. К центру мембраны 6 прикреплен плунжер. На камеру 5 через штуцер 4 воздействует большее, а на камеру 7 через штуцер 1 меньшее давление. Под действием разности давлений жидкость из мембраны 6 вытесняется в мембрану 9, вызывая перемещение плунжера, что ведет к изменению магнитного поля катушки, с помощью которой можно передавать показания на расстояние.

Пружинные манометры основаны на использовании упругих свойств различного вида пружин. В манометрах используют одновитковые трубчатые, пластинчатые (мембраны) и гармоникообразные пружины (сильфоны).

Манометры с одновитковой трубчатой пружиной (рис. 4) имеют много разновидностей и широко применяются для измерения давления от десятых долей до тысяч Н/м². Основной частью этих манометров является полая трубчатая пружина - манометрическая трубка.

Рис. 4. Манометр с одновитковой трубчатой пружиной: а – показывающий: 1 - трубчатая пружина, 2 – стрелка, 3 – шестеренка, 4 – пружина для выбора люфтов, 5 – зубчатый сектор, 6 – ниппель присоединения манометра, 7 – тяга, 8 – станина: б – 1 – подвижные предельные контакты,2 – контакт показывающей стрелки,3 – указатель настройки, 4 - показывающая стрелка.

Подвижный конец трубки закрыт, другим (неподвижным) концом трубка соединяется с пространством, в котором измеряется давление. Под влиянием избыточного давления трубка разгибается и свободный конец ее в зависимости от давления с помощью передаточного механизма передвигает стрелку прибора. Манометры этого типа могут быть показывающие и самопишущие, а также с передачей показаний на расстояние. Точность показаний технических манометров находится в пределах от 1 до 4% предельного значения шкалы.

Трубчатую пружину можно применять и для измерения разрежения. Устройство трубчатых вакуумметров в принципе ничем не отличается от устройства манометра. Работа пружины вакуумметра отличается от работы пружины манометра лишь тем, что она не разгибается, как в манометрах, а сгибается.

Манометры с многовитковой (геликоидальной) трубчатой пружиной отличаются тем, что вследствие большой длины пружины свободный конец ее может перемещаться на большее расстояние, чем у трубчатой пружины.

Рис. 5.

Схема работы механизма самопишущего манометра типа МГ показана на рис. 5. При увеличении давления Р. поступающего к пружине, многовитковая трубчатая пружина 1 раскручивается и поворачивает ось 3, припаянную к свободному концу пружины. Вместе с осью 3 поворачивается закрепленный на ней рычаг 2, на конце которого находится каретка 4. Поворот рычага 2 и перемещение каретки 4 передается с помощью тяги 6 и поводка 8 мостику 9, с которым жестко связано перо самопишущего устройства 7. Пропорциональность изменения давления и перемещения пера регулируется с помощью каретки 4 с ползунком, передвигаемым регулировочным винтом 5.

Электрические манометры получили достаточное распространение в технике. Примером такого типа приборов является электрический вакуумметр с термосопротивлением (рис. 6).

Рис. 6. Электрический манометр: 1 - термосопротивление; 2 – термопара; 3 – колба; 4 – реостат.

Дата добавления: 2015-08-13