Измерительные преобразователи давления

Давление в системе СИ измеряется в паскалях: 1 Па = Н/м². Широко используются внесистемные единицы: нормальная, физическая, техническая атмосферы. Нормальная атмосфера — это давление столба ртути высотой 760 мм при нормальных условиях, т. е. при температуре 0 °C. Давление, оказываемое столбом жидкости высотой h, дается формулой р = рgh. Имеют место следующие соотношения:

• • нормальная атмосфера: 760 мм рт. ст. = 1,013 • 10⁵ Па;
• • физическая атмосфера (1 бар): = 750 мм рт. ст. = 10⁵ Па;
• • техническая атмосфера = 735,6 мм рт. ст. = 0,98 • 10⁵ Па = 10 м вод. ст.

В честь Торричелли назвали: 1 мм рт. ст. = 1 Торр.

Измерительные преобразователи давления можно классифицировать по следующим группам: жидкостные, пружинные, электрические, комбинированные [7, 13, 20, 21].

В жидкостных преобразователях давления в качестве жидкости используются ртуть, вода, этиловый спирт, керосин, глицерин. Типичный жидкостной манометр представляет собой U-образную трубку, размещенную на доске со шкалой. Один конец трубки (заполненной наполовину рабочей жидкостью), соединяется с пространством, в котором измеряется давление, а другой конец оставляют открытым. Измеряемое давление определяют через разность показаний в левом и правом колене. Предел измерений жидкостных манометров не превышает 1,5—2 атм.

На рис. 2.31 представлены некоторые виды жидкостных манометров. Наиболее распространенным прибором является U-образный манометр (см. рис. 2.31, а, б). Широкое распространение получили также однотрубные чашечные микроманометры (см. рис. 2.31, б). Высота столба жидкости в трубке чашечных манометров или разность уровней жидкости в U-образных манометрах пропорциональны измеряемому избыточному давлению: Р_изб = Ну, где у — удельный вес рабочей жидкости. Измерение давления сводится к измерению высоты столба жидкости Н.

Рис. 2.31. Жидкостные манометры.

Пружинные манометры относятся к наиболее распространенным приборам для измерения давления. Диапазон измеряемых давлений их чрезвычайно широк: от вакуума до 10³ МПа. Принцип действия этих манометров основан на уравновешивании силы, возникающей под действием измеряемого давления, силой упругой деформации чувствительного элемента прибора: Р= кН, где к — коэффициент упругости материала чувствительного элемента, Я — величина деформации (перемещения) чувствительного элемента (ЧЭ).

В качестве ЧЭ используются пружины следующих типов: а) одновитковые трубчатые; б) многовитковые (геликоидальные); в) плоские и гофрированные мембраны; г) сильфоны.

Одновитковая трубчатая пружина или трубка Бурдона (рис. 2.32, а) представляет собой стальную или латунную трубку овального сечения,.

Рис. 2.32. Пружинные манометры.

согнутую по дуге окружности почти на 270°. Один конец трубки соединен со штуцером, через который во внутреннюю полость трубки поступает среда, давление которой измеряется, а второй (свободный конец) запаян. Под действием измеряемого давления в металле трубки возникают механические напряжения, в результате которых свободный конец совершает перемещение. Конец пружины через поводок поворачивает зубчатый сектор и зубчатую шестерню (трибку) и вместе с ней указательную стрелку. При подаче на вход манометра избыточного давления трубка разгибается, а в случае разрежения — сгибается.

Многовитковая трубчатая пружина (рис. 2.32, б) обычно выполняется в виде винтовой пружины, что позволяет повысить чувствительность прибора. Угол поворота свободного конца трубки достигает 60°, при количестве витков — от 6 до 9. Манометры с такой пружиной выпускаются чаще всего как самопишущие.

Мембранные манометры имеют в качестве ЧЭ упругие или эластичные (вялые) мембраны. Упругая мембрана — это гибкая круглая плоская или гофрированная пластина, способная прогибаться под действием давления. Эластичная мембрана, предназначенная для измерения малых давлений, представляет собой плоские или гофрированные диски, выполненные из прорезиненной ткани и зажатые между фланцами.

Измеряемое давление действует на мембрану, мембрана прогибается и воздействует на шток, соединенный со стрелкой (рис. 2.32, в).

Основой сильфонных манометров служит сильфон — тонкая цилиндрическая металлическая оболочка с поперечными гофрами (рис. 2.32, г), способная совершать значительные перемещения под действием давления или силы. Деформация сильфона вызывает перемещение штока и стрелки прибора.

Дифференциальные манометры применятся для измерения разности давлений АР = Р₁-Р₂. Наиболее часто используются мембранные, сильфонные, колокольные и кольцевые дифманометры (рис. 2.33).

Чувствительным элементом мембранного дифманометра (рис. 2.33, а) является блок из двух коробчатых мембран, помещенных в отдельные камеры. Внутренние полости мембран, заполненные дистиллированной водой, сообщаются между собой через отверстие в перегородке.

Рис. 2.33. Дифференциальные манометры.

Мембранная коробка, на которую действует большее давление, сжимается, вода вытесняется в другую коробку, стенки которой расходятся. Шток, жестко закрепленный к центру верхней мембраны, перемещается пропорционально разности давлений.

Принцип действия сильфонного дифманометра (см. рис. 2.33, б) аналогичен. Вместо мембран здесь используются сильфоны. Связь между перемещением штока Н и перепадом давлений ДР выражается зависимостью АР = кН, где к — постоянный для данного дифманометра коэффициент.

Чувствительным элементом колокольного дифманометра является колокол, погруженный в масло (см. рис. 2.33, в). Силы, действующие на колокол со стороны большего из давлений, превышают силы, действующие со стороны меньшего давления. Под действием этих сил колокол перемещается, приводя в движение стрелку. Зависимость между разностью давлений и глубиной погружения колокола выражается уравнением: АР = Ki~ К₂Н, где KihK₂ — постоянные коэффициенты.

Кольцевой дифманометр (см. рис. 2.33, г) представляет собой прозрачное кольцо, наполовину заполненное рабочей жидкостью и разделенное герметичной перегородкой на две части (полости). К полостям над жидкостью подведены гибкие трубки для подачи давлений, а в центре вращения установлена ножевая опора. Для варьирования пределов измерения изменяют вес прикрепленного к кольцу груза.

Зависимость между перепадом давлений и углом поворота кольца выражается уравнением.

где G — вес груза; а — расстояние от центра тяжести груза до оси вращения; S — площадь перегородки; R — средний радиус кольца; а — угол поворота кольца.

Дифференциально-трансформаторная система передачи измерительной информации предназначены для сбора информации с удаленных от наблюдателя объектов. Используются следующие унифицированные системы передачи: пневматическая, электрическая токовая, электрическая частотная. Кроме этих систем применяются реостатная, индуктивная, дифференциально-трансформаторная, сельсинная и другие дистанционные передачи.

Диффенциально-трансформаторная система передачи (рис. 2.34) состоит из первичного измерительного преобразователя, включающего в себя чувствительный элемент ЧЭ и дифференциально-трансформаторный преобразователь ДТ1, и приемника информации, в качестве которого используется вторичный прибор дифференциально-трансформаторного типа, оснащенный преобразователем ДТ2. Первичные обмотки ДТ-преобразовательных элементов соединены между собой последовательно и питаются от сети переменного тока. Вторичные обмотки ДТ-преобразовательных элементов включены по компенсационной схеме, в которой на вход электронного усилителя ЭУ поступает сигнал AU = AUi — AU₂. При протекании тока в первичных обмотках в секциях вторичных обмоток индуцируются ЭДС, величина и фаза которых зависят от положений стальных плунжеров, перемещающихся внутри катушек.

При одинаковых положениях плунжеров AU₁ = AU₂ и на входе ЭУ AU = 0. Система находится в состоянии равновесия. Изменение измеряемого параметра вызывает деформацию ЧЭ, сопровождаемую перемещением плунжера преобразователя ДТ1. На его выходе появляется сигнал Аи_ъ отличный от сигнала AU₂. В результате на входе усилителя появляется сигнал AU, отличный от нуля. Усиленное напряжение разбаланса подается на обмотку реверсивного двигателя РД, который перемещает плунжер преобразователя ДТ2 в сторону уменьшения разбаланса, вплоть до полной компенсации. Таким образом, каждому положению плунжера катушки датчика соответствует аналогичное положение плунжера катушки приемника. С осью реверсивного двигателя кроме плунжера кинематически связаны также показывающее и записывающее устройства.

Рис. 2.34. Схема дифференциально-трансформаторной дистанционной передачи.