Измерение давления и разрежения

1. Инструментально-программный методический комплекс

Автоматизация технологических процессов
Инструментально-программный
методический комплекс
ИЗМЕРЕНИЕ
ДАВЛЕНИЯ И РАЗРЕЖЕНИЯ

2.

ИЗМЕРЕНИЕ ДАВЛЕНИЯ И РАЗРЕЖЕНИЯ
ДАВЛЕНИЕ, ЕГО ВИДЫ И ЕДИНИЦЫ ИЗМЕРЕНИЯ
Давление является одним из важнейших физических
параметров, и его измерение необходимо как в
расчетных целях, например для определения
расхода, количества и тепловой энергии среды, так и
в технологических целях, например для контроля и
прогнозирования безопасных и эффективных
гидравлических режимов напорных трубопроводов,
используемых на предприятии.

3.

ИЗМЕРЕНИЕ ДАВЛЕНИЯ И РАЗРЕЖЕНИЯ
ДАВЛЕНИЕ, ЕГО ВИДЫ И ЕДИНИЦЫ ИЗМЕРЕНИЯ
Давлением Р называют отношение Р=F/S абсолютной величины
нормального, то есть действующего перпендикулярно к поверхности
тела, вектора силы F к площади S этой поверхности. Если сила
равномерно распределена по площади, то указанное отношение задает
точное значение давления в каждой ее точке.
F — внешняя сила,
S — свободная
поверхность (площадь)
среды,
∆F — сила давления на
внутреннюю площадку ∆S

4.

ИЗМЕРЕНИЕ ДАВЛЕНИЯ И РАЗРЕЖЕНИЯ
ДАВЛЕНИЕ, ЕГО ВИДЫ И ЕДИНИЦЫ ИЗМЕРЕНИЯ
Условные обозначения:
Р — давление,
ДБ — давление
барометрическое,
ДА —давление
абсолютное,
ДИ — давление
избыточное,
ДВ — давление
вакуумметрическое,
ДД — давление
дифференциальное.

5.

ИЗМЕРЕНИЕ ДАВЛЕНИЯ И РАЗРЕЖЕНИЯ
ДАВЛЕНИЕ, ЕГО ВИДЫ И ЕДИНИЦЫ ИЗМЕРЕНИЯ
В Международной системе единиц (СИ), принятой в 1960 году,
единицей силы является Н (ньютон), а единицей площади — м2. Отсюда
определяется единица давления паскаль Па=1 н/м2 и ее производные.
Для приблизительных оценок и расчетов давления с относительной
погрешностью не более 0,5% полезно использовать следующие
соотношения:
1 ат = 104 мм вод.ст. = 10 м вод.ст = 0,98*105 Па = 98 кПа= 0,098 МПа

6.

ИЗМЕРЕНИЕ ДАВЛЕНИЯ И РАЗРЕЖЕНИЯ
КЛАССИФИКАЦИЯ СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ
Для прямого измерения давления жидкой или газообразной среды с
отображением его значения непосредственно на шкале, табло или
индикаторе первичного измерительного прибора применяются манометры
(ГОСТ 8.27177).
Манометры классифицируют по принципу действия и конструкции, по
виду измеряемого давления, по применению и назначению, по типу
отображения данных и другим признакам.

7.

ИЗМЕРЕНИЕ ДАВЛЕНИЯ И РАЗРЕЖЕНИЯ
КЛАССИФИКАЦИЯ СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ
По принципу действия манометры можно подразделить на:
•жидкостные (измеряемое давление уравновешивается гидростатически
столбом жидкости — воды, ртути — соответствующей высоты);
•деформационные (давление определяется по величине деформации и
перемещения упругого чувствительного элемента УЧЭ — мембраны, трубчатой
пружины, сильфона);
•грузопоршневые (измеряемое или воспроизводимое давление
гидростатически уравновешивается через жидкую или газообразную среду
прибора давлением веса поршня с грузоприемным устройством и комплектом
образцовых гирь);
•электрические (давление определяется на основании зависимости
электрических параметров: сопротивления, емкости, заряда, частоты —
чувствительного элемента ЧЭ от измеряемого давления) и
•прочие (тепловые, ионизационные, термопарные и т.п.).

8.

ИЗМЕРЕНИЕ ДАВЛЕНИЯ И РАЗРЕЖЕНИЯ
КЛАССИФИКАЦИЯ СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ
По роду измеряемой величины приборы для измерения давления и
разрежения делят на:
•манометры — приборы для измерения абсолютного и избыточного давления;
•вакуумметры — приборы для измерения разрежения (вакуума);
•мановакуумметры — приборы для измерения избыточного давления и
вакуума;
•напоромеры (микроманометры) — приборы для измерения малых
избыточных давлений;
•тягомеры (микроманометры) — приборы для измерения малых разрежений;
•тягонапоромеры (микроманометры) — приборы для измерения малых
давлений и разрежений;
•дифференциальные манометры (дифманометры) — приборы для
измерения разности двух давлений, ни одно из которых не является давлением
окружающей среды;
•барометры — приборы для измерения атмосферного давления.

9.

ИЗМЕРЕНИЕ ДАВЛЕНИЯ И РАЗРЕЖЕНИЯ
ЖИДКОСТНЫЕ ПРИБОРЫ
Жидкостные приборы отличаются простотой устройства и
относительно высокой точностью измерения; их широко применяют
как для лабораторных, так и для технических измерений.
Жидкостные приборы служат для градуировки и поверки приборов
других систем, измерения небольших избыточных давлений,
разрежений, разности давлений, а также атмосферного давления.
ПРИБОРЫ С ВИДИМЫМ УРОВНЕМ
Система находится в равновесии, если гидростатическое давление столба
жидкости в открытом колене уравновешивается давлением в другом
колене.

10. МИКРОМАНОМЕТР С НАКЛОННОЙ ТРУБКОЙ

ИЗМЕРЕНИЕ ДАВЛЕНИЯ И РАЗРЕЖЕНИЯ
ЖИДКОСТНЫЕ ПРИБОРЫ
МИКРОМАНОМЕТР С НАКЛОННОЙ ТРУБКОЙ
Давление
р = l sin φg (1 + s/S) (ρ — ρ1)
Микроманометры с наклонной трубкой изготовляют обычно для
измерения давления 150 — 1000 Па. Погрешность этих приборов не
превышает ±1,5 % предельного значения шкалы. При необходимости
измерения давления или разрежения в более широких пределах используют
микроманометры с переменным углом наклона трубки.

11. ПРИБОРЫ БЕЗ ВИДИМОГО УРОВНЯ

ИЗМЕРЕНИЕ ДАВЛЕНИЯ И РАЗРЕЖЕНИЯ
ЖИДКОСТНЫЕ ПРИБОРЫ
ПРИБОРЫ БЕЗ ВИДИМОГО УРОВНЯ
• Поплавковые приборы
представляют собой U-образные
жидкостные приборы, у которых
одно из колен расширено, и в нем
помещен поплавок, связанный со
стрелкой, движущейся вдоль
. приборы
шкалы. Поплавковые
чаще всего используют как
дифференциальные манометры
(дифманометры) для измерения
разности давлений.
p1 p2 Hg( 1 )

12.

ИЗМЕРЕНИЕ ДАВЛЕНИЯ И РАЗРЕЖЕНИЯ
ЖИДКОСТНЫЕ ПРИБОРЫ
Колокольные приборы используют для измерения малых
давлений и разрежений (тягомеры и напоромеры) и в качестве
дифференциальных манометров
Чтобы превратить эту систему в
измерительный прибор, необходимо
обеспечить однозначность зависимости
перемещения колокола 2 от давления под
ним. Для этого в систему (1 – корпус)
должна быть введена переменная
противодействующая сила, функционально
зависящая от перемещения колокола.
В существующих колокольных приборах
для создания противодействующей силы
используют архимедову силу, силу тяжести
груза или силу сжатия пружины.
Ввод измеряемого импульса
давления 3.

13.

ИЗМЕРЕНИЕ ДАВЛЕНИЯ И РАЗРЕЖЕНИЯ
ПРИБОРЫ С УПРУГИМИ ЧУВСТВИТЕЛЬНЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ
ПРИБОРЫ С ТРУБЧАТОЙ
ПРУЖИНОЙ
Трубчатая пружина
представляет собой тонкостенную
согнутую по дуге окружности
трубку вытянутого поперечного
сечения.
При заполнении полости
трубки газом или жидкостью под
давлением происходит
деформация сечения в
направлении приближения к ее
круглому, это вызывает появление
усилий, которые заставляют
трубку разгибаться.

14.

ИЗМЕРЕНИЕ ДАВЛЕНИЯ И РАЗРЕЖЕНИЯ
ПРИБОРЫ С УПРУГИМИ ЧУВСТВИТЕЛЬНЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ
ПРИБОРЫ С ТРУБЧАТОЙ ПРУЖИНОЙ
Свободный и наглухо закрытый конец трубки перемещается до
момента, когда силы, создаваемые измеряемым давлением,
уравновесятся силами упругости трубки. Перемещение свободного
конца трубки до определенного предела пропорционально давлению:
Δ=kp.
При дальнейшем повышении давления линейная зависимость
нарушается – деформация начинает расти быстрее увеличения
давления. Предельное давление, при котором еще сохраняется
линейная зависимость между перемещением конца трубки и
давлением, называется пределом пропорциональности трубки.
Это ее важнейшая характеристика.

15.

ИЗМЕРЕНИЕ ДАВЛЕНИЯ И РАЗРЕЖЕНИЯ
ПРИБОРЫ С УПРУГИМИ ЧУВСТВИТЕЛЬНЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ
ПРИБОРЫ С ТРУБЧАТОЙ ПРУЖИНОЙ
Для увеличения чувствительности применяют многовитковую
пружину:

16. МЕМБРАННЫЕ И СИЛЬФОННЫЕ ПРИБОРЫ

ИЗМЕРЕНИЕ ДАВЛЕНИЯ И РАЗРЕЖЕНИЯ
ПРИБОРЫ С УПРУГИМИ ЧУВСТВИТЕЛЬНЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ
МЕМБРАННЫЕ И СИЛЬФОННЫЕ ПРИБОРЫ
Жесткая мембрана
Приборы с чувствительным
элементом в виде
гофрированных мембран,
мембранных коробок и
мембранных блоков применяют
для измерения небольших
избыточных давлений и
разрежений.
Величина прогиба мембраны
является сложной функцией
действующего на нее давления,
ее геометрических параметров
и модуля упругости материала.

17. МЕМБРАННЫЕ И СИЛЬФОННЫЕ ПРИБОРЫ

ИЗМЕРЕНИЕ ДАВЛЕНИЯ И РАЗРЕЖЕНИЯ
ПРИБОРЫ С УПРУГИМИ ЧУВСТВИТЕЛЬНЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ
МЕМБРАННЫЕ И СИЛЬФОННЫЕ ПРИБОРЫ
Мембранная коробка
Мембранные коробки
применяют для измерения
малых давлений (разрежений) с
целью повышения
чувствительности.
К недостаткам мембранных
приборов следует отнести:
•небольшой ход подвижного
центра чувствительного
элемента;
•возможное отклонение
жесткости мембраны от
расчетной и трудность
регулирования жесткости.

18.

ИЗМЕРЕНИЕ ДАВЛЕНИЯ И РАЗРЕЖЕНИЯ
ПРИБОРЫ С УПРУГИМИ ЧУВСТВИТЕЛЬНЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ
У сильфонных приборов чувствительным элементом является
цилиндрический тонкостенный сосуд с кольцевыми складками
(гофрами), называемом сильфоном.
Материал сильфона – металл (бериллиевая бронза,
нержавеющая сталь и т.д.). При действии нагрузки – внешнего или
внутреннего давления – длина сильфона изменяется. В пределах
рабочего диапазона давлений деформация сильфона
пропорциональна действующей силе, т.е. характеристика сильфона
близка к линейной. Для создания противодействующей силы внутрь
сильфона помещают пружину.

19.

ИЗМЕРЕНИЕ ДАВЛЕНИЯ И РАЗРЕЖЕНИЯ
ПРИБОРЫ С УПРУГИМИ ЧУВСТВИТЕЛЬНЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ
В пределах прямолинейной характеристики
отношение действующей силы к вызванной ею
деформации постоянно и называется
жесткостью сильфона.
Недостатки сильфонов:
•значительный гистерезис;
•некоторая нелинейность характеристики.

20. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАНОМЕТРЫ И МАНОВАКУУММЕТРЫ

ИЗМЕРЕНИЕ ДАВЛЕНИЯ И РАЗРЕЖЕНИЯ
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАНОМЕТРЫ И МАНОВАКУУММЕТРЫ
Действие приборов основано на изменении
электрического сопротивления проводника под
действием внешнего избыточного давления.
Электрическими проводниками принципиально могут
служить любые металлы и сплавы, а также
полупроводники. Однако для использования в манометрах
сопротивления наиболее подходящим материалом
является манганин, так как он обладает малым
температурным коэффициентом электрического
сопротивления. Недостаток манганина заключается в
малой зависимости электрического сопротивления от
давления (малый пьезокоэффициент).

21. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАНОМЕТРЫ И МАНОВАКУУММЕТРЫ

ИЗМЕРЕНИЕ ДАВЛЕНИЯ И РАЗРЕЖЕНИЯ
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАНОМЕТРЫ И МАНОВАКУУММЕТРЫ
Если обозначать электрическое сопротивление
проводника, подвергающегося действию давления, через
R, изменение сопротивления через ΔR, а давление через
р, то изменение сопротивления будет соответствовать
линейному закону
ΔR = kRp,
где k — пьезокоэффициент, величина которого зависит
от материала проводника, см2/Н.
Значения пьезокоэффициента различны не только для
разных материалов, но и даже для одного и того же
материала. Для манганина k = (2 ... 2,5)*10-7 см2/Н.

22.

ИЗМЕРЕНИЕ ДАВЛЕНИЯ И РАЗРЕЖЕНИЯ
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАНОМЕТРЫ И МАНОВАКУУММЕТРЫ
Принцип действия
тензометрического
преобразователя состоит в
преобразовании усилия или
пропорциональной ему
деформации в изменение
сопротивления проволоки,
наклеенной на поверхность
деформирующегося тела.
Тензометр представляет собой
тонкую проволоку 1 (диаметром
0,01—0,05 мм), наклеенную на
изоляционное основание 2 (бумагу
или пластмассу).

23.

ИЗМЕРЕНИЕ ДАВЛЕНИЯ И РАЗРЕЖЕНИЯ
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАНОМЕТРЫ И МАНОВАКУУММЕТРЫ
К преимуществам тензометров
относятся:
• линейность характеристики R = f
(p);
• малая инерционность;
• возможность размещения в
труднодоступных местах;
•достаточно малая погрешность,
не превышающая ±2 %.
Недостатки — малая
чувствительность и зависимость от
температуры.

24. ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАНОМЕТРЫ

ИЗМЕРЕНИЕ ДАВЛЕНИЯ И РАЗРЕЖЕНИЯ
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАНОМЕТРЫ И МАНОВАКУУММЕТРЫ
ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАНОМЕТРЫ
Действие пьезоэлектрических манометров основано на
свойстве некоторых кристаллических веществ создавать
электрические заряды под действием механической силы. Это
явление, называемое пьезоэффектом, характерно для кристаллов
кварца, турмалина, сегнетовой соли, титана бария и некоторых
других веществ.
Особенностью пьезоэффекта является его безынерционность.
Заряды возникают мгновенно в момент приложения силы. Это
обстоятельство делает пьезоэлектрические манометры
незаменимыми при измерении и исследовании быстропротекающих
процессов, связанных с изменением давления.
Пьезоэлектрическая постоянная кварца практически не зависит от
температуры до 500 °С. При температуре выше 500 °С она быстро
уменьшается и при температуре 570 °С становится равной нулю, т. е.
кварц теряет пьезоэлектрические свойства.
Пьезокварцевые манометры позволяют измерять давление до 100
МПа; погрешность измерения ±1,5 — 2 %.

25. ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ДАВЛЕНИЯ

ИЗМЕРЕНИЕ ДАВЛЕНИЯ И РАЗРЕЖЕНИЯ
ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ДАВЛЕНИЯ
Манометры выполняют функцию локального контроля и в
большинстве случаев из-за отсутствия возможности
дистанционного доступа к их показаниям (за исключением
манометров с унифицированным выходным электрическим
сигналом) не могут использоваться для целей современной
автоматизации. Такую возможность обеспечивают измерительные
преобразователи давления.

26.

ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ДАВЛЕНИЯ
Структурная схема первичного тензорезисторного ИПД

27.

ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ДАВЛЕНИЯ
В первых деформационные перемещения УЧЭ (мембраны,
сильфона, трубки Бурдона) трансформируются с помощью
дополнительных промежуточных механизмов и преобразователей
(например, магнитотранзисторного или оптоэлектронного) в
электрический или электромагнитный сигнал, а во вторых измеряемое
давление, оказывая воздействия на ЧЭ, изменяет его собственные
электрические параметры: сопротивление, ёмкость или заряд, которые
становятся мерой этого давления.
Подавляющее большинство современных общепромышленных
ИПД реализованы на основе ёмкостных (используют УЧЭ в виде
конденсатора с переменным зазором: смещение или прогиб под
действием прилагаемого давления подвижного электрода мембраны
относительно неподвижного изменяет ёмкость УЧЭ),
пьезоэлектрических (основаны на зависимости поляризованного
заряда или резонансной частоты пьезокристаллов: кварца, турмалина
и других — от давления) или тензорезисторных (используют
зависимость активного сопротивления проводника или
полупроводника от степени его деформации) принципах. В последние
годы получили развитие и другие принципы создания ИПД:
волоконнооптические, гальваномагнитные, объемного сжатия,
акустические, диффузионные и т.д.

28.

ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ДАВЛЕНИЯ
(ТЕНЗОРЕЗИСТИВНЫЙ МЕТОД)

29.

ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ДАВЛЕНИЯ
(ПЬЕЗОРЕЗИСТИВНЫЙ МЕТОД)

30.

ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ДАВЛЕНИЯ
(ЕМКОСТНОЙ МЕТОД)

31.

ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ДАВЛЕНИЯ
(РЕЗОНАНСНЫЙ МЕТОД)

32.

ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ДАВЛЕНИЯ
(ИНДУКТИВНЙ МЕТОД)

33.

ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ДАВЛЕНИЯ
(ИОНИЗАЦИОННЫЙ МЕТОД)

34. 1, 2 – цельносварной корпус со степенью защиты IP 6.8 3 – емкостная ячейка; 4 – чувствительные разделительные мембраны платформы; 5 – штепсельн

1, 2 – цельносварной корпус
со степенью защиты IP 6.8
3 – емкостная ячейка;
4 – чувствительные
разделительные мембраны
платформы;
5 – штепсельный разъем;
6,7 – высокоинтегрированная
монтажная плата.

35.

Емкостной сенсор
Пьезорезистивный сенсор

36.

37. УСТАНОВКА И ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ДАВЛЕНИЯ В АСКУЭ

Условные обозначения:
ЗК — запорный клапан,
УК — уравнительный клапан,
СК — спусковой клапан,
ДК — дренажный клапан,
КС — конденсационный сосуд,
ЖД — жидкость.

38.

деформационные, когда измеряемое давление определяется по деформации
упругого элемента. Такими элементами являются трубчатые пружины,
сильфоны, мембраны и мембранные коробки. Наибольшее распространение в
настоящее время, особенно в показывающих манометрах, получила трубчатая
одновитковая пружина, представляющая собой сплющенную трубку
эллиптического или овального с прямоугольными участками поперечного
сечения, изогнутую по дуге окружности так, чтобы большая ось сечения была
перпендикулярна плоскости изгиба. Один конец трубки закреплен неподвижно в
цоколе манометра, через штуцер которого в трубку подается избыточное
давление. Перемещение свободного конца трубки, увеличенное передаточным
механизмом, дает информацию о давлении в объекте измерения. Мембранные
и сильфонные упругие чувствительные элементы чаще всего применяются в
тягомерах, напоромерах, дифманометрах;
Рис. 18. Измерительные элементы деформационных манометров и
измерительных преобразователей давления, разрежения и перепада давлений:
одновитковая трубчатая пружина (а), сильфон (б), мембранная коробка (в),
многовитковая трубчатая пружина (г), вялая мембрана (д), жесткая мембрана
(е).