2.5. Средства измерения давления

Давление как физическая величина, определяется силой, равномерно распределенной по нормальной к ней поверхности.

За единицу давления в международной системе СИ принят Паскаль – давление силы в один Ньютон на площадь в один квадратный метр (Нм^-2). Между давлением, выраженным в единицах СИ и других различных единицах, существуют следующие соотношения:

1 мм рт. ст.=133,322 Па

1 мм вод. ст.=9,80665 Па

1 кгс/см²=98066,5 Па.

Физическая атмосфера, равная нормальному давлению атмосферного воздуха: 760 ммрт.ст.=101,325 кПа=1,0332 кгс/см²=1013,25 гПа.

Различают давление абсолютное и избыточное .

Абсолютное давление отсчитывается от абсолютного нуля, избыточное определяется как разность между абсолютным и атмосферным (барометрическим).

Если абсолютное давление в замкнутом пространстве ниже атмосферного, то разность между ними называется разряжением или вакуумом:

По роду измеряемой величины приборы для измерения давления подразделяются на:

• манометры – измеряют абсолютное и избыточное давление

• вакуумметры – измеряют разряжение или вакуум

• мановакуумметры – измеряют избыточное давление и вакуум в газовых средах

• напоромеры – измеряют избыточное давление в газовых средах (до 40 кПа)

• тягомеры – вакуумметры газовых сред (до 40 кПа)

• тягонапоромеры – измеряют малые разряжения и давления (до 20 кПа)

• дифманометры – измеряют перепад давлений.

По назначению различают манометры:

технические, например, манометр показывающий

измерительно-регулирующие приборы, например, электроконтактный манометр (или сигнализирующий манометр)

контрольно-калибрующие приборы, например, манометр образцовый (или манометр давления эталонный).

По принципу действия приборы для измерения давления можно подразделить на следующие группы:

• жидкостные, основанные на уравновешивании измеряемого давления гидростатическим давлением столба жидкости. Предел измерения 10^-2 – 10⁶ Па

• грузопоршневые – уравновешивание давления осуществляется массой поршня и грузов. Предел измерения 10¹ – 10¹⁰ Па

• деформационные – уравновешивание давления осуществляется по величине деформации упругого элемента или по развиваемой им силе. Предел измерения 10¹ – 10⁹ Па

• электрические, основаные на преобразовании давления в электрическую величину или на изменении электрофизических свойств под действием давления. Предел измерения 10⁹ – 10¹¹ Па

• приборы, основанные на других физических методах (тепловые, ионизационные). Предел измерения ионизационных манометров 10^-12 – 10² Па.

Жидкостные манометры наиболее просты по конструкции и обладают относительно высокой точностью. Используются в качестве проверочных и лабораторных. (рис. 2.18)

Рис. 2.18. U-образный жидкостной манометр

U-образный манометр состоит из стеклянной трубки со шкалой, укреплённой на подставке и заполненной ртутью,спиртом или водой.

В состоянии равновесия:

,

где Р_абс – измеряемое абсолютное давление, Па

Р_атм – атмосферное давление, Па

– разность уровней (высота уравновешивающего столба) жидкости

( ), м

ρ – плотность заполняющей жидкости, кг/м³

g – ускорение свободного падения, м/с²

При измерении избыточного давления Р_изб:

Принцип действия деформационных манометров основан на использовании деформации чувствительных элементов (мембран, сильфонов, пружин) под действием измеряемого давления среды и преобразовании её в пропорциональное перемещение или усилие.

В качестве чувствительных элементов в мембранных манометрах используются гофрированные мембраны. Попарно сваренные мембраны представляют собой мембранные коробки, которые, в свою очередь, могут собираться в мембранные блоки. Наиболее широко мембранные приборы используются для измерения перепадов давления и входят в состав соответствующей ветви ГСП. На выходе таких приборов стандартный сигнал токовый 0-5 мА, 0-20 мА или пневматический 0,02-0,1 МПа.

Мембранные манометры применяются при перепадах давления от 1,6 до 630 кПа, рабочее давление у них до 25 МПа, класс точности приборов 1– 1,5.

Чувствительным элементом сильфонных манометров является цилиндрический сосуд с кольцевыми складками (гофрами – рис. 2.19). Диаметр сильфона 12–100 мм, длина 13–100 мм, число гофров 4–24, рабочий ход 2,8–21 мм. Характеристика сильфона близка к линейной. Пределы измерений сильфонных приборов – до 0,4 МПа, класс точности 1.

Для увеличения жесткости сильфона внутрь его вводится винтовая цилиндрическая пружина. Это существенно уменьшает явление гистерезиса и нелинейность его характеристики.

Выпускается большая номенклатура сильфонных манометров, вакуумметров, дифманометров.

Рис. 2.19. Чувствительный элемент сильфонных манометров

Широкое распространение в пищевой промышленности получили трубчато-пружинные манометры (рис. 2.20). Они отличаются простотой устройства, надёжностью и большим диапазоном измерений. Принцип их действия основан на уравновешивании измеряемого давления силой упругой деформации одно- или многовитковой пружины, которая преобразуется передаточным механизмом в угловое или линейное перемещение указателя по шкале прибора.

Рис. 2.20. Кинематическая схема общепромышленного манометра с одновитковой пружиной

Основным элементом прибора с одновитковой трубчатой пружиной является согнутая по окружности трубка эллиптического или плоскоовального сечения. Один конец вмонтирован в держатель с ниппелем и резьбой. Под давлением жидкости или газа, подаваемого в трубку, она распрямляется. При этом свободный конец перемещается по траектории близкой к прямой. Изменение величины изгиба трубки обусловлено характером её сечения. Под действием давления сечение трубки приближается к окружности. При изменении давления р_вх перемещение конца пружины 3 через тягу 5 передается к сектору 1, который вращается на оси 6. Угловое перемещение сектора с помощью зубчатого зацепления вызывает вращение зубчатого колеса (трибки) 2, на оси которого укреплена стрелка отсчетного устройства 4.

Электрические манометры основаны на использовании зависимостей электрических параметров преобразователей давления от измеряемого давления среды. Действие электрических манометров сопротивления (рис. 2.21) основано на зависимости электрического сопротивления чувствительного элемента от измеряемого давления.

Принцип действия комплекса измерительных преобразователей типа «Сапфир» основан на тензорезистивном эффекте тензорезисторов, наносимых в виде монокристаллической пленки кремния на чувствительные элементы приборов — тензомодули.

Рис. 2.21. Измерительный блок электрического манометра сопротивления

Измерительный блок представляет собой тензомодуль рычажно-мембранного типа 6, помещенный в замкнутую полость основания 8. Последняя заполнена полиметилсилоксановой жидкостью. Тензомодуль отделен от измеряемой среды металлическими гофрированными мембранами 1,соединенными между собой штоком 7, который связан с концом рычага тензомодуля. Под действием разности давлений происходит перемещение штока 7, которое вызывает прогиб измерительной мембраны 2 тензомодуля, что ведет к изменению сопротивления тензорезисторов 5, нанесенных на измерительную мембрану. Электрический сигнал через выводы 3 передается во встроенное электронное устройство 4 и далее передается в линию связи.

На емкостном методе измерений основан датчик дифференциального давления (рис. 2.22). Погрешность измерений 0,2 %. Выходной сигнал 420 мА.

Рис. 2.22.Структурная схема датчика емкостного дифманометра

Интеллектуальные датчики давления (рис. 2.23) совмещают в себе функции преобразователя давления резистивного (сопротивление) или емкостного типа и непосредственного управления исполнительными механизмами по двухпозиционному закону (реле давления).

Рис. 2.23. Внешний вид датчика избыточного давления ПД200-ДИ.

Датчик представляет собой преобразователь с керамической емкостной измерительной мембраной из оксида алюминия (Al2O3), измерительным штуцером М20х1,5 и металлическим кабельным вводом. Преобразователь давления используется для непрерывного преобразования избыточного давления измеряемой среды в унифицированный сигнал постоянного тока 4-20мА и цифровой сигнал стандарта HART.

Функционально преобразователь состоит из измерительного и вычислительного блоков (Рис. 2.24).

Измерительный блок располагается во входной части преобразователя и предназначен для преобразования измеряемого давления в электрический сигнал посредством встроенного резистивного или емкостного преобразователя (сенсора). Измерительный блок содержит также термодатчик для определения температуры сенсора. Сигналы от измерительного блока поступают в вычислительный блок. Вычислительный блок имеет в своем составе аналого-цифровой преобразователь (АЦП), микроконтроллер (МК), стабилизатор питающего напряжения (DC\DC) и формирователь выходного сигнала (ЦАП с выходным токовым сигналом и (или) HART-модем). Полученный от измерительного блока электрический сигнал преобразуется с помощью АЦП в цифровой, обрабатывается микроконтроллером и поступает на выход преобразователя и на индикацию (ЖКИ).

Рис. 2.24. Функциональная схема преобразователя давления ПД200ДИ

ПД200-ДИ рекомендован к использованию в пищевой промышленности.

Любой компрессор, паровой котел или сосуд высокого давления имеют допустимую величину рабочего давления, превышение которого может привести к аварии, взрыву и выводу оборудования из строя. В связи с этим такое оборудование имеет автоматическую защиту, позволяющую производить «сброс» предельного давления или остановку предаварийного оборудования.

Для этих целей используются реле давления, которые по типу чувствительного элемента подразделяются на четыре группы: пружинные, поршневые, мембранные и сильфонные.

Основанные на рассмотренных принципах измерений выпускаются показывающие приборы, с контактными устройствами, электрическими или пневматическими преобразователями.

Выбор манометра осуществляется таким образом, чтобы измеряемое давление не ревышало 65-75 % верхнего предела измерения.

При эксплуатации средств измерения давления необходимо учитывать то, что пищевая среда, находящаяся в соединительных трубках без циркуляции, может закисать.

В таких случаях применяются специальные разделительные устройства (разделительные мембраны), устанавливаемые между анализируемой средой и чувствительным элементом измерительного прибора с возможностью удобной и быстрой чистки и мойки отборных и разделительных устройств. Разделительные мембраны позволяют измерять давление от 0,025 до 60 МПа при температуре среды до 200 ºС.

Особые требования предъявляются к использованию средств измерения давления очень вязких сред, таких как опара, тесто, карамельная масса, фруктовые начинки. В этом случае применяются отборные устройства специальной конструкции, допускающей их быструю чистку, с короткими соединительными трассами и большим проходным сечением.

Многие растворы пищевых продуктов являются быстрокристаллизующимися. В таких случаях соединительные линии оснащаются подогревательными устройствами.

Поскольку манометрические приборы пружинного типа, электроконтактные манометры ограничены по температуре рабочей среды, то они интегрируются в трубопроводы или оборудование при помощи специальной вспомогательной арматуры (сифонные петлевые трубки, охладители и т.д.) и трехходовых кранов или игольчатых клапанов, позволяющих перекрыть доступ горячей жидкости или пара к прибору до их охлаждения, продуть соединительную арматуру для обеспечения чистоты измерений и установить контролирующий манометрический прибор.

На рис.2.25 приведен внешний вид трубки сифонной прямой с петлей (Перкинса).

Рис. 2.25. Трубка сифонная прямая с петлей