8.2. Измерение давления и разности давлений

8.2.1. Общие сведения об измерении давления и разности давлений

Давление характеризуется силой, равномерно распределённой по поверхности и нормально действующей на неё. В международной системе единиц измерения СИ в качестве единицы давления принято давление, вызванное силой в 1 ньютон. Равномерно распределённой по поверхности площадью 1 м². Эта единица называется Паскаль.

1 н/м2 = 1 Па.

Один паскаль – величина очень маленькая, поэтому часто используется единица 1 бар = 105 н/м². До настоящего времени в технике применяется система единиц МКГСС, в которой давление измеряется в кгс/см², метрах водяного столба.

1 кгс/см² = 10,33 метра вод. ст. = 103 н/м².

По принципу действия приборы, применяемые для измерения давления, подразделяются на следующие группы:

• жидкостные – в них измеряемое давление уравновешивается высотой столба жидкости, а величина давления определяется по высоте этого столба или по разности высот двух столбов жидкости;

• деформационные – измеряемое давление уравновешивается упругими силами, возникающими в чувствительном элементе при его деформации, а величина давления определяется по величине упругой деформации чувствительного элемента;

• электрические – действие которых основано на изменении электрического сопротивления пьезорезистора при деформации его чувствительного элемента под действием входной измеряемой величины (давления или разности давлений).

В зависимости от наименования выделяются следующие группы приборов:

• манометры – устройства для измерения давления или разности давлений;

• барометры – приборы для измерения барометрического (абсолютного) давления атмосферного воздуха;

• манометры – устройства для измерения избыточного давления;

• вакуумметры – приборы для измерения вакуумметрического давления или для измерения абсолютного давления ниже 100 мм вод. ст.;

• дифференциальные манометры – устройства для измерения разности давлений, когда ни одно из давлений не равно атмосферному.

При измерениях давления мы сталкиваемся с несколькими понятиями давления, которые связаны между собой.

Абсолютным давлением называют давление, измеренное от абсолютного нуля (Р_а).

Барометрическим, или атмосферным, давлением называют давление окружающего нас воздуха (Р_б).

Избыточным давлением называется разность между абсолютным и барометрическим давлением (Р_и).

Вакуумметрическим давлением называется разность между барометрическим и абсолютным давлением (Р_в).

Из приведенных выше определений имеем:

при ; (8.18)

при . (8.19)

При построении различных информационных систем для измерения давления или разности давлений используются электрические первичные приборы давления с унифицированным выходным сигналом постоянного тока.

8.2.2. Пьезоэлектрические датчики

Принцип действия пьезоэлектрических датчиков основан на использовании прямого или обратного пьезоэлектрических эффектов. Прямой пьезоэффект представляет собой способность некоторых материалов образовывать электрические заряды на поверхности при приложении механической нагрузки, обратный – в изменении механического напряжения или геометрических размеров образца материала под воздействием электрического поля.

Количественно пьезоэффект оценивается пьезомодулем K_d , устанавливающим зависимость между возникающим зарядом q и приложенной силой F:

. (8.20)

Из пьезоматериалов наиболее распространен кварц, что объясняется его удовлетворительными пьезоэлектрическими свойствами, очень высоким сопротивлением, стойкостью к воздействиям температуры и влажности, высокой механической прочностью.

Пьезочувствительный элемент вырезают из кристалла кварца в виде параллелепипеда, стороны которого параллельны осям кристалла (рис. 8.11, а). В ненапряженном состоянии пластина является электрически нейтральной. Если к ней приложена сила F вдоль оси X, то на ее гранях, перпендикулярных к оси X, возникают разнополярные электрические заряды q. Значения этих зарядов в пределах упругих деформаций находятся в линейной зависимости от приложенной силы в соответствии с выражением (8.20). Такой пьезоэффект называется продольным. Значения зарядов не зависят от геометрических размеров пластины, а определяются лишь силой F. Если пластину подвергнуть сжатию по оси Y, то на тех же гранях вновь появятся заряды, но теперь уже противоположного знака (поперечный пьезоэффект). Значение заряда при поперечном пьзоэффекте

, (8.21)

где а и b – размеры пьезоэлемента в направлении осей X и Y.

В зависимости от направления действия силы F (сжатие или растяжение) знаки зарядов на гранях пластины будут меняться. При приложении силы F вдоль оси Z пьезоэффект не наблюдается. Пластина кварца остается также электрически нейтральной при равномерном воздействии на нее со всех сторон (например, при гидростатическом сжатии).

а б

Р и с. 8.11. Пьезочувствительный элемент: а – вид кристалла кварца; б – соединение пластин кварца для увеличения сигнала

Конструктивно пьезоэлектрический преобразователь давления представляет собой пластину из пьезоматериала. На две ее грани нанесены электроды, с которых снимается заряд или напряжение. Напряжение на обкладках при отсутствии нагрузки

, (8.22)

где С_п = εS_x/а – емкость пьезоэлектрического элемента преобразователя; ε – диэлектрическая постоянная материала пластины; S=hb – площадь грани, перпендикулярной к оси X; а – толщина пластины.

Для увеличения сигнала, поступающего с преобразователя, зачастую пластины – шайбы из пьезокерамики компонуют в столбик (рис. 8.11, б). Наряду с преобразователями, в которых пьезоэлемент работает на сжатие-растяжение, применяются конструкции, где элемент работает на изгиб и сдвиг.

Погрешности пьезоэлектрических преобразователей складываются из погрешностей, вызываемых изменением параметров измерительной цепи, изменением пьезоэлектрического модуля, неправильной установкой пластин, чувствительностью к силам, действующим перпендикулярно к измерительной оси преобразователя, температурной и частотной погрешностями.

К достоинствам пьезоэлектрических ИП необходимо отнести простоту конструкции, малые размеры и стоимость, высокую надежность, возможность измерения быстропеременных величин. К недостаткам – невысокую чувствительность, непригодность к измерению статических величин, высокое входное сопротивление измерительной цепи, относительно невысокий уровень выходного сигнала.