1.2.2 Измерение давления. Приборы для измерения давления

Единицей измерения давления в системе СИ является паскаль (Па). Паскаль — это давление силы в 1 Н на площадь в 1 м² (Н/м²). Измерение давления отечественными приборами произво­дится в кгс/см² (килограмм-сила на сантиметр квадратный) и кгс/м² (килограмм-сила на метр квадратный). При использова­нии для измерения давления жидкостных приборов с видимым мениском применяют в качестве единицы давления миллиметр водяного или ртутного столба.

При измерении давления различают абсолютное, избыточное и вакуумметрическое давление. Под термином «абсолютное давле­ние» подразумевают полное давление, под которым находится жидкость или газ. Оно равно сумме давлений — избыточного (р_н) и атмосферного (р_а): т.е. избыточное давление равно разности между абсолютным дав­лением, большим атмосферного, и атмосферным давлением.

Под термином «вакуумметрическое давление» (разрежение или вакуум) понимается разность между атмосферным давлением и абсолютным давлением, меньшим атмосферного:

Устройства для измерения давления и разности (перепада) давлений получили общее название манометры.

Их классифици­руют следующим образом:

• барометры — для измерения атмосферного давления ;

• манометры абсолютного давления — для измерения абсолют­ного давления;

• манометры избыточного давления — для измерения избыточ­ного давления;

• вакуумметры — для измерения вакуумметрического давления, т.е. давления ниже атмосферного;

• напоромеры и тягомеры — для измерения малого (до 40 кПа) избыточного давления и вакуумметрического давления газовых сред;

• моновакуумметры — для измерения избыточного и вакууммет­рического давлений одновременно;

• тягонапоромеры — для измерения малых (до 40 кПа) давлений и разрежений газовых сред одновременно;

• дифференциальные манометры (дифманометры) — для измере­ния разности давлений;

• микроманометры — для измерения очень малых давлений и незначительной разности давлений.

Чувствительные элементы всех манометров воспринимают величины давления и вырабатывают сигнал, пропорциональ­ный их разности.

По принципу действия манометры делят на две основные группы: жидкостные и деформационные (с упругими чувстви­тельными элементами).

Жидкостные манометры всех систем заполняются жидкостью таким образом, чтобы над ней образовались две по­лости, воспринимающие давления р_[ и р_г. В этих манометрах ве­личина измеряемого давления определяется по высоте столба жидкости или по силе, образующейся за счет действия давления на поверхность сосудов. К приборам первой группы относятся U-образные (двухтрубные), чашечные (однотрубные) и поплавко­вые манометры, к приборам второй группы — колокольные.

U-образный (двухтрубный) манометр состоит из одной прозрачной трубки, согнутой в виде латинской буквы и (или двух трубок, соединенных в нижней части). Трубки верти­кально укреплены на основании, и по всей их высоте нанесена двусторонняя шкала с нулем посередине. Трубки заливают жид­костью (обычно водой или ртутью, а иногда спиртом или транс­форматорным маслом) до нулевой отметки. При применении U -образный манометр должен устанавливаться вертикально по отвесу. Отсчет производят по разности уровней жидкости Н в обеих трубках, что не всегда удобно. Обычно с помощью U -образного манометра давление, разрежение или разность давлений из­меряют в миллиметрах водяного или ртутного столба. Если отсчет высоты столба жидкости Н по U -образному манометру произво­дят невооруженным глазом, то при цене деления шкалы прибора в 1 мм при отсчете в двух коленах пределы допускаемой основной погрешности измерения давления, разрежения или разности дав­лений не превышают ±2 мм столба рабочей жидкости.

Для увели­чения точности отсчета высоты столба рабочей жидкости U -об­разные приборы снабжают зеркальной шкалой. В этом случае пределы допускаемой основной погрешности показаний не пре­вышают ±1 мм столба рабочей жидкости. Отечественная промыш­ленность выпускает двухтрубные манометры типа ДТ-5 и ДТ-6.

Чашечный (однотрубный) манометр состоит из цилиндрического сосуда и сообщающейся с ним измерительной стеклянной трубки. При этом диаметр сосуда значительно больше диаметра трубки. При измерении давления в объекте его соединяют с атмосферой. При изменении разрежения с объектом соединяют измеритель­ную трубку, а с атмосферой — сосуд. При измерении разности (перепада) давлений большее давление подается в сосуд, а мень­шее — в измерительную трубку.

Отсчет ведут по столбу жидкости только в одной измерительной трубке, что упрощает измерение по сравнению с U -образным манометром. При цене деления шкалы в 1 мм отсчет вы­соты столба может быть произведен с погрешностью, не превышающей ±1 мм столба рабочей жидкости.

Поплавковые манометры работают по принципу рассмотренных выше чашечных манометров. В поплавковом манометре имеются два П-образных сосуда 1 и 2, соединенных труб­кой 3. Большое давление подводится к широкому сосуду, в кото­ром на поверхности рабочей жидкости (ртути или трансформа­торного масла) находится поплавок 4. Перемещение поплавка, зависящее от величины разности (перепада) давлений передается стрелке отсчетного (П) или регистрирующего (С) устройства прибора.

В колокольных манометрах чувствительным элемен­том является тонкостенный стальной колокол 5, подвешенный на винтовой пружине 6. Колокол свободно плавает в разделительной жидкости (трансформаторное масло), будучи частично погружен­ным в нее. Разделительная жидкость отделяет камеру большого давления («плюсовую») под колоколом от камеры меньшего дав­ления («минусовой») над колоколом. Под действием разности давлений (р_{ -р₂) колокол и кинематически связанная с ним под­вижная часть передающего преобразователя Пр перемещаются до тех пор, пока усилие от приложенной к колоколу разности давле­ний не уравновесится упругими силами винтовой пружины. Пе­ремещение подвижной части передающего преобразователя при­водит к изменению выходного сигнала.

Действие деформационных манометров основано на использова­нии деформации или изгибающего момента упругих чувстви­тельных элементов, воспринимающих измеряемое давление и преобразующих его в перемещение или усилие. Манометры этого типа широко применяют в диапазоне измерений от 50 Па (5 кгс/м²) до 1000 МПа (10000 кгс/м²). Они выпускаются в виде тягомеров, напоромеров, манометров, вакуумметров. В качестве упругих чув­ствительных элементов в них используются трубчатые пружины, мембраны и сильфоны.

Одними из наиболее распространенных в практике измерений давления являются трубчато-пружинные манометры с одновитковой трубчатой пружиной. Трубчатая пружина пред­ставляет собой изогнутую трубку, имеющую эллиптическое или плоскоовальное поперечное сечение (такие пружины называют трубками Бурдона). Один конец трубчатой пружины, сообща­ющийся с измеряемой средой, закрепляют неподвижно, а другой –с вободный, закрытый пробкой и запаянный, соединяют с меха­низмом показаний прибора, передающим преобразователем или другим устройством. Под действием внутреннего давления пру­жина стремится уменьшить свою кривизну, вследствие чего ее свободный (запаянный) конец перемещается. Это перемещение передается на отсчетное или регистрирующее устройство манометра либо воспринимается передающим преобразователем.

Некоторые модификации манометров снабжены контактном устройством, срабатывающим при достижении измеряемой величиной заданного значения. Такие приборы называют электроконтактными манометрами.

В мембранных манометрах упругий чувствительный элемент выполняется в виде мембранной коробки , состоящей из двух спаянных по периметру дисковых металлических гофри­рованных мембран. Внутренняя полость коробки сообщается со средой с большим давлением. Под воздействием разности атмо­сферного и измеряемого давлений мембранная коробка сжимаемся или разжимается, что передается стрелке отсчетного устройства манометра П.

В сильфонных манометрах упругий чувствительный элемент выполнен в виде сильфона, представляющего собой гофрированную тонкостенную металлическую трубку, открытую с одной стороны. Сильфон помещается в камеру 2, в которую подводится измеряемое давление. Изменение величины этого давления вызывает упругую деформацию сильфона и находя­щейся в нем винтовой пружины 3. Перемещение дна сильфона передается регистрирующему устройству прибора С.

У мембранного дифманометра упругим чувствительным элементом является мембранный блок, состоящий из двух заполненных дистиллированной водой мембранных коробок и, закрепленных с обеих сторон в основании 2, которое с верхней и нижней крышками корпуса образует две камеры: нижнюю — плюсовую и верхнюю — минусовую Внутренние полости мембранных коробок сообщаются через отверстие в перегородке. Большее давление подводится к нижней камере, а меньшее — к верхней. Под действием разности давлений нижняя мембранная коробка сжимается, вытесняя находящуюся в ней воду в верхнюю коробку 3. Последняя расширяется, что воспринимается передающим преобразователем Пр.

У сильфонного дифманометра типа чувстви­тельный элемент состоит из расположенных на общем основании двух сильфонов 8 и 10, донышки которых жестко связаны штоком 9, а внутренние полости заполнены жидкостью. Под действием разности давлений сильфоны начинают деформироваться, вызывая перемещение штока, кинемати­чески связанного с компенсационным преобразователем Пр.