3.3. Средства измерения давления жидкостей и газов

Датчики контроля давления применяются для измерения величины давления внутри жидкости или газа. В настоящее время наиболее широкое распространение получили манометры, изготовленные на базе трубки Бурдона (рис. 3.13) [1].

Принцип действия: при подаче давления в штуцер 5 оно попадает внутрь трубки 2, при этом на внешнюю поверхность трубки действует суммарная сила F1, а на внутреннюю – F2, т.к. внутренняя поверхность по площади меньше, чем внешняя, то F1>F2. Под действием разности F1 и F2 трубка будет деформироваться и через рычажную систему будет перемещать стрелку 4 по шкале 1.

При включении стрелки в цепь можно преобразовать сигнал перемещения стрелки в сигнал изменения тока или напряжения в зависимости от положения стрелки. Подобного вида приборы называются реохордными (преобразующие механический в эл. сигнал).

1 С5 p

Рис. 3.13. Манометр на базе трубки Бурдона:

1 – шкала; 2 – трубка Бурдона (полая трубка из упругого материала, прямоугольного сечения, заглушенная с одной стороны); 3 – рычажная или другая система, соединяющая трубку Бурдона со стрелкой; 4 – стрелка; 5 – штуцер для подачи давления; 6 – жёсткое крепление трубки к корпусу

Преимуществами датчиков, созданных на базе трубки Бурдона, являются достаточная точность и относительная простота конструкции.

В качестве недостатков можно отметить невозможность отслеживания быстропротекающих процессов изменения давления (впрыск топлива форсункой, разгерметизация системы), в этом случае лучше применять электронные датчики (рис. 3.14), датчики на

49

пьезоэлементах (рис. 3.15), мембранного типа, преобразователи индукции, ёмкости, сопротивления.

Рис. 3.15. Схема датчиков на пьезоэлементах:

а – датчик давления на базе пьезоэлемента; б – потенциометрический датчик давления; 1 – корпус; 2 – полость для подачи давления; 3 – мембрана; 4 – пьезоэлемент; 5 – диафрагма; 6 – реостат; 7 – показывающий прибор

Процедуру измерения давления возможно осуществлять индикаторами контроля давления типа Easy Control (рис. 3.16) [12]. Индикаторы устанавливаются вместо стандартных колпачков на колесе. При нормальном давлении индикатор показывает зеленую метку; ес-

50

ли давление упало на 0,3 бара, появляется желтая полоска, а при понижении больше чем на 0,7 бара – красная. Для каждой конкретной машины необходимо подбирать свой комплект колпачков – они бывают разной чувствительности и могут измерять давление от 1,8 до

3,0 бара.

жидкости или газа, называют расходомерами [1, 9, 11]. С помощью расходомеров косвенным о разом можно оценить состояние цилин-

Рис. 3.17. Схема турбинного расходомера:

1 – корпус; 2 – турбина; 3 – первичный преобразователь; 4 –показывающий прибор

51

Принцип действия: поток жидкости или газа проходит через корпус датчика и вращает крыльчатку турбины. Производится измерение частоты вращения вала турбины с помощью первичного преобразователя 3 (генератор).

Поток

мерении времени распространения импульса ультразвуковых колебаний, проходящих черезижидкость в трубопроводе (рис. 3.19). При движении жидкости в тру опроводе происходит снос ультразвуковой волны, которыйСпр вод т к изменению времени распространения ультразвукового с гнала: по потоку жидкости время прохождения уменьшается, а против потока возрастает. Измеренная разность времени прохождения ультразвукового сигнала по направлению потока и против пропорциональна скорости жидкости и, следовательно, объемному расходу. Если установить источник (A) и приёмник (B) ультразвука со смещением (рис. 3.19), то о скорости потока можно судить по изменению скорости распространения звуковой волны вдоль отрезка AB.

Тепловые расходомеры. В основе метода лежит довольно простая идея: если локально изменять свойства вещества в потоке (например, температуру) и регистрировать эти изменения на некотором удалении от места воздействия, можно определить среднюю скорость перемещения вещества в потоке (рис. 3.20). В потоке установлена пара датчиков температуры (A и B) и один нагревательный элемент C,

52

причём расстояния AC>BC. Если вещество неподвижно, повышение температуры происходит локально за счёт теплопроводности, и датчик B нагревается быстрее, поскольку расположен ближе к нагревательному элементу. Если же поток придёт в движение, температура в области A упадёт до исходной температуры вещества в потоке, а температура в области B будет чуть выше исходной. Анализ данных с датчиков позволяет однозначно судить о скорости перемещения вещества в потоке.

Приёмник

Направление потока

Рис. 3.20. Общая схема теплового расходомера

Подобным образом изменению могут быть подвергнуты и другие параметры вещества (например, его химический состав), однако в большинстве случаев это недопустимо, например, когда речь идёт о медицинском применении расходомеров.

53

Принцип действия терморезисторного анемометра: на входе устанавливается датчик температуры, измеряющий величину температуры входного потока (рис. 3.21). На выходе имеем активное сопротивление и по изменению величины температуры на выходе, измеряемой косвенно через величину силы тока в электрической цепи, можно с достаточной точностью определить расход жидкости или газа.

t

Q

СибАДИR

U

Рис. 3.21. Терморезисторный анемометр

Такие приборы интенсивно совершенствуются ввиду полного отсутствия механических частей, а значит, повышенной надёжности при достаточной точности змерений.

Электромагн тные расходомеры. Если жидкость проводит ток, её перемещение поперёк л н й магнитного поля приведёт к возникновению ЭДС, пропорц ональной скорости потока. На практике эта схема реализуется путём установки электромагнитов таким образом, чтобы линии магнитного потока были перпендикулярны потенциальному перемещению потока жидкости, а также установкой пары электродов, фиксирующих наведённую движением потока ЭДС

(рис. 3.22).

Возможно несколько различных реализаций данного метода, однако изменения в целом касаются схемы обработки данных и не затрагивают принципиальные основы метода.

Вихревые расходомеры (расходомеры с мишенями). В расходомерах данного типа основным элементом является дискообразная или шарообразная мишень, укреплённая на эластичном тросе, один противоположный конец которого неподвижно закреплён (рис. 3.23). Поток жидкости или газа приводит к смещению мишени, что вызывает

54

деформацию троса, а установленные на нём тензодатчики регистрируют тип и степень деформации. Полученные данные позволяют судить о скорости потока вещества, а также о его направлении.

Электрод

Проводящая жидкость

Рис. 3.23. Схема расположения ключевых элементов вихревого расходомера

Достоинством таких датчиков является возможность проведения измерений расхода и скорости потока в двух или даже в трёх различных направлениях. Для обеспечения подобной многозадачности необходимо обеспечить симметричность мишени для всех нужных направлений.

Кориолисовские расходомеры. Обычно кориолисовский расхо-

домер состоит из трубки, которая подвергается вибрационному воздействию от внешнего генератора колебаний (рис. 3.24). Если трубка

55

пуста, колебания приведут к синхронному ускорению всех участков трубки. Если же по трубке перемещается жидкость, на неё из-за воздействия ускорения, вызванного колебательным воздействием, будет также действовать кориолисова сила, направленная в различные стороны для входного и выходного потоков жидкости, что приведёт к сдвигу фазы колебаний трубки. Величина фазового рассогласования зависит от массы жидкости, протекающей по трубке в единицу времени.

Сила

Главным достоинством устройствДданного типа является их

универсальность – они могут применяться для определения скорости потока большого спектраивеществ – как жидкостей, так и газов. Основным же недостатком кор олисовских расходомеров является их относительно высокаяСсто мость.

Детектор изменен я скорости потока (датчики наличия рас-

хода). Часто требуется определение не количественных, а качественных характеристик потока жидкости или газа. К примеру, от устройства необходимо получать сигнал только в случае, если скорость потока отклоняется от номинальной. В данном случае чаще всего используются пороговые расходомеры на основе пьезоэффекта. В потоке устанавливается пара пьезокристаллов, включенных в электрическую цепь навстречу друг другу. Один из кристаллов изолирован от внешнего воздействия, второй находится непосредственно в потоке вещества (рис. 3.25).

В случае, если кристаллы находятся в одинаковых условиях, заряды на них имеют равную величину и разные знаки, напряжение на резисторе R равно нулю. Если же скорость потока изменяется, возникает изменение заряда на неизолированном кристалле, баланс зарядов

56

нарушается, напряжение на резисторе изменяется – регистрация этого явления позволяет сделать вывод об отклонении скорости потока от номинального значения.

Приборы, в основу которых положен данный метод, как правило, могут быть использованы для анализа как жидких, так и газообразных сред.

функционирования данногоибт па расходомеров проще всего прибегнуть к аналогииСс законом Ома. В рамках данной аналогии давление эквивалентно напряжен ю, а скорость потока эквивалентна силе тока. Если на пути прохождения потока установить препятствие (сопротивление), возникнет перепад давления до и после препятствия (падение напряжения на сопротивлении). Определение перепада давления можно осуществлять как непосредственно, измеряя давление жидкости до и после прохождения препятствия, так и с помощью дифференциального датчика давления, установленного на ответвлении от основного канала. Аналогично можно определить силу тока на участке цепи, зная падение напряжения на сопротивлении известного номинала.

Принцип действия дроссельного анемометра базируется на том,

что для замера расхода жидкости или газа производится замер площади поперечного сечения трубопровода при фиксированных значениях разности давлений (рис. 3.26). Необходимость во втором мано-

57