Давление

Измерение давления необходимо для управления технологическими процессами и обеспечения безопасности производства. Кроме того, этот параметр используется при косвенных измерениях других технологических параметров: уровня, расхода, температуры, плотности и т. д.

Давление - физическая величина, характеризующая интенсивность нормальных (перпендикулярных к поверхности) сил, с которыми одно тело действует на поверхность другого. Если силы распределены вдоль поверхности равномерно давление на любую часть поверхности равно:

P=F_n/S, (3.1)

где S –площадь поверхности.

Для непрерывной среды аналогично вводится давление в каждой точке среды. В любой точке покоящейся жидкости или газа давление по всем направлениям одинаково, это справедливо и для движущейся жидкости или газа, если их можно считать идеальными (лишенными трения).

В СИ давление измеряется в паскалях (Па). Другие единицы измерения

1 барр -10⁵ Па, 1 ат - 98066,5 Па, 1 атм - 101325 Па, 1 мм.рт.ст. - 133,322 Па.

Приборы для измерения общих давлений обычно состоят из двух частей: манометрического преобразователя и измерительной установки.

Манометр - измерительный прибор или измерительная установка для измерения давления или разности давлений.

Вакуумметр – манометр для измерения давления разреженного газа.

Датчики абсолютного давления предназначены для измерения величины абсолютного давления жидких и газообразных сред. Опорное давление — вакуум. Воздух из внутренней полости чувствительного элемента датчика откачан.

Датчики избыточного давления предназначены для измерения величины избыточного давления жидких и газообразных сред. Опорное давление — атмосферное; т.е. одна сторона мембраны соединена с атмосферой.

Датчики дифференциального (разности, перепада) давления предназначены для измерения разности давления среды и используются для измерения расхода жидкостей, газа, пара, уровня жидкости. Давление подается на обе стороны мембраны, а выходной сигнал зависит от разности давлений.

Датчики гидростатического давления предназначены для преобразования гидростатического давления контролируемой среды в выходной сигнал. Измеряют давление столба жидкости, зависящее только от его высоты и от плотности самой жидкости.

Датчики вакууметрического давления (разряжения) предназначены для измерения величины вакуумметрического давления жидких и газообразных сред. Опорное давление в этих датчиках также атмосферное. Однако, в отличие от датчиков избыточного давления, измеряемое давление меньше атмосферного, т.е. существует разрежение относительно атмосферы.

Датчики избыточного давления-разряжения представляют собой сочетание датчиков избыточного и вакуумметрического давлений, т.е. измеряют как давление, так и разрежение.

По методу измерения п риборы для измерения давления делятся на:

а) Деформационные. В большинстве таких приборов измеряемое давление преобразуется в деформацию упругих элементов, поэтому они называются деформационными. По закону Гука

F=kΔx, (3.2)

где k – коэффициент жесткости упругого элемента, Δx – деформация упругого элемента.

Принцип действия основан на уравновешивании измеряемого давления силой упругой деформации трубчатой пружины или более чувствительной двухпластинчатой мембраны, один конец которой запаян в держатель, а другой через тягу связан с механизмом, преобразующим линейное перемещение упругого чувствительного элемента в круговое движение показывающей стрелки. Устройство пружинного манометра: 1 — основание манометра, 2 — трубка, 3 — трубчатая пружина, 4 — стрелка, 5 — зубчатый сектор,6 - тяга, 7 - корпус манометра, 8 - ниппель.

б) Мембранный вакуумметр – деформационный вакуумметр, в котором чувствительным элементом является мембрана или мембранная коробка. В современной вакуумной технике мембранные вакуумметры получили большое распространение благодаря потребности высокоточного измерения разреженных газов. Принцип измерения давления за счет измерения деформации упругой мембраны объединился с высокоточным емкостным принципом измерения перемещений (оценивается емкость конденсатора при перемещении одной из его обкладок).

С=εε₀S/d, (3.3)

где d - расстояние между обкладками

В этой конструкции чувствительный элемент — тугая металлическая диафрагма, расположенная равноудаленно между двумя неподвижными металлическими поверхностями, образуя с ними пару электрических конденсаторов. Жидкость (обычно кремнийорганическая), заполняющая пространство между обкладками конденсатора, является хорошим эффективным диэлектриком и выполняет функцию передачи давления от разделительной диафрагмы к чувствительной диафрагме.

Любая разница давления поперек ячейки заставит диафрагму изгибаться в направлении меньшего давления. Чувствительная диафрагма — изготовленный с высокой точностью упругий элемент, смещение которого функция приложенной силы. Приложенная сила в этом случае является функцией дифференциального (разностного) давления, действующего перпендикулярно поверхности диафрагмы.

Так как диафрагма является, по сути, одной из обкладок пары конденсаторов, то ёмкость конденсаторов будет изменяться при перемещении диафрагмы из-за изменения расстояния между обкладками.

Электронная схема датчика давления, выполненного на основе такого сенсора, подаёт на сенсор сигнал переменного тока и непрерывно измеряет разницу электрических емкостей пары дифференциальных конденсаторов, которая является функцией измеряемого давления.

Эти датчики давления являются очень точными, стабильными, и быстродействующими. Интересная особенность этой конструкции (две разделительные диафрагмы для передачи давления жидкости или газа технологического процесса единственной чувствительной диафрагме через внутреннюю заполняющую жидкость)-то, что твердая структура ограничивает движение разделительных диафрагм так, что ничто не может заставить чувствительную диафрагму деформироваться выше её пределов упругости.

Таким образом, решается задача устойчивости к давлениям, существенно превышающим пределы измерения прибора. Следует отметить, что задача защиты приборов, измеряющих разностное давление, от сверхдавления всегда является актуальной.

в) Тензорезистивные датчики давления

Сенсор представляет собой резистор, проводник которого наклеен, напылён или нанесён другим способом на подложку, способную деформироваться под действием приложенной силы. Вместе с подложкой деформируется и жёстко связанный с ней проводник резистора. При деформации проводника изменяется его длина l и поперечное сечение S.. Соответственно, будет изменяться и его сопротивление R.

R=ρl/S, (3.4)

где ρ – удельное сопротивление материала датчика.

Измеряя сопротивление тензорезистора можно определить приложенное к подложке давление.

Обычно, в реальных устройствах, тензорезистор наклеивается на пружинную диафрагму. Под воздействием приложенного давления диафрагма деформируется, вместе с ней деформируется и тензорезистор.

Классическая система тензорезистивного сенсора сделана из металла, проводника и подложки. При деформации в упругих пределах применяемого металла можно многократно нагружать сенсор без увеличения погрешности. Металлы, однако, подлежат усталости при повторных циклах нагружения, и они начинают «течь», если напряженность выше их упругого предела. Это общий источник ошибки металлических тензорезистивных сенсоров: если приложено давление выше нормы, они имеют тенденцию потерять точность из-за пластической деформации подложки и резистора.

Современные технологии производства сделали возможным изготовление подложки из кремния вместо металла. Кремний показывает высокие линейные упругие свойства в узком диапазоне деформаций и высокое сопротивление к усталости. Когда кремниевый тензорезистивный сенсор перенапрягается, он разрушается полностью, а не «течёт», как металлический сенсор. Это считают лучшим результатом, поскольку это ясно указывает на потребность в замене сенсора, тогда как металлический тензорезистивный сенсор продолжает функционировать после перенапряжения. Чтобы определить его неисправность, датчик давления необходимо демонтировать и проверить на установке для калибровки.

Однако, кремний химически несовместим со многими средами процесса, и поэтому давление должно быть передано кремниевой диафрагме/тензорезистору через химически инертную среду. Для этой цели устанавливают гибкую неупругую разделительную диафрагму, на которую действует измеряемое давление. Пространство между разделительной диафрагмой и кремниевой диафрагмой заполняют жидкостью (обычно на основе силикона или фторуглерода). Разделительная диафрагма передает давление процесса заполняющей жидкости, которая в свою очередь передает давление кремниевой диафрагме/тензорезистору.

г) Жидкостные. Измеряемое давление (или разность давлений) уравновешивается давлением столба жидкости. Представляют собой U- образную трубку заполненную жидкостью (ртуть или вакуумные масла). В одном из колен находится газ при измеряемом давлении в другом – газ при известном давлении.

В U -образных стеклянных манометрах свободный конец трубки сообщается с атмосферой, а к другому концу подводится измеряемое давление. Простейшая схема измерения давления жидкостным стеклянным манометром показана на рисунке:

Атмосферное давление Pатм воздействует на один конец U-образной трубки, частично заполненной рабочей жидкостью. Другой конец трубки с помощью различного рода подводящих устройств соединен с областью измеряемого давления Pабс. При Рабс > Ратм жидкость, находящаяся в части подведенного измеряемого давления, будет вытесняться в часть, соединенную с атмосферой. В результате между уровнями жидкостей, находящимися в разных частях U- образной трубки, образуется столб жидкости высотой h. В соответствии с законом Паскаля разность давлений

Рабс – Ратм=ρ_ж gh, (3.5)

где ρ_ж – плотность жидкости. Жидкостные вакуумметры бывают с закрытым и открытым коленом. В современной технике приборы данного типа применяются довольно редко.

На законе Паскаля также основан принцип действия гидростатических уровнемеров, которые измеряют давление столба жидкости и преобразуют его в значение уровня, поскольку гидростатическое давление зависит от величины уровня и плотности жидкости и не зависит от формы и объема резервуара. Гидростатические уровнемеры представляют собой дифференциальные датчики давления. На один из входов, подсоединяемый к емкости подается давление среды. Другой вход соединяется с атмосферой - в случае открытой емкости без избыточного давления или соединяется с областью избыточного давления в случае закрытой емкости под давлением.

Конструктивно гидростатические датчики бывают двух типов: мембранные и колокольные (погружные). В первом случае тензорезистивный или емкостной датчик непосредственно соединен с мембраной и весь прибор находится внизу емкости, как правило, сбоку на фланце, при этом расположение мембраны соответствует минимальному уровню. В случае колокольного датчика чувствительный элемент погружен в рабочую среду и передает давление жидкости на тензорезистивный сенсор через столб воздуха запаянный в подводящей трубке.

Гидростатические уровнемеры применяются для однородных жидкостей в емкостях без существенного движения рабочей среды. Они позволяют производить измерения в диапазоне до 250 КПа, что соответствует (для воды) 25-и метрам, с точностью до 0,1% при избыточном давлении до 10 МПа и температуре рабочей среды: – 40..+120°С. Гидростатические уровнемеры могут использоваться для вязких жидкостей и паст. Важным достоинством гидростатических уровнемеров является высокая точность при относительной дешевизне и простоте конструкции.

д) Компрессионные. Основаны на применении закона Бойля-Мариотта к разреженным газам:

РV=const. (3.6)

Основные части прибора: баллон объёмом V, два капилляра одинакового диаметра d, один из которых запаян, и трубка, соединяющая прибор с системой, в которой измеряется давление; снизу вводится жидкость (в большинстве случаев ртуть), которая отсекает в объёме V газ при измеряемом давлении Р и затем сжимает его до давления Р₁ в малом объёме запаянного капилляра V₁ По закону Бойля — Мариотта

P = Р₁V₁/V. (3.7)

е) Тепловой вакуумметр. Принцип действия основан на зависимости теплопроводности разреженных газов от давления. Датчиком прибора служит герметичный баллон с проволокой, нагреваемой электрическим током. При изменении давления в системе изменяется отвод тепла от нити датчика и, следовательно, её температура (при постоянной мощности). Различают термопарные вакуумметры, температура нити которых измеряется присоединённой к ней термопарой, и теплоэлектрические вакуумметры сопротивления, температуру нити которых определяют по её электрическому сопротивлению. Термопарный и термисторный вакууметры работают похожим образом. Отличие же в том, что термопара и термистор используются для измерения температуры нити накаливания. Тепловые вакуумметры дают точные показания в интервале между 10 и 10^-3 мм рт. ст., но они довольно чувствительны к химическому составу измеряемых газов.

ж) Ионизационные манометры — наиболее чувствительные измерительные приборы для очень низких давлений. Они измеряют давление косвенно через измерение тока ионов образующихся при бомбардировке газа электронами. Чем меньше плотность газа, тем меньше ионов будет образовано, тем меньше ток через систему.

з) Вакуумметр парциального давления – вакуумметр для измерения давления, которое оказывал бы один из газов, входящих в газовую смесь, если из нее удалить остальные газы при условии сохранения первоначальных объема и температуры. Обычно это масс-спектрометры не имеющие собственной откачной системы. Вакуумметры парциального давления могут быть использованы в качестве течеискателей.