Реферат: Конспект лекций 2010 г. Содержание 1 Средства измерений технологических параметров 4 1Средства измерения давления 12

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ
ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»


В.Н. Скороспешкин


Технические средства систем автоматизации и управления


КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ


2010 г.


СОДЕРЖАНИЕ



1 Средства измерений технологических параметров 4

1.1Средства измерения давления 12

1.1.1 Жидкостные средства измерений давления с гидростатическим уравновешиванием 16

1.1.1.1Поплавковые дифманометры. 16

1.1.1.2 Колокольные дифманометры. 17

1.1.2 Грузопоршневые манометры 17

1.1.3 Деформационные приборы для измерения давления 19

1.1.3.1 Трубчатые пружины. 21

1.1.3.2 Сильфоны. 22

1.1.3.3 Мембраны. 22

В дифманометрических датчиках мембранный элемент сравнивает два рабочих давления контролируемой среды и имеет два явных входа, что и обеспечивает измерение разности давлений. Такой датчик является наиболее универсальным и может использоваться для измерений избыточного давления и разрежения. 22

Например, дифманометрический датчик КАРАТ-ДД имеет унифицированную конструкцию: первичный преобразователь в виде мембранного блока (МБ) с тензопреобразователем и блок электроники (БЭЛ) с нормирующим преобразователем, соединенные через горловину МБ. На рисунок 1.6 изображен внешний вид датчика КАРАТ – ДД. 23

1.1.3.4 Гофры. 23

1.1.3.5 Эластичные мембраны. 24

1.1.4 Деформационные измерительные преобразователи давления, основанные на методе прямого преобразования 25

1.1.4.1 Индуктивные измерительные преобразователи давления. 25

1.1.4.2Дифференциально-трансформаторные измерительные преобра­зователи давления. 25

1.1.4.3 Емкостные измерительные преобразователи давления. 27

1.1.4.3Тензорезисторные измерительные преобразователи давления. 27

1.1.4.5 Пьезоэлектрические измерительные преобразователи давления. 30

1.1.5 Ионизационные манометры. 33

1.1.6 Тепловые манометры. 34

1.1.7 Методика измерения давления и разности давлений 35

1.2 Средства измерения уровня 39

1.2.1 Визуальные средства измерений уровня 39

1.2.2 Поплавковые средства измерений уровня 40

1.2.3 Байковые средства измерений уровня 43

1.2.4 Гидростатические средства измерений уровня 47

1.2.5 Электрические средства измерений уровня 52

1.2.5.1 Емкостные уровнемеры. 52

1.2.5.2 Кондуктометрические сигнализаторы уровня. 54

1.2.6 Акустические средства измерений уровня 55

1.3 Средства измерения расхода 57

1.3.1 Приборы, основанные на гидродинамических методах 58

1.3.1.1 Расходомеры с сужающими устройствами 59

1.3.1.2Расходомеры с гидравлическим сопротивлением. 64

1.3.1.3Расходомеры с напорным устройствам. 65

1.3.1.4Расходомеры с напорными усилителями. 66

1.3.1.5Расходомеры переменного уровня. 68

1.3.1.6Расходомеры обтекания. 70

1.3.1.7Расходомеры постоянного перепада давления. 70

1.3.1.8Расходомеры с изменяющимся перепадом давления. 74

1.3.1.8 Расходомеры с поворотной лопастью. 77

1.3.1.9Вихревые расходомеры. 78

1.3.1.10 Парциальные расходомеры 79

1.3.2 Приборы с непрерывно движущимся телом 82

1.3.2.2 Крыльчатые и турбинные тахометрические расходомеры. 83

1.3.2.3 Роторно – шаровые расходомеры. 87

1.3.2.4 Силовые расходомер. 88

1.3.2.5 Турбосиловые расходомеры. 89

1.3.2.6 Кориолисовые силовые расходомеры. 90

1.3.2.7 Вибрационные расходомеры. 93

1.3.2.8 Сравнение различных типов силовых расходомеров. 95

1.3.3 Приборы основанные на различных физических явлениях 96

1.3.3.1 Тепловые расходомеры. 96

1.3.3.2 Электромагнитные расходомеры. 97

1.3.3.3 Расходомер с электромагнитными преобразователями скорости потока. 99

1.3.3.4 Электромагнитные расходомеры для вещества с малой электропроводностью и особых разновидностей. 101

1.3.3.5 Ультразвуковые (акустические) расходомеры. 103

1.3.3.6 Расходомеры для открытых каналов и рек. 106

1.3.3.7Измерение расхода воздуха в шахтах. 106

1.3.3.8 Измерение скорости воздуха в метеорологических установках. 106

1.3.3.9 Доплеровские ультразвуковые расходомеры. 107

1.3.3.10 Акустические длинноволновые расходомеры. 107

1.3.3.11 Оптические расходомеры. 108

1.3.3.12 Ядерно – магнитные расходомеры. 113

1.3.3.13 Амплитудные расходомеры. 114

1.3.3.14 Частотные расходомеры. 114

1.3.3.15 Нутационные расходомеры 115

1.3.3.16 Меточные расходомеры 116

1.3.3.17 Ионизационные расходомеры 117

1.3.4 Приборы, основанные на особых методах 120

1.3.4.1 Корреляционные расходомеры 120

1.3.4.2 Меточные расходомеры 125

1.3.4.3 Концентрационные расходомеры 133

1.4 Средства измерения температуры 135

1.4.1Средства измерения температуры 137

1.4.2 Термометры расширения 138

1.4.3 Манометрические термометры 142

1.4.4 Термоэлектрические термометры 145

1.4.6 Пирометры излучения 152



















^ 1 Средства измерений технологических параметров

Все средства измерений определяются как технологические средства, используемые при измерениях и имеющие нормированные метрологические характеристики. Под характеристиками будем понимать такие свойства средств измерений, которые позволяют судить об их пригодности для измерений определённой физической величины в заданном диапазоне её значений и с заданной точностью.

По характеру участия в процессе измерений можно выделить четыре основные группы средств измерений: меры, измерительные устройства, измерительные установки, измерительные системы.

Мера – средство измерений, предназначенное для воспроизведения физической величины заданного размера. Меры подразделяются на однозначные и многозначные.

Однозначная мера воспроизводит физическую величину одного размера. По сути, она воспроизводит либо единицу измерения, либо некоторое определённое числовое значения данной физической величины.

Многозначная мера воспроизводит ряд одноименных величин различного размера.

Самым многочисленным видом средств измерений является измерительные устройства.

По роду измеряемой величины измерительные устройства подразделяют на амперметры – для измерения тока, термометры – для измерения температуры, манометры – для измерения давления, концентраторы – для измерения концентрации веществ.

По степени защиты измерительные устройства бывают в нормальном (обыкновенном), пыле -, водо -, взрывозащищенном, герметичном исполнении.

В зависимости от формы представления сигнала измерительной информации измерительные устройства подразделяются на измерительные приборы и измерительные преобразователи.

Измерительный прибор – средство измерений, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, доступной для непосредственного восприятия наблюдателем. Измерительный прибор всегда имеет устройство, позволяющее человеку воспринимать информацию о числовом значении измеряемой величины. Результаты измерений приборами выдаются их отсчетными устройствами. В качестве такого устройства могут использоваться шкала с указателем, цифровое табло, цифропечатающая машинка, устройство записи на диаграмме.

Измерительные приборы могут быть классифицированы по ряду признаков: по методу измерения, по способу предоставления величин, по способу предоставления показаний, по типу вычислительного устройства. По характеру применения измерительные приборы подразделяют на стационарные (щитовые), корпус которых приспособлен для жесткого крепления на месте установки, и переносные, корпус которых не предназначен для жесткого крепления.

По способу определения значения измеряемой величины приборы делятся на две группы: прямого действия и сравнения.

Приборы прямого действия (непосредственной оценки) позволяют получить значения измеряемой величины на отсчётном устройстве. Такие приборы состоят из нескольких элементов, осуществляющих необходимое преобразование измеряемой величины в сигнал того или иного вида или, если необходимо, усиление этого сигнала, чтобы вызвать перемещение подвижного органа отсчетного устройства.

Характерной особенностью приборов непосредственной оценки является то, что результаты, полученные с их помощью, не требует сравнения с показаниями эталонных средств измерений.

К таким прибором относятся большая часть вольтметров, амперметров, манометров, термометров.

В приборах сравнения значение измеряемой величины определяют сравнением с известной величиной, соответствующей воспроизводящей ее мере. Для сравнения измеряемой величины с мерой используют компенсационные или мостовые измерительные цепи. Характерной особенностью приборов, основанных на методе сравнения, является то, что погрешность измерения с их помощью определяется в основном погрешностью мер, с которыми сравнивают измеряемые величины.

По способу представления величин подразделяются на аналоговые и цифровые приборы.

Аналоговые приборы – это, как правило, стрелочные приборы с отсчетными устройствами, состоящими из двух элементов – шкалы и указателя, связанного с подвижной частью прибора. Показания таких приборов являются непрерывной функцией измерений измеряемой величины.

Цифровые измерительные приборы автоматически вырабатывают дискретные сигналы измерительной информации, которые представляют в цифровой форме. Отсчёт у них производится с помощью механических или электронных цифровых отсчетных устройств.

Цифровые измерительные приборы широко применяют для измерения электрических напряжений, частоты колебаний, параметров электрических и радиотехнических цепей и многих других величин. В последние годы они все чаще заменяют стрелочные приборы.

По способу образования показаний приборы подразделяют на показывающие и регистрирующие. Показывающие приборы, в свою очередь, подразделяются на аналоговые и цифровые приборы.

Цифровые измерительные приборы по сравнению с аналоговыми приборами имеют ряд достоинств: процесс измерения автоматизирован, что исключает возникновение погрешностей, обусловленных ошибками оператора; время измерения очень мало; результата измерений, выдаваемый в цифровой форме, легко фиксируется цифропечатающим устройством и удобен для ввода в электронно-вычислительную машину.

Регистрирующие измерительные приборы подразделяют на самопишущие (барографы, термографы, шлейфовые осциллографы), выдающие показания в форме диаграммы, и печатающие, которые выдают результат измерений в цифровой форме на бумажной ленте. Регистрирующие приборы находят широкое применение при измерении физических величин – параметров процессов или свойств объектов и динамических режимах, когда непрерывно изменяются те или иные условия измерения (температура, давление).

По типу вычислительного устройства суммирующие, интегрирующие и вычисляющие сложные функции.

Суммирующий измерительный прибор – измерительный прибор, показания которого функционально связаны с суммой двух или нескольких величин, подводимых к нему по различным каналам.

Интегрирующий измерительный прибор это прибор, в котором подводимая величина подвергается интегрированию по времени или по другой независимой переменной.

Измерительный преобразователь – средство измерений служащее для выработки измерительной информации в форме, удобной для передачи, дальнейшего преобразования, обработки и хранения, но не поддающейся непосредственному восприятию наблюдателем.

Преобразуемая физическая величина называется входной, а результат преобразования – выходной величиной. Связь между входной и выходной величинами преобразователя устанавливается функцией преобразования.

Основное требование к измерительным преобразователям – точная передача информации, то есть минимальные потери информации, иначе говоря, минимальные погрешности. Измерительное преобразование – это отражение размера одной физической величины размером другой физической величины, функционально с ней связанной. На принципе измерительного преобразования построены практически все средства измерений, так как любое средство измерений использует те или иные функциональные связи между входной и выходной величинами. Понятие «измерительный преобразователь» более конкретно, чем «измерительное преобразование», так как одно и то же измерительное преобразование может быть выполнено рядом различных по принципу действия измерительных преобразователей. Например, измерительное преобразование температуры в механическое перемещение может быть выполнено ртутным термометром или биметаллическим элементом либо термопарой, преобразующей температуру в ЭДС, а ЭДС в перемещение указателя.

Как видно из рисунка 1.1, измерительные преобразователи могут быть классифицированы в зависимости от используемого метода измерения и способа представления величины совершенно аналогично измерительным приборам. Кроме того, принято различать измерительные преобразователи по расположению в измерительной системе и виду функции преобразования, представляющей собой зависимость сигнала измерительного преобразователя от измеряемой величины.

Измерительные преобразователь, к которому подведена измеряемая величина, называется первичным преобразователем (датчик), например термопара в термоэлектрическом термометре.

Промежуточный измерительный преобразователь это преобразователь, занимающий в измерительной цепи место после первого. Измерительный преобразователь, предназначенный для дистанционной передачи сигнала измерительной информации, называется передающим, например индуктивный и пневматические передающие преобразователи.

Измерительный преобразователь, предназначенный для изменения величины в заданное число раз (по существу это усилитель сигнала измерительной информации), называется масштабным, например двигатели напряжений на входе вольтметров или электронных осциллографов, а также измерительные усилители.

Функционально измерительный преобразователь предназначен для формирования сигнала измерительной информации, связанной с измеряемой величиной некоторой заданной функцией.

Измерительные преобразователи являются составной частью измерительных приборов, различных измерительных систем, системы автоматического контроля или регулирования тех или иных процессов.

Измерительная установка – это совокупность функционально объединенных средств измерений (мер, измерительных приборов, измерительных преобразователей) и вспомогательных устройств, предназначенных для выработки сигналов измерительной информации в форме, удобной для выработки сигналов измерительной информации в форме, удобной для непосредственного восприятия наблюдателем, и расположенных в одном месте. Создания измерительных установок, называемых также измерительными стендами, позволяет наиболее рационально расположить все требуемые средства измерений и соединить их с объектами измерений для обеспечения наиболее высокой производительности труда на данном рабочем месте.



Средства измерений




Меры




Измерительные устройства




Измерительные установки




Измерительные системы




Однозначные




многозначные




Измерительные приборы




Измерительные преобразователи




По методу измерения






По способу представления величин




^ По способу представления показаний




По типу вычислительного устройства




По методу измерения




^ По способу представления величин




По положению в измерительн. системе




По функции преобразова-

ния




^ Прямого действия




Сравнения




Аналоговый






Цифровой




Показывающий




Регистрирующий




Суммирующий




Интегрирующий




^ Вычисляющий сложение функций




Прямого действия




Сравнения




Аналоговый




^ Цифровой показывающий




Первичный




Промежуточный




Передающий




Масштабный




Функциональный




Самопишущий




Печатающий


Рисунок 1.1 - Классификация средств измерений

Измерительные системы предназначены для выработки сигналов измерительной информации в форме, удобной для автоматической обработки, передачи и использования в автоматических системах управления. Их главная – цель автоматизация процесса измерения и использования результатов измерения для автоматического управления различными процессами производства. В состав таких систем могут входить преобразователи одних величин в другие, схема автоматического регулирования, меры и измерительные приборы. В случае если различные элементы системы разнесены на значительные расстояния друг от друга, связь между ними осуществляется как по проводным, так и беспроводным каналам. В настоящее время измерительные системы часто рассматриваются как один из классов так называемых информационно – измерительных систем.

Информационно – измерительная система (ИИС) – совокупность функционально объединенных измерительных, вычислительных и других вспомогательных технических средств, служащая либо для получения измерительной информации, ее преобразования, обработки в целях представления потребителю (в том числе ввода в АСУ) в требуемом виде, либо для автоматического осуществления логических функций контроля, диагностики, идентификации. В случае если различные элементы системы разнесены на значительные расстояния друг от друга, связь между ними осуществляется как по проводным, так и беспроводным каналам.

Кроме рассмотренной классификации средств измерений по виду существенной является классификация по принципу действия.

Принципом действия средства измерений называют физический принцип, положенный в основу построения средств измерений данного вида. Принцип действия обычно находит отражения в названии средств измерений, например: термоэлектрический термометр, деформационный манометр, электромагнитный расходомер.

В силу того, что для средств измерений различных величин классификация по принципу действия является специфичной, при дальнейшем изложении она будет проводиться для каждой величины.


^ 1.1Средства измерения давления


Давлением называют отношение силы, действующей перпендикулярно поверхности, к площади этой поверхности. Диапазон измеряемых давлений жидкостей и газов лежит в пределах от 0 до 1010 Па, причем различают задачи измерения абсолютного давления, вакуума (давления ниже атмосферного) и разности двух давлений (перепада давления), атмосферное давление (барометрическое).

Давлением во многом определяют ход технологического процесса, состояние технологических аппаратов и режимы их функционирования. С задачей измерения давления приходиться сталкиваться при измерениях некоторых технологических параметров, например расхода газа или пара, при изменяющихся термодинамических параметрах, уровня жидкости.

Различают следующие виды давления: атмосферное, абсолютное, избыточное и вакуум (разряжен).

Атмосферное (барометрическое) давление – давление, создаваемое массой воздушного столба земной атмосферы.

Абсолютное давление – давление, отсчитанное от абсолютного нуля. За начало отсчета абсолютного давления принимают давление внутри сосуда, из которого полностью откачен воздух.

Избыточное давление – разность, между абсолютным и барометрическим давлениями.

Вакуум (разрежение) – разность между барометрическим и абсолютным давлениями.

Средства измерений давления классифицируют по виду измеряемого давления и принципу действия. По виду измеряемого давления средства измерений подразделяют на:

манометры избыточного давления – для измерения избыточного давления;

манометры абсолютного давления – для измерения давления, отсчитанного от абсолютного нуля;

барометры – для измерения атмосферного давления;

вакуумметры – для измерения вакуума (разрежения);

мановакуумметры – для измерения избыточного давления и вакуума (разрежения).

Кроме перечисленных средств измерений в практике измерений получили распространение:

напоромеры – манометры малых избыточных давлений (до 40 кПа);

тягомеры – вакуумметры с верхним пределом измерения не более – 40 кПа;

тягонапоромеры – мановакуумметры с диапазоном измерений плюс 20 ÷ минус 20 кПа;

вакуумметры остаточного давления – вакуумметры, предназначенные для измерения глубокого вакуума или остаточного давления, т.е. абсолютных давлений мене 200Па;

дифференцальные манометры – средства измерений разности давлений.

В зависимости от принципа, используемого для преобразования силового воздействия на чувствительный элемент в показания или пропорциональные изменения другой физической величины, средства измерения давления разделяются на жидкостные, деформационные, поршневые, электрические, ионизационные, тепловые. Такое подразделение не является исчерпывающим и может быть дополнено средствами измерений, основанными на иных физических явлениях.

В настоящее время существует большой парк средств измерений давления, позволяющий осуществить измерение давления в диапазоне 10-12 - 1011 Па.

В жидкостных манометрах измеряемое давление или разность давлений уравновешивается давлением столба жидкости. В при­борах используют принцип сообщающихся сосудов, в которых уровни рабочей жидкости совпадают при равенстве давлений над ними, а при неравенстве занимают такое положение, когда избыточное давление в одном из сосудов уравновешивается гидростатическим давлением столба жидкости в другом.

В деформационных манометрах используется зависимость де­формации чувствительного элемента или развиваемой им силы от измеряемого давления. Пропорциональная последнему де­формация или сила преобразуется в показания или соответству­ющие изменения выходного сигнала. В соответствии с использу­емым чувствительным элементом деформационные манометры подразделяют на трубчато-пружинные, сильфонные и мембранные.

К электрическим приборам для измерения давления относятся манометры с тензопреобразователями и пьезоэлектрические. Чувствительным элементом манометров с тензопреобразователями является мембрана, на которой размещены проволочные, фольговые или полупроводниковые резисторы. При деформации мемб­раны под действием контролируемого давления сопротивление резисторов меняется. Принцип действия пьезоэлектрических ма­нометров основан на пьезоэлектрическом эффекте, сущность которого заключается в возникновении электрических зарядов на поверхности сжатой кварцевой пластины, вырезанной перпен­дикулярно к электрической оси кристаллов кварца.

Для измерения давления в диапазоне от 10-11 до 102 Па используют ионизационные манометры, основным элементом которых является стеклянная манометрическая лампа. Принцип действия приборов заключается в том, что эжектируемые раскаленным катодом электроны ускоряются положительным напряжением, приложенным между анодом и катодом, и при своем движении ионизируют молекулы разреженного газа. Положительные ионы попадают на отрицательно заряженный коллектор; при постоян­стве анодного напряжения и электронной эмиссии величина коллекторного тока зависит от измеряемого давления.

В поршневых манометрах измеряемое давление уравно­вешивается силой тяжести неуплотненного поршня с грузами. Манометры используют в качестве образцовых средств воспроизведения единицы давления в диапазоне от 10-1 до 1010 Па, а также для точных измерений давления в лабораторной практике рисунок 1.2.

Абсолютное давление





Избыточное давление




Деформационные







Поршневые




Тепловые




Жидкостные







Электрические




Ионизационные




10-11

10-10

10-9

10-8

10-7

10-6

10-5

10-4

10-3

10-2

10-1

100

101

102

103

104

105

106

107

108

109

1010

1011



Сверхвысокий вакуум

Высокий вакуум

Средний вакуум

Низкий вакуум

Умеренное давление

Среднее давление

Высокое давление

Сверхвысокое давление


Рисунок 1.2 - Диапазоны давления (в Па), охватываемый существующими средствами измерений давления

Далее рассмотрены средства измерений давления, широко применяемые в качестве рабочих при технологических измерениях.

^ 1.1.1 Жидкостные средства измерений давления с гидростатическим уравновешиванием

В жидкостных приборах с гидростатическим уравновешиванием мерой измеряемого давления является высота столба рабочей жидкости. В качестве рабочей жидкости, называемой затворной или манометрической, применяются дистиллированная вода, ртуть, этиловый спирт, трансформаторное масло. Выбор рабочей жидкости определяется диапазоном измеряемого давления, условиями эксплуатации и требуемой точности.

В настоящее время номенклатура жидкостных средств измерений давления с гидростатическим уравновешиванием существенно ог­раничена. В большинстве случаев они заменены более совершенными деформационными средствами измерений. К числу жидкостных средств измерений давления (разности давлений и разрежения) с гидростатическим уравновешиванием, которые еще применяются на технологических потоках, относятся поплавковые и колокольные дифманометры.

^ 1.1.1.1Поплавковые дифманометры.

Принцип уравновешивания измеряемого давления силой тяжести столба рабочей жидкости используется в жидкостных поплавковых дифманометрах, которые являются разновидностью однотрубных манометров, но не имеют видимого уровня рабочей жидкости.

Поплавковые дифманометры рассчитаны на номинальные пере­пады давления, верхние пределы которых ограничены значениями от 6,3 кПа до 0,10 МПа, используются при статических давлениях измеряемой среды не более 25 МПа. Класс точности поплавковых дифманометров 1,0 и 1,5. Для пере­дачи на расстояние информации о значении измеряемого перепада давления, рассматриваемые дифманометры оснащаются преобразователями перемещения указателя в унифицированный сигнал измеритель­ной информации.

Передаточные механизмы поплавковых дифманометров, приме­няемых для измерения расхода веществ, оснащаются лекалами, профиль которых рассчитывают по квадратичной корневой зависи­мости. Показания этих поплавковых дифманометров пропорцио­нальны измеряемому расходу.

Высокая точность измерений и возможность регистрации показаний без применения специальных источников энергии являются преимуществами дифманометров данного типа. Основным их недо­статком является наличие токсичной жидкости — ртути, которая при резких изменениях давления может загрязнять объект измерения или окружающую среду.

^ 1.1.1.2 Колокольные дифманометры.


Дифманометры этого типа пред­ставляют собой колокол, погруженный в рабочую жидкость и пе­ремещающийся под влиянием разности давлений. Противодейст­вующая сила создается за счет утяжеления колокола при его подъ­еме и уменьшении тяжести колокола при его погружении. Дости­гается это за счет изменения гидростатической подъемной силы, действующей на колокол согласно закону Архимеда.

Колокольные дифманометры с гидростатическим уравновешива­нием обладают высокой чувствительностью и могут быть использо­ваны для измерения малых давлений, перепадов давлений и разре­жений.

Некоторые модификации колокольных дифманометров с гидро­статическим уравновешиванием оснащаются преобразователями П., посредством которых перемещение поплавка преобразуется в уни­фицированный сигнал измерительной информации, передаваемый по каналу связи.

Жидкостные средства измерения имеют высокую точность, однако сложны по конструкции и в обслуживании, поэтому используются редко.

^ 1.1.2 Грузопоршневые манометры

В грузопоршневых манометрах из­меряемое давление уравновешивается силой тяжести неуплотненного поршня с грузами. Предназначены для измерений и воспроизведения избыточного давления и разности давлений. Применяются для проверки и калибровки датчиков разности давлений. Манометры используются в качестве образцовых средств воспро­изведения единицы давления в диапа­зоне от 10-1 до 1013 Па, а также для точных измерений давления в лабора­торной практике.

Внешний вид грузопоршневого манометра дифференциального давления, представлен на рисунке 1.3.




Рисунок 1.3 - Грузопоршневой манометра дифференциального давления




Дифференциальные грузопоршневые манометры состоят из двух поршневых систем - измерительной (А1) и уравновешивающей (А2), причем обе системы имеют свои собственные источники создания давления и соединены между собой соединительным клапаном. При открытом клапане грузы, помещенные на системы А1 и А2, создают одинаковое требуемое статическое давление. В системе создается давление таким образом, чтобы оба поршня были уравновешены. Это значит, что оба поршня вращаются с грузами и опускаются с одинаковой скоростью. Достижение одинаковой скорости опускания, контролируется с помощью специального устройства, соединительный клапан перекрывается. В этот момент принимается, что статическое давление в поршневых системах равны между собой. После этого можно создавать необходимую разность давлений ΔР путем наложения небольшого груза на систему А1 рисунок 1.4.



Рисунок 1.4 - Схема грузопоршневого манометра дифференциального давления

А1 – измерительная система;

А2 – уравновешивающая система;

ΔР – разность давлений.

Для расширения диапазона давле­ний, измеряемых грузопоршневыми манометрами, используются поршни дифференциальные, разгруженные, косвенного нагружения с мультипли­каторами.

Низкая погрешность воспроизведе­ния и измерения давления с помощью грузопоршневых манометров опреде­ляется высокой точностью задания массы грузов, площади сечения поршня и ускорения свободного падения.

Грузопоршневые манометры характеризуются высокой точностью, часто используются для метрологических целей.

^ 1.1.3 Деформационные приборы для измерения давления

Высокая точность, простота конструкции, надежность и низкая стоимость являются основными факторами, обусловливающими ши­рокое распространение деформационных приборов для измерения давления в промышленности и научных исследованиях. Чувствительные элементы деформационных средств измерений давления.

Принцип действия деформационных средств измерений давления основан на использовании упругой деформации чувствительного элемента (ЧЭ) или развиваемой им силы. Мерой измеряемого дав­ления в средствах измерений данного вида является деформация упругого чувствительного элемента или развиваемая им сила. Различают три основные формы ЧЭ, получивших распространение в практике измерения: трубчатые пружины, сильфоны и мембраны рисунок 1.5.

Рисунок 1.5 - Конструкции чувствительных элементов деформационных средств измерений давления



^ 1.1.3.1 Трубчатые пружины.

Трубчатая пружина (манометрическая трубка, пружина Бурдона) — упругая криволинейная металличе­ская полая трубка, один из концов которой имеет возможность перемещаться, а другой — жестко закреплен. Трубчатые пружины используются в основном для преобразования измеряемого давления, поданного во внутреннее пространство пружины, в пропорцио­нальное перемещение ее свободного конца. Наиболее распростра­нена одновитковая трубчатая пружина, представляющая собой изо­гнутую по дуге окружности трубку с обычно овальным поперечным сечением рисунок 1.5(а).

Под влиянием поданного избыточного давления трубка раскру­чивается, а под действием разрежения скручивается. Такое направ­ление перемещения трубки объясняется тем, что под влиянием внутреннего избыточного давления малая ось трубки (ось Б) увеличи­вается, в то время как длина трубки остается постоянной. Теоре­тически длина трубки также изменяется, но эти изменения столь малы по сравнению с длиной, что на общее перемещение трубки оно не оказывает существенного влияния.

На рисунке 1.5(б) показана винтовая n-витковая трубчатая пружина. Величина γ в чувствительных эле­ментах этой формы равна 360° п.

Для измерения высоких давлений до 1000 МПа используют кри­волинейные и прямолинейные трубчатые пружины. Форма сечения прямолинейной трубчатой пружины показана на рисунке 1.5(в). Пере­мещение свободного конца пружины происходит не из-за измене­ния поперечного сечения, а благодаря изгибающему моменту. Изгибающейся момент вычисляют по формуле

М=lP,

где — площадь канала;

l — расстояние от центра канала до центра тяжести;

Р—измеряемое избыточное давление, направлен­ное в сторону более толстой стенки.

Основной недостаток рассмотренных пружин — малый угол по­ворота, что требует применения передаточных механизмов. Этот недостаток устранен в чувствительных элементах типа витой труб­чатой пружины овального или звездчатого сечения рисунок 1.5(г). Угол поворота такой витой пружины составляет 40—60°. Это по­зволяет отказаться от применения передаточного механизма, так как стрелка может быть укреплена непосредственно на свободном конце пружины. Трубчатые пружины для давлений до 5 МПа изготавливают из латуни, томпака, бронзы; для изготовления пру­жин, рассчитанных на давления свыше 5 МПа, применяют легиро­ванные сплавы, стали различных составов. Для давлений 1000 МПа и более применяют легированную сталь типа 50 ХФА.
1.1.3.2 Сильфоны.

Сильфон — тонкостенная цилиндрическая оболочка с поперечными гофрами рисунок 1.5(д), способная получать значи­тельные перемещения под действием давления или силы. В преде­лах линейности статической характеристики сильфона отношение действующей на него силы к вызванной ею деформации остается постоянным и называется жесткостью сильфона. Для увеличения жесткости внутри сильфона часто помещают пружину. Сильфоны изготовляют из бронзы различных марок, полутомпака, углероди­стой стали, нержавеющей стали, алюминиевых сплавов и др. Се­рийно производят бесшовные и сварные сильфоны диаметром от 8—10 до 80—100 мм и толщиной стенки 0,1—0,3 мм.
1.1.3.3 Мембраны.

Различают упругие и эластичные (вялые) мембра­ны. Упругая мембрана — гибкая круглая плоская (плоская мембра­на) или гофрированная (гофрированная мембрана) пластина, спо­собная получить прогиб под действием давления рисунок 1.5(е, ж). Статическая характеристика плоских мембран изменяется нели­нейно с увеличением давления, поэтому здесь в качестве рабочего участка используют небольшую часть возможного хода. Гофриро­ванные мембраны могут применяться при больших прогибах, чем плоские, так как имеют значительно меньшую нелинейность харак­теристики. Мембраны изготавливают из различных марок стали, бронзы, томпака, латуни.

Величина прогиба центра плоской мембраны, закрепленной по контуру, при малых перемещениях под действием давления Р вычисляется по формуле

,

где R—рабочий радиус мембраны (по контуру закрепления);

h— толщина мембраны.

Величину прогиба гофрированных мембран определяют из выражения

a=,

где а и b— коэффициен­ты, зависящие от формы профиля мембраны и