Какие устройства могут измерить давление?
Давление характеризуется силой, действующей на поверхность тела. Это важная характеристика, оказывающая, как и температура, влияние на многие технологические и другие процессы. В настоящее время применяют несколько единиц давления. В Международной системе единиц (СИ) единицей давления является паскаль (Па), равный давлению силы в 1 Н (ньютон) на площадь 1 м2, где Н – сила, сообщающая массе 1 кг ускорение 1 м/с. Для высоких давлений иногда используют кгс/м2 и бар; для низких – миллиметр ртутного или водяного столба (мм рт. ст. и мм вод. ст ).
Различают давление атмосферное, избыточное, вакуумметрическое, абсолютное. Приборы для измерения давления называют манометрами. В зависимости от вида и значения измеряемого давления, используют разновидности манометров: барометры, вакуумметры и др.
Атмосферное давление (барометрическое), оказываемое атмосферой Земли, измеряют барометрами. Избыточное давление, являющееся превышением давления среды над атмосферным, – манометрами, мановакууметрами, дифференциальными манометрами. Вакуумметрическое давление (вакуум, разрежение), недостающее до атмосферного, – вакууметрами. Абсолютное давление среды, отсчитываемое от абсолютного нуля, т. е. от абсолютного вакуума, может измеряться одним из вышеуказанных разновидностей манометров в зависимости от того, выше оно атмосферного, ниже или равно ему. В технике в большинстве случаев измеряют избыточное давление. Манометры для его измерения разделяют на жидкостные и деформационные.
В жидкостных манометрах давление измеряется по высоте столба жидкости, уравновешивающего это давление. Приборы обычно выполняются в виде двух сообщающихся стеклянных сосудов, залитых рабочей жидкостью (ртутью, дистиллированной водой, этиловым спиртом и др.).
Один конец сосуда соединяется со средой, где измеряется давление, второй – остается открытым. Под действием давления измеряемой среды жидкость начинает перемещаться из одного колена в другое до тех пор, пока давления среды и столба жидкости в колене не уравновесятся. Разность уровней, отсчитываемая по шкале, пропорциональна измеряемому избыточному давлению (Рн), которое равно
Рн = Hpg
где Н – высота столба жидкости; р – плотность жидкости; g – ускорение силы тяжести. Такими манометрами можно измерять также разрежение и разность давлений.
На рис. 1 а показан двухтрубный манометр, которым можно измерять атмосферное, избыточное и вакуумметрическое давление. Его недостатком является большая погрешность при измерении пульсирующих давлений. В этом случае используют однотрубные манометры (рис. 1 б), в которых одно колено сообщающегося сосуда имеет гораздо больший диаметр по сравнению с другим. Широкое колено (чашка) соединяется с измеряемой средой, давление которой перемещает жидкость в узкое колено. При измерении учитывается только высота столба узкого колена, так как изменение уровня жидкости в чашке настолько незначительно, что им можно пренебречь. Для измерения небольших избыточных давлений применяют однотрубные микроманометры с наклонной трубкой (рис. 1 в). Уменьшение угла наклона трубки позволяет повысить точность отсчета, так как при этом увеличивается длина столба жидкости.
Отдельную группу представляют жидкостные манометры, в которых перемещение жидкости в сосуде передается чувствительному элементу – поплавку 1 (рис. 2 а), колоколу 2 (рис. 2 б) или кольцу 3 (рис. 2 б), связанному со стрелкой – указателем давления. Достоинства этих приборов – возможность регистрации показаний на диаграмме и их дистанционная передача.
В технике более широко применяются деформационные манометры, принцип действия которых основан на деформации упругого чувствительного элемента, возникающей под влиянием измеряемого давления. Упругая деталь связана с отсчетным устройством, проградуированным непосредственно в единицах давления. По виду упругого элемента различают пружинные, мембранные и сильфонные манометры.
В пружинных манометрах упругой деталью является металлическая трубка овального сечения (пружина), изогнутая по окружности и соединенная через передаточный механизм со стрелкой.
Измеряемое давление подается внутрь трубки, в результате чего сечение стремится принять форму круга, пружина 1 раскручивается – и указательная стрелка перемещается по шкале (рис. 3а).
В мембранных манометрах упругой деталью является плоская мембрана 2, которая под действием давления прогибается и через передаточный механизм действует на стрелку. Мембрана может быть выполнена также в виде коробки 3, что повышает чувствительность и точность прибора за счет большего ее прогиба при одинаковом давлении (рис. 3б).
В сильфонных манометрах (рис. 3в) упругой деталью является сильфон 4, представляющий собой тонкостенную гофрированную трубку, в которую подастся измеряемое давление. Под его влиянием сильфон растягивается в длину и через передаточный механизм перемещает стрелку прибора.
Мембранные и сильфонные манометры применяют для измерения небольших избыточных давлений и разрежений благодаря малой жесткости упругого элемента. Причем при использовании для измерения разрежения (вакуума) их называют тягомерами, избыточного давления – напоромерами, а разрежения и избыточного давления – тягонапоромерами.
Одно из важных достоинств деформационных манометров по сравнению с жидкостными – возможность автоматической записи и дистанционной передачи показаний.
Это осуществляется преобразованием деформации упругого элемента в электрический выходной сигнал, который фиксируется вторичными электроизмерительными приборами, проградуированными в единицах давления (миллиамперметрами, потенциометрами и др.).
Такие манометры называют деформационными электрическими. Наиболее распространены дифференциально-трансформаторные, магнитомодуляционные и тензометрические преобразователи.
Принцип действия дифференциально трансформаторного преобразователя основан на изменении силы индукционного тока в зависимости от давления.
В манометрах с таким преобразователем (рис. 4) трубчатая пружина 1 перемещает не стрелку, а стальной сердечник 2 в катушке трансформатора, в результате чего меняется сила индукционного тока, который через электронный усилитель сигнала 4 подается на электроизмерительный прибор 3.
В магнитомодуляционных преобразователях давление преобразуется в сигнал постоянного тока в результате перемещения магнита, связанного с упругим чувствительным элементом. При движении магнит оказывает влияние на магнитомодуляционный преобразователь (ММП) и после усиления в полупроводниковом усилительном устройстве сигнал подается на вторичные приборы постоянного тока.
Тензометрические преобразователи основаны на зависимости электросопротивления металла или полупроводника тензорезисторов от деформации. Тензорезисторы 1 (рис. 5) закрепляются непосредственно на упругом чувствительном элементе манометра. Изменение их сопротивления преобразуется в электрический выходной сигнал, фиксируемый вторичными приборами.
Для измерения высоких и сверхвысоких давлений в лабораторной практике, а также для проверки промышленных деформационных манометров используют грузопоршневые манометры.
Их действие основано на уравновешивании давления измеряемой среды силой, создаваемой калиброванным грузом 1 (рис. 6), действующей на поршень 2.