Приборы для измерения давления

Все приборы для измерения давления состоят из двух основных частей – датчика и указателя. Датчик давления предназначен для непосредственного преобразования измеряемой величины (давления) в другую величину, удобную для преобразования в визуальную информацию или для использования в системах управления.

Как следует из уравнения (3.16), для определения давления в любой точке покоящейся жидкости необходимо знать давление на ее свободной поверхности, глубину погружения этой точки и плотность жидкости. Поэтому еще в средние века снаружи к сосуду на глубине, где необходимо было измерить давление, присоединялась стеклянная трубка и определялась высота столба жидкости в трубке h (рис. 3.7). Данная трубка называется пьезометром (от греч. piézo – сжимаю и metreo – измеряю). Термин «пьезометр» ввели в начале XIX века английские физики Я. Перкинс и Г.Х. Эрстед. Если на свободной поверхности жидкости в сосуде и в пьезометре атмосферное давление, то при этом измеряется избыточное давление в точке А: р_{изб А}= ρ g h. Это давление будет одинаковым во всех точках горизонтальной плоскости, проходящей через точку А, называемой плоскостью равного давления. Если из пьезометра откачать воздух, то он будет показывать абсолютное давление: р_{абс А}= ρ g h'. Датчиком в этом приборе является стеклянная трубка, а указателем – свободная поверхность жидкости в трубке и шкала.

Такого типа приборы для измерения давления использовались вплоть до второй половины ХХ века. Для уменьшения размеров при измерении больших давлений в качестве рабочей жидкости пьезометра применялась ртуть, для измерения малых давлений – спирт. Конструкции таких приборов достаточно полно описаны в учебниках прошлого века. Несомненным их преимуществом является простота конструкции и высокая точность измерения. Существенный недостаток – громоздкость, сложность, а иногда и невозможность разделения в пространстве датчика и указателя на достаточно большое расстояние.

Поэтому, во второй половине XIX века были разработаны компактные приборы – манометры (от греч. manos – редкий, неплотный, разрежённый и metreo – измеряю). Принцип действия манометра основан на уравновешивании измеряемого давления напряжениями упругой деформации трубчатой пружины или мембраны. Схема пружинного манометра приведена на рис. 3.8. Первичным измерительным преобразователем (первичный измерительный преобразователь – элемент прибора, на который непосредственно воздействует измеряемая физическая величина) манометра является изогнутая полая трубка 1, сечение которой имеет вид эллипса, сплюснутого с одной стороны по короткой оси. Один конец трубки запаян и с помощью плоской пружины 6 и передаточного механизма 2 соединен со стрелкой 4, которая подвижно установлена на оси 3. Под действием давления трубка 1 разгибается и отклоняет стрелку на некоторый угол, который соответствует определенному значению давления на круговой шкале 5.

По сравнению с пьезометром данный манометр имеет ряд существенных преимуществ. Он имеет простую конструкцию, малогабаритен, надежен в эксплуатации, может быть расположен на достаточно большом расстоянии от точки измерения давления. Вместе с тем, в таком виде манометры невозможно использовать в системах управления различных объектов, в том числе строительных машин и механизмов. Кроме того, для вывода информации на единый пульт необходима прокладка трубок от точек измерения давления, что усложняет и удорожает конструкцию.

Для решения данной проблемы примерно в середине ХХ века были созданы мембранно-резисторные приборы для измерения давления (рис. 3.9). Первичным измерительным преобразователем является установленная в корпусе 1 упругая мембрана 2. Она связана с помощью передаточного механизма 3 с ползунком 4 потенциометра 5. При изменении давления р ползунок перемещается по потенциометру 5, изменяя, тем самым, выходное напряжение U_вых, что приводит к изменению показаний вольтметра pV. На шкале вольтметра путем соответствующей тарировки наносятся единицы давления. Такие приборы широко использовались в конце ХХ века, в том числе и в аналоговых системах управления. Данный прибор лишен недостатков, присущих манометрам, но имеет свой, присущий только ему недостаток – наличие скользящего электрического контакта между ползунком 4 и потенциометром 5, что существенно снижает его надежность.

Данного недостатка в определенной мере лишен мембранно-пьезоэлектрический прибор для измерения давления (рис. 3.10), принцип действия которого основан на пьезоэлектрическом эффекте – возникновении электродвижущей силы в некоторых кристаллах (например, в кристалле кварца) под воздействием сжимающих сил. Давление р воздействует на мембрану 1, которое передается через толкатель 2 на кварцевые пластины 3 и 4, на поверхностях которых возникает разность потенциалов. Электрический сигнал через усилитель DА1 поступает на указатель рV (милливольтметр). Шкала указателя рV протарирована в единицах давления. Недостатком такого прибора является низкая виброустойчивость: вибрация может приводить к разрушению пьезоэлектрических пластин.

В последние годы во всех областях техники достаточно широко используется оптоволоконная техника. Это связано с рядом ее достоинств: отсутствие подвижных контактов, независимость выходных характеристик от воздействия электромагнитных полей и температуры, высокая надежность, возможность расположения устройства отображения информации на достаточно большом расстоянии от точки измерения давления и др. На рис. 3.11 приведена схема оптоволоконного прибора для измерения давления с аналоговым выходом (патент РБ 8432). Мембрана 2 жестко связана с непрозрачной шторкой 3, которая расположена между торцами оптоволоконных световодов 4 и 5. Световой поток Ф_вх от светодиода VD1 поступает по оптоволоконному световоду 4 к его правому торцу. При увеличении давления в корпусе 1 шторка 3 поднимается вверх и часть светового потока Ф_вх через окно 6 в шторке 6 попадает на левый торец световода 6. Световой поток Ф_вых, выходя из световода 5, воздействует на фотодиод VD2. Величина электрического тока, протекающего через VD2, пропорциональна Ф_вых. При этом изменяется напряжение на сопротивлении R_изм, которое измеряетсявольтметром pV. Деления на шкале вольтметра соответствуют единицам давления. Данный прибор может использоваться в аналоговых, а при дополнительной установке аналого-цифрового преобразователя (АЦП), и в цифровых системах контроля и управления.

Использование оптоволоконных устройств позволяет получить цифровой сигнал без применения АЦП. Схема цифрового оптоволоконного прибора для измерения давления приведена на рис. 3.12 (патент РБ 9946). В отличие от прибора, приведенного на рис. 3.10, в данном приборе правый торец световода 5 разделен на пучки, причем световой поток на выходе каждого пучка Ф_{вых 2}… Ф_{вых n} воздействует на соответствующий фотодиод VD₂… VD_n, которые связаны с многоканальным усилителем DA1. Затем электрический сигнал поступает на компаратор DD1 (устройство формирования прямоугольных импульсов). Компаратор DD1 связан с помощью USB-шлейфа с компьютером К. В зависимости от вида системы управления или контроля вместо компьютера может использоваться микропроцессор.

Существуют и применяются в промышленности и для научных исследований приборы для измерения давления других типов: тензорезистивные, емкостные, ионизационные, индукционные и другие [].

Следует отметить, что приборы, изображенные на рис. 3.7-3.11, измеряют избыточное давление, что обусловлено их конструкцией. Эти приборы при незначительном изменении конструкции могут измерять и вакуумметрическое давление.

Для измерения давления газа применяются такие же приборы, что и для измерения давления жидкости, кроме пьезометра, изображенного на рис. 3.6. В начале прошлого века для измерения давления газов использовались жидкостные манометры с U- образной стеклянной трубкой, в которую заливалась жидкость. Разность уровней в трубке позволяла судить о давлении в точке измерения [3. с.23].