страница - 29
Глава 1.10 ИЗМЕРЕНИЕ ДАВЛЕНИЯ 1.10.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Давление - физическая величина, характеризующая интенсивность нормальных (перпендикулярных) к поверхности сил, с которыми одно тело действует на другое. При равномерном распределении сил вдоль поверхности давление равно
p = F/s,
где F - сумма приложенных перпендикулярно к ней сил.
При неравномерном распределении сил это равенство определяет среднее давление на данную площадку. Если s —> 0, то говорят о давлении в точке.
Давление измеряют манометрами, барометрами, вакуумметрами, различными датчиками. Единица давления в международной системе единиц (СИ) - 1 Па (Паскаль); 1 Па = Н/м2.
Существуют внесистемные единицы -физическая атмосфера, техническая атмосфера, бар, миллиметры водяного и ртутного столбов (торр):
1 бар = 105 Н/м2;
1 мм рт. ст.= 1,00000014 торр= 132,3224 Н/м2;
1 ат = 1 кгс/см2;
1 атм = 1,033227 ат = 760 торр;
1 мм водн. ст. = 0,00011 кгс/см2.
В США применяется еще единица 1 psi = 1 фунт / дюйм2 = 0,070306682 кгс /см2, в основном для измерения избыточного (по отношению к атмосферному) давления.
В любой точке покоящейся жидкости или газа давление по всем направлениям одинаково. Это справедливо и для идеальных, лишенных трения потоков жидкости или газа. Для вязкой жидкости давление в точке есть среднее давление по трем взаимно перпендикулярным направлениям. Давление в газах связано с передачей импульса при столкновении находящихся в тепловом движении молекул друг с другом или с поверхностью сосуда, в котором заключен газ. Давление в газе пропорционально его температуре (то есть кинетической энергии его частиц).
Диапазон давлений, встречающихся в технике, чрезвычайно широк, от Ю-7 до 1010 Н/м2. Обычно различают области глубокого вакуума (107 - 104 Н/м2), глубокого технического вакуума (Ю-4 - 10"1 Н/м2), вакуума (Ю-1 - Ю4 Н/м2), разрежения (103 - 105 Н/м2), давления умеренного (105 - 106 Н/м2), среднего (106 - 107 Н/м2), высокого (Ю7 - 109 Н/м2) и сверхвысокого (109 - 1010 Н/м2).
Нормальное давление 760 мм рт. ст. = = 100565 Н/м2 = 1005,65 ГПа = 0,1 МПа (1 МПа = 104 гпа).
Давление может быть определено непосредственно измерением силы, действующей на данную поверхность. На этом методе основаны, например, грузопоршневые манометры, в которых сила, действующая на поршень с известной площадью, уравновешивается гирями (или действием сжатой пружины). Аналогичны по принципу действия жидкостные манометры, в которых измеряемое давление определяется по высоте и удельной массе столба жидкости.
При измерениях высоких давлений в качестве образцовых мер могут использоваться точки затвердевания (или фазового перехода) различных веществ.
Помимо упомянутых выше прямых методов измерения давления, существует много косвенных. Так, механические методы основаны на определении упругого прогиба чувствительных элементов специальной формы под действием контролируемого давления (анероиды, сильфонные манометры, трубка Бурдона и др.).
В области сверхвысоких взрывных давлений мерой их максимального значения может быть пластическая деформация чувствительного элемента. Для определения сверхвысоких давлений используют эффекты изменения параметров кристаллической решетки (определяемые рентгеноструктурным анализом), увеличения плотности ряда материалов (стекла и др.), сдвига частоты люминесценции рубина и т.д.
1.10.2. ПРИБОРЫ ИЗМЕРЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ
Жидкостные манометры и барометры
применяются в основном для измерения низких давлений (близкого к нормальному атмосферному) или для контроля небольших разностей высоких статических давлений. Основной их элемент - стеклянная трубка (обычно V-образной формы, расположенная вертикально), заполненная (частично) рабочей жидкостью. Изменение давления в одном из плеч трубки вызывает пропорциональное изменение уровня жидкости в другом, оцениваемое с помощью оптических или иных отсчет-ных устройств. В качестве рабочих (запорных) жидкостей применяют спирт, воду, ртуть, силиконовые (кремнийорганические) соединения.
Преимущества этих традиционных систем - простота, хорошая помехозащищенность, искробезопасность. Недостаток - отсутствие электрического сигнала на выходе.
Грузовые и поршневые манометры измеряют усилие на поршне, перемещающемся в полом цилиндре. Уравновешивается это усилие гирями (грузовые манометры), пружиной, электромагнитной силой. Основная область
применения - средние давления. Разновидность приборов данного класса - микроманометры колокольного типа. В них чувствительный элемент (ЧЭ) выполнен в виде опущенного в воду колокола. При изменении давления ЧЭ перемещается, пока не достигается равновесие сил, действующих на него (собственная масса, архимедова сила и измеряемое давление).
Пружинные манометры - наиболее распространенные средства измерения давления. Мера давления - упругое перемещение манометрической пружины, передаваемое на стрелочный отсчетыый механизм. В анероидных и пластинчатых манометрах в качестве упругого ЧЭ применяют профилированные мембраны, представляющие герметичную коробку. Применяют также трубчатые пружины, открытый конец которых укреплен в штуцере, а второй (запаянный) конец свободно перемещается под действием давления контролируемой среды.
Плоские мембраны и трубчатые пружины изготовляют из латуни, спецсталей, медно-бериллиевых сплавов, иногда из особых марок сталей, устойчивых к агрессивным средам.
Пружинные манометры, как это следует из принципа их действия, измеряют разность между контролируемым и атмосферным давлениями.
Для измерения абсолютного давления ЧЭ надо поместить в вакуум.
Другая проблема - температурная компенсация погрешностей из-за изменений модуля упругости материала трубок, например, с помощью биметаллических конструкций.
Пружинные манометры на базе силъфо-нов (из стали, медно-бериллиевой бронзы с покрытиями и т.п.) отличаются большим динамическим диапазоном измерения, стабильностью показаний, большим развиваемым усилием.
Термокондуктометрические вакуумметры
основаны на зависимости теплопроводности газов от давления при низких его уровнях, когда длина свободного пробега молекул становится соизмеримой с элементами ЧЭ манометра. Изменение давления газа (и его теплопроводности) вызывает, например, изменение температуры ЧЭ из нагреваемой током проволоки, которое измеряется с помощью мостовой схемы.
Давление является широко распространенным параметром диагностирования машин. Для измерения разности давлений и преобразования абсолютного давления в стандартный электрический сигнал наибольшее распространение получили измерительные преобразователи, основанные на методе силовой компенсации, тензометрическом и емкостном методах. Другие методы измерения (магнитная
компенсация, виброчастотный) используются реже.
Метод силовой компенсации заключается в компенсации усилия, развиваемого на чувствительном элементе измерительного преобразователя под действием измеряемого параметра элементом обратной связи. Энергия на элемент обратной связи поступает от внешнего источника питания через выходной усилитель пропорционально измеряемому параметру. Компенсация усилия на чувствительном элементе позволяет уменьшить его деформацию и тем самым существенно повысить его метрологические характеристики.
Все большее широкое распространение получают тензорезисторные измерительные преобразователи, обладающие высокими метрологическими и эксплуатационными характеристиками.
Непосредственное преобразование деформации упругого чувствительного элемента в электрический сигнал, осуществляемое тен-зочувствительными элементами, дает возможность значительно уменьшить габаритные размеры приборов, повысить их точность, надежность, долговечность, быстродействие, стойкость к внешним дестабилизирующим воздействиям. Принцип действия этих приборов основан на преобразовании деформации упругих элементов в изменение сопротивления тензорезисторов. Тензорезистор воспринимает деформацию либо от манометрического упругого элемента, либо от консольной балки, работающей на изгиб, либо от стержня, работающего на сжатие под действием усилия, возникающего в чувствительном элементе при воздействии измеряемого параметра. Полупроводниковые тензорезисторы в отличие от металлических проволочных и фольговых тензорезисторов обладают на два порядка большей чувствительностью. Для повышения стабильности датчиков применяют диффузионные и эпитаксиальные тензорезисторы.
В кремниевую монокристаллическую подложку р- или я-типа проводимости, защищенную маской моноксида кремния, проводят диффузию примесей соответственно пили />-типа проводимости и получают резистор требуемых форм и геометрии в виде диффузионного слоя. В том месте подложки, где концентрация диффундирующих примесей равна концентрации примесей подложки, образуется р - п -переход, который изолирует резистор от подложки. Если же затем в соответствующих местах резистора нанести металлические контакты, между которыми параллельно плоскости р - п -перехода пропускать ток, то собственное сопротивление резистора будет зависеть от величины и вида деформации подложки. Такой тензорезистор называют пленарным диффузионным. Если на кремниевой монокрис-
таллической подложке одного типа проводимости нарастить эпитаксиальный слой (напылить тонкую пленку другого типа проводимости), в которой травлением образовать резистор требуемых форм и геометрии с металлическими контактами, то получают мезас-труктурный эпитаксиальный тензорезистор.
Диффузионные и эпитаксиальные тензоре-зисторы в отличие от наклеиваемых полупроводниковых тензорезисторов позволяют создавать мо но кристаллический упругий элемент с высокими метрологическими характеристиками (например, кремний деформируется упруго без гистерезиса и ползучести вплоть до температуры 600°С, причем максимальное значение упругой деформации достигнет 2,6 %). Между рабочим телом тензорезистора и подложкой отсутствует клеевой слой, что:
1)снижает число преобразований в измерительной цепи деформация - электрический выходной сигнал и тем самым повышает точность измерений;
2)позволяет полностью передавать рабочему телу тензорезистора возникающие в подложке деформации, поскольку связь между рабочим телом тензорезистора и подложкой атомарная и идеально упругая;
3)полностью исчезают гистерезис и ползучесть, присущие клеевому слою.
Диффузионные и эпитаксиальные тензо-резисторы дают возможность получить преобразователи с весьма малой базой - до сотен микрометров. В качестве материалов их подложки используют кремний и сапфир.
Их достоинствами являются: искробезо-пасное исполнение с повышенным уровнем взрывозащиты, коррозионная стойкость в различных агрессивных средах, виброустойчивость, пыле- и водозащищенностъ, высокие метрологические, динамические характеристики и надежность, малые габаритные размеры и масса; стандартный выходной сигнал в виде силы постоянного электрического тока. Подобные приборы могут работать в различных климатических условиях.
Принцип действия емкостных преобразователей основан на изменении емкости конденсатора, образованного проводящей поверхностью изолированного электрода и поверхностью чувствительного элемента при воздействии на последний измеряемого давления. Изменение емкости с помощью электронной схемы преобразуется в унифицированный электрический сигнал. Емкостные преобразователи выполняют в виде плоского или сферического конденсатора. Чувствительным элементом, воспринимающим давление, чаще всего является мембрана, которая либо сама является частью конденсатора, либо непосредственно соединена с обкладкой конденсатора, например штоком.
Зависимость величины емкости от давления в емкостных преобразователях носит нелинейный характер. Уменьшение нелинейности достигается благодаря введению в зазор конденсатора специального диэлектрика, что повышает чувствительность преобразователя и позволяет работать при меньшем ходе мембраны, а также с помощью электронной схемы с таким коэффициентом преобразования, что суммарный коэффициент преобразования всей системы получается достаточно линейным.
К преимуществам емкостных преобразователей следует отнести высокую чувствительность и хорошие динамические свойства, высокую прочность (порядка 0,25 %) и сравнительно малые габаритные размеры и массу.
Специфической областью применения емкостных преобразователей является измерение низких давлений, а также давления в быстроменяющихся процессах.
Метод магнитной компенсации заключается в преобразовании перемещения постоянного магнита, жестко связанного с чувствительным элементом, в изменение магнитного потока в сердечнике магнитомодуляционного преобразователя. Появляющийся при этом сигнал рассогласования управляет выходным усилителем, который, в свою очередь, выдает выходной сигнал постоянного тока в линию дистанционной передачи и параллельно в обмотку обратной связи. Последняя создает магнитный поток обратной связи для компенсации входного управляющего воздействия. Измерительные преобразователи, основанные на компенсации магнитных потоков, отличаются малой чувствительностью к вибрации и высокой надежностью работы в экстремальных условиях.
Виброчастотный метод измерения основан на принципе возникновения колебательных процессов в динамических системах, содержащих инерционный элемент, способный накапливать энергию (индуктивность, массу), и элемент, накапливающий потенциальную энергию (емкость, пружину). В данных преобразователях упругий чувствительный элемент, например тонкостенная труба или натянутая струна, включается в резонансный контур. Колебания упругого элемента на резонансной частоте определяют частоту колебаний контура. Изменение резонансной частоты упругого элемента, а следовательно, и контура под влиянием изменения давления есть мера измеряемого давления.
Для контроля и автоматизации технологических процессов в металлической, нефтяной, нефтехимической, химической и других отраслях промышленности наряду с электрическими и электронными датчиками широкое распространение находят пневматические измерительные преобразователи абсолютного давления и перепада давления.
содержание:
[стр.Введение] [стр.1] [стр.2] [стр.3] [стр.4] [стр.5] [стр.6] [стр.7] [стр.8] [стр.9] [стр.10] [стр.11] [стр.12] [стр.13] [стр.14] [стр.15] [стр.16] [стр.17] [стр.18] [стр.19] [стр.20] [стр.21] [стр.22] [стр.23] [стр.24] [стр.25] [стр.26] [стр.27] [стр.28] [стр.29] [стр.30] [стр.31] [стр.32] [стр.33] [стр.34] [стр.35] [стр.36] [стр.37] [стр.38] [стр.39] [стр.40] [стр.41] [стр.42] [стр.43] [стр.44] [стр.45] [стр.46] [стр.47] [стр.48] [стр.49] [стр.50] [стр.51] [стр.52] [стр.53] [стр.54] [стр.55] [стр.56] [стр.57] [стр.58] [стр.59] [стр.60] [стр.61] [стр.62] [стр.63] [стр.64] [стр.65] [стр.66] [стр.67] [стр.68] [стр.69] [стр.70] [стр.71] [стр.72] [стр.73] [стр.74] [стр.75] [стр.76] [стр.77] [стр.78] [стр.79] [стр.80] [стр.81] [стр.82] [стр.83] [стр.84] [стр.85] [стр.86] [стр.87] [стр.88] [стр.89] [стр.90] [стр.91] [стр.92] [стр.93] [стр.94] [стр.95] [стр.96] [стр.97] [стр.98] [стр.99] [стр.100] [стр.101] [стр.102] [стр.103] [стр.104] [стр.105] [стр.106] [стр.107] [стр.108] [стр.109] [стр.110] [стр.111] [стр.112] [стр.113] [стр.114] [стр.115] [стр.116] [стр.117] [стр.118] [стр.119] [стр.120] [стр.121] [стр.122] [стр.123] [стр.124] [стр.125] [стр.126] [стр.127] [стр.128] [стр.129] [стр.130] [стр.131] [стр.132] [стр.133] [стр.134] [стр.135] [стр.136] [стр.137] [стр.138] [стр.139] [стр.140] [стр.141] [стр.142] [стр.143] [стр.144] [стр.145] [стр.146] [стр.147] [стр.148] [стр.149] [стр.150] [стр.151]