МЕТОДИ ТА ЗАСОБИ ВИМІРЮВАННЯ ТИСКУ

Тиск є одним з найважливіших параметрів технологічних і теплових процесів, який характеризує внутрішню енергію середовища та стан обладнання. Він належить до найменш інерційних параметрів, а тиск насиченої пари чітко пов'язаний з її температурою.

Тиском називається сила, яка рівномірно і нормально діє на площу. Одиниця тиску - це відношення одиниці сили до одиниці площі. За одиницю тиску прийнято паскаль - тиск, з яким рівномірно і нормально діє сила в 1 ньютон на площу 1 м².

За видом вимірювання величини прилади для вимірювання тиску ділять на: диференційні манометри, манометри, вакуумметри; за принципом дії - на рідинні, деформаційні, гідростатичні, електричні, поплавкові та ін.; за точністю - на зразкові, лабораторні, технічні та ін. Рідинні прилади тиску.Принцип їх дії грунтується на зрівноваженні вимірюваного тиску або різниці тисків гідростатичним стовпом рідини. Залежно від величини вимірюваного тиску чи вакууму застосовують такі рідини як: воду, спирт, ртуть і мінеральні масла. Перевага рідинних приладів полягає у їхній простоті, низькій вартості, високій точності, надійності та наочності.

Рідинні прилади бувають дво - і однотрубними.

Двотрубні прилади тиску (рис. 2.15) складаються з U - подібної скляної трубки 1 діаметром 5-10 мм, заповненої до половини висоти робочою рідиною 3 і шкали 2. Система знаходиться в рівновазі, коли гідростатичний тиск відкритого коліна зрівноважує вимірюваний тиск Р , який діє на друге коліно трубки приладу:

P_aS = P₆S + HS pg, (2.28)

де S - площа перерізу трубки, м²; Н - різниця рівнів рідини в трубках, мм; р- густина рідини, кг/м³; g - прискорення вільного падіння, м/с².

Із рівняння 2.28, розділивши на S, одержимо вираз надлишкового тиску:

∆P = P_a - P₆ = pgH . (2.29)

Рис.2.15. Двотрубні прилади тиску

Таким чином, надлишковий тиск пропорційний різниці висот гідростатичних стовпів рідини в двотрубному манометрі. Недоліком їх є подвійна похибка відліку за шкалою.

Деформаційніприлади найпоширеніші при вимірюванні тиску в промисловості. Вони прості й компактні за конструкцією, надійні в роботі, мають широкий діапазон вимірювання тиску - від 0,1 до 160 МПа при достатній точності. Чутливими елементами їх є прості й гофровані мембрани, сильфони, одно - та багатовиткові трубчасті пружини. Принцип дії цих приладів грунтується на пружних деформаціях чутливих елементів під впливом тиску чи розрідження.

Рис.2.16. Мембранний дифманометр

Чутливим елементом дифманометра (рис.2.16) є мембранний блок, який складається із двох мембранних коробок 1 і 3, розміщених у різних камерах і з'єднаних між собою каналом 2. Мембранні коробки заповнені дисти­льованою водою. У нижній камері тиск Р₁ вищий, а у верхній Р₂ -нижчий. Із центром мембрани верхньої коробки 3 жорстко з'єднаний сердечник 4 дифтрансформаторного перетворювача 5. Сердечник розмішений всередині роздільної трубки 6 з нержавіючої сталі. При перепаді тиску у приладі рідина з нижньої мембранної коробки 1 по каналу 2 перетікає у верхню коробку 3, в результаті чого її об'єм збільшується , верхня мембрана зміститься вгору і перемістить плунжер 4. Прилад формує електричний сигнал, пропорційний перепаду тисків.

Івано-Франківське ВО "Промприлад" випускає дифманометри типу ДМ 3583М з дифтрансформаторними перетворювачами та ДМТ 3583М із струмовими перетворювачами (0-5 мА) на перепади тиску 1,6; 2,5; 4; 6,3; 10; 16 і 25 кПа; 0,04; 0,063; 0,1; 0,16; 0,25; 0,4 та 0,63 МПа. Класи точності приладів - 1; 1,5.

Трубчасто-пружинні манометринайбільш поширені при вимірюванні тиску і розрідження у промисловості завдяки своїй простоті, надійності, компактності, ремонтоздатності та низькій вартості. Основним елементом цих приладів є одновиткова трубчаста пружина 1, зігнута по дузі кола з радіусом R, еліпсовидного (а) чи плоско овального (в) перерізу (рис.2.17). Один кінець трубки жорстко закріплений у державці 2, через ніпель якої підводиться тиск у внутрішню порожнину трубки, а другий кінець вільний. Якщо в трубку подати тиск, то її радіус збільшується і вона розпрямляється; при розрідженні радіус зменшується і вона закручується. Під дією тиску Р вільний кінець трубки переміщується на величину λ і через важіль З, зубчастий сектор 4 і трибок 5 переміщує стрілку приладу 6 на осі трибка.

За шкалою 7 здійснюється відлік вимірюваного тиску.

Принцип дії електричних манометрівгрунтується на перетворенні тиску чи вакууму в електричний параметр, який функціонально пов'язаний із тиском. Електричні прилади нині широко використовують не тільки в лабораторній і дослідницькій роботі, а й у промисловості. До цієї групи належать: мано­метри опору, п'єзоелектричні, тензоелектричні та ін.

Рис.2.17. Трубчасто-пружинний манометр

Манометри опору. Принцип роботи таких приладів грунтується на зміні електричного опору провідників під дією зовнішнього надлишкового тиску. Найширше використовують манганін, температурний коефіцієнт опору якого дуже низький . Недоліком його є малий приріст опору на одиницю тиску. Тому за його допомогою вимірюють високий і надвисокий тиск (до 3000 МПа). Для вимірювання опору чутливого елемента використовують мостові схеми.

П'єзоелектричні манометри. Принцип дії їх грунтується на властивостях^кристалічних речовин нагромаджувати електричні заряди на поверхні під дією механічної сили ( тиску ). Це явище називається п'єзоефектом, воно характерне для кристалів кварцу, турмаліну, сегнетової солі, титану барію та ін. П'єзоефект без інерційний, заряди виникають у момент дії сили тиску.

Для виготовлення п'єзокристалічних датчиків частіше , використовують кварц, який має безінерційний п'єзоефект, механічну міцність, добрі ізоляційні властивості і негігроскопічний. Його п'єзоефект не залежить від температури до +500^СС .

Тензоелектричні прилади набули поширення при вивченні різних деформацій механічних конструкцій та елементів. Першими приладами для вимірювання тиску були манометри з напівпровідниковими тензоперетворювачами типу "Кристал". Поява гетероепоксіальних структур "кремній на сапфірі" (КНС) дала можливість розробити і впровадити у серійне виробництво тензорезисторні перетворювачі з високими метрологічними властивостями. Точність вимірювання тиску досягла 0,1% від діапазону при 10000 годин роботи. Промисловістю освоєно випуск приладів з тензоперетворювачами "Сапфір-22" для вимірювання тиску, у яких тиск перетворюється в електричний сигнал (рис. 2.18). Чутливий елемент 1 розміщений у металевому корпусі 2 . Тиск через ніпель 5, роздільну мембрану 4 та кремнійорганічну рідину підводиться до другої металевої мембрани чутливого елемента 1. На поверхню пружної мембрани нанесено сапфіровий ізоляційний шар , а на нього - кремнієві тензорезистори з вивідними провідниками до вимірювального блоку 3.

Перетворювачі "Сапфір-22" мають на виході струмовий сигнал 0-5 мА (4-20, 0-20 мА) при опорі навантаження 2,5 кОм (1 кОм), межова похибка приладів - 0,25 ; 0,5 %, напруга живлення - 36 В постійного струму. Основ ними позитивними якостями перетворювачів є використання малих деформацій чутливих елементів, надійність, безінерційність, стабільність характеристик, компактність, вібро- та термостійкість. Похибку вимірювання можна знизити до 0,1 %.

Рис.2.18. Схема тензоперетворювача типу Сапфір-22