Файл: Реферат по дисциплине Физические основы измерений.docx

Для жидкостей, находящихся в равновесии, гидростатическое давление жидкости аналогично напряжению сжатия в твердых телах.

2.2 Преобразователи гидростатического давления

Простейшими гидростатическими преобразователями являются жидкостные манометры с открытым и закрытым коленом. Измеряемая этими манометрами разность давлений р и р_ср уравновешивается весом столба жидкости высотой h:

(p_ср – p) = gρh

где g –ускорение земного притяжения; ρ — плотность жидкости.

Манометры с открытым коленом удобны для измерения давлений, близких к атмосферному. В этом случае р_cр = p_атм и высота столба h минимальна. Показания такого манометра зависят от атмосферного давления.

В манометре с закрытым коленом (рис. 6.4, б) перед заполнением рабочей жидкостью получают давление р_cр ≈ 0, что позволяет непосредственно измерять абсолютное давление газа в вакуумной системе. В этом случае показания прибора не зависят от атмосферного давления. При измерении малых давлений (менее 2·10^4 Па) манометр с закрытым коленом имеет меньшие габариты, чем манометр с открытым коленом.

В качестве жидкости применяют ртуть и масло. Масляные манометры имеют большую чувствительность, так как плотность масла примерно в 15 раз меньше плотности ртути. Однако масло хорошо растворяет газы, и перед работой требуется его тщательное обезгаживание.

Пределы измерения ртутных манометров 10^5...10^3 Па, а масляных – 10^5...10^0 Па. Погрешность при отсчете уровня h может быть доведена до 0,1 мм. Более точное измерение уровня не имеет смысла из-за непостоянства величины поверхностного натяжения, колебаний плотности, температурных градиентов рабочей жидкости и т. д. Чувствительность манометров к перепаду давлений в основном ограничивается вязкостью самой жидкости.

Гидростатические манометры с предварительным сжатием газа называются компрессионными. Компрессионный манометр (рис. 6.5) состоит из измерительного баллона 2 с капилляром К1, резервуара с ртутью, соединительного трубопровода 3 с капилляром K2. Через азотную ловушку 4 манометр подключается к вакуумной системе. Баллон 2 перед началом измерений соединяется с вакуумной системой через трубку 3. Из баллона 1 под давлением атмосферного воздуха ртуть поднимается вверх по трубке Т, отключает баллон 2 от вакуумной системы и сжимает заключенный в баллоне газ до давления, которое можно непосредственно измерить по разности уровней ртути в закрытом и сравнительном капиллярах К1 и K2. После компрессии давление измеряется точно так же, как и в обычном ртутном манометре с закрытым коленом. Диапазон измерения компрессионных манометров 10^1...10-^3 Па. Трудности в измерении более низких давлений связаны с непостоянством капиллярной депрессии ртути (понижение уровня ртути в капилляре по сравнению с ее уровнем в сообщающемся с капилляром широком сосуде); откачивающим действием струи ртутного пара из манометра в ловушку; отличием формы конца запаянного капилляра от формы мениска ртути, что ограничивает минимальное значение на уровне 5...10 мм. Кроме того, по технологическим соображениям диаметр капилляров удобно выбирать не меньше 1 мм, а объем измерительного баллона определяется прочностью стекла и обычно не превышает 1 л, что дает максимальное значение коэффициента компрессии 2,5·10^5.

---

Для измерения более высоких давлений требуется манометр с очень длинными (или переменными по сечению) капиллярами. В области давлений более 10 Па можно пользоваться обычными гидростатическими манометрами без предварительного сжатия газа. Для уменьшения откачивающего действия струи ртутного пара трубка Т сделана в виде капилляра, охлаждаемого водой.

Компрессионный манометр относится к абсолютным приборам и используется в качестве образцового для градуировки других приборов. Его показания не зависят от рода газа.

Однако компрессионным манометром нельзя измерить давление паров тех веществ, у которых упругость насыщенных паров при температуре измерения меньше давления в измерительном капилляре после сжатия; нельзя проводить непрерывное измерение давления. Недостатком манометра является также то, что он должен присоединяться к вакуумной системе через азотную ловушку.

Данные преобразователи представляют собой разновидность датчиков избыточного давления, в том случае, когда последние применяются для измерения гидростатического уровня жидкостей. Преобразователь фактически измеряет давление столба жидкости над ним. Единицей измерения давления в системе СИ является «Паскаль» (Па). На практике в промышленности широко применяются и другие единицы измерения, кроме «Па» наиболее распространенными являются «bar» (бар), «м.в.с.» (метр водяного столба) и «кгс/см²» (килограмм-сила на сантиметр квадратный), а также производные этих единиц: «мбар» (миллибар), «кПа» (килопаскаль), «МПа» (мегапаскаль).

2.3 Конструкция преобразователей давления

Рисунок 2.3.1 - Схема конструкции преобразователей давления

На рисунке снизу приведена общая схема конструкции преобразователей давления. В зависимости от типа датчика, производителя прибора и особенностей применения, конструкция может меняться. Данная схема предназначена для ознакомления с основными элементами типового измерительного преобразователя давления.

Кабельный ввод: Эта часть преобразователя давления используется для герметичного ввода электрического кабеля в датчик. Как правило, используется сальниковый ввод типа PG9, но встречаются и другие варианты подсоединения (например PG16, M20x1,5).

Клеммы: Клеммы необходимы для физического подключения электрических проводов к датчику. На сегодняшний день подавляющее большинство преобразователей давления используют 2-проводную схему подключения с выходным сигналом 4…20 мА.

---

Плата питания / искорзащиты: Данная плата осуществляет распределение электрической энергии между электронными компонентами датчика. У преобразователей во взрывобезопасном исполнении на данной плате реализуется функция искрозащиты.

У недорогих датчиков давления (например, PTE5000), как правило, плата питания и преобразовательная плата совмещены.

Корпус электроники: Часть датчика давления, в которой расположены плата питания и преобразовательная плата. У преобразователей низкой ценовой категории (WIKA, BD Sensors) корпус электроники и корпус собственно датчика представляют одно целое.

Наличие отдельного корпуса для электроники характерно только для высококачественных преобразователей давления (например KLAY-INSTRUMETNS, EMERSON, VALCOM, YOKOGAWA).

Преобразовательная плата: Это одна из самых важных частей преобразователей давления. Данная плата осуществляет преобразование сигнала от первичного сенсора в унифицированный электрический сигнал по току или по напряжению.

Корпус датчика: Основная механическая часть, представляющая собой собственно тело преобразователя.

Провода и атмосферная трубка: Провода, как правило, представляют собой кабельный шлейф, соединяющий выводы сенсора и преобразовательную плату. Атмосферная трубка используется в датчиках избыточного и вакууметрического давления для осуществления связи чувствительного элемента (сенсора давления) с атмосферным давлением.

Технологическое соединение: Эта часть преобразователей давления используется для физического подключения датчика к процессу (к трубопроводу, емкости, аппарату). Наиболее распространенным соединением является резьбовое манометрическое подсоединение G1/2" по стандарту DIN 16288 и резьба М20х1,5.

Также широко встречаются соединения G1/4", G1", фланцевые соединения. В пищевой промышленности распространены специальные санитарные соединения, например молочная гайка DIN 11851, DRD-фланец, хомуты Tri-clamp. В ассортименте ООО «КИП-Сервис» есть специальные преобразователи давления для применения в пищевой (молочной, пивоваренной) промышленности.

Это приборы производства KLAY-INSTRUMENTS BV — датчики давления серии 8000-SAN и интеллектуальные датчики давления серии 2000-SAN, которые полностью удовлетворяют всем требованиям пищевой промышленности по гигиене, точности измерений и температурным режимам.

Сенсор давления — один из ключевых элементов любого преобразователя давления. Данный элемент непосредственно осуществляет преобразование действующего на него давления в электрический сигнал, который потом унифицируется на преобразовательной плате. На сегодняшний день существует несколько способов преобразования давления в электрический сигнал. В промышленности применяются индуктивный, емкостной и тензорезистивный методы преобразования.

---

Самым распространенным является тензорезистивный. Данный метод основан на явлении тензоэффекта в металлах и полупроводниках. Тензорезисторы соединенные в мостовую схему (мост Уитстона) под действием давления изменяют свое сопротивление, что приводит к разбалансу моста. Разбаланс прямо пропорционально зависит от степени деформации резисторов и, следовательно, от приложенного давления.



Рисунок 2.3.2 – Мост Уинстона

Важные характеристики взаимозаменяемых преобразователей, следующие: - значение входной и выходной величин каждой в отдельности. Так, напри-

мер, государственными стандартами устанавливаются следующие диапазоны изменения входных и выходных величин: сила постоянного электрического тока I== 0…5 мA; 0…20 мA, постоянное напряжениеU= = 0…10 В, переменное напряжениеU= 0…2 В, частота электрических колебаний f = 1500…2500 Гц; 4000…8000 Гц [8]. Установление определенного ряда этих значений и обеспечивает широкую взаимозаменяемость преобразователей.

Благодаря установлению таких рядов значительно сокращается количество разновидностей первичных преобразователей и вторичных устройств (конструктивно обособленная остальная часть элементов измерительной цепи).

- точность и постоянство коэффициента преобразования на всем диапазоне его работы.

Для большинства взаимозаменяемых преобразователей устанавливают классы точности. При выборе преобразователя стремятся к тому, чтобы его класс точности, если это возможно, был выше класса точности измерительного прибора, применяемого с преобразователем, иначе говоря, чтобы применение преобразователя как можно меньше снижало общую точность измерения данным прибором.

Требования, предъявляемые к взаимозаменяемым преобразователям, весьма высоки. В ряде случаев некоторые из них невыполнимы или выполнение их экономически нецелесообразно. Тогда их применяют ограниченно, причем ограничение накладывают на какое-либо одно требование.

Чаще всего взаимозаменяемые преобразователи используют только для измерительного прибора одного вида или типа, а иногда даже только одной его конструкции, о чем на преобразователе делается соответствующая надпись.

Применение индивидуальных (невзаимозаменяемых) преобразователей позволяет улучшить метрологические характеристики измерительного прибора и установки за счет специальных регулировок.

---

3. Выбор рабочих жидкостей гидростатических преобразователей давления.

Гидростатический способ измерения уровня основан на определении гидростатического давления, оказываемого жидкостью на дно резервуара. Гидростатическое давление зависит от высоты столба жидкости над измерительным прибором, от плотности жидкости и определяется по формуле:

P=Hρg,

следовательно, уровень жидкости определяется по формуле:

H=P/(ρg),

где H – высота столба жидкости, м;

P – давление столба жидкости, Па; ρ – плотность жидкости, кг/м3;

g– ускорение свободного падания (g=9,81 м/с2 - это справедливо только для неподвижных жидкостей).

Измерение гидростатического давления выполняется следующими способами:

–датчиком избыточного давления (манометром), подключаемым на высоте, соответствующей нижнему предельному значению уровня;

–дифференциальным манометром, подключаемым к резервуару на высоте, соответствующей нижнему предельному значению уровня, или к газовому пространству над жидкостью;

–измерением давления воздуха (газа), прокачиваемого по трубке, опущенной в заполняющую резервуар жидкость на фиксированное расстояние (пьезометрический метод) .

При измерении уровня гидростатическим способом погрешности измерения определяются классом точности измерительного прибора, изменениями плотности жидкости и колебаниями атмосферного давления.

Измерение уровня датчиком избыточного давления (манометром) приведено на рисунке Для этих целей может применяться датчик любого типа с соответствующими пределами измерений.



Рисунок 3.1 – измерение уровня датчиком избыточного давления

Из формул приведённых выше можно увидеть зависимость между давлением и плотностью жидкости. Можно сделать вывод что при увеличении плотности жидкости будет увеличиваться разность давления, что приведет к увеличению чувствительности, но также и массы конструкции. Основные жидкости используемые в гидростатических преобразователях давления представлены в таблице 3.1.

Таблица 3.1 – Основные жидкости, применяемые в гидростатических преобразователях

Наименование жидкости	Плотность, Кг/м3	Температура замерзания, Со
Вода	1000	0
Масло	830-930	-14 -20
Спирт	789	-114
Бензин	725-780	-60
Ртуть	13546	-38
Глицерин	1261	-38

---