ИЗМЕРЕНИЕ ДАВЛЕНИЯ

Наряду с температурой и расходом давление является одной из важнейших физических величин, измеряемой в различных об­ластях человеческой деятельности. Методы и средства измерения давления основаны на использовании различных физических яв­лений, как давно известных, так и открытых сравнительно не­давно.

8.2.1. Средства измерения давления

В настоящее время используются разнообразные методы и сред­ства измерения давления. Средства измерения давления (маномет­ры, вакуумметры, барометры) по физическим эффектам, положен­ным в основу принципа действия первичного измерительного пре­образователя (датчика), делятся на несколько групп. Наибольшее распространение получили жидкостные (в которых измеряемое дав­ление уравновешивается давлением столба жидкости); деформаци­онные (в которых значение деформации упругого чувствительного элемента пропорционально измеряемому давлению); тензометрические (основанные на тензометрическом эффекте материалов) средства измерения. Нас будут интересовать только элек­трические методы и средства измерения давления. В свою очередь, электрические манометры делятся на аналоговые и цифровые. Пер­вые – простые, достаточно надежные, дешевые приборы и пото­му широко распространены в задачах стационарных измерений на промышленных объектах. Цифровые манометры дают возможность организации автоматизированных измерений, позволяют решать как задачи длительной регистрации, так и задачи управления тех­нологическими процессами.

Переход к электрическим выходным сигналам первичных пре­образователей может быть организован по-разному. Для преобра­зования перемещения упругого элемента в электрический сигнал используются различные вторичные измерительные преобразовате­ли: индуктивные/индукционные (меняется индуктивность катушки или взаимная индуктивность двух катушек), трансформаторные (ме­няется выходное напряжение трансформатора), резистивные (меня­ется сопротивление, например, тензодатчика), емкостные (меняется емкость датчика) и др. Рассмотрим некоторые из возможных вари­антов преобразования давления в электрический сигнал.

Трансформаторные преобразователи.Один из вариантов пере­хода к электрическому выходному сигналу представлен на рис. 8.25.

В основе конструкции механической части – мембранная ко­робка /, герметично разделенная на две части упругой мембраной 2. Под воздействием разности входных давлений р_] и р_ъ поступаю­щих в обе части коробки 1, мембрана 2 прогибается, перемещая при этом сердечник 3 дифференциального трансформаторного преобразователя 4. перемещение сердечника изменяет исходное равновесие мостовой схемы, образованной двумя одинаковыми половинами L вторичной обмотки трансформатора и двумя равными резисторами R. При этом выходной сигнал моста U_вых изменяется пропорционально перемещению сердечника и, следовательно давлению или разности давлений р₁ и р₂. Это выходное напряжение U_вых можно просто измерить вольтметром переменного напряжения.

 

Рис. 8.25. Манометр с электрическим выходным сигналом: 1 – мембранная коробка; 2 – мембрана; 3 – сердечник; 4 – дифференциальный трансформаторный преобразователь

 

Тензометрические преобразователи.Сегодня все большее распространение находят манометры с тензометрическими чувствительными элементами, которые закреплены на деформируемых под воздействием измеряемого давления поверхностях.

Тензометрический эффект проявляется в изменении электрического сопротивления проводников (или полупроводников) при изменении геометрии (например, при изгибе) проводника. Тензорезистроы часто выполняются из тонкой металлической фольги и представляют собой достаточно длинный проводник, компактно уложенный в плоскости поверхности упругой пластины или мембраны (рис.8.26).

 

Рис. 8.26. Тензометрический эффект: 1 – упругая пластина; 2 – 1-й тензорезистор (R₀+DR);

3 – 2-й тензорезистор (R₀ – DR)

 

Обычно (для повышения чувствительности измерения) устанавливают два тензорезистора – на противоположные поверхности пластины. Эти датчики жестко крепятся (приклеиваются) к пластине и изгибаются вместе с ней.

Если исследуемое давление р изгибает упругую пластину вниз, то длина верхнего тензорезистора увеличивается, его сечение уменьшается и сопротивление его растет: R₀ + DR. У расположенного на нижней поверхности пластины датчика – все наоборот, в результате действия давления р его сопротивление уменьшается: R₀ – DR. Это изменение сопротивления легко могут быть представлены электрическим сигналом тока или напряжения. Обычно тензорезисторы включаются в мостовые схемы (неуравновешенные мосты) – рис. 8.27.

 

Выходное напряжение неуравновешенного моста U_вых зависит от изменения сопротивлений плеч моста. Достаточно иметь хотя бы один тензорезистор, но для обеспечения линейности преобразования целесообразно включать в соседние плечи моста два одинаковых (рис.8.27, а), но с различными знаками изменения сопротивления при изгибе пластин (сопротивление резистора R₁+ увеличивается, а R₂ – уменьшается). Для повышения чувствительногсти часто используют четыре тензорезистора (рис.8.27, б). Включают их таким образом, чтобы в соседних плечах моста стояли датчики с противоположными изменениями значений сопротивлений. Если в мостовой схеме все датчики одинаковы, имеют равные наминальные значения сопротивлений R и равные модули изменения D R при воздействии давления, то выходное напряжение моста U_вых можновыразить следующим образом:

U_вых = U_п (D R/ R),

где U_п – напряжение питания моста.

Далее это напряжение может быть измерено аналоговыми из­мерителями или преобразовано в цифровой код, который, в свою очередь, может быть выведен на цифровой индикатор, сохранен или передан другим устройствам. Структура собственно цифрового манометра практически не отличается от структуры других цифро­вых приборов.

Тензометрический принцип успешно используется и для по­строения дифференциальных манометров. При этом также может быть использована традиционная механическая конструкция: мем­бранная коробка из двух герметично изолированных частей (ка­мер), прогибающаяся мембрана между ними, на которой жестко закреплены (например, приклеены) тензорезисторы.

Современные микроэлектронные технологии обеспечивают широкие возможности создания миниатюрных чувствительных элементов (датчиков) манометров. Упрощенное устройство мик­роэлектронного резистивного тензометрического датчика показа­но на рис. 8.28.

На тонкой пластине кремния сформированы тензорезисторы (по тонко- или толстопленочной технологии) R1, R2, R3, R4 и соединительные проводники. Пластина закреплена на упругой мем­бране и деформируется (прогибается) вместе с ней.

Сопротивление резисторов R2 и R4 при деформации значи­тельно увеличивается (до 20...50%), а сопротивление резисторов R1, R3 практически не меняется. Все резисторы образуют мосто­вую схему, выходное напряжение которой определяется деформа­цией и, следовательно, значением измеряемого давления р.

На рис. 8.29 схематично показаны варианты конструктивного исполнения мембранной коробки датчиков для измерения абсо­лютного, относительного и дифференциального давлений.

На рис. 8.29, а приведен вариант мембранной коробки для из­мерения абсолютного давления (например, атмосферного p_атм). Вариант на рис. 8.29, б предназначен для измерения относитель­ного (дифференциального) давления как разности между атмосферным и измеряемым. Измерение дифференциального р_диф как раз­ности между двумя измеряемыми давлениями р₁ и р₂ иллюстриру­ется на рис. 8.29, в.

Существует понятие трансмиттера (Transmitter), что означает такой полный преобразователь, который содержит и датчик, и цепи нормирования (кондиционирования) сигнала, т.е. выполня­ет и первичное, и вторичное преобразование входной величины – давления. На выходе трансмиттера – унифицированный сигнал: 0... 100 мВ, или 0... 10 В, или 4...20 мА, или иные, принятые стан­дартными, уровни. Погрешности преобразования (типичные) – 0,5...2,5%.

Емкостные преобразователи.Помимо резистивных применяют­ся и емкостные датчики давления. В емкостных датчиках мембрана выступает в роли одной из пластин конденсатора (рис. 8.30). Изме­нение ее положения приводит к изменению емкости датчика изатем, например, к изменению выходного напряжения моста пе­ременного тока.

Благодаря достижениям микроэлектронной технологии га­баритные размеры таких датчиков могут быть чрезвычайно ма­лыми (единицы — десятки квадратных миллиметров). Кроме того, на кремниевой пластине могут размешаться и некоторые элемен­ты вторичного преобразования, например, мостовые схемы, уси­лители.

8.3. Измерение скорости движения потока вещества и его расхода

Рассмотрим довольно распространенные задачи — измерения скорости движения потока вещества и его расхода. Эти физические величины часто связаны между собой и рассматривать их отдельно нецелесообразно.

При выборе измерителя расхода и/или скорости движения для конкретного эксперимента, помимо общих для всех средств изме­рений критериев (метрологические и эксплуатационные характе­ристики, начальная цена и стоимость обслуживания и др.), необ­ходимо учитывать и специфические факторы измеряемой величи­ны. Это — характер состояния вещества (жидкие, газообразные вещества, пар, многофазные среды, сыпучие вещества, крупные твердые предметы и др.), свойства исследуемой среды (плотность, вязкость, сжимаемость, химический состав, электропроводность, агрессивность, абразивность, смазывающие способности и др.), ее текущие характеристики (температура, давление, многофазность состояния, влажность — особенно для сыпучих сред). Немаловаж­ными являются выбранные модели происходящих процессов — статические или динамические. Кроме того, следует учитывать ус­ловия и возможности монтажа средства измерения, возможные размеры, геометрию и материал трубопровода, условия проведе­ния эксперимента, требования дополнительного оборудования, не­обходимость внешнего источника питания, время непрерывной работы, требуемую периодичность поверки и т.д. Очевидно, что при таком числе различных критериев проблема выбора становит­ся достаточно серьезной, требующей квалифицированного и про­фессионального подхода.

В этом подразделе в основном будем говорить об измерении скорости движения и расхода на примере текущих в трубопрово­дах жидкостей и газов. Поскольку расход жидкостей и газов сегод­ня почти всегда находят через скорость движения вещества, в дан­ном параграфе параллельно рассматриваются методы и средства измерения как скорости, так и расхода. Под расходом в данном случае будем понимать количество вещества, проходящее через сечение потока в единицу времени.

Англоязычные термины измерителя скорости — Уе1оа1у Ме1ег, измерителя расхода — Р1оуще1ег.

8.3.1. Основные понятия

Рассмотрим связь скорости и расхода на примере трубопрово­да, в котором течет жидкость. При выполнении определенных ус­ловий (трубопровод на достаточной длине прямой и полностью заполнен жидкостью, движение ее равномерное, внутреннее се-

 

чение трубопровода на достаточной длине постоянно и т.п.) зна­чение текущего расхода 0 рассчитывается по формуле

б = ру5 = рг;—-,

где р — значение плотности жидкости; у ~ скорость движения потока; 5¹— площадь внутреннего сечения трубопровода; а¹— внут­ренний диаметр трубопровода.

Существуют понятия текущего (мгновенного) 0 и интеграль­ного (суммарного) С расходов за определенный интервал времени Лл Интегральный расход С в общем случае есть интеграл функции мгновенного (текущего) расхода ^{1) на интервале Д/. В частном случае постоянного значения текущего расхода 0 на интервале Д/ интегральный расход С определяется простым произведением:

С = ОМ.

Приборы для измерения интегрального значения часто называ­ются счетчиками количества (Р1оу ТЫаПгег). Современные прибо­ры обычно обеспечивают оба режима работы.

Различают объемный расход (выражаемый единицами объема — л/с, м³/ч и т.п.) и массовый (выражаемый единицами массы — кг/мин, т/ч и т.п.). Объемный ()_уи массовый ()„, расходы связаны плотностью р среды исследуемого потока: