Студопедия

Главная страница Случайная страница

Разделы сайта

АвтомобилиАстрономияБиологияГеографияДом и садДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеталлургияМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРелигияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияТуризмФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника






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. pié zo – сжимаю и metreoизмеряю). 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: ризб 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: рабс 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 Uвых, 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 Фвх 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 Фвх через окно 6 в шторке 6 попадает на левый торец световода 6. Световой поток Фвых, выходя из световода 5, воздействует на фотодиод VD2. Величина электрического тока, протекающего через VD2, пропорциональна Фвых. При этом изменяется напряжение на сопротивлении Rизм, 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 Фвых 2… Фвых n воздействует на соответствующий фотодиод VD2… VDn, 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].

 

 






© 2023 :: MyLektsii.ru :: Мои Лекции
Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав.
Копирование текстов разрешено только с указанием индексируемой ссылки на источник.