Измерение давления. 
Технические измерения и приборы

Преобразователи давления могут быть подразделены на гравитационные и упругие.

Гравитационный манометр — это простейшее устройство для измерения статического давления. U-образный гравитационный манометр (рис. 3.27) состоит из стеклянной трубки, наполненной водой, ртутью или другой рабочей жидкостью.

Рис. 3.27. U-образный манометр

Различие в уровнях h между двумя коленями пропорционально разнице давлений (Р/ — Р₂). Оно может определяться по вертикальной шкале или путем преобразования уровня в электрический сигнал. Если одно из давлений, например, Р₂, является атмосферным, то давление датчика, приложенное к колену 1, может быть найдено как.

где р — плотность рабочей жидкости, g — ускорение свободного падения.

Рабочая жидкость манометра должна быть антикоррозионной, иметь низкую вязкость для повышения динамических свойств, незначительную поверхностное натяжение. Диаметр манометра должен исключать наличие капиллярных эффектов.

В эластичных преобразователях, давление передается через упругий элемент. Упругий элемент может иметь форму диафрагмы, сильфона, трубки Бурдона или их множеств.

Диафрагма — это тонкая круглая пластина, закрепленная по периферии. Поверхность диафрагмы может быть плоская или гофрированная. Диафрагмы широко используются как чувствительный элемент, обладающий высокой точностью и хорошими динамическими качествами. Они могут реагировать на давления в пределах от нескольких миллиметров водяного столба до нескольких атмосфер. Главные особенности диафрагм состоят в стабильности и низком гистерезисе. Характеристики диафрагм, такие как материал, размер, вес определяются условиями эксплуатации и технологией изготовления. Диафрагмы изготавливаются из упругих металлических сплавов, типа бронзы, нержавеющей стали или сплавов с никелем. Главные соображения при выборе материала диафрагмы определяются природой среды, которая войдет в контакт с диафрагмой, температурным диапазоном, ударной и вибрационной нагрузкой и требуемым частотным диапазоном.

Плоская диафрагма изображена на рис. 3.28.

Рис. 3.28. Плоская диафрагма

Отклонение у любой точки на диафрагмы можно определить по соотношению.

где Р — различие давления поперек диафрагмы, 5 — толщина диафрагмы, Е — модуль эластичности материала диафрагмы, v — отношение Пуассона материала диафрагмы, г — радиус в определяемой точке, R — радиус диафрагмы, с — постоянная граничных условий.

Сильфонные преобразователи — тонкостенные конструкции с цилиндрическими звеньями разных диаметров (рис. 3.29).

Рис. 3.29. Сильфонный преобразователь

При подаче давления в полость сильфонного преобразователя его торец перемещается пропорционально давлению. Число звеньев берется обычно от 5 до 20 в зависимости от диапазона измеряемого давления, требуемой величины перемещения торца и рабочей температуры. Жесткость сильфонного преобразователя пропорциональна модулю Юнга материала и обратно пропорциональна внешнему диаметру и числу звеньев. Отклонение у сильфонного преобразователя может быть выражено уравнением.

где п — число звеньев, А — эффективная площадь сильфона, R — средний радиус звеньев, Е — модуль эластичности, s — толщина стенок сильфона.

Сильфонные преобразователи обычно используются для измерений низких давлений при значительных перемещениях выходного звена. Они чувствительны к колебаниям. В некоторых случаях такие преобразователи могут быть снабжены пружинами, которые действуют против их осевого отклонения. Это позволяет расширить диапазон измеряемых давлений и увеличить ресурс работы. Для изготовления сильфонных преобразователей используют нержавеющую сталь или сплавы никеля, бронзы и меди.

Трубка Бурдона представляет собой изогнутую металлическую трубку, имеющую эллиптическое сечение и закрытую с одного конца. При подаче давления в полость трубки она выпрямляется, при этом угловое отклонение свободного конца пропорционально измеряемому давлению. Главными преимуществами данного преобразователя являются высокая чувствительность и хорошая повторяемость.

На практике используются различные конфигурации этого преобразователя, в частности, полукруглые, винтовые и спиральные. Полукруглая конструкция (рис. 3.30) имеет диапазон угла перемещения от 180 до 270 градусов.

Рис. 3.30. Трубка Бурдона

Угловое отклонение обычно измеряется по механическому указателю или потенциометром.

Винтовая трубка Бурдона аналогична полукруглой трубке, за исключением того, что она изогнута в много спираль, имеющую от 5 до 10 скручиваний. В случае спиральной трубки радиус искривления увеличивается с каждым поворотом. Перемещение выходного звена поворота зависит от числа скручиваний.

Угловое отклонение полукруглой трубки Бурдона может быть выражено зависимостью

где, а — угол перемещения выходного звена трубки, р — начальный угол, Р — давление, г — радиус трубки, s — толщина трубки, Е — модуль Юнга материала трубки, b — величина малой оси сечения трубки.

Трубка Бурдона обычно изготавливаются из материалов, которые имеют незначительное изменение эластичности от температурой, например, сплавы меди, бронзы и никеля. Эти преобразователи более чувствительны к вибрациям, чем диафрагмы, и поэтому они используются главным образом для статических измерений. Диапазон измеряемых давлений достигает 10⁸ Ра.

Струнные преобразователи давления имеют конструкцию, показанную на рис. 3.31.

Рис. 3.31. Струнный преобразователь давления 1 — диафрагма, 2 — пружины, 3 — струны.

Четыре струны установлены с некоторым начальным натяжением и установлены между пружинами и диафрагмой, а также корпусом преобразователя. Четыре струны, выполненные из проводящего материала, подключаются в виде плеч моста в измерительную схему. При действии давления на диафрагму натяжение струн меняется соответственно величине давления, что фиксируется измерительной схемой.

Преимуществами этого типа преобразователей являются высокая чувствительность и хорошие динамические характеристики, а также стабильность.

Пленочные преобразователи широко используются для измерения поверхностных давлений без какой-либо предварительной подготовки поверхности. Типичная толщина этих преобразователей находится в диапазоне от 10 до 50 микронов. Преобразователь крепится к поверхности любым известным способом, при этом структура, на которой преобразователь устанавливается, может быть тонкой. Эти свойства особенно важны для аэродинамических измерений давления.

Преобразователь состоит из тонкой диэлектрической пленки, например, полиамидной, имеющий постоянный модуль эластичности в широком температурном диапазоне с металлическими покрытиями с обеих сторон, которые служат в качестве электродов. Один из этих двух электродов контактирует с поверхностью, а к другому, который имеет свободу перемещения, прикладывается измеряемое давление, как показано на рис. 3.32.

Рис. 3.32. Пленочный преобразователь давления 1 — электроды, 2 — диэлектрическая пленка, 3 — база, 4 — поверхность.

Изменение емкости ^дс в результате изменения прикладываемого давления связано уравнением.

где С₀ — начальная величина емкости, Е — модуль Юнга диэлектрического материала. Выводы электродов подключаются к измерительной схеме. Чувствительность такого преобразователя может составлять 50 мВ/бар. Частотный диапазон достигает 100 кГц. Калибровка преобразователя выполняется после его установки на поверхности.

Игольчатые преобразователи давления используют изменение характеристик р-п перехода в зависимости от приложенного к нему давления. На рис. 3.33 показана конструкция игольчатого преобразователя с кремниевой иглой.

В наконечнике иглы выполняется р-п переход, а сама игла размещается в жестком корпусе напротив диафрагмы 4. Разность давлений, действующих с двух сторон диафрагмы соответственно от измеряемой величины и от атмосферного давления, поступающего в преобразователь через отверстие, изменяют механическое напряжение на наконечнике иглы и, следовательно, характеристики р-п перехода.

Рис. 3.33. Игольчатый преобразователь:

• 1 — корпус, 2 — игла, 3 — наконечник иглы, 4 — диафрагма,
• 5 — отверстие, б — выход

В результате на выходе формируется сигнал пропорциональный измеряемому давлению. Диафрагмы обычно изготавливают из кремния или кварца. Основное ограничение этих преобразователей — узкий динамический диапазон.

Измерительные схемы для этих типов преобразователей содержат стандартные мостовые контуры. В них также применяется температурная компенсация, которая необходима для устранения погрешностей, если во время измерения температура существенно меняется.

Изменение характеристик р-п перехода в зависимости от приложенного к нему давления может быть описано в терминах отношения к нагруженной и ненагруженной зоны перехода. Изменение к в функции давления показано на рис. 3.34.

Рис. 3.34. Изменение к в функции давления

Некоторые типы материалов генерируют электростатическую энергию или напряжение, когда к ним прикладывается механическая нагрузка. Это свойство используется в пьезоэлектрических преобразователях давления. Типичная конструкция пьезоэлектрического преобразователя как показывается в рис. 3.35.

Корпус преобразователя содержит диафрагму, которая связана с пьезоэлементом. Давление Р вырабатывает электрический сигнал выхода, который пропорционален разнице давлений между измеряемым давлением и внутренним давлением преобразователя, которое формируется через отверстия.

Рис. 3.35. Пьезоэлектрический преобразователь:

1 — корпус, 2 — диафрагма, 3 — пьезоэлемент, 4 — отверстие, 5 — выход

Наиболее часто применяемыми пьезоматериалами являются кварц и различные керамические материалы. Натуральный кварц является наиболее надежным для многих применений, поскольку имеет низкую чувствительность к изменению температуры и хорошую линейность по широкому диапазону уровней напряжений с низким гистерезисом. Пьезоэлектрическая керамика имеет более высокую чувствительность измерений.

Пьезоэлектрические преобразователи давления используются для измерения быстро изменяющегося давления и для ударных давлений. Они обеспечивают равномерный выход на частотах от 1 Гц до 50 кГц. Они работают в широком температурном диапазоне без заметной погрешности. Кварцевые преобразователи имеют температурный диапазон от -200°С до +300°С. Керамические устройства ограничены рабочей температурой до +100°С.

Вибрационные преобразователи давления позволяют непосредственно преобразовывать измеряемое давление в пропорциональную ему частоту. Принцип их действия основан на изменении резонансной частоты упругого элемента типа диафрагмы в зависимости от прикладываемого давления. Типичная конфигурация такого преобразователя проиллюстрирована на рис. 3.36.

Рис. 3.36. Вибрационный преобразователь давления

Диафрагма 2 закреплена в жестком корпусе 1. В центре диафрагмы находится магнит 3, который имеет возможность взаимодействия с катушкой 4. Объем камеры 5 вакуумирован для измерения абсолютного давления на выходе измерительного контура (рис. 3.37).

Рис. 3.37. Измерительный контур вибрационного преобразователя

Катушка преобразователя 1 включена в мостовую схему, наряду с образцовой катушкой 2 и резисторами 3. Выходной сигнал моста усиливается усилителем 4 и подается в обратную связь для возбуждения колебаний диафрагмы с ее резонансной частотой. Величина резонансной частоты зависит от давления, существующего на диафрагме. Катушка преобразователя генерирует напряжение, пропорциональное скорости колебаний диафрагмы.

Частота резонанса диафрагмы для гармонических колебаний определяется как.

где К — коэффициент упругости диафрагмы, т — масса вибрирующей системы. Вибрационные преобразователи применяют, когда сигнал требуется получить в цифровом формате с большой чувствительностью и высоким разрешением. Необходимо отметить, что чувствительность этих преобразователей меняется с температурой.

Для давлений выше 100 МРа используются преобразователи, основанные на изменении электрического сопротивления некоторых материалов, например, манганинового проводника, при действии на них гидростатического давления.

Схема гидростатического преобразователя давления дана на рис. 3.38.

Рис. 3.38. Схема гидростатического преобразователя давления

Обычно проводник 2 помещается в корпус 7, заполненный рабочей жидкостью для передачи давления Р на проводник. Изменение сопротивления проводника между точками А и В содержит информацию об измеряемом давлении. Выходная цепь отделена от проводника изоляторами 3.

Тепловой преобразователь позволяет измерять уровень вакуума. Его схема аналогична гидростатическому преобразователю давления, но вместо проводника в корпусе находится платиновая нить накаливания. Температура нити накаливания для заданной величины тока зависит от проводимости среды в корпусе, которая в свою очередь является функцией давления. Таким образом, с изменением вакуума в корпусе, температура и, следовательно, сопротивление нити соответственно изменяются.

Разрядные ионизационные преобразователи давления построены по схеме, показанной на рис. 3.39.

Рис. 3.39. Разрядный ионизационный преобразователь

К электродам А, В и С прикладывается высокое напряжение, которое вызывает разряд в газе, заполняющем баллон с давлением Р. Разрядный ток / зависит, в частности, от давления газа. С помощью магнитного поля удается поддерживать разряд при низких давлениях. Характеристики ионизационных преобразователей для различных газов показаны на рис. 3.40.

Рис. 3.40. Характеристики ионизационных преобразователей для различных газов:

1 — кислород, 2 — водород, 3 — гелий

В ионизационных преобразователях давления обычно используют постоянное напряжение до 3 кВ. После включения высокого напряжения на короткое время включают нагреватель, который облегчает возникновение разряда.

Этот тип преобразователей давления имеет высокую чувствительность и в комплекте с измерительными устройствами позволяет измерять давления до 10'⁵ Па.