Лабки_метрология

9 Электрические манометры

9.1 П ь е з о э л е к т р и ч е с к и е м а н о м е т р ы

Пьезоэлектрические манометры пригодны для измерения больших и очень малых давлений. Это связано с тем, что ничтожно малое количество электричества, появляющееся на концах пьезоэлектриков при весьма малых давлениях, можно подать на усилитель, а затем измерить электроизмерительным прибором.

Пьезоэлектрические манометры позволяют измерять давления до

1000кГ/см2 и выше. Они находят широкое применение для измерения быстропеременных давлений.

Принцип действия манометров этого типа основан на пьезоэлектрическом эффекте, суть которого заключается в возникновении электрических зарядов на поверхности сжатой кварцевой пластины.

Рис. 9.1 – Пьезоэлектрический манометр

При измерении высокочастотных пульсаций давления в качестве преобразователя в манометрах применяются пьезоэлектрические элементы

(рис. 9.1) в виде пластинок кварца цилиндрической или прямоугольной

31

формы толщиной в несколько миллиметров. Допускаемая нагрузка на

Кварцевые пластинки располагаются так, чтобы их плоскости, на которых возникают отрицательные заряды, соприкасались с электродом 6.

Положительные заряды заземляются. Сигналы с электрода 6 подаются на усилитель с очень большим входным сопротивлением и малой входной емкостью, в качестве которого применяется полевой транзистор. Подобный усилитель называется электромеханическим.

Возникающий на обкладках заряд Q пропорционален давлению р:

Q = ksp,

где k = 2.2 · 10 -12 Кл/Н;

s – площадь кварцевой пластинки.

Зажатые между электродами пластинки кварца образуют конденсатор емкостью:

C = εS / 4 πd,

где ε = 4 ·10 -11 Ф/м – диэлектрическая постоянная кварца; d – толщина пластинки.

Напряжение на пластинке-конденсаторе: U = Q / C = 4 π d k p / ε.

Пример. Пусть d = 5 · 10-3м; р = 103Па.

Тогда U = (12,56·5 · 10-3 · 2,2 · 10-12 · 103) / 4 · 10-11 = 3,3 (В).

32

Манометры с тензопреобразователями по быстродействию приближа-

ются к пьезоэлектрическим манометрам. Их чувствительные элементы

(сенсоры) представляют собой мембраны, на которых размещены проволочные, фольговые или полупроводниковые резисторы, сопротивление которых меняется при деформации мембраны под действием давления.

Проволочные тензорезисторы проще в изготовлении, но их коэффициент тензочувствительности, определяемый отношением относительных изменений сопротивления к деформации, на порядок меньше, чем у полупроводниковых. В западной литературе тензопреобразователи давления обычно называют пьезопреобразователями (от греч. рiezo – давлю).

Промышленностью выпускаются тензорезисторные измерительные преобразователи типа «Сапфир-22». Верхний предел измерения избыточного давления 60МПа (тип ДИ), вакуумметрического давления – 25кПа (тип ДВ),

абсолютного давления – 1600МПа (тип ДА).

Схема преобразователя «Сапфир-22» типа ДИ представлена на рис. 9.2,

а. Чувствительным элементом манометра является тензопреобразователь 1 с

двухслойной мембраной. Измеряемое давление действует на титановую мембрану, к которой сверху припаяна сапфировая мембрана с тензорезисторами. Элементы измерительной схемы и усилитель находятся в блоке 2.

33

Рис. 9.2. – Схемы преобразователей давления с тензо-

преобразователями:

а — давления: 1 — тензопреобразователь; 2 — электронный блок;

б — силы: 1,2 — мембраны; 3 — рычаг тензопреобразователя силы;

4, 5 — электронный блок.

Существуют два типа тензопреобразователей: давления (рис. 9.2, а) и

силы (рис. 9.2, б). В тензопреобразователях давления измеряемое давление действует непосредственно на мембрану, поскольку при измерении давления в диапазоне 0,4МПа и выше на мембране с тензопреобразователями диаметром 6...8мм развиваются усилия, достаточные для ее деформации. В

тензопреобразователях силы 4 нижняя металлическая мембрана имеет рычаг

3, к которому прикладывается сила, развиваемая мембранным блоком под действием давления. В преобразователях с диапазоном измерения менее

0,4МПа (рис. 9.2, б) используются в качестве чувствительных элементов блоки из двух мембран 1 и 2, жестко соединенных между собой и находящихся под воздействием атмосферного и измеряемого давлений

(разрежения), либо разности давлений.

34

10 Требования к специальным приборам

для измерения давления

1)Герметичность внутренних деталей манометров, находящихся под высоким давлением, для исключения выброса измеряемой среды в атмосферу.

2)Наличие в приборах для измерений высоких давлений защитных средств от перегрузки. Например, для защиты от односторонних перегрузок применяются сдвоенные сильфоны, с сообщающимся каналом, полости которых заполнены практически несжимаемой жидкостью.

3)Точность зубчато-секторного передаточного механизма в приборах с трубчатой пружиной.

4)Отсутствие остаточной деформации элементов в пружинных приборах.

5)Наличие аварийных датчиков, реагирующих на резкое аварийное повыше-

ние давления.

Лабораторная работа 3

Приборы измерения влажности

Цель работы: изучение конструкций и принципов действия приборов измерения влажности газов, твердых тел и жидких сред.

1 Общие сведения о влажности

Влажность газов, твердых тел и жидких сред является одним из важных показателей целого ряда технологических процессов.

Влажность воздуха и газов при технических измерениях может быть охарактеризована следующими параметрами:

35

1) абсолютной влажностью, определяемой количеством водяного пара,

содержащегося в единице объема газа, кг/м3;

2)влагосодержанием – массой водяного пара, отнесенной к массе сухого газа, кг/кг;

3)температурой точки росы – температурой, при которой газ становится насыщенным водяным паром, содержащийся в нем, К;

4)относительной влажностью, обусловленной отношением парциальной плотности водяных паров в воздухе до значения плотности насыщенного водяного пара при той же температуре, безразмерная или в %.

Влажность твердых и сыпучих тел может быть охарактеризована

следующими параметрами:

1)влагосодержанием – отношением массы влаги к массе абсолютного сухого тела;

2) собственно влажностью – отношением массы влаги к массе влажного тела.

процесса применяют те или иные параметры, характеризующие влажность.

Например, при измерении малых содержаний влаги в чистых газах целесообразнее пользоваться влагосодержанием; при транспортировке газов по трубопроводам необходимо знать температуру точки росы, а дутья в металлургическом производстве лучше характеризовать относительной влажностью.

2 Методы измерения влажности воздуха и газа

В наше время наибольшее распространение в технологических процессах получили следующие методы измерения влажности газов и воздуха: психрометрический, точки росы и гигрометрический.

Простейший психрометр (рис. 2.1) состоит из двух стеклянных

36

термометров (спиртовых или ртутных). Один сухой, другой влажный

(смоченный), обернутый влажной хлопчатобумажной тканью. Конец этой ткани опущен в резервуар с жидкостью.

Рис. 2.1. – Стационарный психрометр (психрометр Августа)

Психрометрический метод измерения влажности основан на измерении психрометрические разницы температур между «сухим» и «мокрым» термометрами. Мокрый термометр смачивается через специальный гнет водой. Испарения, а соответственно и охлаждения поверхности мокрого термометра тем больше, чем ниже влажность газа. Поэтому разница температур сухого и мокрого термометров зависит от влажности газа.

Зафиксировав показания сухого и влажного термометров, с помощью психрометрической таблицы (табл. 2.1) определяется относительная, а затем по психрометрической формуле – абсолютная влажность воздуха.

Табл. 2.1. – Психрометрическая таблица

37

Пример. Сухой термометр показывает 21°С, а влыжный 18°С, т.е.

разность их показаний равна 3°С. В соответствующей графе таблицы находим, что в данном случае относительная влажность воздуха составляет

75%.

Психрометрическая формула, позволяющая определить упругость водного пара (абсолютную влажность) по показаниям сухого и влажного термометров, выглядит так:

e E A P(t t0 )

где е – упругость водного пара, находящегося в воздухе;

Е – максимально возможная упругость водного пара при температуре tс

38

смоченного термометра; t – температура воздуха;

А – коэффициент, зависящий от устройства термометра и скорости прохождения воздуха возле резервуара термометра;

P – давление воздуха.

К преимуществам психрометрического метода следует отнести достаточно высокую точность и чувствительность при температурах выше 0°С.

К недостаткам метода относится уменьшение чувствительности и точности при низких температурах, а также погрешность, связанная с изменчивостью психрометрические постоянной А.

Метод точки росы основан на определении температуры, при которой газ становится насыщенным влагой, находящейся в нем. Эта температура определяется по началу конденсации водяного пара на зеркальной поверхности, температура которой должна устанавливаться каждый раз в интервале температур работы влагомера.

По температуре точки росы можно определить абсолютную влажность или влагосодержание, а если дополнительно измерить температуру газа, то можно определить и относительную влажность. Этот метод является одним из наиболее точных и позволяет производить измерение влажности при любых давлениях газа, как при положительных, так и при отрицательных температурах. Основным чувствительным элементом влагомеров,

основанных на измерении температуры точки росы, является зеркало,

обдуваемое рассматриваемым газом. Это зеркало должно охлаждаться таким образом, чтобы на нем происходила конденсация влаги, находящейся в анализируемом газе. При этом должна фиксироваться температура, при которой начинается выпадение влаги (росы).

При практической реализации метода точки росы существуют определенные трудности. Во-первых, фиксация самого момента начала конденсации («выпадение росы») зависит от метода фиксации (оптический,

39

кондуктометрический и т.д.). Во-вторых, температура точки росы зависит от состояния поверхности, на которой происходит конденсация. В-третьих, при измерении влажности агрессивных газов температуры точки росы могут существенно отличаться от расчетных. Кроме того, агрессивные газы могут вызвать коррозию поверхности, на которой происходит конденсация.

Гигрометрический метод основан на зависимости физических свойств гигроскопичных материалов от влажности окружающей среды. В одном из

первых гигрометров использовалось удлинение обезжиренного

человеческого волоса в зависимости от влажности воздуха. В электрических гигрометрах используют зависимость сопротивления или диэлектрической проницаемости гигроскопичного материала от влажности окружающего воздуха.

В гигрометрических влагомерах чувствительный элемент должен находиться в гигрометрическом равновесии с измеряемым газом. В практике

технических измерений получили распространение следующие

разновидности гигрометрических преобразователей: электролитические,

электролитические с подогревом и сорбционные.

Другие методы измерения влажности газов (полного поглощения,

диффузный, инфракрасного поглощения, теплопроводности и др.) не нашли

широкого применения для технологических процессов.

3 Методы измерения влажности твердых и сыпучих тел

Методы измерения влажности твердых и сыпучих тел условно можно

разделить на две группы:

1)Прямые методы, позволяющие определять массу влаги или сухого вещества в пробе;

2)Косвенные методы, определяющие влажность с параметром,

функционально связанным с влажностью.

40