Измерение давления.

1 Паскаль – единица измерения давления в системе СИ.

1Па = 1Н/1м²

1МегаПа = 10⁶ Па

Несистемные: атмосферные = 1кгс/см² = 10⁵ Па=1бар.

мм ртутного столба = 133,3 Па

мм водного столба = 9,8 Па

Приборы для измерения давления:

• манометры (давление выше атмосферного, избыточное давление);

• вакуумметры (давление ниже атмосферного);

- дифференциальные манометры – измеряют разность давлений.

Манометры разделяют:

• жидкостные;

• пружинные с упругим преобразователем;

• электрические;

Избыточное давление должно превышать давление при 0⁰С. Абсолютное давление должно превышать давление при 0⁰К.

А) Жидкостные манометры.

1)

P=∆h₁+∆h₂

Стеклянная V – образная трубка заполненная на половину жидкостью. Один конец открыт, а на другой подается давление. Отсчет суммируется от двух показаний – вверх от нуля и вниз от нуля (в этом недостаток).

2) Чашечный манометр:

Площадь левого колена намного больше площади правого, изменение столба жидкости будет прямо пропорционально площади. Т.е. опускание жидкости в чашке незначительно, отсчет от одного уровня, от нуля (в одну сторону).

3) Поплавковый дифференциальный манометр:

Два колена на ½ заполнены и соединены между собой. Уровень левой трубки определяет положение поплавка.

Пусть Р₁ > P₂

ΔP = h(γ_p – γ_c)

γ_p – плотность рабочей среды жидкости;

γ_c – плотность среды;

h=h₁

Перемещение поплавка измеряется дифференциальным трансформаторным датчиком.

U_ВЫХ=k∆P

4) Кольцевой дифференциальный манометр:

Трубка с перегородкой на ½ наполнена жидкостью и подвешена на призме, т.е. может качаться.

Если P₁ > P₂, то жидкость из левой половины вытесняется, появляется разность уровней и возникает вращающий момент М_В.

- вращающий момент; R – радиус; ℓ=h sinα

- тормозящий момент;

Если , то k=

α=arcsin k ∆P

Для получения равномерной (линейной) шкала необходимо использовать арксинусный преобразователь. Для электрического сигнала надо использовать потенциометр с характеристикой арксинус.

5) Колокольный дифференциальный манометр:

Колокол погружен в жидкость. Внутри него Р₂, снаружи Р₁.

На колокол действует выталкивающая сила, пропорциональная разности давлений (и это равно массе жидкости, вытесненной колоколом). Сила уравновешивается пружиной; если не было бы уравновешивающей силы, то колокол бы выпрыгнул. Перемещается измерительный дифференциальный трансформаторный датчик.

Б) Манометры с упругими преобразователями.

1)

Манометр с трубчатой пружиной или трубка Бурдона. Трубка из упругого материала (бронза), прогнута в виде кольца. Один конец запаян, а с другого подается давление. Особенность трубки – сечение. Под действием давления сечение трубки расширяется и трубка распрямляется. Для повышения чувствительности необходимо увеличивать длину трубки. Для уменьшения габаритов датчика трубку можно свернуть спирально, при этом увеличится чувствительность и угловое перемещение оси.

2) Сильфонный дифференциальный манометр.

Разность давлений преобразуется в изгибающий момент балки. Тензодатчик измеряет внутреннее напряжение в балке.

3)Мембранный дифференциальный манометр:

Упругий преобразователь – гофрированная мембрана (сталь, латунь) помещается в коробку.

4)

Две мембранные коробки образованы двумя спаянными мембранами. Коробка заполняется водой, т.к. вода является передающей средой.

Сапфир 22 ДИ – выше атмосферного давления;

ДА – абсолютное давление;

ДД – дифференцирующий датчик;

ДНВ

Подложка бывает либо кремневая либо сапфировая. ТД это кремний.

Есть мембрана (чувствительный элемент) и перемещение незначительное, измеряется внутреннее перемещение. Мембрана соединена с сапфирной подложкой, на которую нанесены пленочные кремниевые тензорезисторы. Сапфир –это кристаллическая решетка, как у кремния.

Пленочный тензодатчик, измеряет растяжение или сжатие – мембраны в радиальном направлении.

ПДВ (преобразователь давления вибрационный):

Упругий элемент – негофрированная мембрана. На ее поверхности струна – плоская лента. Сверху и снизу адаптеры. Колебания струны определяют колебания частоты генератора и зависит от давления.

Датчик давления с вибрирующим цилиндром:

Внутрь цилиндра подается давление. По стенкам цилиндра протекает ток на массу (I). Цилиндр помещен в магнитную систему. На проводник с током (цилиндр), помещенный в магнитное поле действует сила, которую можно определить по правилу левой руки. Под действием этих сил цилиндр вытягивается, сечение искажается пропорционально току, и сила будет действовать в другую сторону, т.е. стенки вибрируют, давление будет влиять на частоту.

Четыре пластины образуют дифференциальный емкостный датчик, которые подключают ко входу усилителя.

Выходная величина – частота электрических колебаний.

Измерение расхода жидкости и газа.

Различают расходы:

1. Мгновенный (в единицу времени: кг/сек);

2. Суммарный (счетчик – водомер, интегрирующие приборы);

Расход можно измерить косвенным путем, измеряя давление, скорость. Можно измерить и прямым путем (объем, масса).

Расходомеры с сужающими устройствами (по перепаду давления).

В трубе сужающее устройство (шайба). Подключен дифференциальный манометр.

ТЭЦ

T=400C

Q=k(P₁-P₂)

P=500 атм.

Чем меньше внутренний диаметр расходной шайбы, тем больше ∆Р.

Вход-расход

Выход-∆Р

Q=f (∆P).

Расходомеры с постоянным перепадом давления и уровня (по обтеканию).

Ротаметр:

Обязательно наличие сонического участка, расположенного вертикально, для этого используется коническая пробка. Поток жидкости или газа движется снизу и приподнимает пробку настолько, чтобы перепад давления снизу и сверху был равен весу поплавка, при это м приоткрывается проход.

Выходная величина – перемещение поплавка.

Входная величина – расход.

Q=f (∆x).

Электромагнитный «Взлет ЭР»:ИР-61.

~

E0

П

ℓ

рименяется для измерения расхода проводящей жидкости (воды).

Основан на законе электромагнитной индукции, согласно которой в жидкости, пересекающей пульсирующий магнитный поток, индуцируется ЭДС пропорциональная скорости движения жидкости.

Достоинства:

- нет влияния t⁰С окружающей среды;

- независимость от вязкости, плотности и химического состава;

- высокое быстродействие;

- линейность;

- большой диапазон.

E=BℓV=BDV+E₀

ℓ – расстояние между электродами;

ℓ=D

D-диаметр;

V=Q/S

V – скорость;

S=πD²/4

Q-расход

S-сечение

вход – расход

выход – Е

Q=f (E).

ЭДС зависит от температуры связности.

Скоростные расходомеры:

ТДР – турбинный датчик расхода (7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21). Применяется в авиации.

Жидкость-керосин, масла, спирт, аммиак, вода.

Вязкость ТДР7÷ТДР11 - 50 мм²/с,

ТДР12÷ТДР21 – 100мм²/с.

f=500±50 Гц – на верхнем пределе.

Q=a+bf

a, b – градировочный коэффициент.

f=kn

f - частота

k – число лопастей

n – число оборотов

- идеальная характеристика.

а – зона нечувствительности.

В потоке вращается элемент (вертушка). Скорость вращения зависит от скорости движения среды жидкости или газа и зависит от расхода. Если измерять количество оборотов – интегральный расход. Если измерять скорость – мгновенный расход.

Делаются также обмотки, т.е. индукционный принцип получения электрического сигнала.

Вход – расход

Выход - либо S.

Q=f(υ), Q=f(S)

Шариковый расходомер:

Вода заходит по касательной и закручивается, увлекая за собой шарик. Шарик выполнен из резины со стальными опилками. Когда шарик проходит мимо датчика, то наводятся импульсы.

Вход – расход

Выход – f. Q=f(f).

Вихреакустический датчик – расходомер.

1 – тело обтекания;

2. – пьезоизлучатель;

3. – пьезоэлемент – приемник;

4. – генератор ультразвуковой частоты;

5. – фазовый детектор;

6. – цифровой фильтр;

7. – блок формирования сигнала;

Q≡V_x Вход – расход, выход – φ. Q=f(φ).

При движении потока за препятствие происходит завихрение. Чем больше завихрение, тем больше скорость потока. Через зону завихрения проходит ультразвук, происходит сдвиг фазы ультразвуковой волны, пропорциональный интенсивности завихрения.

Фазовый детектор выделяет сигнал.

Цифровой фильтр отслеживает помехи.

Ультразвуковой расходомер:

;

С-скорость ультразвука в среде

пренебрегаем, т.к. << C

Д₁, Д₂ – преобразуют электрический сигнал в ультразвук; Д₃, Д₄ – наоборот.

Вход – расход, выход - ∆φ. Q=f(∆φ).

Расходомер со сносом излучения:

1 - нагреватель 2, 3 – медные термометры

сопротивления Rt₁ и Rt₂

Под действием тепла нагревателя меняется сопротивление термометра 3.

Термоанемометр (датчик движения воздуха):

1 – нить накала

2 – термопара

Через нить накала проходит ток. Чем быстрее скорость воздуха, тем быстрее охлаждается нить.

U_K – для компенсации разогрева холодных концов термопары.

R₁>>R_Л R₁+R_Л=50 Ом.