Измерение давления

    2.2. Косвенные методы, основанные на  фазовых переходах 

    Известно, что любое вещество в зависимости  от давления и температуры может находиться в различных агрегатных состояниях (твердой, жидкой и газообразной фазах). Типовая диаграмма состояний в координатах р и Т представлена на рис. 10. Кривыми линиями изображены границы между различными фазами (кривые равновесия фаз), соответствующие давлениям и температурам, при которых из одной фазы в другую переходит одинаковое число молекул.

    

  

    Рис. 10. Типовая диаграмма состояний 

    При этом кривая СК выражает зависимость от температуры давления насыщенного пара над жидкостью; кривая АС - давления насыщенного пара над твердым телом, кривая ВС - температуры плавления от давления. Например, при давлении р₁ и температуре Т₁, будет наблюдаться равновесие твердой 1 и газообразной 2 фаз. Если при той же температуре Т₁, давление понизить, то начнется переход твердой фазы в газообразную. Этот процесс называется возгонкой или сублимацией („сублимаре" — возносить). Аналогично на границе ВС происходит плавление твердой фазы (кристаллизация жидкой фазы 3), а на границе СК - кипение жидкой фазы (конденсация газообразной фазы). Необходимо отметить также две особые точки. Тройная точка С, находящаяся на пересечении всех трех кривых равновесия фаз, характеризует состояние вещества, когда находятся в равновесии одновременно твердая, жидкая и газообразная фазы. Критическая точка К соответствует критической температуре Т_к и критическому давлению р_к, при которых теряется всякое различие между жидкостью и ее паром, а граница между ними исчезает.

    Указанные выше кривые равновесия фаз и тройная  точка используются в косвенных методах определения давления по результатам измерения температуры в равновесных точках (в области температурных измерений, наоборот, температура определяется по результатам измерения давления).

    Диаграмма состояний дает наглядное представление  о выборе того или иного фазового перехода в зависимости от определяемого  давления. Кривая плавления ВС немного отклоняется от вертикали к оси абсцисс, т. е. температура плавления имеет небольшую чувствительность к давлению. Так, температура плавления льда изменяется на 1 К при изменении давления на 13 МПа (следует отметить, что в отличие от большинства веществ температура плавления льда понижается при повышении давления - штриховая линия СВ на рис 10) , Поэтому кривые плавления используются в косвенных методах определения высоких и сверхвысоких давлений. Процесс сублимации (кривая АС) происходит, как правило, при низких температурах и давлениях, что позволяет его использовать при определении давления в области вакуумных измерений. И, наконец, фазовый переход жидкость—пар (кривая СК) наиболее удобен для области средних давлений помимо указанного, пои выборе того или иного фазового перехода необходимо учитывать физические свойства применяемого вещества.

    В области измерения высоких и  сверхвысоких давлений его значение воспроизводится по кривой плавления  ртути, полуэмпирическое уравнение которой получают по результатам исследований сравнением с эталонным поршневым манометром. Это позволяет построить непрерывную шкалу давлений, по которой градуируются средства измерений высоких и сверхвысоких давлений низшей точности.

    В области средних давлений, где  успешно применяются высокоточные средства измерений, основанные на прямых методах, использование косвенных методов нецелесообразно. Однако представляет интерес, получивший распространение в первой половине нашего века простой способ измерения атмосферного давления, основанный на фазовых переходах „жидкость—пар" (кривая СК на рис. 10), который легко может быть продемонстрирован в любой, даже школьной, лаборатории. 

    2.3. Косвенные методы, основанные на  изменении физических  свойств измеряемой  среды 

    Для определения давления находят также  применение методы, основанные на зависимости от давления различных физических свойств жидкостей и газов и протекающих в них процессах. При этом были использованы результаты исследований влияния давления на плотность и вязкость, диэлектрическую проницаемость, скорость распространения ультразвука, теплопроводность и другие свойства измеряемой среды.

    В области высоких и средних  давлений указанные методы широкого распространения не получили в связи  с их относительной сложностью и  трудоемкостью по сравнению с  другими методами (применение манганинового манометра сопротивления в области высоких давлений, прямые методы измерений в области средних давлений).

    В области вакуумных измерений  указанные методы применяются практически  повсеместно. Зависимость теплопроводности разреженного газа от давления используется в тепловых и термопарных манометрах; зависимость тока положительных ионов от измеряемого давления — в ионизационных манометрах. Используется также зависимость от давления вязкости газа, кинетической энергии молекул, концентрации молекул и пр.

    Наибольшее  распространение в вакуумной  технике (около 70 %) получили термопарные  и ионизационные манометры.

    Термопарный манометр (рис. 11, а) так же, как и тепловой, основан на зависимости теплопроводности разреженного газа от давления. Манометр содержит стеклянную или металлическую колбу 3, в которой помещены нагреватель 1 к впаянная в него термопара 2. Нагреватель питается от источника переменного тока, и его температура, а следовательно, и температура термопары, определяется теплоотдачей в окружающий разреженный газ. Чем меньше давление газа, тем меньше его теплопроводность и тем больше температура, а следовательно, ЭДС на выходе термопары, которая и является мерой измеряемого давления. Шкала прибора 4 для измерения ЭДС градуируется, как правило, в единицах давления. Данный принцип наиболее эффективен при давлениях от 0,1 до 100 Па. При давлениях, меньших 0,1 Па, все большая доля тепла передается излучением, а при давлениях, больших 100 Па, увеличение теплопроводности газа резко замедляется. В обоих случаях существенно уменьшается чувствительность прибора. Погрешность измерений составляет 10—30 %. На градуировочную характеристику существенно влияет состав газа. Поэтому для уточнения показаний термопарного манометра необходима индивидуальная градуировка.

    Принцип действия ионизационного манометра основан на зависимости от давления тока положительных ионов, образованных в результате ионизации разреженного газа. Ионизация газа осуществляется электронами, ускоряемыми электрическим или магнитным полями, а также посредством излучения радиоизотопов. При одном и том же количестве электронов, пролетающих через газ, или постоянной мощности излучения степень ионизации газа пропорциональна концентрации его молекул, т. е. измеряемому давлению 

 

    Рис. 11. Термопарный манометр 

    В простейшем случае наиболее употребим  ионизационный манометр с горячим   катодом   (рис.  11 ,б), содержащий стеклянную колбу 2, в которую впаяны анод 1 и катод 3. Благодаря разогреву катода источником постоянного тока 4, его поверхность испускает электроны, которые разгоняются напряжением U_а между катодом и анодом и ионизируют находящийся между ними газ. Сила тока положительных ионов, измеряемая гальванометром 5, является мерой измеряемого давления

    p=k ·i⁺/i^-, (10) 

    где k — постоянная, зависящая от конструкции прибора и состава газа. Для увеличения степени ионизации между катодом и анодом помещена сетка, на которую подается напряжение, сообщающее дополнительное ускорение потоку электронов. Манометры этого типа охватывают диапазон от 10^-7 до 1 Па, дополняя диапазон измерений термопарного манометра. Погрешности измерений составляют также 10—30 %. 

Глава 3.Датчик для измерения  избыточного давления Метран-43-ДИ

(Модель 3163) 

• Измеряемая среда: жидкость

• Верхний  предел измерения 16 МПа

• Характеристика - линейная

• Предел допускаемой основной

   приведенной погрешности ±0,25;±0,5%

• Питание  от источника постоянного тока

• Температура  окружающей среды -30...+50⁰С

• Степень  защиты датчика от воздействия пыли и воды

    IP55 по ГОСТ 14254

• Виброустойчивое  исполнение V1 и V2 по ГОСТ 12997

• Коррозионностойкие материалы

• Диапазоны  измерений перенастраиваются

• Контроль выходного сигнала без разрыва  сигнальной цепи

• Внесен в Госреестр в качестве средства измерения под № 13576-93 

Датчик  для измерения избыточного давления Метран-43-ДИ предназначен для преобразования избыточного давления в стандартный  токовый выходной сигнал дистанционной  передачи в системах автоматического  контроля, регулирования и управления технологическими процессами.

Датчик  обеспечивает:

- высокую  точность преобразования,

- стойкость  к вибро- и гидроударам,

- долговременную  стабильность сигнала. 

Характеристика - линейная возрастающая или линейная убывающая.

Наибольшее  отклонение  действительной допускаемой  основной  приведенной  погрешности

характеристики    от    номинальной    статической  характеристики ± γ 0,2; 0,4 для предела  допускаемой

основной  приведенной погрешности ±0,25%; ±0,5% соответственно. 

Вариация (гистерезис) не превышает абсолютного  значения

предела допускаемой основной приведенной  погрешности (γ). 

Дополнительная  погрешность датчика, вызванная  изменением температуры окружающего  воздуха в рабочем диапазоне  температур на каждые 10ºС, не превышает:

                  

γ = 0,2+0,05·  Р_max , %

             Р₁

- для  датчиков с пределом допускаемой   основной  приведенной  погрешности   γ = ±0,25%; 

γ = 0,4+0,1·  Р_max , %

             Р₁ 

-  для  датчиков с пределом допускаемой   основной  приведенной  погрешности   γ = ±0, 5%; 

    Р_max - максимальный верхний предел измерений для данной  модели датчика;

      Р₁ – действительное значение верхнего предела измерений 

    Пульсация выходного сигнала не более 0,25% от диапазона изменения выходного  сигнала. 

    Электрическое питание датчика осуществляется напряжением (36±0,72) В постоянного тока.

    Мощность, потребляемая датчиком, не более 1,0 В. А. 

    Детали  измерительного блока изготовлены  из стали 12X18Н1 ОТ по ГОСТ 5632.

    Материал  мембраны - сплав 36НХТЮ по ГОСТ 5632; уплотнительных колец - специальная резина, фторопласт.

    Корпус  преобразователя электронного изготовлен методом литья под давлением  из алюминиевого сплава, не содержащего  медь. Защитное покрытие: эмаль МЛ-12 ГОСТ 9754.

    Датчики снабжены устройством, позволяющим  перенастраивать их на любой из пределов измерений для данной модели.

      Масса датчика модели 3163 – 2,5 кг. Не более. 
 
 
 
 
 
 

    Схема датчика:

 
 

Принцип действия:

    Давление  рабочей среды воздействует на разделительную мембрану 1 и через жидкость 2 вызывает деформацию чувствительного элемента, прочно скрепленного с мембраной тензопреобразователя 3 . Чувствительный элемент -кристалл сапфира с кремниевыми пленочными тензорезисторами (структура КНС). Тензорезисторы соединены в мостовую схему 4. Деформация измерительной мембраны приводит к пропорциональному изменению сопротивления тензорезисторов и разбалансу мостовой схемы. Электрический сигнал с выхода мостовой схемы поступает в дифференциальный усилитель электронного блока 5. Встроенный в усилитель регулятор коэффициента усиления обеспечивает перенастройку диапазонов измерений. Усиленный сигнал преобразуется в унифицированный токовый в преобразователе 6 . Питание всех звеньев электрической схемы датчика осуществляется через узел питания 7. Устройство термокоррекции 8 компенсирует влияние температурных воздействий на тензомост.