Измерение давления в промышленности
Для того чтобы измерить давление жидкости или газа, и при этом отобразить измеренное значение давления на табло, шкале или индикаторе измерительного прибора используются манометры, отвечающие стандарту ГОСТ 8.271-77.
В случае, если отсутствует необходимость отображения полученных данных на первичном приборе, но требуется передавать данные дистанционно на соответствующий пульт управления, то разумнее применять измерительный преобразователь давления или просто датчик давления. Эти два устройства также могут быть объединены в одном приборе.
Классификация манометров происходит по следующим критериям: конструкция и принцип действия, вид измеряемого давления, тип отображения данных, назначение, применение и т.д. По принципу действия происходит следующее разделение манометров:
- Жидкостные – уровень давления измеряется благодаря гидростатическому уравновешиванию измеряемого давления столбом жидкости необходимой высоты (в качестве жидкости может выступать вода или ртуть);
- Деформационные – давление измеряется величиной деформации или смещения упругого чувствительного элемента – трубчатой пружины, мембраны, сильфона;
- Грузопоршневые – чтобы измерить давление необходимо его гидростатически уравновесить через газообразную или жидкую среду прибора оказываемым поршнем, совмещенным с грузоприемным устройством и набором образцовых гирь давлением;
- Электрические – измеренное значение давления зависит от следующих электрических параметров: заряд, сопротивление, частота чувствительного элемента, емкость;
- Иные – ионизационные, тепловые, термопарные и др.
Совершая локальные измерения давления энергоносителей в промышленных условиях, зачастую применяются деформационные манометры, основу которых составляет одновитковая трубчатая пружина – трубка Бурдона – (прямопоказывающие стрелочные приборы) или многовитковая пружина (самопишущий манометр). В настоящее время вместо этих манометров устанавливают электрические манометры, оборудованные цифровым табло и различными системами интерфейсов.
Разделение манометров по виду измеряемого давления:
- Манометры – избыточное и абсолютное давление;
- Вакуумметры – разрежение;
- Мановакуумметры – давление и разрежение;
- Барометры – атмосферное давление;
- Дифманометры (дифференциальные манометры) – разностное давление.
Манометры, мановакуумметры и вакуумметры, использующиеся для измерения довольно не больших давлений (не более 20 – 40 кПа) газовых сред называются соответственно напоромерами, тягонапоромерами и тягомерами, а имеющие такой же диапазон измерений дифманометры – микроманометрами. Все эти средства измерения давления должны отвечать техническим характеристикам, соответствующим общим техническим условиям (ГОСТ 18140-81, ГОСТ 2405-88 и др.).
Разделение манометров по области применения:
- Общепромышленные – используются в промышленных условиях перепадов температур, вибраций, высокой влажности, повышенного уровня загрязнения внешней среды и прочее;
- Специальные – используются в экстремальных условиях (железнодорожный и водный транспорт, кислотные и прочие агрессивные среды, котельные установки);
- Лабораторные – отличаются повышенной точностью, поскольку применяются в стабильных и комфортных условиях лабораторий
- Образцовые – используются для проверки рабочих манометров;
- Эталонные – хранят единицы давления, чтобы передать их образцовым приборам.
Разделение манометров по типу отображения полученных значений измеряемого уровня давления:
- Прямопоказывающие – визуальное считывание данных непосредственно с аналогового (стрелочного) или цифрового датчика прибора;
- Электроконтактные (сигнализирующие) – выдают управляющий электрический сигнал методом замыкания или же размыкания контактов сети в момент достижения заранее заданного значения измеряемым давлением;
- Самопишущие (регистрирующие) – записывают в устройство памяти значения давления как функции времени и отображают эти значения на электронном табло.
Манометрами выполняется функция локального контроля и в подавляющем большинстве случаев ввиду отсутствия возможности получения дистанционного доступа к полученным показаниям (исключение составляют манометры, имеющие унифицированный выходной электрический сигнал) не могут быть использованы для целей, поставленных современной автоматизацией. Зато возможностью дистанционного доступа обладают измерительные преобразователи давления. По способу обработки полученных данных и отображению их измерительные преобразователи давления можно разделить на:
- Первичные – осуществляют формирование выходного сигнала, соответствующего измеряемому давлению, для дистанционной передачи,
- Вторичные – получают, обрабатывают, накапливают, отображают и передают далее, на очередной уровень системы, сигнал от первичного преобразователя.
Современное развитие преобразователей давления сводится к их «интеллектуализации», с применением микропроцессоров, что выразится в передаче части функций имеющейся системы вторичным преобразователям, а часть их функций достанется первичным преобразователям.
Имеется не один десяток способов, позволяющих преобразовать давление в электрический сигнал, но лишь часть из них получила широкое применение в общепромышленных преобразователях давления.
Разделение первичных преобразователей давления по принципу действия:
- Деформационные – трансформация деформационного перемещения чувствительного элемента (мембрана, трубка Бурдона, сильфон) при помощи дополнительных промежуточных преобразователей и механизмов в электрический сигнал;
- Электрические – изменение электрических параметров (емкость, сопротивление, заряд) чувствительного элемента измеряемым давлением, которые становятся мерой измеряемого давления.
Наибольшую популярность получили электрические тензорезисторные преобразователи давления. Тензорезисторным чувствительным элементом (иногда называются пьезорезисторными) является металлическая или диэлектрическая измерительная мембрана с размещенными на ней тензорезисторами, снабженными контактными площадками для осуществления проводного подключения к электроизмерительной схеме. Воздействуя на мембрану, внешнее давление создает локальную деформацию тензорезисторного моста, что приводит к его разбалансу – изменяется сопротивление, измеряемое электронным блоком. Тензорезисторы могут быть металлическими (проволока, фольга, пленка) и полупроводниковыми (монокристаллические (кристаллы кремния), а также поликристаллические (порошкообразный полупроводник)).
Разделение преобразователей давления по выходному сигналу:
- Аналоговые;
- Цифровые.
Большая часть преобразователей является аналоговыми, имеющими унифицированный токовый сигнал 0 – 5мА, 0 – 20мА и 4 – 20мА.
Выбирая средство измерения давления, пользователю приходится сравнивать множество различных рабочих характеристик различных преобразователей, дабы найти оптимальное решение для определенных условий применения. Выбирать приходится из множества факторов – температура, стоимость, вид среды, точность, совместимость (конструктивная, информационная, технологическая) с верхним уровнем системы, а именно с его средствами обработки сигнала. Если при выборе средства измерения давления не учитывать возможность дополнительных затрат (издержки по эксплуатации, расходы по конкретному применению, учет показателей надежности), то выбор по принципу «дешевле, значит лучше» может привести к ложной экономии.