Способ измерения давления

No Comments

Известны следующие основные методы измерения давления: весовой, пружинный, силовой, частотный, пьезорезисторный, термокондуктивный, ионизационный и электрокинетический. Рас­смотрим особенности этих методов.

1. Весовой метод [9]

Весовой метод основан на уравновешивании сил давления весом столба жидкости или эталонного груза. Построенные по этому методу поршневые манометры практически неприменимы на летательных аппаратах из-за больших погрешностей при на­клонах и ускорениях.

2. Пружинный метод [1], [9]

Пружинный метод основан на зависимости деформации упру­гого чувствительного элемента от приложенного давления. В манометрах деформация передается на отсчетное устройстве (рис. 6.1), а в датчиках преобразуется в электрическую величи­ну, которая и служит выходным сигналом (рис. 6.2). Область давлений, измеряемых пружинными манометрами и датчиками, лежит в пределах от нескольких мм вод. ст до сотен атмосфер.

3. Силовой метод [9]

Силовой метод основан на зависимости силы или момента сил, развиваемых неупругим или упругим чувствительным эле­ментом, от приложенного давления. По этому методу строятся две разновидности приборов и датчиков давления:

а — силовые датчики прямого преобразования (рис. 6.3), в ко­торых развиваемая чувствительным элементом сила преобразует­ся с помощью электрического преобразователя в электрическую величину; в качестве электрических преобразователей могут быть использованы угольные, полупроводниковые, пьезоэлектрические, магнитоупругие элементы [4], [7], [9], [12];

б — приборы и датчики с силовой компенсацией (рис. 6.4), в которых сила, развиваемая чувствительным элементом, урав­новешивается силой, создаваемой компенсирующим элементом[16].

В зависимости от типа компенсирующего устройства выход­ным сигналом может служить сила тока (см. рис. 6.4, а), линей­ное или угловое перемещение (см. рис. 6.4, б).

Силовой метод применим для измерения давлений в тех же пределах, что и пружинный метод.

4. Частотный метод [2], [5]

Частотный метод основан на зависимости частоты собствен­ных колебаний тонкостенного цилиндрического резонатора от разности давлений, действующих на его внутреннюю и внешнюю поверхности. Датчики, построенные по этому методу (рис. 6.5), называются вибрационными датчиками давления (ВДД).

С помощью электронной схемы периодически возбуждаются собственные колебания резонатора или он постоянно находится в автоколебательном режиме. Выходным сигналом ВДД может служить частота электрических импульсов, что позволяет исполь­зовать ВДД в системах с цифровыми вычислительными маши­нами.

5. Пьезорезисторный метод [9]

Пьезорезисторный метод основан на зависимости электриче­ского сопротивления проводника или полупроводника от величи­ны воздействующего на него давления. На рис. 6.6, а изображена схема пьезорезисторного датчика давления, чувствительным элементом которого является манганиновая проволока диаметром 0,03—0,05 мм.


При подаче давления в 1000 кГ/см 2 сопротивле­ние изменяется всего на 0,2%. Поэтому резисторные датчики с чувствительным проволочным элементом применимы для измере­ния очень высоких давлений (десятки тысяч атмосфер). Чувствительные полупроводниковые элементы (ферриты, керамиче­ские пьезоэлектрики и др.) обладают более высокой чувстви­тельностью, чем проволочные, но их характеристики нестабиль­ны и существенно зависят от температуры [4], [12].

6. Термокондуктивный метод [6], [10]

Термокондуктивный метод основан на зависимости теплопро­водности газа от его абсолютного давления (при малых абсолют­ных давлениях). При протекании по проволоке (см. рис. 6.6,6) электрического тока, сила которого поддерживается постоянной, температура нагрева проволоки будет зависеть от теплопровод­ности окружающего газа, которая линейно изменяется в зависи­мости от давления в области малых давлений. Температуру про­волоки можно измерять с помощью приваренной к ней термопа­ры, если же применить материал с большим температурным ко­эффициентом, то о температуре нагрева можно судить по изме­нению сопротивления проволоки. Чувствительность термокондуктивных датчиков зависит от состава газа.

Область применения термокондуктивного метода измерения давления ограничена пределами 10ч-10

7. Ионизационный метод [3], [6], [10], [15]

Ионизационный метод основан на зависимости степени иони­зации газа от давления. В зависимости от типа датчика иониза­ция газа создается за счет электронной эмиссии или радиоак­тивным излучением. Электронный датчик представляет собой трехэлектродную электронную лампу с накаливаемым катодом, внутрь которой подается измеряемое давление р (см. рис. 6.6, в). При наличии разности потенциалов между анодом и катодом, превышающей ионизационный потенциал газа, молекулы газа ионизируются электронами, летящими от катода к аноду. При этом на отрицательно заряженной сетке образуются положитель­ные ионы и создается сеточный ионизационный ток, величина которого при р=10 -3 мм рт. ст. пропорциональна абсолютному давлению, если анодный ток постоянен. Выходной величиной дат­чика служит ионизационный ток.

Область применения электронного датчика — от 10 -3 до 10 -3 мм рт, ст., величина сеточного тока при этом составляет 10 -4 10 -7 а.

Разновидностью ионизационных манометров является маг­нитный электроразрядный манометр, отличающийся от рассмот­ренного выше отсутствием накала катода. Молекулы газа, дав­ление которого измеряется, ионизируются свободными электро­нами, которые движутся с большой скоростью от катода к ано­ду, под влиянием высокого анодного напряжения от сотен до нескольких тысяч вольт. Для увеличения длины свободного про­бега электронов (с целью повышения вероятности их столкнове­ния с молекулами газа) между катодом и анодом создается маг­нитное поле, искривляющее траекторию движения электронов, которые движутся при этом по спирали. Сила тока газового раз­ряда имеет сравнительно большую величину — сотни микроам­пер, и может быть измерена без предварительного усиления. Пределы измерения магнитных газоразрядных манометров 10 -6 1 мм рт. ст.

Радиоактивный датчик давления отличается от электронного тем, что ионизация молекул газа создается под воздействием – частиц (положительно заряженных ядер гелия), образующихся при распаде радиоактивного вещества с достаточно большим периодом полураспада. В качестве источников излучения исполь­зуются препараты радия, полоний-210, плутоний-239. Слой ве­щества нанесен на один из двух электродов, помещенных внутрь камеры, в которую подается измеряемое давление (см. рис. 6.6, г). Последовательно с электродами включено сопротив­ление и подведено напряжение и. Выходной величиной служит ионизационный ток I или падение напряжения, создаваемое этим током на сопротивлении R. Это напряжение можно уси­лить с помощью усилителя с высоким входным сопротивлением. Недостатком радиоактивных датчиков является малая вели­чина ионизационного тока (10 -9 10 -16 а), вследствие чего к изоляции электродов и входной цепи усилителя предъявляются вы­сокие требования. В частности, во входном каскаде усилителя необходимо применять электрометрическую лампу. Давления, измеряемые радиоактивными датчиками, лежат в пределах 10 -3 10 3 мм рт. ст.

8. Электрокинетический метод [14]

Электрокинетический метод основан на возникновении элек­трокинетического потенциала полярной жидкости при ее перете­кании через пористую диафрагму. Построенный по этому мето­ду датчик давления (рис. 6.7), содержит диафрагму из кера­мики, помещенную внутрь цилин­дрического объема, ограничен­ного двумя мембранами и запол­ненного полярной жидкостью (на­пример, раствором йодистого ка­лия с небольшой добавкой йода, отрицательные ионы которого яв­ляются носителями зарядов). При воздействии на мембраны разности давлений часть жидко­сти перетекает сквозь диафрагму, причем образуется разность по­тенциалов, снимаемая двумя платиновыми электродами, поме­щенными по обе стороны диафрагмы. Электрокинетические дат­чики применимы для измерения переменных давлений, так как при постоянном давлении перетекание жидкости через диа­фрагму с течением времени прекращается. Частотный диапазон измеряемого давления может быть от десятых долей до несколь­ких сотен герц, диапазон измеряемых давлений — от тысячных долей до десятков атмосфер. Недостатком электрокинетических датчиков, помимо невозможности измерения постоянных давле­ний, является большая температурная погрешность.

Оценим рассмотренные методы с точки зрения их применимости на летательных аппаратах.

Достоинством электрических методов, лежащих в основе кондуктометрических, пьезорезисторных, ионизационных (электрон­ных, газоразрядных и радиоактивных) датчиков, является воз­можность преобразования давления в электрический сигнал без применения подвижных частей; однако этим датчикам присущи определенные недостатки, из-за которых они не находят широ­кого применения на летательных аппаратах: кондуктометрический и электронный датчики действуют лишь в области низких давлений, а пьезорезисторные — очень высоких; радиоактивные датчики обладают малой чувствительностью.

Из электрических методов измерения давления практическое применение имеет ионизационный метод; ионизационные датчи­ки используются на космических летательных аппаратах для из­мерения малых давлений верхних слоев атмосферы.

Электрохимические датчики пока не находят практического применения, так как они непригодны для измерения медленно измеряющихся давлений и, кроме того, имеют большие темпера­турные погрешности.

Электромеханические методы — силовой и пружинный — бо­лее пригодны для измерения давления на летательных аппара­тах, так как позволяют строить датчики, действующие в широ­ких пределах — от тысячных долей до сотен и даже тысяч ат­мосфер. Наиболее прост силовой метод прямого преобразования, но его применение ограничено из-за недостаточной точности эле­ментов, преобразующих развиваемое чувствительным элементом усилие в электрический сигнал; что касается пьезоэлектрических преобразователей, то они непригодны для измерения медленно изменяющихся давлений.

Метод силовой компенсации более перспективен с точки зре­ния повышения точности измерения давления, но датчики, по­строенные по этому методу, сравнительно сложны, что несколько ограничивает применение данного метода.

В связи с развитием бортовых цифровых вычислительных ма­шин перспективным является частотный метод измерения давле­ния, который пока еще недостаточно проработан.

Наиболее широкое применение на летательных аппаратах всех классов нашел пружинный метод, обеспечивающий достаточно точное измерение давления в нужном диапазоне. Ниже рассмат­риваются более подробно пружинные манометры и датчики дав­ления, а также электрические дистанционные манометры.

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Артериальное давление, или АД – это важный показатель состояния и функционирования организма человека. Что он означает физически? Это сила вертикального давления крови на стенки сосудов. Измерение этого показателя – первая процедура на приеме у врача. Уровень его выражается цифрами в дроби: верхняя строка – это систолическое, нижняя – диастолическое давление.

Как возникает?

При сокращениях сердца ритмически возникают систолы (сокращение желудочков) и диастолы (расслабление). Рассмотрим подробнее. При сокращении сердце выталкивает кровь из левого желудочка в аорту, эта сила и создает давление на стенки сосудов. Что же действует на значения этого показателя?

На изменение артериального кровяного давления влияют:

  • количество и вязкость крови, которая выбрасывается в круг кровообращения в единицу времени;
  • сама емкость сосудистого русла;
  • частота сокращений сердца (ЧСС);
  • сопротивление стенок сосудов;
  • время суток;
  • напряжение стенок артерий;
  • физические нагрузки;
  • внешняя среда и пр.

О методах измерения переменного давления и идет речь в данной статье. Продолжим изучение.

При выбросе крови из сердца в аорту возникает систолическое давление (СД). Затем аортальные клапаны захлопываются. Желудочки расслабляются. Давление падает. Теперь оно – диастолическое (ДД). Разница между ними – давление пульсовое.

Единицей измерения АД принято считать 1 мм ртутного столба. Норма СД – 110-129 мм рт. ст., ДД – 70-99 мм рт. ст. Цифры, отличные от этих, должны рассматриваться как патология.

Перепад – это процесс изменения давления (падение или скачок). Он происходит в течение определенного времени, например утром и вечером. Методы измерения перепадов давления ничем не отличаются от обычного измерения АД. Далее рассмотрим приборы, предназначенные для этих целей.

Характеристики

Анатомо-физиологическое строение сердечно-сосудистой системы предполагает такие разновидности давления:

  • в полости сердца;
  • по сосудам – артериальное, венозное и капиллярное.

Рассмотрим подробнее. Особенность системы кровообращения состоит в том, что давление в ней растет от центра к периферии. Это было установлено измерением методом переменного перепада давления. Т. е. с уменьшением радиуса сосуда показатель падает, потому что растет гидравлическое сопротивление крови.

Самым высоким давлением может похвастаться только аорта. Далее оно уменьшается сразу на 15 %, а в капиллярах – уже на 85 %. Получается, что сердце затрачивает большую часть своей энергии на преодоление именно этого давления в мелких сосудах. Наименьшее значение показателя получено в системе полой вены. Движение крови по сосудам происходит за счет градиента давления, т. е. его разности на разных участках.

Зачем знать свое АД

Владеть этой информацией необходимо потому, что даже небольшие отклонения давления от нормы создают предпосылки для серьезных заболеваний и патологических состояний – инфарктов, инсультов, сердечной и почечной недостаточности.

Именно АД нужно измерить в первую очередь при жалобах на головокружение, головные боли и слабость. Повышение всегда начинается с повреждения сосудов. Давно известно, что именно измерение давления многократно в практике врачей спасало жизни больных. О значении этого показателя знали еще врачи в древности. Поэтому и лечили многие болезни кровопусканием и отмечали при этом улучшение состояния у многих пациентов.

Как появились измерительные аппараты

История создания тонометров началась еще 300 лет назад. Впервые давление было измерено у животных Стефаном Хелсом в 1733 г. Для этого он ввел стеклянную трубку прямо в артерию лошади и определил показатель по высоте столба крови в ней.

Пуазейль усовершенствовал этот примитивный аппарат, прибавив к имевшемуся устройству манометр с ртутной шкалой. Впоследствии Людвиг изобрел кимограф с поплавком, что дало возможность непрерывно записывать нужные значения.

В конце 19-го века итальянец Рива-Роччи создал бескровный метод измерения артериального давления пальпаторным способом. Он предложил использовать для этого специальную резиновую манжету для пережима артерии на руке.

В 1905 году русский врач Н. С. Коротков усовершенствовал метод. Его особенность заключалась в прослушивании стетоскопом тонов артерии в локтевом сгибе. Сегодня этот принцип работы по сжатию сосудов с целью измерения АД используется до сих пор.

Виды тонометров

Все приборы делятся на механические и электронные. Их действие – это метод измерений переменного перепада давления. Делать это можно в любое время суток. Электронные приборы существуют автоматические и полуавтоматические, принцип работы у всех одинаков. Они используются для измерения в домашних условиях. Автоматические тонометры подразделяются на плечевые и запястные устройства.

Механические приборы

Они, в большинстве своем, состоят из таких частей:

  • компрессионной манжеты;
  • манометра ртутного или пружинного;
  • груши-нагнетателя (баллона);
  • крана для спуска воздуха.

Все эти части соединены резиновыми трубочками. К этой системе прилагается фонендоскоп. Применяются такие приборы в основном в лечебных учреждениях.

Полуавтоматические устройства

Отличие от механического тонометра состоит в наличии груши, накачивающей воздух в манжету. Снятие показаний происходит за счет вмонтированной электроники, они показываются на экране дисплея. Эти аппараты используют и в больницах, и дома.

Автоматические электронные плечевые приборы

Работают очень просто. Больному нужно наложить манжет на плечо и нажать кнопку старта. Все остальное – за автоматикой устройства: накачивание манжеты, анализ и результат. Такие измерители удобны для использования дома.

Автоматические тонометры для запястья

Они отличаются от других приборов только расположением на теле при проведении манипуляции. Их удобно брать с собой в дорогу ввиду компактности. Но такое измерение АД не рекомендовано тем, у кого имеются изменения в сосудах (при атеросклерозе, сахарном диабете).

Существуют такие модели, которые протоколируют время и дату хронометража, ошибки при работе. Данные сохраняются в памяти прибора и могут быть вынесены на монитор компьютера. Это используют для суточного мониторинга АД у некоторой категории пациентов.

Далее рассмотрим методы измерения давления крови.

Неинвазивные (непрямые) способы

Большинство этих методов компрессионные и основаны на выравнивании артериального давления с внешним (атмосферным) при спускании воздуха из манжеты.

Они подразделяются на:

  1. Пальпаторный – самый простой. Предложен Рива-Роччи. Давление в манжете поднимают накачиванием в нее воздуха. Причем заведомо высокое, чтобы пережать артерию. Затем манжету медленно сдувают, выпуская из нее воздух. В это же время следят за появлением пульса на запястье в лучевой артерии. Значение давления будет систолическим.
  2. Аускультативный – используется еще с 1905 года. Метод Короткова для измерения давления в настоящее время признан ВОЗ эталоном неинвазивного определения АД. Хотя данные при его применении получаются несколько ниже для СД и выше для ДД, чем при измерении инвазивном. Манометр бывает ртутным, стрелочным или электронным. Манжета всегда накладывается в области плечевой артерии, расположенной на уровне сердца, и ее давление совпадает с давлением в аорте.
  3. Осциллометрический – подробно будет рассмотрен далее в статье.

Особенности аускультативного метода

Руки пациента должны быть расположены на уровне сердца, на столе, а сам он должен сидеть. Аускультация производится фонендоскопом над проекцией плечевой артерии в локтевой ямке. Физические основы клинического метода измерения давления крови заключены в том, что существует феномен "звучания" артерии. Поясним.

Прохождение крови через сдавленный участок создает шумы за счет турбулентного течения крови. Их появление – показатель СД. Это первые тоны. Воздух продолжает выпускаться, и кровоток постепенно полностью становится ламинарным. Вихревые шумы исчезают. Это означает, что внешнее давление сравнялось с артериальным. Прекращение шумов покажет на манометре ДД.

Это физические основы метода измерения давления крови. Классическое АД у взрослого: СД – 128-132, ДД – 83-85 мм рт. ст. на правой и левой руке соответственно.

Хотя измерение артериального давления по методу Короткова официально считается стандартом, у него есть свои плюсы и минусы. Плюс – это высокая устойчивость к движению руки.

  • шумы в помещении меняют показатели;
  • головка фонендоскопа должна быть расположена правильно – в локтевой ямке;
  • нужно иметь навыки измерения.

Кроме того, могут возникать ошибки при несоответствии размеров манжеты и объема плеча, неправильном расположении руки, быстром выпуске воздуха из манжеты.

Прямой метод

Инвазивный (прямой) метод измерения артериального давления применяется путем катетеризации сосудов. Используется в научных целях в диагностических лабораториях, кардиологических и кардиохирургических центрах.

Сегодня такой способ – единственный метод измерения давления в аорте и самом сердце. С манометром соединена игла в артерии или канюля через трубочку. Или же в кровоток вводится сам датчик. Его сигналы в виде кривой регистрируются магнитной лентой манометра.

Метод применим только в условиях стационара, в полной стерильности, когда возникает необходимость суточного мониторинга. Давление и время измерения рисуется в виде кривой.

Хотя эти методы измерения кровяного давления и отличаются высокой точностью, но они достаточно травматичны, поскольку игла вводится непосредственно в сосуд или полость сердца.

Минус способа еще и в том, что такие пациенты нуждаются в постоянном присутствии врача из-за риска отсоединения зонда с последующим кровотечением, тромбозом в месте пункции, вторичного инфицирования.

Инвазивный метод измерения давления – прямой способ оценки показателей. Для него необходим достаточный кровоток в артерии.

Недостатком прямых методов измерений давления крови является необходимость проникновения в полость сосуда, что всегда чревато осложнениями.

Осциллометрический метод (электронный)

Метод основан на регистрации пульсаций давления, возникающего в приборе при прохождении крови через сдавленный участок артерии. Устройства этого типа более всего подходят для домашнего пользования. Плюс метода – не нужен помощник.

Навыки для проведения измерения также не нужны, прибор устойчив к шуму в помещении. Существует возможность не оголять руку – с тонкой кофтой точность не нарушится. Но практикующие врачи считают механический способ более точным, поскольку показатели электроники зависят от ее качества, что не всегда обусловлено высокой ценой.

С помощью осциллографа частота пульсовых колебаний крови фиксируется и выводится на дисплей тонометра. Принцип работы тот же – компрессионный, просто датчики расположены в самой манжете. Накачивание и сдувание – автоматическое.

  1. Высокая цена.
  2. Зависимость приборов от батареек. Если они начали разряжаться, точности не будет.
  3. Необходима неподвижность руки при замерах.

Почему не совпадает АД на левой и правой руках

Это связано с разницей в строении сосудов. Левая подключичная артерия отходит самостоятельно от аорты и сразу вливается в левый плечевой кровоток, где и измеряют АД.

Справа ход сосудов другой. От аорты отходит сначала брахиоцефальный ствол, который затем уже делится на сонную и подключичную артерию. Поэтому АД на правой руке, как правило, на 5-10 мм рт. ст. ниже, чем на левой конечности (измерения проводить предпочтительно на ней).

Давление и возраст

С возрастом у мужчин АД повышается равномерно. А вот у женщин до наступления климакса этот процесс происходит слабо, поскольку организм находится под защитой эстрогенов. Но зато после этого (с угасанием яичников) слабый пол не только догоняет, но и перегоняет мужчин по повышению уровня АД.

Что может повлиять на давление при измерении

Полные люди и курильщики всегда имеют более высокие показатели. Повышается АД при стрессах и физических нагрузках, при запорах и после еды, после принятия спиртного, чая и кофе, перед мочеиспусканием, при нахождении в холодном помещении, если рядом лежит мобильный телефон, у спортсменов перед стартом, после принятия ванны или душа.

Основные правила проведения процедуры – как измерять:

  • в состоянии покоя;
  • после еды через час;
  • после мочеиспускания.

Для стабилизации давления можно сделать пять глубоких вдохов.

Порядок измерения у пожилых и беременных

У людей преклонного возраста чаще наблюдается нестабильность АД в связи с изменениями сосудов. Замеры проводят три раза и берут среднее арифметическое значение. Кроме этого, у пожилых людей на давление может влиять смена позы, поэтому показатели снимают стоя и сидя.

По АД можно судить о протекании беременности. При измерении давления женщина в положении должна полулежать.

Широкое использование давления, его перепада и разряжения в технологических процессах вызывает необходимость применять разнообразные методы и средства измерения и контроля давления.

Методы измерения давления основаны на сравнении сил измеряемого давления с силами:

давления столба жидкости (ртути, воды) соответствующей высоты;

развиваемыми при деформации упругих элементов (пружин, мембран, манометрических и анероидных коробок, сильфонов и манометрических трубок);

упругими силами, возникающими при деформации некоторых материалов и вызывающими электрические эффекты.

В соответствии с указанными методами средства измерения параметров давления можно разделить на жидкостные, деформационные, грузопоршневые и электрические. Наибольшее распространение в промышленности получили деформационные средства измерения.

Средства измерения давления подразделяются на барометры (для измерения атмосферного давления), манометры (для измерения избыточного давления), вакуумметры (для измерения вакуумметрического давления), манометры абсолютного давления (для измерения давления, отсчитываемого от абсолютного нуля), дифференциальные манометры (для измерения разности (перепада) давления).

Жидкостные средства измерения давления. Действие жидкостных средств измерений основано на гидростатическом принципе, при котором измеряемое давление уравновешивается давлением столба затворной (рабочей) жидкости. Разница уровней в зависимости от плотности жидкости является мерой давления.

Простейшим прибором для измерения давления или разности давлений является двухтрубный (или U– образный) манометр (рис. 2.141,а), представляющий собой согнутую стеклянную трубку, заполненную рабочей жидкостью (ртутью или водой) и прикрепленную к панели со шкалой. Один конец трубки соединяется с атмосферой, а другой подключается к объекту, где изменяется давление. Его значение определяется из выражения

Где р – измеряемое давление, Па; h– разность уровней жидкости, м;- плотность жидкости, кг/м 3 ;g– ускорение силы тяжести, м/с 2 .

Верхний предел измерения двухтрубных манометров составляет 1…10 кПа при приведенной погрешности измерения 0,2…2%. Точность измерения давления этим средством будет определяться точностью отсчета величины h, точностью определения плотности рабочей жидкости  и не зависеть от сечения трубки.

Более удобным средством измерения давления является однотрубный (чашечный) манометр (рис.2.141,б), в котором одна из трубок заменена сосудом, диаметр его, как правило, в 20 раз больше диаметра трубки. Принцип действия манометра аналогичен рассмотренному выше, однако давление или разряжение будет определяться по формуле:

где d, , D диаметры трубки и широкого сосуда соответственно, м;

f, F– сечения трубки и широког7о сосуда, м 2 .

Так как соотношение диаметров или сечений трубки и сосуда значительны, понижением уровня h2при изменении давления можно пренебречь и отсчет вести только по стеклянной трубке, т.е. поh1.

Однотрубные манометры имеют верхний предел измерения 1,6…10 кПа, приведенная погрешность измерения составляет 0,25…0,4%.

На рис. 2.141,в показан однотрубный микроманометр, основанный на том же принципе, который применяется для измерения малых величин давления (до 2 кПа). В этом манометре стеклянная трубка расположена под углом к горизонту. При этом точность измерения увеличивается в несколько раз.

Учитывая, что h1 = l sin и пренебрегая малостью величиныf/F, измеряемое давление можно определить из выражения

С уменьшением угла наклона трубки уменьшаются пределы измерения манометром, и увеличивается точность измерения.

Рассмотренные выше жидкостные средства измерения давления характерны отсутствием дистанционной передачи показаний, небольшими пределами измерений и низкой прочностью. В то же время благодаря своей простоте, дешевизне и относительно высокой точности измерений они широко распространены в лабораториях и реже в промышленности при эпизодических измерениях и проверке средств измерений других типов.

Деформационные средства измерения давления основаны на уравновешивании силы, создаваемой давлением или вакуумом контролируемой среды на чувствительный элемент, силами упругих деформаций различного рода упругих элементов. Эта деформация в виде линейных или угловых перемещений передается регистрирующему устройству (показывающему или самопишущему) или преобразуется в электрический (пневматический) сигнал для дистанционной передачи.

В качестве чувствительных элементов используют трубчатые пружины (рис.2.142, а), многовитковые пружины (рис.2.142,б), упругие мембраны (рис.2.142,в), упругие мембранные коробки (рис.2.142,г, д), двойные упругие мембранные коробки (рис.2.142,е, ж), пружинно-мембранные с гибкой мембраной (рис.2.142,з), сильфонные (рис.2.142,и) и пружинно-сильфонные (рис.2.142,к).

Для изготовления мембран, сильфонов и трубчатых пружин применяются бронза, латунь, хромоникелевые сплавы, отличающиеся достаточно высокой упругостью, антикоррозийностью, малой зависимостью параметров от изменения температуры.

Рассмотрим подробнее некоторые деформационные средства измерения давления.

Мембранные приборыприменяются для измерения небольших давлений (до 40 кПа) нейтральных газовых сред. Класс точности данных приборов 2,5.

На рис. 2.143 показана конструкция мембранного вакуумметра с профильной шкалой от 250 до 25 000 Па. Чувствительным элементом служит мембранная коробка 6, соединенная с изменяемой средой с помощью трубки 12. Мембрана прикреплена к корпусу прибора с помощью штуцера 13. Изменение давления измеряемой среды вызывает соответствующее изменение прогиба мембранной коробки 6. При этом поводок 9, прикрепленный к верхней части мембранной коробки 6, поворачивает рычаг 7, установленный на оси 8. Для увеличения жесткости упругой системы ось 8 закреплена на плоской пружине 10. Поворот рычага 7 вызывает перемещение тяги 14 и рычага 1, установленного на оси 4. На этой же оси с помощью стопорного винта 2 закреплена указательная стрелка 5 с противовесом 3. Конец указательной стрелки 5 перемещается вдоль горизонтальной профильной шкалы. Спиральная пружина 15 служит для устранения влияния зазоров в сочленениях рычажного механизма. Для установки стрелки на начальную отметку шкалы служит винт 11 корректора нуля. ,0

Сильфонные приборы предназначены для измерения избыточного и вакуумметрического давления неагрессивных газов с пределами измерений до 40 кПа, до 400 кПа (как манометры), до 100 кПа (как вакуумметры).

Чувствительным элементом этих приборов является сильфон (см. рис. 2.142,и), представляющий собой тонкостенную цилиндрическую емкость с поперечной гофрировкой, которая изменяет свои линейные размеры при перепаде давлений внутри и вне ее. Сильфоны изготавливают их фосфористой бронзы, нержавеющей стали или медноникелеевого сплава.

Применяют сильфоны диаметром 8…150 мм толщиной стенки 0,1…0,3 мм, с числом волн 4; 6; 10 и 16.

Приборы рассматриваемого типа конструктивно состоят из двух частей: сильфонного блока и регистрирующего блока (показывающего или самопишущего). Оба блока встроены в единый корпус.

На рис.2.144 показана конструкция сильфонного самопишущего манометра. Измеряемое давление через штуцер 7 подается в камеру 6, где размещается сильфон 4. Внутренняя область сильфона 4 сообщается с атмосферой. Внутри сильфона 4 установлена пружина 5, противодействующая его сжатию. В донышко сильфона 4 упирается штифт 3, соединенный с рычагом 2, передающим перемещение от сильфона 4 рычагу 1. Этот рычаг тягой 10 соединен с рычагом 9, передающим перемещение стрелке 8 с укрепленным на ней пером. След движения стрелки с пером записывается на диаграмме, перемещаемой часовым механизмом или синхронным двигателем.

Трубчато-пружинные приборы принадлежат к числу наиболее распространенных манометров и вакуумметров.

Трубчатая пружина представляет собой тонкостенную, согнутую по дуге окружности, трубку (одно- или многовитковую) с запаянным одним концом, которая изготавливается из медных сплавов или нержавеющей стали. При увеличении или уменьшении давления внутри трубки пружина раскручивается или скручивается на определенный угол.

На рис.2.145 представлено устройство простейшего пружинного манометра. Оно состоит из корпуса 1; полая трубка 2, выполненная в форме согнутой по кругу на угол 270 с поперечным овальным сечением, с одной стороны свободна и наглухо закрыта, а с другой – впаяна в держатель, который присоединен к источнику измеряемого давления при помощи штуцера 8. Закрытый конец трубки поводком 7 соединен с зубчатым сектором 6, который зацеплен с шестерней 5, установленной на одной оси с показывающей стрелкой 4. Под действием избыточного давления трубка разгибается, ее свободный конец перемещается и тянет поводок 7, который1 поворачивает связанный с ним зубчатый сектор 6. Последний вращает шестерню 5 и стрелку 4, указывающую по шкале 3 величину измеряемого давления. Для устранения мертвого хода между зубьями сектора и шестерни применена спиральная пружина 9.

Манометры рассмотренного типа выпускаются для верхних пределов измерения 60…160 кПа.

Все рассмотренные выше деформационные средства измерения давления относятся к недистанционным схемам, основанным на принципе прямого преобразования деформации в сигнал, поступающий на показывающее устройство.

Существует значительное число схем дистанционного типа, в которых сигнал деформации упругого элемента (мембраны, сильфона, пружинной трубки и т.п.) используется для перемещения элемента преобразователя (электрического, индуктивного и т.п.), сигнал которого и регистрируется на показывающем устройстве (рис.2.146).

Так, на рис.2.146,а сигнал деформации упругого элемента (мембраны) используется для перемещения движка потенциометра. Потенциометр образует два плеча (R1иR2) моста, а два других плеча составлены из резисторовR3иR4. В качестве указателя в манометре применяется двухкатушечный логометр 1 с неподвижными рамками (катушками) и подвижным магнитом 2.

Изменение давления в полости манометрической коробки преобразуется в силу, которая вызывает деформацию коробки. Последняя вызывает перемещение щетки по потенциометру, а, следовательно, и изменение разности сопротивлений и напряжений на диагонали моста. Отношение токов в рамках двухкатушечного логометра 1 определяет положение показывающей стрелки.

В целях устранения контактного трения щетки о потенциометр применяются бесконтактные преобразователи: индуктивный или емкостной. В манометре с индуктивным дифференциальным преобразователем (рис.2.146, б) якорь связан с жестким центром мембраны. Снимаемые с индуктивного преобразователя 1 сигналы переменного тока, промодулированные по амплитуде сигналом деформации, выпрямляются диодом Д, и на двухкатушечный логометр с подвижным магнитом 2 указателя поступают детектированные сигналы, пропорциональные измеряемому давлению.

Применяются также схемы с уравновешивающими преобразователями: статические (силовая компенсация) и астатические (следящие системы).

В схеме статического уравновешивания (рис.2.146, в) деформация сильфона преобразуется в перемещение рычага 1, на конце которого установлен преобразователь сигналов 2. Сигналы с преобразователя после усиления в усилителе У поступают на отсчетное устройство ОУ и на катушку силового электромагнита 3, якорь которого связан с рычагом 1. При взаимодействии токов в катушке с магнитным полем постоянного магнита образуется сила, уравновешивающая силу, создаваемую сильфоном, и препятствующая перемещению рычага 1. При этом чем больше измеряемое давление, тем больше сила тока в катушках. Таким образом, с точностью до статической погрешности рычаг будет находиться в среднем положении, а показания прибора, пропорциональные силе тока в катушках, будут являться мерой давления, подаваемого в прибор.

Электрические манометры и вакуумметры.

Действие приборов этой группы основано на свойстве некоторых материалов изменять свои электрические параметры под действием давления.

Пьезоэлектрические манометрыприменяют при измерении пульсирующего с высокой частотой давления в механизмах с допустимой нагрузкой на чувствительный элемент до 8*10 3 ГПа. Чувствительным элементом в пьезоэлектрических манометрах, преобразующим механические напряжения в колебания электрического тока, являются пластины цилиндрической или прямоугольной формы толщиной в несколько миллиметров из кварца, титана бария или керамики.

Конструкция преобразователя пьезоэлектрического манометра показана на рис.2.148. Измеряемое давление через мембрану 7 действует на пьезоэлементы 8 и 9, расположенные так, что на их внутренних гранях, соприкасающихся с металлической прокладкой 4, возникают одноименные заряды. Потенциал с внутренних граней пластинок снимается изолированным проводником 3, присоединенным к прокладке 4, а с внешних граней пьезоэлементов – через корпус и металлические прокладки 2 и 5, мембрану 7 и шарик 10, крышку 1. Штуцер 6, зажимающий мембрану 7, служит для присоединения чувствительного элемента к объекту измерения.

Величина электрического заряда будет прямо пропорциональна давлению:

где q– заряд, Кл; к – пьезоэлектрическая постоянная, Кл/Н; р –давление, Па;S- площадь поверхности пластин, м 2 .

Измерение заряда выполняется электронной схемой.

Тензометрические манометры имеют малые габаритные размеры, простое устройство, высокую точность и надежность в работе. Верхний предел показаний 0,1…40 Мпа. Применяются в сложных производственных условиях.

В качестве чувствительного элемента в тензометрических манометрах применяются тензорезисторы, принцип действия которых основан на изменении сопротивления под действием деформации.

Конструкция тензометрического манометра приведена на рис. 2.149. Манометр имеет цилиндрический корпус 4, образующий в верхней части упругую мембрану, а в нижней – штуцер для подвода измеряемого давления р. К мембране припаяна круглая сапфировая пластина 1, на поверхность которой нанесены тонкопленочные полупроводниковые тензорезисторы R1…R4из монокристаллического кремния.

Тензорезисторы с помощью припаянных к ним выводных проводов 5, соединены со сборными пластинками 2, закрепленными на кольце из диэлектрика 3.

Давление в манометре измеряется схемой неуравновешенного моста, плечами которого являются тензорезисторы R1…R4.

В результате деформации мембраны с сапфировой пластинкой 1 и тензорезисторами возникает разбаланс моста в виде напряжения, которое с помощью усилителя преобразуется в выходной сигнал, пропорциональный измеряемому давлению.

Принцип действия тепловых вакуумметров (рис.2.150) основан на зависимости теплопроводности газовой среды от степени ее разряжения. В обеих схемах чувствительным элементом является нагретая путем пропускания электрического тока платиновая нить 3, расположенная в вакуумном баллоне 2. При увеличении разряжения среды ее теплопроводность будет уменьшаться, следовательно, нагретая нить будет хуже отдавать тепло стенкам вакуумного баллона 2, в результате чего ее температура будет возрастать. Измеряя температуру нити, можно судить о наличии вакуума. Температура нагрева нити должна быть около +100˚С для исключения теплопередачи за счет лучеиспускания.

В термопарном тепловом вакуумметре температуру измеряют термопарой 5, изготовленной из хромель-копели, и соединенной с нитью при помощи крючка из тонкой проволоки. Температура нити измеряется милливольтметром, подключаемым через электрические вводы 1.

Тепловые вакуумметры применяются для измерения очень малых величин давления (вакуума)

Дифференциальные манометры применяются для измерения разности (перепада) давления жидкостей и газов. Они могут быть использованы для измерения расхода газов и жидкостей, уровня жидкости, а также для измерения малых избыточных и вакуумметрических давлений.

Наиболее широкое распространение в промышленности получили мембранные и сильфонные дифференциальные манометры.

Мембранные дифференциальные манометрыявляются бесшкальными первичными измерительными приборами, предназначенными для измерения давления неагресивных сред, преобразующими измеряемую величину в унифицированный аналоговый сигнал постоянного тока 0…5 мА, переменного тока взаимной индукции 0…10 мГн или в пневматический сигнал давления 20…100 кПа.

Схема мембранного дифференциального манометра типа ДМ с дифференциально-трансформаторным преобразователем представлена на рис. 2.151,а. Чувствительным элементом этого манометра является мембранный блок, состоящий из двух мембранных коробок 1 и 3, закрепленных в корпусе 2. Мембранные коробки изготовлены из гофрированных мембран, выполненных из немагнитного хромоникелевого сплава. Внутренние полости коробок заполнены дистиллированной водой и черех отверстие в перегородке сообщаются между собой. С центром верхней мембраны связан сердечник 4 дифференциально-трансформаторного преобразователя 5. Сердечник 4 перемещается внутри разделительной трубки 6, выполненной из немагнитной стали. Давление р1 и р2в камеры дифференциального манометра подводится трубками через запорные вентили, причем давление р1 больше давления р2. Под действием измеряемой разности давлений (р12) нижняя мембранная коробка 1 сжимается и жидкость из нее перетекает в верхнюю мембранную коробку 3, вызывая перемещение центра мембраны верхней коробки, а вместе с ней и сердечника 4 преобразователя до тех пор, пока усилие от приложенной к мембранному блоку разности давлений не уравновесится упругими силами мембранных коробок. Перемещение сердечника 4 приводит к изменению напряжения выходного сигнала пропорционально измеряемому перепаду давления.

Дифференциальные манометры типа ДМ выпускаются на предельные перепады давления 1,6…630 кПа.

Сильфонные дифференциальные манометры. На рис. 2.151,б показана конструкция сильфонного дифференциального манометра с магнитным преобразователем. Измерительный блок дифференциального манометра состоит из сильфона 1, в который встроена пружина 2, ее жесткость определяет диапазон измеряемого перепада давления. Сильфон 1 жестко соединен с плоской пружинной подвеской 3, с которой связан магнитный сердечник 4. Магнитный сердечник 4 находится внутри разделительной трубки 5 из немагнитной стали, на на которой установлен преобразователь 6 с магнитной компенсацией. Рядом с преобразователем 6 расположен транзисторный усилитель 7. Подвод давления р1и р2в камеры дифференциального манометра осуществляется через импульсные трубки. Под воздействием разности давлений (р12) сильфон 1 сжимается, вызывая перемещение его дна. При этом перемещается магнитный сердечник 4 преобразователя 6, воздействующий на магнитный усилитель, выходной сигнал которого дополнительно усиливается и в виде унифицированного сигнала 0…5 мА поступает ко вторичному прибору.

Сильфонные дифференциальные манометры выпускаются на предельные перепады давления 1…4 кПа, они рассчитаны на предельно допустимое рабочее избыточное давление 25 кПа.

Categories: Давление

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Adblock detector