Измерване на налягане

Управлението на редица технически процеси в промишлеността неизменно е свързано с точно определяне на налягането, което го подрежда и сред най-често измерваните величини. Широкият диапазон на изменение определя и голямото разнообразие от методи и средства за неговото измерване. В зависимост от измерваната величина - абсолютно налягане, свръхналягане, атмосферно налягане, диференциално налягане или вакуум се използват барометри, манометри, вакууммери и т.н. Използваните днес уреди се характеризират с висока надеждност и точност при измерване налягането на газове, течности и пара.

Методи за измерване
За измерване на налягането се използват няколко метода - хидростатични, електрически, методи, основаващи се на деформацията на еластични преобразователи и такива, основаващи се на механично уравновесяване на налягането. Сред уредите, базиращи са на хидростатичния метод, са барометрите, вакуммерите, U - образните манометри и други. Принципът им на работа се основава на уравновесяване на измерваното налягане от налягането, създавано от стълб течност с известна плътност и височина, пропорционална на налягането. При методите, базиращи се на деформацията на някакъв вид еластичен елемент - пружина, мембрана и др. еластичната сила от деформацията уравновесява силата, създавана от измерваното налягане. Метрологична специфика на деформационните манометри е наличието на хистерезис, дължащ се на несъвършенствата в еластичните характеристики на материалите, от които се изработва чувствителният елемент.

При работа с деформационен манометър е необходимо да се отчитат - температурата на работната среда и промяната в метрологичните характеристики на уреда през периода на използването му. В случай че манометърът ще работи при високи температури, е добре чувствителният елемент да е защитен от въздействието на температурата на работната среда. Причината е, че между еластичността на чувствителните елементи и температурата съществува обратнопропорционална зависимост, т. е. с повишаването на температурата намалява еластичността на чувствителния елемент. Това рефлектира в промяна на статичната характеристика на уреда. Друга причина за изменение на статичната характеристика е стареенето на чувствителния елемент.

В процеса на експлоатация на деформационния манометър се натрупват пластични деформации, изместващи и променящи наклона на статичната характеристика. Обикновено съвременните модели деформационни манометри разполагат с възможности за решаване на подобни проблеми, съпътстващи работата им.

На механичния метод се базират буталните манометри с механично уравновесяване.
Електрическите методи се основават на зависимостта между налягането и електрическите параметри на преобразувателния елемент. Сред уредите, работещи на този принцип, се подреждат пиезоелектрическите манометри, магнитоеластичните манометри, йонизационни манометри и др.

Често използвана класификация на уредите за измерване на налягане е и в зависимост от принципа им на действие, спрямо които се разделят на течностни, механични, бутални и електромеханични.

Течностни манометри
Този тип манометри са широко използвани както в индустрията, така и за лабораторни цели поради тяхната точност на измерване и сравнително елементарна конструкция. Характерна тяхна особеност е възможността да бъдат използвани за стандартни измервания, а така също и като уреди за калибриране на други измервателни прибори. Сред основните им предимства са липсата на движещи се части, лекотата на работа с тях, сравнително невисоката цена.

От течностните манометри в практиката най-широко използвани са U-образните и чашковите. Използват се предимно за измерване на свръхналягане, разреждане и разлика в налягане на течности и газове. В зависимост от големината на измерваното налягане, като работна течност се използва вода, спирт, живак и други. Обикновено за измерване на налягания до 7000 Ра се използва предимно вода, а за налягане до 0,1 МРа - живак.

Деформационни манометри
Уредите за измерване на налягане, използващи методите, основаващи се на деформацията на еластични преобразуватели, обикновено се класифицират в зависимост от вида на еластичния елемент. Спрямо този критерий те обикновено се подразделят на тръбно-пружинни; мембранни; силфонни и комбинирани.

При тръбно-пружинните манометри като преобразувател на налягането се използва еднонавивкова или многонавивкова тръбна пружина, позната още и като тръба на Бурдон. Манометрите с тръбна пружина са сред най-широко използваните средства за измерване на налягане. Чувствителният елемент представлява тръба, най-често с елипсовидно сечение. В единия си край тръбната пружина се закрепва неподвижно към носач. Другият й край е свободен. Обикновено свободният край на тръбната пружина е свързан чрез зъбен механизъм със стрелката на прибора. През неподвижно свързания край на чувствителния елемент се подава флуидът, чието налягане се измерва.

Под действието на разликата в двете налягания - измерваното и атмосферното, напречното сечение на тръбната пружина се деформира и свободният й край се премества. За корекция на статичната характеристика на уреда се променя разстоянието - от точката на свързване на чувствителния елемент със зъбния сектор до делителния му диаметър. Въпреки, че и до днес еднонавивковите пружинни манометри се използват широко, конструкцията им е послужила като основа за разработването на други усъвършенствани модели уреди за измерване на налягане.

Предлагат се пружинни манометри, предназначени за сигнализация при достигане на определени гранични стойности. През годините са се наложили и конструкции, при които традиционният, изцяло механичен пружинен манометър е заменен с уреди с електрически, хидравличен или пневматичен изходен сигнал, със силова или магнитна компенсация.

По отношение на материала, от който е изработен чувствителният елемент е добре да се има предвид, че при измерване на високи налягания обикновено се използват легирани стомани или никелови сплави. Измервателният обхват и точността на пружинния манометър зависят от конкретното конструктивно изпълнение.

Уредите за измерване на налягане с мембранни и силфонни преобразуватели използват като чувствителен елемент мембрана, мембранна кутия или гофрирана тръбичка. При мембранните уреди се използват както еластични мембрани, така и нееластични. Обикновено, за изработка на мембраните, които на практика представляват кръгли тънкостенни пластини с определена дебелина, се използва най-вече стомана или бронз.
През годините традиционно използваната плоска мембрана, представляваща твърда пластинка, закрепена неподвижно по окръжност, претърпява съществено развитие в посока гофрирани мембрани и мембранни кутии.

Причината е в основния недостатък на плоската мембрана във функцията й на чувствителен елемент - нелинейността на зависимостта между преместването на центъра на мембраната и текущата стойност на измерваното налягане. Посредством гофриране на мембраната е възможно чувствително да се линеаризира статичната й характеристика. Съществува правопропорционална зависимост между дълбочината на гофриране и линейността на статичната характеристика на този вид деформационни манометри. Мембранните кутии се използват по-широко от гофрираните мембрани и представляват пакети от мембрани, запоени или заварени по външния си ръб.

Разработени са и конструкции мембранни манометри, при които мембраната се изработва от специална тъкан, върху която е нанесен слой от гума или пластмаса. В този случай ролята на чувствителен елемент обикновено играе винтова пружина, опряна в центъра на мембраната.

В мембранните манометри широко използвани са индуктивните и капацитивните преобразуватели, чрез които физическото преместване на центъра на мембраната се преобразува в електрически сигнал.

При силфоновите уреди измервателният елемент представлява тънкостенна тръба с напречни гофри. Силфоните се използват предимно за налягане до 2,5 МРа и разлики в наляганията до 0,2 МРа. Като недостатък на силфоните се посочва значителният хистерезис и известната нелинейност на характеристиката. За преодоляване на този недостатък силфоните обикновено се използват в комбинация с винтови пружини, което увеличава твърдостта и намалява влиянието на хистерезиса и нелинейността върху точността.

Принципът на работа на силфонните диференциални манометри се базира на създадената разлика в налягането в двете камери на силфонния манометър, която води до деформация на силфона и изтласкване на определено количество флуид от камерата с по-високо към камерата с по-ниско налягане. Процесът е съпроводен с преместване на определен елемент, свързан неподвижно с дъното на силфона.

Еластичността на силфона се определя от комплекс фактори, сред които дебелина на стената на тръбата, брой на гофрите, радиус на закръглението им, материал от които е изработен силфонът, външния и вътрешния му диаметър и др. За разлика от пружинните манометри, силфонните се отличават с доста по-тесен измервателен обхват. По-големите възможности, които предлагат за увеличаване на ефективната площ, им позволяват да се използват за измерване на малки свръхналягания и разреждания.

Силфонните средства за измерване на налягане се използват широко като диференциални манометри и вакуумметри. Освен в чисто механично изпълнение, силфонни манометри се предлагат във вид на електрически и пневматични преобразуватели на налягане.

Бутални манометри
Работата на буталните манометри е в съответствие с основната дефиниция на налягането - сила, приложена върху единица площ или в случая, силата е следствие от действието на налягането върху площта на буталото. При стандартните бутални манометри за индустриални приложения тази сила се уравновесява от силата на пружина. Изместването на пружината е функция на налягането, което се отчита по съответната скала.

Буталните манометри с пружина се считат за много подходящи при големи динамични товари. Техни недостатъци са износването на уплътнението и трудностите при отчитане на налягането поради тясно разграфената скала. Точността им обикновено е между 1 и 5%. Ограничавайки движението на буталото, се осигурява добра защита срещу свръх налягане.

Друга разновидност на буталните манометри са буталните манометри с противотежести. Те са широко използвани в лабораторната практика за градуиране и проверка на различни манометри. Налягането на течността се уравновесява от силата на калибрираните тежести. Точността им обикновено е между 0.005% и 0.1%. Основен проблем е осигуряването на добро уплътняване на буталото в цилиндъра. Необходимо е да се осигури минимално триене между повърхнините на буталото и цилиндъра, за да се ограничи грешката при измерването, а също така и утечките да бъдат сведени до минимум. Това налага използването на подходящи материали за изработка на буталото и цилиндъра и добра обработка на контактните повърхнини.

Често буталните манометри се окомплектоват с устройства за създаване на налягане, монтиране и контрол на различни типове манометри. Подобна конструкция е позната като манометрична преса. Манометричните преси се отнасят към категорията на най-точните устройства за измерване на налягане, поради което те се използват предимно като контролни уреди.

Електрически уреди за измерване на налягане
При електрическите уреди за измерване на налягане измерваната величина се преобразува директно в електрически параметър. На този принцип работят пиезоелектричните уреди, магнитоеластичните, капацитивните и други. При пиезоелектрическите манометри налягането директно се преобразува в електрически потенциал. Използват се предимно за измерване на налягане до 100 МРа. Сред посочваните им недостатъци са високото изходно съпротивление, трудностите при измерване на статично изменящи се налягания и други.

Магнитоеластичните манометри работят с магнитоеластични преобразуватели, от които до голяма степен се определят и техните характеристики.

Действието на капацитивните манометри се основава на изменението на капацитета на кондензаторна система, в зависимост от измерваното налягане. Тези манометри се характеризират с висока чувствителност, добри механични свойства и малки габаритни размери. Като техни недостатъци обикновено се посочват силното влияние на паразитни капацитети, поради което се налага старателно екраниране на всички електрически вериги. Използвано решение за намаляване влиянието на капацитета на кабела, свързващ първичния преобразувател с електронната схема, е вграждането й в преобразувателя, но това води до ограничаване на температурния интервал, в който може да работи преобразувателя.

Тези манометри намират приложение при измерване на бързо изменящи се процеси и на ниски налягания.

За измерване на вакуум се използват вакуумметри на базата на термосъпротивления, с които обикновено се измерва вакуум от 1330 -1330.10-3 Ра; вакуумметри, изработени на основа на магнитоелектрозарядни устройства, които измерват вакуум от 1330 .10-3- 1330 .10-7 Ра; прибори с йонизационни преобразуватели, използвани за измерване на вакуум в интервала 1330 .10-3 до 1330.10-7 Ра.