10
BADANIE CZUJNIKÓW CIŚNIENIA.
W przemyśle (także w praktyce laboratoryjnej) pomiary ciśnienia oprócz pomiarów temperatury należą do najczęściej wykonywanych pomiarów w procesach produkcyjnych. Pomiary te dotyczą zarówno ciśnień statycznych jak i dynamicznych cieczy i gazów, przy czym pomiary zmiennych ciśnień dokonywane są rzadziej. Miernikami ciśnienia są manometry w, których czujniki wykorzystują różne zjawiska fizyczne i sposoby przetwarzania badanego ciśnienia na sygnał wyjściowy odwzorowujący wartości badanego ciśnienia. Wykorzystuje się tu zjawiska fizyczne zachodzące w gazach, cieczach lub ciałach stałych np. rozszerzalność, zmiany temperatury, odkształcenie, zmiany częstotliwości drgań, zmiany przewodnictwa w półprzewodnikach, właściwości propagacji fal akustycznych lub optycznych itp. Z różnorodności tych zjawisk wynika mnogość konstrukcji i właściwości manometrów. Ze względu na prostotę konstrukcji, dużą niezawodność i praktycznie liniową zależność wskazań od mierzonego ciśnienia rozpowszechnione są manometry z „ rurką Bourdona” w, których wykorzystuje się odkształcenie sprężyste jednostronnie zamkniętej specjalnie zwiniętej spłaszczonej rurki metalowej pod wpływem ciśnienia panującego wewnątrz rurki. Manometry te pozwalają mierzyć ciśnienia statyczne z błędem względnym (0,5 ¸ 5)%, a ich konstrukcja pozwala w łatwy sposób przetwarzać odkształcenie rurki na sygnał elektryczny przy pomocy indukcyjnościowego czujnika przemieszczenia. Ma to istotne znaczenie w automatyzacji procesów przemysłowych. W praktyce w manometrach często oprócz rurek Bourdona wykorzystuje się jako elementy sprężyste w kształcie mieszków i membran i przetwarza się ich odkształcenie lub siły parcia i naprężenia za pomocą czujników indukcyjnościowych, pojemnościowych, tensometrycznych i piezoelektrycznych. Czujniki piezoelektryczne często są stosowane przy pomiarach dużych ciśnień. Do wzorcowania manometrów przemysłowych zwykle wykorzystuje się manometr tłokowo-wagowy realizujący wprost definicję ciśnienia hydrostatycznego. Manometry o dużej dokładności wzorcuje się przy pomocy skomplikowanych laboratoryjnych manometrów i termometrów gazowych wykorzystujących w swym działaniu prawa gazów doskonałych.
Ze względu na sposób równoważenia sił parcia wywoływanych ciśnieniem manometry można podzielić na następujące rodzaje:
· Hydrostatyczne - równoważenie słupem cieczy,
· Hydrauliczne - ciecz stanowi zamknięcie przestrzeni w, której panuje mierzone ciśnienie, umożliwiające równoważenie inną metodą,
· Sprężynowe - w, których siłę parcia równoważy siłą sprężyny nie będącą częścią naczynia ograniczającego przestrzeń ciśnienia.
· Sprężyste - równoważenie siłą sprężystości odkształcanego elementu sprężystego będącego częścią naczynia w, którym panuje mierzone ciśnienie,
W manometrach hydrostatycznych wykorzystuje się zasadę naczyń połączonych. W praktycznych konstrukcjach naczynia te mają różne kształty, których pierwowzorem było naczynie w kształcie litery U (U-rurka) jak na rys.1.
Rys.1. Zasada konstrukcji manometru hydrostatycznego typu; U-rurka.
Z warunku równowagi sił w manometrze jak na rys.1 wynika:
(1)
gdzie: g - lokalne przyśpieszenie ziemskie,
h - różnica wysokości słupa cieczy manometrycznej,
p1, p2 - ciśnienia odpowiednio: mierzone i odniesienia (często ciśnienie atmosferyczne lub normalne),
r1, r2 - gęstości mediów w ramionach U-rurki.
Błąd pomiaru ciśnienia (różnicy ciśnień) sprowadzający się do błędu odczytu różnicy wysokości słupów h zależy od temperatury. Jeśli manometr wzorcowano przy temperaturze J0 , a pomiaru dokonuje się przy temperaturze J to jako rzeczywistą różnicę wysokości słupów (rys.1) cieczy manometrycznej należy przyjąć:
(2)
stąd błąd względny błąd temperaturowy jest równy:
(3)
gdzie: a - współczynnik objętościowej rozszerzalności cieczy manometrycznej,
b - współczynnik liniowej rozszerzalności materiału podziałki do odczytu wysokości h.
Błąd pomiaru ciśnienia manometrami tego typu zależy od rodzaju cieczy manometrycznej. Na przykład dla rtęci i mosiężnej podziałki odczytowej błąd ten wynosi ok.0,02%/deg, a dla wody ok. 0,03%/deg w zakresie temperatur (20 ¸40)°C.
Manometry typu U-rurki mają niezbyt szeroki zakres pomiarowy przy stosunkowo dużych wymiarach geometrycznych co powoduje, że są one rzadko stosowane w przemysłowych pomiarach ciśnień. Częściej stosowane są manometry działające na przedstawionej zasadzie lecz o bardziej złożonej konstrukcji często z przetwarzaniem wysokości słupa h na sygnał elektryczny przy pomocy czujnika pojemnościowego. Dotyczy to zwłaszcza manometrów pływakowych w, których przemieszczenie pływaka jest miarą mierzonej różnicy ciśnień p1 - p2. Maksymalna różnica mierzonych ciśnień Dp. dla manometrów typu U-rurki z rtęcią jako cieczą manometryczną nie przekracza 2bar (1bar = 105N/m2 = 105Pa, 1at = 1kG/cm2 » 9,81×104Pa).
2. Manometry hydrauliczne.
Manometry hydrauliczne typu wagi pierścieniowej lub dzwonowe jak na rys.2 nadają się do pomiaru niewielkich ciśnień i ich różnic z błędem rzędu 0,1mbar.
Rys.2. Manometr wagowy dzwonowy z dzwonami cienkościennymi.
W układzie manometru jak na rys.2 w stanie równowagi ciśnień: p1 - p2 = 0 siły wyporu hydrostatycznego działające na dwa cienkościenne dzwony są sobie równe, a siła ciężkości m×g ciężkiej dźwigni dwuramiennej przechodzi przez jej środek pionowo pod łożyskiem. Jeśli ciśnienia p1 i p2 nie są sobie równe dźwignia przechyla się o kąt j . Dla przyjętych na rys.1 oznaczeń i dowolnego ustalonego położenia dźwigni odpowiadającego równowadze sił wyporu w dzwonach można napisać:
,
stąd (4)
gdzie: m. R - odpowiednio masa i promień dysku dźwigni,
r - odległość środka ciężkości dysku od łożyska obrotu dźwigni,
D - średnica dzwonu.
3. Manometry sprężynowe.
W manometrach sprężynowych element zamykający przestrzeń ciśnienia nie wytwarza siły równoważącej lecz odpowiednio dobrana sprężyna jak na rys.3.
Rys.3. Szkic konstrukcji manometru sprężynowego a) oraz charakterystyka manometru b).
Manometry sprężynowe nadają się do pomiaru ciśnień (różnicy ciśnień - manometry różnicowe o dwóch mieszkach z, których na jeden działa ciśnienie p1 , a na drugi ciśnienie p2 i sprężyna - „celka Bartona”) o wartościach od ok. 0,1mbar wzwyż. Charakterystykę manometru sprężynowego jak na rys.3 opisuje zależność:
(5)
lub po podzieleniu przez pole przekroju A:
(6).
W przypadku manometru różnicowego wartość p0 w zależności (6) może być równa zeru.
Przemieszczenie x części ruchomej tych manometrów może być łatwo przetworzone na sygnał elektryczny za pomocą przetwornika indukcyjnościowego.
4. Manometry sprężyste.
W manometrach sprężystych wykorzystuje się zależność odkształcenia sprężystego s od mierzonego ciśnienia p. dobierając kształt elementu sprężystego tak aby uzyskać możliwie dużą liniowość charakterystyki manometru. Zależność tę można z dostateczną dla praktyki dokładnością przedstawić w postaci:
(7)
przy czym E - moduł Younga materiału elementu sprężystego,
kk - współczynnik zależny od kształtu elementu sprężystego ( zawiła funkcja wymiarów geometrycznych, rodzaju materiału i kształtu),
pa - ciśnienie panujące w komorze pomiarowej manometru,
p0 - ciśnienie otoczenia.
Manometry sprężyste cechuje duża zdolność wykonania pracy Q (możliwość przemieszczania zewnętrznych elementów współpracujących z manometrem), którą można określić zależnością:
(8)
gdzie: h - sprawność elementu sprężystego,
pmax - górna granica zakresu pomiarowego.
Manometry sprężyste mają najczęściej konstrukcje w postaci rurek Bourdona, puszek lub mieszków sprężystych. W przypadku manometrów z rurką Bourdona odkształcenie s rurki jest mechanicznie przetworzone na kąt wychylenia Y = a(p.). za pomocą przekładni lub przetwarzane na sygnał elektryczny Y = u(p.) za pomocą czujników indukcyjnościowych. W manometrach o budowie puszkowej odkształcenie s elementu sprężystego (zwykle o bardzo małej wartości) przetwarza się na sygnał elektryczny za pomocą czujników tensometrycznych metalowych lub półprzewodnikowych, piezoelektrycznych, pojemnościowych lub magnetosprężystych.
Przykłady konstrukcji manometrów sprężystych pokazano w sposób uproszczony na rys.4.
Rys.4. Szkic konstrukcji różnych manometrów sprężystych: a) manometr z rurką Bourdona,
b) manometr puszkowy tensometryczny, manometr różnicowy piezoelektryczny. Oznaczono; T+,T- - tensometry, 1 - komora ciśnieniowa (obudowa), 2 - piezoelektryk, 3 - elektroda,
4 - membrana .
Dokładność manometrów sprężystych w znacznym stopniu zależy od temperatury i i procesów starzeniowych, gdyż zmieniają się parametry sprężystości elementu sprężystego manometru (moduł Younga). Wpływ temperatury J na wartość modułu Younga E z dostatecznym przybliżeniem podaje zależność:
(9)
stąd błąd temperaturowy dJ manometru wyznaczony z uwzględnieniem odkształcenia s elementu sprężystego w temperaturze różnej od temperatury odniesienia J0 jest równy:
(10)
przy czym a - współczynnik temperaturowy sprężystości ( dla stopów miedzi wynosi ok.
(-3,5 ¸ -4,5)×10-41/°C).
Ponadto materiały sprężyste ulegają procesom starzeniowym i zjawisku pełzania co ujawnia się występowaniem histerezy wskazań manometru sprężystego w wynika krótkotrwałych i długotrwałych obciążeń manometru. Wpływ histerezy na wskazania ( odkształcenie s) manometru przedstawiono na rys.5.
Rys.5. Wpływ histerezy na wskazanie manometru; obieg 0-1-2 odnosi się do obciążenia krótkotrwałego, obieg 0-1-3-4 dla obciążenia długotrwałego.
Wpływ histerezy określa wskaźnik histerezy g dla obciążeń długotrwałych (24 godziny):
(10).
Dla przeciętnych elementów sprężystych g = (0,2 ¸ 2)%.
Anemometry sprężyste puszkowe i mieszkowe mogą mierzyć także ciśnienie bezwzględne pa jeśli będzie się w nich dokonywać sumowanie odkształceń lub sił wywoływanych badanym ciśnieniem i ciśnieniem otoczenia zwykle atmosferycznego (patrz zależność (7)).
Takie manometry mają dwa elementy sprężyste przy czym jeden z nich reagujący na ciśnienie otoczenia jest zamkniętym układem próżniowym (aneroidem). Manometry te wskazują wartość ciśnienia bezwzględnego:
Zasadę działania opisywanych manometrów ilustruje rys.6.
W stanie równowagi sił parcia wywoływanych poszczególnymi ciśnieniami na czynne równe sobie powierzchnie A spełniona jest równość:
(11).
W manometrach jak na rys.6a sumowane są odkształcenia , a w manometrach jak na rys 6b sumują się siły parcia. Odkształcenie elementu sprężystego (na rys.6 mieszka manometrycznego) jest proporcjonalne do ciśnienia otoczenia: s0 = k×p0 ; k - współczynnik proporcjonalności.
Współcześnie rozpowszechnione są miniaturowe czujniki sprężyste typu puszkowego do pomiaru ciśnienia działające na omawianej zasadzie. Element sprężysty w tych czujnikach stanowi podłoże ceramiczne lub z dwutlenku krzemu na, którym naniesione są struktury piezorezystorów półprzewodnikowych o przeciwnego znaku współczynnikach piezoelektrycznych zwykle w układzie mostka rezystancyjnego (często wraz ze wzmacniaczem). Czujniki tego rodzaju charakteryzują się bardzo małymi wymiarami, zwartą i wytrzymałą konstrukcją , dużą czułością przy dobrych właściwościach temperaturowych, krótkim czasem odpowiedzi oraz brakiem bezpośrednio dodatkowych elementów mechanicznych, pomijalnie małą histerezą Sygnałem wyjściowym tych czujników zwykle jest napięcie elektryczne, prąd rzadziej częstotliwość napięcia generowanego w układzie czujnika (układy scalone). Małe rozmiary scalonych czujników ciśnienia, duża sztywność elementu sprężystego i bardzo małe odkształcenia pozwalają budować czujniki o zakresach pomiarowych mniejszych od 0,01MPa, a także przekraczających 100MPa.
Rys.6. Zasada działania manometrów do pomiaru ciśnienia bezwzględnego.
Na rys.7 pokazano przykład konstrukcji monolitycznego scalonego piezorezystancyjnego czujnika ciśnienia (przetwornik sprężysty)
Rys.7.Szkic konstrukcji piezorezystancyjnego czujnika ciśnienia a), układy połączeń elektrycznych piezorezystorów czujnika b), c) (dołączenie odpowiednio dobranych rezystorów RP1, RP2, RS1, RS2, RZ pozwala linearyzować układ czujnika ciśnienia i przesunąć początek jego charakterystyki do wartości ciśnienia odniesienia).
Do sprawdzania i wzorcowania manometrów używa się manometru wagowo-tłokowego jak na rys.8. W manometrach tego rodzaju wytwarzane jest ciśnienie w ich obwodach hydraulicznych za pomocą określonych z odpowiednią dokładnością ciężarków naciskających bezpośrednio na tłok manometru.
Rys.8. Wzorcowy manometr wagowo-tłokowy.
W manometrze pokazanym na rys.8 ciężarki o masie m. wywierają nacisk na tłok o wypadkowym polu przekroju A wskutek czego w przewodach panuje ciśnienie:
(12)
gdzie: g ...
ikea_92