Часто задаваемые вопросы о давлении и важности абсолютного давления

Ответы на вопросы об основах измерения давления, в том числе, почему измерение манометрического давления является прекрасным для большинства применений, но в некоторых случаях требуется измерение абсолютного давления.

Почему мы измеряем давление?

Мониторинг давления является неотъемлемой частью современного общества. По всему миру бесчисленные датчики давления постоянно обеспечивают показания давления на нефтеперерабатывающих заводах, производственных объектах, домах и транспортных средствах. Это делается для обеспечения того, чтобы давление находилось в допустимых пределах и, если нет, чтобы предупредить операторов об исправлении ситуации.

Что такое давление?

Давление обычно определяется как сила, которая действует равномерно по определенной области. Например, когда вы нажимаете кнопку на дверном звонке, давление вашего пальца прикладывает физическую силу, которая приводит в действие электрический выключатель в дверном звонке, который затем посылает сигнал на динамик. В промышленных применениях сила, которая воздействует на область, обычно представляет собой газ или жидкость, но она также может быть твердой.

Что такое абсолютное давление, и как это соотносится с избыточным давлением?

Чтобы понять абсолютное давление, нужно сначала определить несколько терминов:

• Атмосферное давление. Все вокруг нас — воздух и вода — имеет вес и создает давление. На уровне моря среднее давление составляет 1 атм, или 1,01325 бар; давление изменяется в зависимости от погодных условий. По мере увеличения высоты воздух становится тоньше, равно атмосферное давление.
• Манометрическое давление. Ноль в манометрическом давлении представляет собой атмосферное давление, что означает, что показание избыточного давления включает только дополнительное давление внутри системы.
• Абсолютное давление. Ноль в абсолютном давлении является идеальным вакуумом, что означает, что абсолютное считывание давления включает в себя как атмосферное давление, так и манометрическое давление.

Важным отличием последних двух типов давления является нулевая ссылка. Ноль инструментов, измеряющих избыточное давление, представляет собой атмосферный воздух, который изменяется в зависимости от высоты и погодных условий. Ноль в приборах, измеряющих абсолютное давление, — это полное отсутствие давления или вакуум; поэтому этот ноль не меняется.

Промышленные датчики давления предназначены для измерения давления и последующего преобразования давления контролируемой среды (жидкости или газа) в унифицированный выходной сигнал. Приборы получили широкое распространение в технологических процессах и применяются в различных областях промышленности: пищевая, фармацевтическая, бумажная и д.р.

Существует множество видов датчиков давления, каждый из которых отличается по назначению, специфике применения и конструктивным особенностям. В этой статье мы расскажем, как из огромного количества вариантов выбрать подходящую модель.

На самом деле критериев выбор куда больше семи – именно поэтому рынок датчиков давления не ограничивается парой десятков вариантов, а предлагает сотни различных моделей, от экономичных приборов для нужд ЖКХ до интеллектуальных настраиваемых датчиков с взрывозащитной оболочкой для нефте-газовой промышленности. Но, чтобы разобраться в назначении и пригодности конкретной модификации, понять подойдет ли она для решения задачи, достаточно при выборе учитывать 7 простых критериев:

• Тип измеряемого давления.
• Тип измеряемой среды.
• Диапазон измерений.
• Точность измерений (погрешность).
• Температура процесса (измеряемой среды).
• Выходной сигнал.
• Присоединение к процессу.

Абсолютным давлением р
называется
гидростатическое давление, определяемое
по формуле (64).

Из этой
формулы следует, что абсолютное давление
слагается
из двух составляющих: внешнего давления

,
передаваемого
жидкостью по закону Паскаля, и давления,
определяемого
величиной γh.
Последнее
называют относительным или, если
на свободной поверхности жидкости
действует атмосферное давление,
избыточным
давлением. Исходя
из принятой формулировки
формулу (64) можно переписать в следующем
виде:

Из
последнего равенства следует, что
избыточное давление изменяется
с глубиной по линейному закону

Абсолютное
давление не может быть отрицательным,
так как
жидкость не сопротивляется растяжению.
Избыточное давление
как разность

(здесь
hвак
называется вакуумметрической
высотой). Можно
написать

тогда
вакуумметрическая высота выразится
формулой

Вакуумметрическая
высота
hвак
возрастает по величине с уменьшением
абсолютного давления и в пределе, когда
рабс
= 0
(отрицательным
абсолютное давление быть не может),
достигает максимума

,
т. е. величины атмосферного давления.

Значение единицы приблизительное.
Либо точного значения нет,
либо оно неизвестно.

Пожалуйста, введите число.

Простите, неизвестное вещество. Пожалуйста, выберите что-то из списка.

Вы не выбрали вещество. Пожалуйста, выберите.
Без указания вещества невозможно вычислить все единицы.

Совет: Не можете найти нужную единицу? Попробуйте поиск по сайту. Поле для поиска в правом верхнем углу страницы.

Совет: Не обязательно каждый раз нажимать на кнопку “Посчитать”. Клавиши Enter или Tab на клавиатуре тоже запускают пересчёт.

Действительно ли наш сайт существует с 1996 года? Да, это так. Первая версия онлайнового конвертера была сделана ещё в 1995, но тогда ещё не было языка JavaScript, поэтому все вычисления делались на сервере – это было медленно. А в 1996г была запущена первая версия сайта с мгновенными вычислениями.

Для экономии места блоки единиц могут отображаться в свёрнутом виде. Кликните по заголовку любого блока, чтобы свернуть или развернуть его.

Слишком много единиц на странице? Сложно ориентироваться? Можно свернуть блок единиц – просто кликните по его заголовку. Второй клик развернёт блок обратно.

Наша цель – сделать перевод величин как можно более простой задачей. Есть идеи, как сделать наш сайт ещё удобнее? Поделитесь!

Абсолю́тное давле́ние ─ это истинное давление сплошных масс (жидкостей, паров и газов), отсчитываемое от абсолютного нуля давления ─ абсолютного вакуума. Абсолютный нуль давления макроскопических объёмов вещества практически недостижим, так как любое твёрдое тело образует пары, да и космическое пространство также не представляет собой абсолютную пустоту, лишённую вещества, поскольку содержит водород в количестве нескольких молекул на кубический сантиметр.

где: ─ абсолютное давление, ─ атмосферное (барометрическое) давление, ─ избыточное (манометрическое давление).
(В приближённых технических расчётах вместо реального атмосферного давления используют его величину, измеренную на уровне моря).

Сначала стоит определить, какое давление нужно измерить: избыточное или абсолютное.

Сначала стоит определить, какое давление нужно измерить: избыточное или абсолютное. Если вы выберете неверный эталон, тогда ваши измерения могут отличаться от правильных на 1 бар, а это в определенных ситуациях может стать серьезной ошибкой и иметь серьезные последствия.

Избыточное давление является наиболее часто используемым эталоном измерения, поскольку для его определения в качестве точки отсчета используется атмосферное давление, и любой тип камеры при сбрасывании давления будет выравнивать показатели именно по атмосферному давлению. Это означает, что при проведении измерения по изменению давления нет необходимости вычитать атмосферное давление, что делает его естественной точкой отсчета для большинства процессов и тестирований. Избыточное давление, также называемое манометрическим, обычно обозначается как barg и psig (или bare и psie).

Абсолютное давление используется в качестве эталона в меньшей степени, потому что оно всегда отсчитывается от нулевого давления или идеального вакуума. Вот почему области применения, в которых в качестве эталона для измерения используют абсолютное давление, часто являются более специализированными. Абсолютное давление обычно обозначается как bara или psia.

В каких случаях нужно измерять то или иное давление?

Как правило, если вы хотите измерить любой тип давления, на показатели которого влияет давление в атмосфере, тогда в качестве эталона стоит использовать избыточное давление (так вы сможете увидеть общее давление минус атмосферное давление). Например, его можно использовать как эталон при измерении выходного давления воздушных компрессоров.

Если вы хотите измерить давление, которое не зависит от атмосферного, тогда в качестве эталона нужно использовать абсолютное давление. Примером таких измерений может служить испытание на герметичность полностью герметичного контейнера.

Разница между манометрическим баром и абсолютным баром всегда равна атмосферному давлению.

Атмосфера — внесистемная единица измерения давления, приблизительно равная атмосферному давлению на поверхности Земли на уровне Мирового океана. Примерно равна давлению 10 метров воды.

Существуют две примерно равные друг другу единицы с таким названием:

Ранее использовались также обозначения ата и ати для абсолютного и избыточного давления соответственно (выраженного в технических атмосферах). Избыточное давление — разница между абсолютным и атмосферным (барометрическим) давлением при условии, что абсолютное давление больше атмосферного: Ризб = Рабс − Ратм. Разрежение (вакуум) — разница между атмосферным (барометрическим) и абсолютным давлением при условии, что абсолютное давление меньше атмосферного: Рвак = Ратм − Рабс.

Преобразователь давления — это измерительный прибор, который предназначается для непрерывного измерения давления различных жидких и газообразных сред, а также последующего преобразования полученных значений измерения в унифицированный выходной сигнал по току или напряжению. Полученный в результате измерения сигнал используется в качестве входного сигнала для аппаратуры систем автоматического регулирования, управления и контроля технологических процессов.

Тензорезисторные преобразователи силы и давления получили широкое распространение как миниатюрные компактные устройства, которые способны измерять силу и давление в диапазоне от нескольких Па до нескольких МПа. Невозможно автоматизировать производство, на котором используются жидкости, пастообразные смеси, газы под давлением без использования приборов измерения и преобразования давления и силы.

Приборы для измерения давления в промышленности, также известные как датчики давления, применяются на участках диспетчеризации, энергосбережения, учета и контроля распределения газа, тепла и нефтепродуктов. Преобразователи давления установлены на предприятиях энергетики, газо- нефтепереработки, легкой и тяжелой промышленности, на объектах коммунальных служб и т.д.

Давление можно определить как единицу силы создаваемую на единицу площади поверхности. В системе СИ в качестве единицы измерения давления используется Паскаль (Па). Один Па равняется силе в один Ньютон (Н), приложенной на площадь в один метр квадратный (Па = Н / м2).

На практике широко распространены и другие единицы измерения. Помимо «Па» наиболее известны: «bar» (бар), «кгс/см2» (килограмм-сила на квадратный сантиметр) и «м.в.с.» (метры водяного столба), а также производные от них: «мбар» (миллибар), «кПа» (килопаскаль), «МПа» (мегапаскаль).

Приборы для измерения давления в промышленности, в зависимости от вида измеряемого давления, подразделяют на следующие группы

Атмосферное давление — очень изменчивый метеоэлемент. Из его определения следует, что оно зависит от высоты соответствующего столба воздуха, его плотности, от ускорения силы тяжести, которая меняется от широты места и высоты над уровнем моря.

1 Па = 0,0075 мм рт. ст., или 1 мм рт. ст. = 133,3 Па

• Давление Архивная копия от 20 декабря 2016 на Wayback Machine // Метеорологический словарь
• Положение о единицах величин, допускаемых к применению в Российской Федерации Архивная копия от 2 ноября 2013 на Wayback Machine Утверждено Постановлением Правительства РФ от 31 октября 2009 г. N 879.
• Перышкин А. В. Измерение атмосферного давления. Опыт Отто Герике // Физика. 7 класс / Е. Н Тихонова. — 16-е изд. — М.: Дрофа, 2013. — С. 190. — 189 с.
• . Класс!ная физика. Дата обращения: 9 июня 2015. Архивировано 16 марта 2015 года.
• . pogoda.by. Дата обращения: 7 июня 2015. Архивировано 25 апреля 2015 года.
• . IUPAC. Дата обращения: 18 августа 2013. Архивировано 18 августа 2013 года.

Барическая ступеньПравить

Высота, на которую надо подняться или опуститься, чтобы давление изменилось на 1 гПа (гектопаскаль), называется «барической (барометрической) ступенью». Барической ступенью удобно пользоваться при решении задач, не требующих высокой точности, например, для оценки давления по известной разности высот. Считая, что атмосфера не испытывает существенного вертикального ускорения (то есть находится в квазистатическом состоянии), из основного закона статики получаем, что барическая ступень   равна:

При температуре воздуха 0 °C и давлении 1000 гПа, барическая ступень равна 8 м/гПа. Следовательно, чтобы давление уменьшилось на 1 гПа, нужно подняться на 8 метров.

С ростом температуры и увеличением высоты над уровнем моря она возрастает (в частности, на 0,4 % на каждый градус нагревания), то есть она прямо пропорциональна температуре и обратно пропорциональна давлению. Величина, обратная барической ступени, — вертикальный барический градиент, то есть изменение давления при поднятии или опускании на 100 метров. При температуре и давлении он равен .

• Вукалович М. П., Техническая термодинамика, 1968, с. 12.
• Кириллин В. А., Техническая термодинамика, 1983, с. 5.
• Нащокин В. В., Техническая термодинамика и теплопередача, 1975, с. 11—12.

Видеоурок: атмосферное давление

Диапазон измерений

Диапазон измерений датчика давления – это максимальные и минимальные значения, при подаче которых устройство будет осуществлять измерения и преобразование в выходной сигнал. Поэтому необходимо выбирать датчик, диапазон измерений которого соответствует диапазону давления предполагаемых измерений. При этом нужно учитывать как нормальные условия применения, так и случайные колебания давления.

Выделяют датчики высокого и сверхвысокого давления, датчики низкого и сверхнизкого давления, и преобразователи среднего давления.

Температура процесса (измеряемой среды)

Каждый из датчиков давления имеет допустимые пороги рабочего температурного диапазона. И важно, чтобы температура процесса не выходила за пределы этих значений.

Например, в пищевой промышленности имеют место кратковременные процессы, занимающие от 20 до 40 минут (санитарная обработка), во время которых температура измеряемой среды может возрастать до 120-145°C. В этом случае необходимо использовать датчики, устойчивые к временному воздействию высоких температур, например датчики давления МИДА-ДИ-12П-12 и МИДА-ДИ-12П-072-К-150.

Регистрация сигналов датчиков давленияПравить

Сигналы с датчиков давления могут быть как медленноменяющимися, так и быстропеременными. В первом случае их спектр лежит в области низких частот. Для того, чтобы с высокой точностью оцифровать такой сигнал, необходимо подавить высокочастотную часть спектра, полностью состоящую из помех. Это особенно актуально в промышленных условиях.

Специально для ввода медленноменяющихся сигналов используются интегрирующие АЦП. Они проводят измерение не мгновенного значения сигнала (которое изменяется под действием помех), а интегрируют сигнальную функцию за заданный промежуток времени, который заведомо меньше постоянной времени процессов, происходящих в контролируемой среде, но заведомо больше периода самой низкочастотной помехи.
Интегрирующие АЦП выпускают многие зарубежные фирмы (Texas Instruments, Analog Devices и др).

Для измерения переменных давлений применяют датчики с аналоговым выходным сигналом, например, 0—20, 4—20 мА и 0—5, 0,4—2 В.

Пьезоэлектрические датчики применяются для измерения быстропеременных процессов в диапазоне частот от единиц Гц до сотен кГц.

ИсторияПравить

Традиционно считалось, что всасывающие насосы работают из-за того, что «природа боится пустоты». Но голландец Исаак Бекман в тезисах своей докторской диссертации, защищенной им в 1618 году, утверждал: «Вода, поднимаемая всасыванием, не притягивается силою пустоты, но гонима в пустое место налегающим воздухом» (Aqua suctu sublata non attrahitur vi vacui, sed ab aere incumbentein locum vacuum impellitur).

В 1630 году генуэзский физик Балиани написал письмо Галилею о неудачной попытке устроить сифон для подъема воды на холм высотою примерно 21 метр. В другом письме Галилею (от 24 октября 1630 года) Балиани предположил, что подъем воды в трубе обусловлен давлением воздуха.

Абсолютные манометры включают внутреннюю вакуумную камеру, которая используется в качестве эталона для проведения измерений давления. Манометрические датчики абсолютного давления на основе диафрагмы имеют прочную, но гибкую панель, которая разделяет камеру и вакуумную камеру. Локальное атмосферное давление заставляет диафрагму деформироваться в вакуумную камеру. Величина деформации преобразуется в значение давления. Это значение затем указывается на табло индикатора.

СсылкиПравить

• Медиафайлы по теме Атмосферное давление на Викискладе
• // Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона : в 86 т. (82 т. и 4 доп.). — СПб., 1890—1907.
• График изменения атмосферного давления при изменении высоты

Тип измеряемого давления

По типу измеряемого давления выделяют датчики:

• Абсолютного давления.
• Гидростатического давления.
• Дифференциального давления.
• Избыточного давления.
• Избыточного давление-разрежения.
• Разрежения (вакуумметрического давления).

Датчики абсолютного давления предназначены для измерения величины давления относительно абсолютного вакуума.

Датчики гидростатического давления измеряют давление столба жидкости, зависящее только от его высоты и от плотности самой жидкости.

Датчики дифференциального давления применяются для измерения разности (перепада) давлений между двумя точками.

Датчики избыточного давления используются для измерения разницы между абсолютным давлением и относительным (абсолютным) атмосферным давлением.

Преобразователи избыточного давления-разряжения представляют собой сочетание датчиков избыточного и вакуумметрического давлений, т.е. измеряют как давление, так и разрежение.

Преобразователи вакуумметрического давления (разряжения) предназначены для измерения давления меньше атмосферного, т.е. там, где существует разрежение относительно атмосферы.

Давление жидкости на плоские стенки. Центрдавления

Определение силы давления.
Предположим, что плоская стенка,
ограждающая некоторую массу неподвижной
жидкости, наклонена к горизонту под
углом α. Определим силу Р, с которой
жидкость действует на выбранную в
пределах этой стенкиплощадку

В каждой точке на этой
площади гидростатическое давление
равно р и
отвечает формуле р
=
, где dP
— элементарная сила,
аdω -элементарная
площадка.

Следовательно,
сила, с которой жидкость действует на
элементарную
площадку dω,
будет равна dP=
pdω.
Эта сила направлена
по нормали к плоскости стенки. Аналогично
будет определяться
сила давления жидкости на любую другую
элементарную
площадку dω.
Поэтому
искомую силу Р, с которой покоящаяся
жидкость действует
на площадь

Рис. 10 – К определению силы давления на
плоскую стенку

Но в
любой точке гидростатическое
давление

Ориентируем
данную площадь относительно соответственно
расположенных координат осей. Примем
за ось 0x
линию
пересечения
свободной поверхности воды с плоскостью
стенки и
направим
координатную ось
0z’*
вниз
вдоль стенки (рис. 10).

В этой
координатной системе все точки
определяются координатами
x́́’и
ź’,
поэтому глубину hвыразим
через ź’,
а именно:
h=z’
sin

Итак, силу Р
можно определить по
формуле

обратим внимание на то,что
подынтегральное выражение можно
рассматривать как статический
момент площадки dω
относительно координатной оси 0х
(или
оси 0х’).
Тогда
этот интеграл представит собой сумму
статических моментов элементов площади
ω, т. е. статический момент
самой площади

относительно той же оси 0х.

Известно,
что статический момент площади
относительно любой оси, лежащей в той
же плоскости, равен произведению этой
площади на расстояние от центра ее
тяжести до оси моментов.

где z’c
– расстояние от точки с
(центра
тяжести площади ω) до
оси 0х́
(оси
моментов).

Делая
соответствующие подстановки в формулу
(70), получим

Здесь первое слагаемое
р0ω
представляет собой атмосферное давление
на свободную поверхность, передаваемое
жидкостью по
закону Паскаля, а второе — давление,
оказываемое на
стенку уже самой жидкостью (можно сказать
— избыточное давление).

Перепишем
формулу (71) в более удобном для практических
расчетов виде. Заметим, что произведение
z’c
sin
α равно глубине
погружения центра тяжести площади ω
под уровень свободной
поверхности hс,
поэтому

или, за вычетом атмосферного давления,

Произведение
hсω

представляет собой объем цилиндра с
площадью
основания, равной

,
и высотой, равнойhc,
с учетом чего формулу (73) можно прочитать
так: сила,
с которой жидкость действует
на плоскую стенку, равна весу жидкости
в объеме цилиндра
с основанием, равным площади данной
стенки, и высотой,
равной глубине погружения центра тяжести
этой площади
под уровень свободной поверхности.

Формулу (73) можно еще упростить.

Так как
γhcпредставляет
собой гидростатическое давление в
центре тяжести площади

,
то справедливо равенство

Р = рс
ω. (74)

Изменения давления с высотойПравить

Изменение давления с высотой.

С высотой атмосферное давление уменьшается. Например, горная болезнь начинается на высоте около 2-3 км, а атмосферное давление на вершине Эвереста составляет примерно 1/4 от показателя на уровне моря.

Уравнение статики выражает закон изменения давления с высотой:

где:   — давление,   — ускорение свободного падения,   — плотность воздуха,   — толщина слоя. Из основного уравнения статики следует, что при увеличении высоты ( ) изменение давления отрицательное, то есть давление уменьшается. Так как плотность газа зависит от его давления, основное уравнение статики справедливо только для очень тонкого (бесконечно тонкого) слоя воздуха  , в котором плотность воздуха почти не изменяется. На практике оно применимо, когда изменение высоты достаточно мало по отношению к приблизительной толщине атмосферы.

Приведение к уровню моря

Многие метеостанции рассылают так называемые «синоптические телеграммы», в которых указывается давление, приведённое к уровню моря (см. КН-01, METAR). Это делается для того, чтобы давление было сравнимо на станциях, расположенных на разных высотах, а также для нужд авиации. Приведённое давление используется также и на синоптических картах.

При приведении давления к уровню моря используют сокращенную формулу Лапласа:

То есть, зная давление и температуру на уровне  , можно найти давление   на уровне моря  .

Вычисление давления на высоте   по давлению на уровне моря   и температуре воздуха  :

Более простые расчёты (без учёта температуры) дают:

где   — высота в километрах.

Измерения и расчёт показывают в полном согласии, что при подъёме над уровнем моря на каждый километр давление будет падать на 0,1 долю; то же самое относится и к спуску в глубокие шахты под уровень моря — при опускании на один километр давление будет возрастать на 0,1 своего значения.

В ещё более грубом приближении, двукратному изменению давления соответствует изменение высоты на каждые пять километров.

В прогнозах погоды и сводках, распространяемых для населения через интернет и по радио, используется неприведённое давление, то есть, фактическое давление на уровне местности.

Каковы преимущества измерения абсолютного давления и избыточного давления?

Поскольку все объекты и процессы на заводе-изготовителе имеют одинаковую высоту и атмосферное давление, измерение избыточного давления является достаточно точным для большинства ситуаций. Тем не менее, измерения абсолютного давления требуются в специализированных ситуациях, например, когда вам требуется измерение давления, независимо от колебаний атмосферного давления, а также на промышленных предприятиях, где используются вакуумные насосы и машины вакуумной упаковки.

Абсолютные манометры и датчики присутствуют в многочисленных применениях, включая высотомеры для авиации, мониторы для давления жидкого пара, процессы перегонки, HVAC и производство полупроводников. Давление опасных арсиновых и фосфиновых газов, используемых в процессе производства полупроводников, должно тщательно контролироваться во время хранения и транспортировки. Поскольку атмосферные условия колеблются, важно следить за тем, чтобы опасные газы использовали контрольную точку, которая не изменяется.

• Деньгуб В. М., Смирнов В. Г. Единицы величин. Словарь-справочник. — М.: Издательство стандартов, 1990. — С. 22. — 240 с. — ISBN 5-7050-0118-5.
• Атмосфера // Большая Советская Энциклопедия. 3-е изд / Гл. ред. А. М. Прохоров. — М.: Советская Энциклопедия, 1970. — Т. 2. Ангола — Барзас. — .
• Международный документ МОЗМ D2. Узаконенные (официально допущенные к применению) единицы измерений. Приложение В. Дата обращения: 10 февраля 2014. Архивировано из оригинала 14 октября 2013 года.
• Положение о единицах величин, допускаемых к применению в Российской Федерации. Архивная копия от 2 ноября 2013 на Wayback Machine. Утверждено Постановлением Правительства РФ от 31 октября 2009 г. № 879.
• Постановление Правительства РФ от 15.08.2015 № 847 «О внесении изменений в приложение № 3 к Положению о единицах величин, допускаемых к применению в Российской Федерации». Дата обращения: 16 сентября 2015. Архивировано из оригинала 4 марта 2016 года.

Выходной сигнал

По типу выходного сигнала датчики давления подразделяются на:

• Модели с аналоговым выходным сигналом.
• Исполнения с цифровым выходным сигналом.
• Устройства с релейным выходным сигналом.

Приборы с релейным выходным сигналом предназначены для замыкания-размыкания цепи при достижении определенного значения давления, тем самым посылая сигнал на вторичные приборы контроля и управления.

Отличие от манометраПравить

В отличие от датчика давления, манометр — прибор, предназначенный для измерения (а не просто преобразования) давления. В манометре от давления зависят показания прибора, которые могут быть считаны с его шкалы, дисплея или аналогичного устройства.

Точность измерений (погрешность)

Для ряда технологических процессов наиболее важным показателем является точность измерений. Поэтому точность – это основная характеристика любого датчика, определяющая погрешность его измерений. Погрешность измерений представляет собой величину максимального расхождения между показаниями реального и эталонного измерения, определяется как максимальное отклонение измеренной характеристики от действительной.

В основном точность датчиков давления составляет 0,5% от диапазона измеряемого давления. Для менее требовательных к точности процессов погрешность может составлять 1,25% диапазона. Также существуют высокоточные датчики давления, погрешность измерений которых не превышает 0,25% и 0,1%.

Конструктивные особенности

На рисунке ниже изображена общая схема конструктивного строения прибора для измерения давления. Конструкция может изменяться в зависимости от производителя прибора, типа использованного датчика, а также особенностей применения.

Конструктивное строение прибора для измерения давления

Рассмотрим основные элементы более подробно:

1. Кабельный ввод – служит для герметичного ввода электрического кабеля в датчик. Обычно, используется ссальниковый ввод типа PG9, однако бывают и другие варианты присоединения – PG16, M20x1,5 и т.д.

2. Клеммы – используются для подключения электрических проводов непосредственно к датчику. Большинство приборов для измерения давления имеют для подключения 2-х проводную схему с выходным сигналом от 4 до 20 мА.

3. Плата питания / искрозащиты – данная плата распределяет электрическую энергию между всеми электронными компонентами датчика. Устройства во взрывобезопасном исполнении при помощи данной платы реализуют функцию искрозащиты. В недорогих датчиках давления преобразовательная плата и плата питания, как правило, совмещены.

4. Корпус электроники – элемент датчика давления, в которой располагаются плата питания и преобразовательная плата.

5. Преобразовательная плата – одна из важнейших составляющих прибора измерения давления. Она преобразует сигнал непосредственно от первичного сенсора в унифицированный электрический сигнал по току или напряжению.

6. Корпус датчика – это основная механическая часть, которая представляет собой «тело» прибора.

7. Провода и атмосферная трубка – провода – это кабельный шлейф, который соединяет преобразовательную плату и выводы сенсора. Атмосферная трубка используется в датчиках вакууметрического и избыточного давления для привязки чувствительного элемента к атмосферному давлению.

8. Технологическое соединение – применяется для физического подключения датчика к процессу, трубопроводу, аппарату или емкости. Наиболее распространено резьбовое манометрическое подсоединение G1/2″ по стандарту DIN 16288 и резьба М20х1,5. Также, часто можно встретить соединения G1/4″и G1″, а также фланцевые соединения. Существуют специальные санитарные присоединения, например, в пищевой промышленности распространены: молочная гайка DIN 11851,DRD-фланец и хомуты Tri-clamp.

9. Сенсор давления, также называемый первичным преобразователем — это один из основных элементов любого устройства измерения давления. Сенсор давления осуществляет преобразование действующего на него давления в электрический сигнал, чтобы затем унифицировать его на преобразовательной плате. Существует несколько способов преобразования давления в электрический сигнал. В промышленности используются емкостный, индуктивный и тензорезистивный методы преобразования. Однако, самым распространенным, на сегодняшний день, является тензорезистивный метод преобразования давления.

Тензорезистивный метод основан на таком явлении, как тензоэффект в металлах и полупроводниках. Тензорезисторы соединенные в мостовую схему Уитстона изменяют свое сопротивление под действием давления, что приводит к разбалансированию моста. Разбаланс прямо пропорционально зависит от степени деформации резисторов и, соответственно, от приложенного давления.

На рынке существует 4 основных типа сенсоров, принцип действия которых основан на тензорезистивном методе преобразования:

1. Толстопленочные сенсоры на металической/керамической мембране – один из самых дешевых типов сенсоров, применяется для производства недорогих моделей для неагрессивных сред, таких, как воздух, вода или пар.

2. Тонкопленочные сенсоры на стальной мембране – разработанные специально для применения в преобразователях высокого давления,  работают со средой более 100 бар. Они обладают хорошей линейностью и повторяемостью при работе с высоким давлением.

3. Керамические тензорезистивные сенсоры – данный вид сенсоров применяется для высокоточного измерения давления сред, не агрессивных по отношению к материалу керамики, исключая пищевые продукты и вязкие среды. Самый распространенный тип датчиков давления.

4. Кремниевые тензорезистивные сенсоры – обычно применяются совместно с защитной разделительной мембраной из нержавеющей стали. Обладают высокой точностью измерения давления различных сред. Использование в данном типе сенсоров сварной разделительной мембраны из нержавеющей стали позволяет применять их в пищевой промышленности и для вязких сред.

КлассификацияПравить

Датчики давления можно классифицировать по диапазонам измеряемого давления, диапазону рабочих температур и, что наиболее важно, по типу измеряемого давления. Датчики давления называются по-разному в зависимости от их назначения, но одна и та же реализация может использоваться под разными названиями.

Датчик абсолютного давления

Этот датчик измеряет давление относительно атмосферного давления. Манометр в автомобильных шинах является примером измерения избыточного давления; когда он показывает ноль, тогда давление, которое он измеряет, такое же, как давление окружающей среды. Большинство датчиков для измерения давления до 50 бар изготавливаются таким образом, поскольку в противном случае колебания атмосферного давления (погода) отражаются как погрешность в результате измерения.

Датчик вакуумного давления

Этот термин может вызвать путаницу. Его можно использовать для описания датчика, который измеряет давление только ниже атмосферного, показывая разницу между этим низким давлением и атмосферным давлением, но его также можно использовать для описания датчика, который измеряет абсолютное давление относительно вакуума.

Датчик перепада давления (Датчик дифференциального давления)

Датчики давления могут использоваться для работы с неагрессивными и агрессивными газами и жидкостями, пищевыми, вязкими и абразивными средами, маслами, нефтепродуктами и т.д. Специфика контролируемой среды предполагает особые конструктивные решения датчиков, например, при наличии частиц грязи потребуется использование модификации с разделительной мембраной, которая будет защищать чувствительные элементы прибора от поломки и разрушения.

Принципы реализацииПравить

Датчик давления состоит из первичного преобразователя давления, в составе которого чувствительный элемент — приемник давления, схемы вторичной обработки сигнала, различных над конструкции корпусных деталей, в том числе для герметичного соединения датчика с объектом и защиты от внешних воздействий и устройства вывода информационного сигнала. Основными отличиями одних приборов от других являются пределы измерений, динамические и частотные диапазоны, точность регистрации давления, допустимые условия эксплуатации, массогабаритные характеристики, которые зависят от принципа преобразования давления в электрический сигнал: тензометрический, пьезорезистивный, ёмкостный, индуктивный, резонансный, ионизационный, пьезоэлектрический и другие.

Чувствительные элементы датчиков базируются на принципе изменения сопротивления при деформации тензорезисторов, приклеенных к упругому элементу, который деформируется под действием давления.

Основан на интегральных чувствительных элементах из монокристаллического кремния. Кремниевые преобразователи имеют высокую чувствительность благодаря изменению удельного объемного сопротивления полупроводника при деформировании давлением.

Для измерения давления чистых неагрессивных сред применяются так называемые Low cost — решения, основанные на использовании чувствительных элементов либо без защиты, либо с защитой силиконовым гелем.

Для измерения агрессивных сред и большинства промышленных применений используется преобразователь давления в герметичном металло-стеклянном корпусе, с разделительной диафрагмой из нержавеющей стали, передающей давление измеряемой среды посредством кремнийорганической жидкости.

“Сердцем” датчика давления является ёмкостная ячейка. Ёмкостный метод основан на зависимости изменения электрической ёмкости между обкладками конденсатора и измерительной мембраны от подаваемого давления. Основным преимуществом ёмкостного метода является защита от перегрузок (изм. мембрана при перегрузке ложится на стенки «обкладки» конденсатора, длительное время не подвергаясь деформации, при снятии перегрузки мембрана восстанавливает исходную форму, при этом дополнительная калибровка сенсора не требуется), также обеспечивается высокая стабильность метрологических характеристик, уменьшение влияния температурной погрешности за счет малого объема заполняющей жидкости непосредственно в ячейке.

В основе метода лежит изменение резонансной частоты колеблющегося упругого элемента при деформировании его силой или давлением. Это и объясняет высокую стабильность датчиков и высокие выходные характеристики прибора.

К недостаткам можно отнести индивидуальную характеристику преобразования давления, значительное время отклика, невозможность проводить измерения в агрессивных средах без потери точности показаний прибора.

Основан на регистрации вихревых токов (токов Фуко). Чувствительный элемент состоит из двух катушек, изолированных между собой металлическим экраном. Преобразователь измеряет смещение мембраны при отсутствии механического контакта. В катушках генерируется электрический сигнал переменного тока таким образом, что заряд и разряд катушек происходит через одинаковые промежутки времени. При отклонении мембраны создается ток в фиксированной основной катушке, что приводит к изменению индуктивности системы. Смещение характеристик основной катушки дает возможность преобразовать давление в стандартизованный сигнал, по своим параметрам прямо пропорциональный приложенному давлению.

В основе лежит принцип регистрации потока ионизированных частиц. Аналогом являются ламповые диоды.

Лампа оснащена двумя электродами: катодом и анодом, — а также нагревателем. В некоторых лампах последний отсутствует, что связано с использованием более совершенных материалов для электродов.

Преимуществом таких ламп является возможность регистрировать низкое давление — вплоть до глубокого вакуума с высокой точностью. Однако следует строго учитывать, что подобные приборы нельзя эксплуатировать, если давление в камере близко к атмосферному. Поэтому подобные преобразователи необходимо сочетать с другими датчиками давления, например, емкостными. Зависимость сигнала от давления является логарифмической.

В основе лежит прямой пьезоэлектрический эффект, при котором пьезоэлемент генерирует электрический сигнал, пропорциональный действующей на него силе или давлению. Пьезоэлектрические датчики используются для измерения быстроменяющихся акустических и импульсных давлений, обладают широкими динамическими и частотными диапазонами, имеют малую массу и габариты, высокую надежность и могут использоваться в жестких условиях эксплуатации.

Присоединение к процессу

Присоединением датчика давления к процессу называется способ монтажа устройства для осуществления измерений – к трубопроводу, импульсной линии и т.д. По типу механического присоединения различают датчики:

• С резьбовыми присоединениями.
• С фланцевыми присоединениями.
• Гигиеническими присоединениями.
• Погружные.

Общепромышленные исполнения датчиков давления наиболее часто монтируются с использованием резьбовых соединений G1/2″ DIN 16288 и M20x1,5.

Стандартное давлениеПравить

В системе СГС 760 мм рт. ст. эквивалентно 1,01325 бар (1013,25 мбар) или 101 325 Па в Международной системе единиц (СИ).

Датчик давления

Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 1 мая 2019 года; проверки требуют 16 правок.

Датчик давления — устройство, физические параметры которого изменяются в зависимости от давления измеряемой среды (жидкости, газа, пара). В датчиках давление измеряемой среды преобразуется в унифицированный пневматический, электрический цифровой код или сигналы.

Заключение

Помимо 7 главных критериев при выборе датчиков давления необходимо учитывать и другие условия эксплуатации: перепады температуры, вибрации, ударов, помех по цепям питания, наличия взрывоопасных установок и т.д. На нашем сайте вы найдете широкий выбор преобразователей давления, датчиков и реле давления, манометров и метрологического оборудования. Только качественные датчики!

ЛитератураПравить

• Вукалович М. П.,. Техническая термодинамика. — Энергия, 1968. — 496 с.
• Кириллин В. А. Техническая термодинамика. — Энергоатомиздат, 1983. — 416 с..
• Нащокин В. В. Техническая термодинамика и теплопередача. — Высшая школа, 1975. — 496 с.

• Хргиан А. Х. Физика атмосферы. — 2 изд. — М., 1958.
• Бургесс Э. К границам пространства, пер. с англ.. — М.: Изд. иностранной литературы, 1957. — 223 с.