7.5. Приборы для измерения давлений

Давления газов или жидкостей измеряют с помощью манометров. При испытаниях ГТД наибольшее распространение получили жидкостные, механические и электрические манометры, а также преобразователи давления – тензорезистивные дифференциальные датчики, датчики избыточного давления, датчики разрежения (Сапфир, Метран, Honeywell, Kulite, Druck и др.). Принципиальное их отличие состоит в способах уравновешивания давления и регистрации его величины. В жидкостных манометрах измеряемое давление уравновешивается столбом жидкости, залитой в манометр, в механических и электрических – грузом или силой упругости дефомируемого элемента. В электрических манометрах (преобразователях давления ) деформация упругого элемента преобразуется в электрический сигнал, что уменьшает инерционность прибора и позволяет передать сигнал на необходимые расстояния.

Жидкостные манометры.

Простейший жидкостный манометр ( пьезометр ) представляет собой U-образную трубку, в которой измеряемая разность давлений ( ) уравновешивается давлением столба жидкости, заполняющей эту трубку:

,

где – плотность жидкости залитой в пьезометр;

– высота столба жидкости (разница в уровнях жидкости в

коленах трубки измеряемых относительно нулевого равновесного уровня).

При измерении абсолютного давления в какой-либо точке один конец жидкостного манометра сообщен с атмосферой. Тогда измеряемое давление уравновешивается столбом жидкости и атмосферным давлением:

.

Жидкостные манометры нашли применение в качестве средства для измерения давлений, незначительно отличающихся от атмосферного. Диапазон применения пьезометров обычно находится в пределах (0,03…0,3 атм) и в каждом конкретном случае зависит от плотности используемой жидкости. В жидкостных манометрах чаще всего используются такие жидкости как: вода ( = 1,0 ), спирт метиловый ( = 0,792 ), ртуть ( = 13,54 ).

Недостатком U- образных манометров является необходимость фиксирования величин уровней в двух трубках, Однотрубчатый манометр лишен этого недостатка. Резервуар такого манометра должен иметь по сравнению с трубкой значительно больший диаметр для того, чтобы изменение уровня жидкости в нем было пренебрежимо мало.

В испытаниях ГТД из всех жидкостных манометров практическое применение нашел и так называемый батарейный манометр, который состоит из нескольких трубчатых манометров и позволяет определять поля давлений (например на входе в двигатель).

Точки, в которых измеряется давление, соединены с трубками, а общий резервуар соединен с атмосферой. Показания батарейного манометра могут фотографироваться. Для регистрации показаний может быть использован фотоэлектрический преобразователь, который с помощью специальной каретки перемещается вдоль пьезометрических трубок и фиксирует положение уровней жидкости поочередно во всех трубках. Результаты измерения в этом случае передаются сразу на вход вычислительной машины, исключая длинный и трудоемкий процесс расшифровки и обработки результатов, зафиксированных на фото или видео пленке.

Точность измерений давлений жидкостными манометрами достигает 0,1% от максимальной измеряемой величины.

Механические манометры

Механические манометры обычно используются для измерения высоких давлений. Весьма распространено применение манометра с трубчатой пружиной ( трубкой Бурдона ). В такой конструкции давление через штуцер манометра подается в трубку, которая под действием этого давления стремится распрямиться и через рычажный механизм возникающее при распрямлении перемещение передается на указывающую стрелку.

Сравнительно часто применяются мембранные и сильфонные механи-ческие манометры, чувствительными элементами в которых являются металлическая гофрированная мембрана или сильфон. В таких манометрах измеряемое давление подается в герметичный объем, закрытый мембраной. Под давлением мембрана прогибается, а сильфон растягивается и через передающее устройство поворачивают стрелку прибора.

Общим недостатком рассмотренных выше типов манометров является зависимость характеристик упругих элементов от температуры, а также существенная инерция при измерении. Достоинствами рассматриваемых типов приборов являются простота конструкции и малая чувствительность к вибрациям.

Выбор класса точности механического манометра с упругим чувствительным элементом определяется областью применения прибора. Рабочие манометры выпускаются пяти классов точности: 0,5; 1,0; 1,5; 2,5; 4,0. Образцовые манометры имеют два класса точности: 0,2 и 0,4. Образцовые манометры используются для тарировки рабочих манометров.

Электрические манометры (датчики)

Основным недостатком механических манометров и жидкостных пьезометров является невозможность использования их для регистрации быстропротекающих процессов по причине значительной инерции чувствительных элементов. У электрических манометров указанный недостаток отсутствует. Манометры обладают малыми габаритами и малой инерцией. Существует достаточно большое количество конструкций электрических манометров. В настоящее время наибольшее распространение получили электрические манометры с индуктивными датчиками давления. Принцип действия этих манометров основан на том, что индуктивные датчики преобразовывают механическую величину – давление в электрическую величину – сопротивление. Конструктивно датчик выполнен в виде мембранной коробки с двумя электрическими катушками, расположенными по разные стороны относительно металлической мембраны. Таким образом, индуктивное сопротивление катушек зависит от положения мембраны, которое задается разностью измеряемых давлений р₁ и р₂. Электрические катушки в цепи являются плечами электрического мостика Уитсона. В зависимости от сопротивления катушек меняются электрические потенциалы в точках разветвления электрической цепи к катушкам, что соответствует разности измеряемых давлений.

В настоящее время промышленность выпускает индуктивные датчики трех типов: ДМИ-1; ДМИ-2, ДМИ-3. Измеряемые перепады давлений до 10 атм. Основная погрешность не превышает +3% от диапазона измерения. Датчики работоспособны при температурах –60…+100˚С, вибрациях 10…600 Гц и перегрузках до 20g с амплитудой не менее 1 мм. Срок службы около 30 часов.