Приборы для измерения давления¶

Прибор для измерения давления — устройство, предназначенное для определения величины давления жидкости, газа или пара в замкнутом объёме, трубопроводе, сосуде либо в открытой среде (например, атмосферного давления). Измерение давления относится к числу базовых задач метрологии: соответствующие приборы применяются в промышленности, энергетике, медицине, авиации, метеорологии и быту. В зависимости от принципа действия различают жидкостные, деформационные (механические), электрические и комбинированные устройства.

¶Основные понятия

Давление — физическая величина, равная отношению силы, действующей перпендикулярно поверхности, к площади этой поверхности. В Международной системе единиц (СИ) давление измеряется в паскалях (Па): 1 Па = 1 Н/м². На практике широко используются внесистемные единицы — бар (1 бар = 100 000 Па), техническая и физическая атмосферы, миллиметры ртутного столба (мм рт. ст.), миллиметры водяного столба, а также psi.

Различают несколько видов давления:

• абсолютное — отсчитывается от полного вакуума;
• избыточное — превышение над атмосферным;
• дифференциальное — разность давлений в двух точках;
• вакуумметрическое (разрежение) — недостаток до атмосферного.

По виду измеряемой величины приборы делят на манометры (избыточное давление), вакуумметры (разрежение), мановакуумметры (оба диапазона), барометры (атмосферное давление) и дифманометры (перепад давлений).

¶История

Первым инструментом для измерения давления стал ртутный барометр, созданный Эванджелистой Торричелли в 1643 году. Трубка, заполненная ртутью и опрокинутая в чашу, показала, что столб жидкости уравновешивается атмосферным давлением. Опыты Блеза Паскаля подтвердили зависимость показаний от высоты над уровнем моря.

В 1847 году французский инженер Эжен Бурдон запатентовал трубчато-пружинный манометр — изогнутую полую трубку, которая раскручивается под действием внутреннего давления. Эта конструкция оказалась настолько удачной, что применяется до сих пор и носит название «манометр Бурдона». В XX веке развитие электроники и материаловедения привело к появлению тензометрических, пьезоэлектрических, ёмкостных и оптических датчиков давления.

¶Классификация по принципу действия

¶Жидкостные приборы

Действие основано на уравновешивании измеряемого давления столбом жидкости. Простейшие представители — U-образный манометр, чашечный (однотрубный) манометр, барометр Торричелли. Достоинства — простота и высокая точность при малых давлениях; недостатки — громоздкость, ограниченный диапазон, зависимость от плотности жидкости.

¶Деформационные (механические) приборы

Чувствительный элемент деформируется под давлением, а его перемещение через передаточный механизм отображается стрелкой на шкале. Основные типы:

Эти приборы массовы, надёжны и не требуют питания, поэтому составляют большинство манометров на промышленных объектах.

¶Электрические и электронные датчики

Преобразуют давление в электрический сигнал. Распространённые разновидности:

• тензометрические — используют изменение сопротивления тензорезисторов при деформации мембраны;
• пьезоэлектрические — основаны на возникновении заряда в кристаллах кварца при механическом воздействии (применяются для быстропеременных давлений);
• ёмкостные — фиксируют изменение ёмкости между мембраной и электродом;
• индуктивные и магнитоупругие;
• оптические и волоконно-оптические.

Такие датчики обеспечивают высокую точность, малые габариты, возможность передачи данных на расстояние и интеграцию в автоматизированные системы управления.

¶Метрологические характеристики

Ключевые параметры любого прибора для измерения давления:

• диапазон измерений — область значений, в пределах которой нормирована погрешность;
• класс точности — обобщённая характеристика, выражающая предел допускаемой погрешности в процентах от диапазона;
• чувствительность — отношение изменения выходного сигнала к изменению давления;
• быстродействие — время реакции на изменение измеряемой величины;
• рабочая среда и температура — допустимые условия эксплуатации.

Поверка и калибровка приборов проводятся по эталонным средствам, прослеживаемым к государственным первичным эталонам единицы давления.

¶Применение

Приборы для измерения давления используются в самых разных отраслях:

• промышленность и энергетика — контроль давления пара, газа, воды в котлах, трубопроводах, компрессорных и насосных установках;
• нефтегазовая отрасль — измерение пластового и устьевого давления, контроль технологических процессов;
• медицина — тонометры для измерения артериального давления, аппараты искусственной вентиляции лёгких, медицинские манометры;
• авиация и космонавтика — высотомеры, указатели скорости, контроль герметичности кабин;
• метеорология — барометры и барографы для прогнозирования погоды;
• быт — автомобильные манометры для шин, бытовые тонометры, манометры на газовых баллонах.

¶Особенности выбора и эксплуатации

При выборе прибора учитывают вид и диапазон измеряемого давления, агрессивность и температуру среды, требуемую точность, условия вибрации и удалённость от пункта контроля. Для агрессивных сред применяют разделительные мембраны и коррозионностойкие материалы. Приборы, работающие под давлением, подлежат периодической поверке и обслуживанию; манометры на сосудах, работающих под давлением, устанавливаются с трёхходовым краном и сифонной трубкой для защиты от перегрева среды.

Современное развитие направления связано с цифровизацией: «умные» датчики давления передают данные по промышленным протоколам, самодиагностируются и интегрируются в системы промышленного интернета вещей.