Основные технические и метрологические характеристики приборов для измерения давления

закрыть

   ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРИБОРОВ:

   • диапазон измерения - это диапазон измерения давления, в котором нормируются метрологические характеристики. Диапазон измерений для краткости часто называют термином "шкала". Диапазон измерения ограничен верхним (ВПИ) и нижним (НПИ) пределами. Многие современные циф­ровые средства измерения позволяют перенастраивать свой предел измерения. Такие приборы называют многопредельными. Для них важной характеристикой являются пределы перенастройки диапазона измерений, ограниченные нижним пределом перенастройки НПП и верхним пределом перенастройки ВПП.

   • метрологические характеристики:

     Предел основной приведенной погрешности (ОПП) – это относительная погрешность средств измерения, выраженная абсолютной погрешностью средства измерения к условно принятому значению величины, постоянному во всем диапазоне измерений. Эта погрешность нормируется в нормальных условиях эксплуатации (температура 293К, статическое давление равно 0, отсутствует дрейф, перегрузка и другие возмущающие факторы).
     Пределы дополнительных погрешностей, таких как влияние температуры, статического давления, односторонней перегрузки и т. п.
Стабильность (предел изменения метрологических характеристик за установленный период времени).
Предел основной погрешности в основном диапазоне перенастройки шкалы нормируется, как правило, в% шкалы. Способы выражения остальных метрологических характеристик определяются изготовителем прибора.

 Рабочие условия эксплуатации и надежность

Это условия, при которых гарантируется работоспособность прибора и нормируются его метрологические характеристики. К ним относят: пределы статического давления, диапазоны температур, характер измеряемой среды, диапазоны напряжений питания.
Важным условием применения современных датчиков давления является их надежность. Она определяется временем, при котором прибор сохраняет свою работоспособность и метрологические характеристики.

Методы и средства измерения давления

Все методы измерения давления классифицируют по способу передачи давления на измерительный элемент. Различают:

  • Прямые (жидкостные, грузопоршневые). В них измеряемое давление воздействует непосредственно на измеритель. В приборах, изготовленных по этому принципу, давление уравновешивается массой столба жидкости (жидкостные манометры) или поршнем с грузом (грузопоршневые). Эти приборы используются в лабораторных усло­виях и в качестве эталонных средств измерения.
  • Косвенные (деформационно-механические, электромеханические и электронные). В приборах этого типа измерений давление воздействует на передающий элемент, который преобразует его в электрический сигнал или изменяет положение стрелки прибора.

Косвенные методы измерения давления Механические, деформационные

Принцип действия деформационного манометра основан на зависимости деформации чувствительного элемента или развиваемой им силы от измеряемого давления (ГОСТ 8.7271-77).
В деформационных манометрах упругими чувствительными элементами являются: трубчатая пружина, мембрана или мембранная коробка, сильфон.
Упругие чувствительные элементы широко применяются не только в деформационных манометрах, но и в электронных. Рабочее давление воздействует на упругий элемент (мембрану), которая через разделительную жидкость воздействует на электронный компонент прибора.
К основным метрологическим характеристикам упругих чувствительных элементов относятся: рабочий ход элемента, нелинейность упругой характеристики, гистерезис, чувствительность, изменение начального положения, постоянство упругой характеристики.
К достоинствам этих приборов относят их невысокую стоимость, простоту конструкции, отсутствие источника питания. К недостаткам: невысокую точность измерения, отсутствие выходного электрического сигнала.
Данные приборы используются в основном для индикации давления по месту измерения.

Электромеханические

Принцип работы электромеханических приборов базируется на преобразовании перемещения чувствительного элемента в электрический сигнал. По сути, измеритель представляет собой механический манометр, соединенный с неким плунжером. Плунжер взаимодействует с электрическим полем, и его перемещение вызывает изменение этого поля.
Все недостатки механических методов измерения присущи и этому методу. Плюс недостатки электрокинематической связи. К достоинствам можно отнести преобразование давления в электрический сигнал.
На данный момент такие приборы сняты с производства. Их заменяют современные электронные датчики давления, которые обладают лучшими метрологическими характеристиками.

Электронные

Электронный принцип измерения основан на изменении электрических характеристик чувствительного элемента. Приборы, действующие по этому принципу, преобразуют рабочее давление в выходной электрический сигнал. Главное отличие электронного принципа измерения от электромеханического – чрезвычайно малая деформация чувствительных элементов. Чувствительный элемент, часто называемый сенсором, определяет в основном технические характеристики измерительного прибора. В свою очередь, на технические характеристики сенсора, включая чувствительность, величину гистерезиса, нелинейность основной зависимости, оказывает влияние заложеный принцип преобразования.
Общая схема работы электронного преобразователя давления представлена на рисунке.

схема работы электронного преобразователя давления

Основными элементами датчика являются: чувствительный элемент (сенсор), преобразующий давление в одну из электрических величин; узел приема давления, служащий для передачи давления от измеряемой среды сенсору, а также для его защиты от воздействия измеряемой среды и перегрузки; микропроцессорный электронный модуль, измеряющий сигнал сенсора, выполняющий его линеаризацию, коррекцию влияния паразитных факторов и преобразующий полученный результат в выходной сигнал. Кроме того, электронные модули современных датчиков давления выполняют еще целый ряд функций, таких как самодиагностика, местная индикация результатов измерений, коммуникация по цифровым протоколам, местная и дистанционная перенастройка диапазона измерений ("нуля" и "шкалы") и т. д.
Выходные сигналы измерительных преобразователей давления, разрежения предназначены для автоматизации процесса измерения: связи с вторичными приборами, регуляторами, сигнализаторами и машинами централизованного и индивидуального контроля.
Наибольшее распространение в последние годы получили приборы с токовым сигналом 4…20 мА, хотя ранее достаточно широко применялись токовые сигналы 0…5 и 0…20 мА. Расширение использования таких сигналов было затруднено сложностью контроля точки "нуль", которая в ряде измерительных схем могла быть как начальной точкой рабочего диапазона преобразования, так и обрывом или коротким замыканием цепи.
Применение в современных системах управления, контроля и измерения цифровой техники привело к производству измерительных преобразователей, выходным сигналом которых является цифровой код. Его форма и параметры определяются принятыми стандартами. Наибольшее распространение в качестве стандартов получили BRAIN-, HART-, PROFIBUS-, FOUNDATION FIELDBUS-протоколы.
Главным элементом, определяющим метрологические и важнейшие технические характеристики датчика, является сенсор, характеризуемый следующими основными параметрами:

  • принцип действия (физическое явление, на котором основано преобразование разности давлений в выходной сигнал сенсора);
  • чувствительность (относительное изменение выходного сигнала сенсора при изменении разности давлений от нуля до ВПП);
  • рабочий диапазон условий эксплуатации: давления и температуры;
  • нелинейность (максимальное относительное отклонение статической характеристики сенсора от линейной);
  • гистерезис;
  • влияние температуры (максимальное относительное изменение статической характеристики при изменении температуры на определенную величину);
  • влияние статического давления (максимальное относительное изменение статической характеристики сенсора при изменении статического давления на определенную величину);
  • стабильность (максимальное относительное изменение статической характеристики сенсора за определенный промежуток времени).

Все характеристики сенсора определяются в первую очередь его принципом действия и в существенно меньшей степени совершенством технологии изготовления. На сегодняшний день в серийно выпускаемых датчиках разности давлений применяются четыре основных принципа измерения: тензорезистивный, пьезорезистивный, емкостный и резонансный.