LABORATORIUM PODSTAW METROLOGII M-T

Ćwiczenie nr 5

BADANIE CZUJNIKÓW CIŚNIENIA.

1. Wprowadzenie

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. Do pomiaru ciśnień wykorzystuje się
różnorodne zjawiska fizyczne zachodzące w gazach, cieczach lub ciałach stałych w wyniku
zmian ciśnienia, należą do nich 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, w których wykorzystuje się
odkształcenie elementu sprężystego. Elementem sprężystym może być specjalnie zwinięta
spłaszczona rurka metalowa (rurką Bourdona), membrana, mieszek lub inna bardziej
skomplikowana konstrukcja. Manometry te pozwalają mierzyć ciśnienia statyczne
z niepewnością (0,1

÷ 5)% ich zakresu, a ich konstrukcja pozwala w łatwy sposób przetwarzać

odkształcenie rurki na sygnał elektryczny przy pomocy rezystancyjnego lub indukcyjnościowego
czujnika przemieszczenia. Ma to istotne znaczenie w automatyzacji procesów przemysłowych..

2. 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:

(

)

sE

k

p

k

p

p

k

k

a

=

⋅ =

⋅

−

0

(1)

przy czym s - odkształcenie

E

− moduł Younga materiału elementu sprężystego,

k

k

− współczynnik zależny od kształtu elementu sprężystego ( zawiła funkcja

wymiarów geometrycznych, rodzaju materiału i kształtu),

p

a

− ciśnienie panujące w komorze pomiarowej manometru,

p

0

− ciśnienie otoczenia.

Manometry sprężyste cechuje duża zdolność wykonania pracy Q (możliwość

przemieszczania zewnętrznych elementów współpracujących z manometrem), którą można
określić zależnością:

Q

A s p

=

⋅ ⋅

η

2

max

(2)

gdzie:

η

− sprawność elementu sprężystego,

p

max

− 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

MT ćw. 5 Badanie czujników ciśnienia

1

mechanicznie przetworzone na kąt wychylenia Y =

α

(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.1.

Rys.1. Szkic konstrukcji różnych manometrów sprężystych: a) manometr z rurką Bourdona,

manometr puszkowy tensometryczny, c) 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 procesów starzeniowych, gdyż zmieniają się parametry sprężystości elementu sprężystego
manometru (moduł Younga). Wpływ temperatury

ϑ

na wartość modułu Younga E z

dostatecznym przybliżeniem podaje zależność:

( )

(

)

[

]

E

E

ϑ

α ϑ

=

+

−

0

1

ϑ

0

(3)

s

0

1

2

3

4

s

max

p

∆s

Rys.2. Wpływ histerezy na wskazanie manometru; obieg 0-1-2 odnosi się do obciążenia

krótkotrwałego, obieg 0-1-3-4 dla obciążenia długotrwałego.

stąd błąd temperaturowy

δ

ϑ

manometru wyznaczony z uwzględnieniem odkształcenia s

elementu sprężystego w temperaturze różnej od temperatury odniesienia

ϑ

0

jest równy:

( )

( )

( )

(

δ

ϑ

ϑ

ϑ

α ϑ ϑ

ϑ

=

−

= −

−

s

s

s

0

0

)

(4)

MT ćw. 5 Badanie czujników ciśnienia

2

przy czym

α

−

współczynnik temperaturowy sprężystości ( dla stopów miedzi wynosi ok.

(-3,5

÷ -4,5)⋅10

-4

1/

°C).

Ponadto materiały sprężyste ulegają procesom starzeniowym i zjawisku pełzania co ujawnia

się występowaniem histerezy wskazań manometru sprężystego w wyniku krótkotrwałych
i długotrwałych obciążeń manometru. Wpływ histerezy na wskazania (odkształcenie s)
manometru przedstawiono na rys.2.

Wpływ histerezy określa wskaźnik histerezy

γ

dla obciążeń długotrwałych (24 godziny):

γ

=

∆s

s

max

100%

(5)

Dla przeciętnych elementów sprężystych

γ

= (0,2

÷ 2)%.

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 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, brakiem dodatkowych elementów mechanicznych oraz 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.

Na rys.3 pokazano przykład konstrukcji monolitycznego scalonego piezorezystancyjnego

czujnika ciśnienia (przetwornik sprężysty)

Rys.3. Szkic konstrukcji piezorezystancyjnego czujnika ciśnienia a), układy połączeń

elektrycznych piezorezystorów czujnika b) układ pomiarowy, c) (dołączenie
odpowiednio dobranych rezystorów R

P1

, R

P2

, R

S1,

R

S2,

R

Z

pozwala linearyzować układ

czujnika ciśnienia i przesunąć początek jego charakterystyki do wartości ciśnienia
odniesienia).

MT ćw. 5 Badanie czujników ciśnienia

3

3. Wzorcowanie manometrów

Do sprawdzania i wzorcowania manometrów używa się manometru wagowo-tłokowego jak

na rys.4. W manometrach tego rodzaju wytwarzane jest ciśnienie w ich obwodach
hydraulicznych za pomocą określonych z odpowiednią dokładnością ciężarków naciskających
bezpośrednio na tłok manometru.

Ciężarki

Tłok

Manometr 1

Manometr 2

Naczynie

wyrównawcze

Zawór

Pompa

olejowa

Rys.4. Wzorcowy manometr wagowo-tłokowy.

Rys.5. Schemat stanowiska laboratoryjnego do badania czujników ciśnienia; oznaczono:

M

1

− manometr wzorcowy, M

2

, M

3

, M

4

, M

5

− manometry badane, Z

1,2,3

− zawory

odcinające, NW

− naczynie wyrównawcze, WMT − wzmacniacz mostka

tensometrycznego, VC

− woltomierz cyfrowy, PR − pompa pneumatyczna (ręczna).

MT ćw. 5 Badanie czujników ciśnienia

4

W manometrze pokazanym na rys.8 ciężarki o masie m wywierają nacisk na tłok o polu

przekroju A wskutek czego w przewodach panuje ciśnienie:

p

mg

A

p

b

=

+

(6)

gdzie:

g

− lokalne przyśpieszenie ziemskie,

p

b

− ciśnienie barometryczne.

Badanie właściwości statycznych czujników ciśnienia można przeprowadzić na stanowisku

laboratoryjnym jak na rys.5.

4. Program ćwiczenia.

1. Dokonać identyfikacji manometrów na stanowisku badawczym.
2. Przygotować układ jak na rys.9a do pracy i ustalić wskazania początkowe poszczególnych

manometrów.

3. Wykonać pomiary charakterystyki: Y= f(p)

− (wskazanie manometru jako funkcja

mierzonego ciśnienia) dla ciśnień wzrastających i malejących..

4. Sporządzić wykresy zależności: Y=f(p),czułości S=f(p), i błędu nieliniowości

δ

nl

=f(p).

5. Obciążyć manometr wzorcowy maksymalnym naciskiem oraz odczytać wskazania

manometrów i zanotować czas chwili odczytu, a następnie dokonać odczytu wskazań po
czasie ok.(0,5

÷ 1) godziny, oszacować wskaźnik histerezy

γ

dla obciążeń długotrwałych

(24 godziny).

6. W czasie realizacji punktu 5 instrukcji przeprowadzić pomiary jak p.2.,p.3, p.4 dla

czujnika monolitycznego w układzie pokazanym na rys.9b.

7. Sporządzić odnośne wykresy i wyznaczyć podstawowe parametry statyczne czujnika.
8. Wnioski z przeprowadzonych pomiarów.

5. Pytania kontrolne.

1.Czym różni się manometr różnicowy od manometru do pomiaru ciśnienia bezwzględnego?
2.Wymienić i scharakteryzować rodzaje manometrów elektrycznych.
3.Omówić zasadę działania i budowę manometru do wzorcowania manometrów przemysłowych.
4.Dlaczego manometry z rurką Bourdona są najczęściej wykorzystywane w praktyce?
5.Co to jest histereza manometru i na czym polega?
6.Które manometry nadają się do pomiaru ciśnień szybkozmiennych?
7.Jak są zbudowane i jak działają manometry monolityczne?
8.Które manometry mają dużą czułość i od czego ona zależy?
9.Jak wpływa temperatura otoczenia na parametry różnych typów manometrów?

MT ćw. 5 Badanie czujników ciśnienia

5