1. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ УСТРОЙСТВ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ

Основными характеристиками измерителей нестационарного давления являются: способ превращения энергии давления в измерительный сигнал, Динамические свойства измерителя, линейность градуировочной зависимости, чувствительность измерителя, термическая и электрическая стабильность.

Во многих современных системах самого различного назначения, возникает необходимость регулирования и управления нестационарными процессами по давлению. К измерительным устройствам таких систем регулирования и управления предъявляют повышенные требования по динамике.

Динамические характеристики измерительных устройств, в которых под действием давления изменяются физические свойства чувствительного элемента, существенно отличаются от характеристик устройств, имеющих упругую мембрану. Динамические характеристики измерительных устройств с мембраной зависят от свойств чувствительного элемента и способа его закрепления.

Для упругих чувствительных элементов (мембран, сильфонов и др.) при измерении давлений жидкостей уравнения динамики могут быть определены следующим образом.

Учитывая, что жидкость практически несжимаема, можно написать в первом приближении

где и — давления внутри и снаружи сильфона;

— масса жидкости, приведенная к сильфону;

перемещения дна сильфона;

эффективная площадь дна сильфона;

коэффициент вязкого трения на единицу площади дна сильфона.

Затем определим отношение упругости пружины с к ее эффективной площади, т. е.

Подставляя выражение (V.2) в уравнение (V.1), получим

Передаточная функция подобного элемента на основании уравнения (V.3) будет иметь вид

При уменьшении диаметра импульсных трубок коэффициент вследствие увеличения коэффициента растет значительно быстрее, чем постоянная времени Т. Поэтому уравнение (V.3) можно приближенно записать в виде

Соответственно передаточная функция будет равна

где

При измерении давления газов уравнение динамики чувствительного элемента следует выводить иначе. В этом случае в уравнении движения элемента массой газа можно пренебречь

Однако масса подвижных частей, приведенная к чувствительному элементу, при измерении давления газов оказывает влияние на переходный процесс:

Решая уравнения (V.7) и (V.8) совместно, получим

где — приведенная масса подвижных частей.

Передаточная функция элемента имеет тот же вид, что и выражение (V.4), но

С помощью мембранного измерителя можно с допустимой погрешностью измерять нестационарное давление, в котором частота наивысшей гармоники, имеющей существенное значение, будет меньше 0,3 частоты собственных колебаний мембраны.

Рис. V.I. Частотные характеристики измерительного устройства: a — амплитудные; б — фазовые; 1 — измерительной полости чувствительного элемента; 2 — индуктивного преобразователя — усилителя; 4 — регистрирующего электромеханического преобразователя; 5 — системы в целом

Частотные характеристики реальных мембранных измерителей давления могут существенно отличаться от теоретических зависимостей, изображенных на рис. V.I. Это отличие в значительной мере определяется конструкцией мембраны. Соответствующие характеристики мембраны могут определяться либо аналитически, либо экспериментально. Так как аналитическое определение Частотных характеристик некоторых сложных мембран (составных, вогнутых и т. п.) представляет собой существенные трудности, применяются соответствующие экспериментальные методы. Наличие измерительной полости, расположенной перед мембраной, может существенно снижать динамические свойства измерительного устройства. Для получения наилучших динамических характеристик желательно измерители располагать непосредственно в исследуемой среде без дополнительных полостей и соединительных трубопроводов.