Измерения давления. Эволюция деформационных манометров

Измерения давления составляют значительную часть всех измерений, производимых в науке и промышленности. Это связано с чрезвычайным многообразием применения давления во всех сферах человеческой деятельности.

Принято считать, что первые жидкостные манометры были созданы в 1643 году итальянскими учеными Торричелли и Вивиани,учениками Галилео Галилея, которые при исследованиях свойств ртути в трубках обнаружили наличие атмосферного давления,что и привело к созданию ртутного барометра. В последующие годы во Франции (Б. Паскаль и Р. Декарт) и в Германии (О. Герике) были созданы различные разновидности жидкостных барометров, в том числе и с водяным заполнением.

Промышленная революция в Европе (конец XVIII -1 -я половина XIX века) с появлением паровых машин и развитием железных дорог предопределила необходимость создания новых, более удобных, чем жидкостные манометры, приборов.

В1845 году швейцарский инженер Р. Шинц изобрел трубчатый чувствительный элемент для измерения давления. Эту дату и принято считать датой создания деформационных манометров.

Вот уже более 160 лет большинство показывающих манометрических приборов функционируют на основе деформационных чувствительных элементов. Действие таких устройств основано на зависимости деформации или изгибающего момента упругих чувствительных элементов от давления, определяемого перемещением или усилием, развиваемым упругим элементом.

По ГОСТ 8.271-77 деформационный манометр - это манометр, принцип действия которого основан на зависимости деформации чувствительного элемента или развиваемой им силы от измеряемого давления.

Первое промышленное производство трубчатых деформационных манометров было организовано французом Э. Бурдоном в 1949 году, который использовал при измерении давления согнутую плоскоовальную трубку, получившую в дальнейшем широкое распространение и названную его именем (трубка Бурдона). В 1849 году Э. Бурдон запатентовал свое изобретение одновитковой трубчатой пружины, и оно получило широкое распространение в мире из-за простоты использования, безопасности, высокой чувстительности, линейности и точности измерительного элемента.

Также в 1849 году в Германии Б. Шеффер запатентовал диафрагменный манометр, который вместе с трубкой Бурдона произвел революцию измерений давления в промышленности.

В том же 1849 году француз Ф. Ричард приобрел у Э. Бурдона лицензию на производство барометров с металлическими трубками Бурдона.

В1849 году на Парижской ярмарке Э. Бурдон и Ф. Ричард получили золотую медаль за представленные экспонаты, а в 1851 году на 1-й Всемирной выставке в Лондоне - медаль Совета выставки.

К1913 году компания Ф. Ричарда выпустила более 64000 манометров с трубкой Бурдона подтоварной маркой RF.

Товарный знак "Richard Felix"

В1952 г. Э. Эшкрофт (США) приобрел патентные права на изобретение Э. Бурдона и стал одним из крупнейших производителей датчиков давления. По окончании 2-й мировой войны необходимость в восстановлении послевоенной экономики привела к созданию в 1946 году благодаря личному энтузиазму А. Виганда компании «WIKA GmbH» в Германии.

А. Виганд (1946)

И уже в 1956 году компанией был освоен выпуск всех типов манометров, в том числе и деформационных. В 1970 году WIKA становится номером 1 среди изготовителей манометров в Европе. В то время компания имела около 880 работников, производила 22500 манометров в день и достигла годового оборота в 50 миллионов DM.

У. Виганд (1967-1996)

В 2008 году годовой оборот компании уже составил 500 миллионов евро.

Развитие и изготовление на основе высоких технологий в современных производственных участках, находящихся в собственности компании в Германии, Бразилии, Китае, Индии, Канаде, Швейцарии, Южной Африке и США, являются лучшей гарантией успеха компании.

А. Виганд (с 1996 г. по настоящее время)

Более чем 43 миллиона качественных приборов поставляются в более чем 100 стран ежегодно. Приблизительно 350 миллионов измерительных приборов WIKA используются во всем мире. Разработка и производство манометров с упругим чувствительным элементом на основе трубки Бурдона всегда составляли значительную часть производственной программы компании WIKA. И в настоящее время компания предлагает свыше 40 типов этих манометров.

Чем характеризуется успех их производства?

Манометры с упругим чувствительным элементом широко распространены в сфере технических измерений давления благодаря своей прочности и простоте использования. Они содержат чувствительные элементы, которые упруго меняют свою форму под воздействием давления. Как правило, чувствительные элементы исполняются из медных сплавов, легированных сталей или из специальных материалов, если речь идет о специфических измерительных задачах. Давление измеряется по отношению к исходному давлению (эталонное давление). В качестве исходного давления служит, как правило, атмосферное давление. Это означает, что манометр указывает насколько измеренное давление ниже или выше атмосферного давления, присутствующего в момент измерений (манометр избыточного давления). Существует стандартный ряд измеряемых диапазонов, давление указывается стрелкой на циферблате. Манометры с гидрозаполнением используются для измерения давления в услових сильных пульсаций и/или вибраций. Функцию сигнализации можно обеспечить путем комбинирования манометра с электроконтактами.

Для автоматизации производственных процессов манометры комбинируются с датчиком выходного электрического сигнала, например 4-20 мАТрубчатые пружины представляют собой кругообразно согнутые

Манометр с трубкой Бурдона

трубки с овальным поперечным сечением. Давление измеряемой среды воздействует на внутреннюю сторону этой трубки, в результате чего овальное поперечное сечение принимает почти круглую форму. В результате искривления пружинной трубки возникают напряжения в кольцах трубки, которые разгибают пружину. Незажатый конец пружины выполняет движение, пропорциональное величине давления. Движение передается посредством стрелочного механизма на шкалу. Для измерений давления до 40 или 60 бар применяются, как правило, согнутые с углом витка около 2700, кругообразные пружины. Для измерений давления с более высокими значениями используются пружины с несколькими лежащими друг над другом витками и одинаковым витковым диаметром (винтовая пружина) или со спиралеобразными витками, лежащими в одной плоскости (плоская спиралевидная пружина). Трубчатые пружины обладают сравнительно низким перестановочным усилием. Поэтому их защита от перегрузки может проводиться только с ограничениями. Показания устнавливаются в диапазонах от 0..Д6 до 0. 7000 бар при точности показаний (классе) от 0,1 до 4,0%.

Дальнейшее развитие упругих чувствительных элементов было связано с развитием в начале 50-х годов прошлого века высоких технологий, в частности, технологий изготовления упругих элементов из плавленного кварца. Это был достаточно дорогостоящий процесс в основном из-за высокой (2400 °С) температуры плавления и специальных методов производства, особенно, полых кварцевых трубок диаметром менее дюйма. Однако, полезные свойства плавленного кварца, а именно - низкий коэффициент теплового расширения, химическая инертность, низкая термоэластичность и внутренняя вязкость позволили применить их в разработанном С. Уорденом гравиметре, который имел возможность за счет кварцевого чувствительного элемента измерять относительные вариацию ускорения силы тяжести в одну десятимиллионную. Ранние работы К. Боденштейна, Дж.Дамрела и других показали возможность изготовления трубок Бурдона из плавленного кварца. Прежде чем С. Уорден начал изготовление кварцевых трубок Бурдона в «Worden Labs» для «Ruska», он построил несколько моделей низкого разрешения для использования в научных лабораториях У. Руска, основателя «Ruska».

В1953 году «Texas Instruments» (Tl) приобрела лаборатории С. Уордена. В 1962 году У. Бак запатентовал высокоточный барометр, который использовал в качестве чувствительного элемента кварцевую трубку Бурдона. Однако судьба этого патента в отношении коммерческого использования неизвестна. В то же время в начале 60-х годов работы в TI Дж.Дамрела и Дж. Фрута привели к созданию моделей 140 и 142 и документа «Новые концепции высокоточных измерений и контроля давления». В новых приборах предлагались улучшенное разрешение, дизайн, гистерезис и переносимость по сравнению с обычными приборами измерения давления. Разрешение этих оригинальных приборов TI составляло 1 часть на 100 000. В основе трубки Бурдона находилось кварцевое зеркало, которое использовалось для определения положения или отклонения трубки Бурдона при поступлении давления. Источник света, направленного на зеркало, отражался обратно в пару фотоэлементов, что показывало сумму углового отклонения трубки Бурдона. Механический цифровой счетчик указывал смещение от нулевого, которое умножалось на коэффициент масштабирования при условии,

"Riska" XR-38 Sensor

что число было пропорционально давлению, приложенному к трубке Бурдона. Модели серии 140 быстро нашли применение в калибровочных лабораториях, требующих высокой точности и производительности. Вначале трубки Бурдона были способны измерять давление до 500 фунтов на квадратный дюйм и использовались для измерений избыточного, абсолютного или дифференциального давлений, а также при атмосферном или повышенном давлении для измерений перепада давления. Измерения абсолютного давления достигались путем подключения вакуумного насоса к трубке Бурдона. Другой важной разработкой был высокоточный контроллер давления, который обеспечивал автоматический контроль давления. Новые модели Tl LPC50, LPC100 и модели PSR100 были разработаны, чтобы использоваться в сочетании с манометрами Tl «Precision». Модель PSR100 имела самые высокие возможности контроля давления с максимальным выходом в диапазоне от 100 фунтов на квадратный дюйм. Кварцевые трубки Бурдона были разработаны с условием взаимозаменяемости, чтобы пользователь мог легко устанавливать и удалять различные трубки в разных диапазонах давлений. Tl «Precision» был запатентован в 1966 году и стал первым в коммерциализации высокоточных трубок Бурдона из плавленного кварца. Примерно в то же время в «Ruska» был разработан прибор XR-38 с кварцевой трубкой Бурдона, датчик давления которого был похож на датчик TI в том, что был заключен в стеклянный корпус. Л. Линтон (главный инженер) объединился с «RayWorden» для разработки кварцевой трубки Бурдона для следующего поколения продукции «Ruska» - XR-38 - который был представлен на рынок средств измерений давления в 1968 году.

В конце 1960-х «Texas Instruments» представила второе поколение приборов с кварцевыми трубками Бурдона в виде моделей TI-145 (измеритель) и TI-156 (контроллер). Но далее в связи с трудностями финансирования TI подразделения по манометрическим исследованиям Дж.Фрут принял решение оставить TI и основал новую компанию, деятельность которой посвящалась исключительно созданию высокочных приборов для измерений давления. Эта новая компания стала называться «Mensor». Большинство из основателей «Mensor» работали в TI в подразделении средств измерений давления, включая отделы проектирования, производства и продаж. «Mensor Corporation» была основана в 1969 году, чтобы поднять производство кварцевых манометров на новый уровень производительности. «Mensor» «датчик» был похож на дизайн капсулы TI в том, что в нем также использовалось оптическое зондирование с целью устранения любых трений и тепловых эффектов при непосредственном использовании кварцевой трубки Бурдона. Также использовались круговые зеркала, прилагаемые к кварцевой трубке Бурдона, и свет отражался обратно на фотоэлементы. Когда давление прилагалось к кварцевой трубке, зеркало вращалось относительно величины приложенного давления и измерялось напряжение смещения на фотоэлементах. Процесс начинался с изготовления полых кварцевых трубок высокой чистоты (с внешним диаметром - 8 мм и внутренним - 6,5 мм). Токарный станок и множество пламенных факелов были использованы для изготовления полых кварцевых трубок Бурдона на углеродной оправке. Факелы использовались для размягчения кварцевых трубок и формирования спиралей для окончательной сборки. Точный диапазон давления определялся размером трубки.

Различные диапазоны давления имели различные сечения и разные толщины стенок. Корректировка для получения точного диапазона давления достигалось путем травления кварца плавиковой кислотой. Винтовая кварцевая трубка Бурдона затем становилась неотъемлемой частью сборной конструкции, которая включала: кварцевое зеркало, кварцевую пружину, монтажный блок, корпус, пневматические фитинги и стеклянную капсулу. Сложность сборки прибора была на уровне создания произведений искусства. Первый кварцевый манометр «Mensor» (QM) был представлен в 1969 году, после чего в 1970 году появился и кварцевый манометр/контроллер (QM/C). В начале 1970-х годов QM начал использоваться для метрологических приложений в основном в калибровочных лабораториях, в авионике и в научных исследованиях. QM первым представил не прямые показания прибора. Специальные диаграммы интерполяции были использованы для определения точных измерений давления.

Датчик давления «Mensor»

В 1972 году «Mensor» представил первый кварцевый манометрс трубкой Бурдона, который был в состоянии обеспечить прямые показания давления в единицах давления (мм рт.ст., мбар, кПа и т.д.). В 1976 году в «Mensor» был разработан цифровой датчик давления (мод. 11 600), который также использовал трубку Бурдона из плавленного кварца. В то время как QM и QM/C были в съемной капсуле, модель 11600 уже была несъемной. «Mensor» также использовал трубку Бурдона из плавленного кварца в своем втором контроллере давления в 1983 году (модель PCS200). В начале 1970-х «Ruska» решила развивать свое третье поколение манометров с использованием кварцевой трубки Бурдона. Этот прибор, известный как DDR-6000, был предназначен для точных измерений давления и контроля. Сборка кварцевого DDR-6000 напоминала сборку гравиметра Уордена с точки зрения сложности и внешнего вида. В 1980-х годов TI принял решение о продаже кварцевых манометров с трубкой Бурдона в «Halliburton». После короткого пребывания в «Halliburton» линия TI «Давление»

была продана «Mensor» в 1990 году. Поэтому многие из манометров, которые были разработаны первоначально учредителями «Mensor», когда они работали в TI, нашли свой путь обратно «домой» в «Mensor». В начале 1990-х годов в «Mensor» увидели потенциальные возможности и преимущества кремниевых пьезорезистивных датчиков и начали разработку новой линии приборов для измерений давления. В начале 1990-х годов «Mensor» продолжала продавать и обслуживать кварцевые манометры с трубкой Бурдона, в том числе и из TI продукции. К середине 1990-х годов «Mensor» остановил свое производство кварцевых манометров с трубкой Бурдона. За 50-летнюю историю кварцевых манометров с трубкой Бурдона Ruska в настоящее время остается единственной компанией,которая до сих пор продолжает их производство и продаж. В 1993 году компания «Druck» приобрела «Ruska», а через три года «General Electric» (GE) приобрела «Druck». В 2006 году компания «WIKA» приобретает компанию «Mensor» с целью объединения инновационных технологий при производстве высокоточных преобразователей давления. В 2007 году создается подразделение «WIKA Calibration line». Объединение инновационных технологий «WIKA» и «Mensor» в 2009 году позволило начать производство нового цифрового преобразователя давления модели СРТ6180 с характеристиками, отвечающими последним требованиям в области высокоточных средств измерения давления:

инструментальная погрешность до 0,004% ИВ;
повторяемость до 0,002% ИВ;
нелинейность до 0,002%;
расширенная неопределенность (к = 2, 95%) до 0,01% ИВ.

ХРОНОЛОГИЯ

1944 «Ruska» основана в Хьюстоне, штат Техас 1940 С. Уорден изобрел кварцевый гравиметр 1953 «Texas Instruments» приобретает «Worden Labs» 1960 «Texas Instruments» выпускает кварцевый манометр (мод.140) 1960 «Ruska» начинает работы над кварцевыми манометрами 1960 «Worden Labs» создает кварцевую винтовую трубку Бурдона 1964 «Ruska» приобретает «Worden Labs» 1966 П. Дамрел и Дж.Фрут патентуют в «Texas Instruments» кварцевые манометры

1968 «Ruska» запускает в производство кварцевый манометр (мод. XR-38) и тестер давления мод. 3820

1969 Основание компании «Mensor» в Хьюстоне, штат Техас

1969 «Mensor» запускает в производство кварцевый манометр (мод. 10 100)

1970 «Mensor» запускает в производство кварцевый манометр/контроллер (мод. 10 205)

1972 «Ruska» запускает в производство кварцевый манометр/контроллер (мод. DDR6000/6010)

1975 Р. Уорден, К. Солис и Л. Линтон патентуют на «Ruska» DDR6000

1976 «Mensor» запускает в производство кварцевый цифровой датчик давления (мод. 11 600)

1976 «Mensor» запускает в производство кварцевый цифровой преобразователь давления (мод. 11 603) 1983 «Mensor» запускает в производство кварцевый регулятор давления (мод. PCS200) 1980 «Texas Instruments» продает производственную линию кварцевых манометров в «Halliburton» 1980 «Ruska» запускает в производство мод. 7000/7010. 1987 «Mensor» запускает в производство кварцевый манометр (мод. PCS100) 1990 «Mensor» приобретает линию кварцевых манометров от «Halliburton»

1992 «Mensor» прекращает производство всех кварцевых датчиков

📎📎📎📎📎📎📎📎📎📎