Основы контроля давления, температуры и расхода в технологических процессах

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации 

Федеральное государственное бюджетное 

образовательное учреждение высшего образования 

«Казанский национальный исследовательский 

технологический университет» 

 
 
 
 
 
 

Р. Н. Гайнуллин, А. Р. Герке, А. В. Лира 

 
 
 

ОСНОВЫ КОНТРОЛЯ ДАВЛЕНИЯ, 

ТЕМПЕРАТУРЫ И РАСХОДА 

В ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ 

ПРОЦЕССАХ 

 

 

Учебно-методическое пособие 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 

Казань 

Издательство КНИТУ 

2019 

УДК 658.562.3:53.08(075) 
ББК 30.606я7

Г14

Печатается по решению редакционно-издательского совета  
Казанского национального исследовательского технологического университета 

Рецензенты: 
д-р техн. наук, проф. К. Х. Гильфанов 
канд. техн. наук, доц. С. А. Терентьев 

Г14 

Гайнуллин Р. Н. 
Основы контроля давления, температуры и расхода в технологиче-
ских процессах : учебно-методическое пособие / Р. Н. Гайнуллин, 
А. Р. Герке, А. В. Лира; Минобрнауки России, Казан. нац. исслед. 
технол. ун-т. – Казань : Изд-во КНИТУ, 2019. – 104 с. 

ISBN 978-5-7882-2794-8

Рассмотрены основные теоретические сведения в области измерения давления, 
температуры и расхода, включая методы проведения поверок средств измерений. 
Приведены описания экспериментальных установок, изложен порядок проведения 
лабораторных работ.  
Предназначено для студентов всех форм обучения, обучающихся по специаль-
ности 18.05.01 и по направлениям бакалавриата 09.03.01, 13.03.01, 14.03.01, 15.03.02, 
16.03.03, 18.03.01, 18.03.02, 19.03.01, 19.03.02, 19.03.03, 19.03.04, 20.03.01, 21.03.01, 
22.03.01, 27.03.01, 27.03.03, 27.03.04, 28.03.02 при изучении ими следующих дисци-
плин: «Управление техническими системами», «Системы управления технологиче-
скими процессами», «Системы управления технологическими процессами и инфор-
мационные технологии», «Системы управления химико-технологическими процесса-
ми», «Метрология, сертификация, технические измерения и автоматизация тепловых 
процессов», «Автоматизация и управление технологическими процессами», «Автома-
тизированные системы управления», «Автоматизированные системы управления тех-
нологическими процессами», «Основы автоматизации технологических процессов 
нефтегазового производства», «Технологические измерения и приборы» и «Техниче-
ские измерения и приборы». 
Подготовлено на кафедре автоматизированных систем сбора и обработки ин-
формации. 

ISBN 978-5-7882-2794-8
© Гайнуллин Р. Н., Герке А. Р., Лира А. В., 2019
© Казанский национальный исследовательский 

технологический университет, 2019

УДК 658.562.3:53.08(075) 
ББК 30.606я7

С О Д Е Р Ж А Н И Е

ВВЕДЕНИЕ ........................................................................................................................... 5 

ИЗМЕРЕНИЕ ДАВЛЕНИЯ ............................................................................................... 6 
Жидкостные манометры .......................................................................................... 8 
Деформационные приборы ................................................................................. 10 
Манометры с одновитковой трубчатой пружиной ..................................... 11 
Грузопоршневые манометры .............................................................................. 12 
Электрические манометры ................................................................................... 14 
Емкостной манометр .............................................................................................. 14 
Пьезоэлектрический датчик давления ............................................................ 16 
Тензорезисторные и пьезорезистивные датчики давления .................. 17 
Частотно-резонансный датчик давления ....................................................... 20 
Интеллектуальные преобразователи давления .......................................... 23 
Методы и средства поверки манометров ...................................................... 24 
Лабораторная работа. ИЗМЕРЕНИЕ ДАВЛЕНИЯ ............................................. 27 

ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ ТЕРМОПАРАМИ ................................................... 33 
Требования к материалам для изготовления термоэлектрических 
преобразователей (термопар) ............................................................................ 34 
Конструкция термопар ........................................................................................... 35 
Виды стандартных термопар и диапазоны измеряемых 
температур .................................................................................................................. 36 
Удлиняющие провода ............................................................................................. 39 
Способы компенсации изменения температуры холодных спаев 
термопары ................................................................................................................... 39 
Схема автоматического введения поправки на температуру 
холодных спаев ........................................................................................................ 40 
Преобразователи термоэлектрические с унифицированным 
токовым выходным сигналом ............................................................................. 41 
Измерительные (вторичные) приборы, применяемые в комплекте 
с термопарами ........................................................................................................... 42 
Принцип действия магнитоэлектрического милливольтметра ............. 43 

Потенциометр ............................................................................................................ 44 
Достоинства термоэлектрических термометров ........................................ 45 
Лабораторная работа. ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ 
ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИМИ ТЕРМОПАРАМИ ...................................................... 46 

ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ ТЕРМОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯМИ 
СОПРОТИВЛЕНИЯ ......................................................................................................... 52 
Лабораторная работа. ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ 
ТЕРМОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯМИ СОПРОТИВЛЕНИЯ ......................................... 62 

МЕТОДЫ И ПРИБОРЫ ИЗМЕРЕНИЯ РАСХОДА ................................................. 68 
Метод переменного перепада давления ....................................................... 68 
Расходомеры постоянного перепада давления .......................................... 71 
Тахометрические расходомеры и счетчики ................................................. 74 
Электромагнитные расходомеры ...................................................................... 76 
Кориолисовы расходомеры ................................................................................. 78 
Вихревые расходомеры ........................................................................................ 82 
Акустические (ультразвуковые) расходомеры ............................................ 83 
Градуировочная характеристика средств измерения .............................. 86 
Лабораторная работа. МЕТОДЫ И ПРИБОРЫ ИЗМЕРЕНИЯ 
РАСХОДА ........................................................................................................................... 88 

ЛИТЕРАТУРА .................................................................................................................... 95 

Приложение ..................................................................................................................... 96 

4

В В Е Д Е Н И Е

В настоящее время предприятия химической, нефтяной, пищевой 
и других отраслей промышленности невозможно представить без 
широкого использования современных средств автоматизации на всех 
уровнях производства. Поэтому оснащение предприятий народно-
хозяйственного комплекса контрольно-измерительными приборами, 
средствами автоматизации и регулирования технологических процессов 
является важным вопросом при организации нового производства. 
С другой стороны, возникает необходимость в подготовке квалифицированных 
специалистов по обслуживанию и эксплуатации этого 
оборудования.  
На базе научно-образовательного центра института управления, 
автоматизации и информационных технологий и кафедры автоматизированных 
систем сбора и обработки информации (АССОИ) совместно 
с компанией «ОВЕН» создана учебная лаборатория, оборудованная 
современными микропроцессорными измерительными приборами 
и управляющими контроллерами, позволяющими автоматизировать 
процессы получения и обработки информации, а также управления 
производственными химико-технологическими процессами. Лаборатория 
предназначена для проведения теоретических и практических 
занятий со студентами общеинженерных специальностей Казанского 
национального исследовательского технологического университета 
по дисциплинам, связанным с автоматизацией производственных 
процессов.  
Основной целью изучения данного пособия является получение 
теоретических знаний и практических навыков по определению основных 
технологических параметров – давления, температуры, расхода 
и ознакомление со средствами измерения на основе модельного 
ряда приборов компании «ОВЕН».  
Первичные преобразователи основных технологических параметров 
являются основными источниками информации для процесса 
управления, а следовательно, понимание принципов функционирования 
и преобразования сигналов измерительной информации, является 
основополагающим в процессе изучения студентами предмета авто-
матизации производственных процессов. 

И З М Е Р Е Н И Е  Д А В Л Е Н И Я

Под давлением в общем случае понимают предел отношения 
нормальной составляющей силы к площади, на которую действует 
сила (рис. 1).  

Рис. 1. К определению понятия давления 

При равномерном распределении силы давление равно 

. 

Давление является одним из важнейших параметров химико-

технологических процессов. От величины давления зависит протека-
ние технологического процесса. 

Различают абсолютное, избыточное, барометрическое (атмо-

сферное) давление и разрежение (вакуум) (рис. 2). Абсолютное давле-
ние PА – давление, отсчитанное от абсолютного нуля. На практике 
определяется как сумма избыточного и барометрического давлений: 

РА = РИ + РБ. 

Избыточное давление РИ представляет собой разность между 

абсолютным давлением PА и барометрическим давлением РБ (т. е. дав-
лением воздушного столба земной атмосферы) [1]: 

РИ = РА – РБ. 

Если абсолютное давление ниже барометрического, то в объекте 

имеет место разрежение (вакуум): 

РВ = РБ – РА, 

где PВ – разрежение. 

S
F
P =

Рис. 2. Виды давления 

Единицы измерения давления и их соотношение приведены 

в табл. 1. 

Таблица 1 
Соответствие между единицами давления 

Единицы 
давления 

кгс/м2 или 
мм вод. ст.

кгс/см2 или
атм. (тех-
ническая 
атмосфера)

атм. (физи-
ческая ат-
мосфера) 

мм рт. ст.
Н/м2

1 кгс/м2 или 
1 мм вод. ст. 
1 
10−4 
0,0968·10−3 
73,556·10−3
9,80665

1 кгс/см2 или  
1 атм. (техниче-
ская атмосфера) 

104 
1 
0,9678 
735,56 
98066,5

1 атм. (физическая 
атмосфера) 
10332 
1,0332 
1 
760,00 
101 325

1 мм рт. ст. 
13,6 
1,36·10−3 
1, 316·10−3 
1 
133,322

1 Н /м2 
0,102 
10,2·10−6 
10,13·10−6 
7,50·10−3 
1 

абсолютный ноль 

РВ – вакуум 
(разрежение) 

РИ – избыточное 
давление 
РА – абсолютное 
давление 

Р

РА – атмосферное (барометри-
ческое) давление 

Приборы для измерения давления по виду измеряемого давле-

ния подразделяются: 

а) на манометры – для измерения абсолютного и избыточного 

давления; 

б) вакуумметры – для измерения разрежения (вакуума); 
в) мановакуумметры – для измерения избыточного давления и 

вакуума; 

г) напоромеры – для измерения малых избыточных давлений 

(до 40 кПа); 

д) тягомеры – для измерения малых разрежений (до −40 кПа); 
е) тягонапоромеры – для измерения малых разрежений и малых 

избыточных давлений; 

ж) дифференциальные манометры – для измерения разности 

давлений; 

з) барометры – для измерения атмосферного давления. 
По принципу действия приборы для измерения давления делятся: 
а) на жидкостные, основанные на уравновешивании измеряемого 
давления гидростатическим давлением столба жидкости; 

б) деформационные (пружинные), измеряющие давление по величине 
деформации различных упругих элементов или по развиваемой 
ими силе; 

в) грузопоршневые манометры, основанные на создании измеряемого 
давления калиброванными грузами, действующими на поршень, 
свободно перемещающийся в цилиндре; 

г) электрические, основанные либо на преобразовании давления 

в какую-нибудь электрическую величину, либо на изменении электрических 
свойств материала под действием давления. 

Ж и д к о с т н ы е  м а н о м е т р ы  

Жидкостные манометры отличаются простотой конструкции и 

сравнительно высокой точностью измерения. Их широко применяют 
в качестве как переносных (лабораторных), так и технических приборов 
для измерения давления. Переносной U-образный манометр, 
представляющий собой согнутую в виде буквы U стеклянную труб-
ку 1, показан на рис. 3. Трубка закреплена на панели 2 со шкалой 3, 

расположенной между коленами трубки, и заполнена жидкостью 
(спиртом, водой, ртутью). Один конец трубки соединен с полостью, 
в которой измеряется давление, другой конец трубки сообщается 
с атмосферой. 

Рис. 3. U-образный манометр 

Под действием измеряемого давления жидкость в трубке пере-

мещается из одного колена в другое до тех пор, пока измеряемое дав-
ление не уравновесится гидростатическим давлением столба жидкости 
в открытом колене. Если давление в полости, с которой соединен при-
бор, ниже атмосферного, то жидкость в коленах переместится в об-
ратном направлении и высота ее столба будет соответствовать вакуу-
му. Присоединив оба колена трубки к полостям с различными давле-
ниями Р1 и Р2, можно определить разность давлений. Манометр за-
полняют жидкостью до нулевой отметки шкалы. Для определения вы-

соты столба жидкости необходимо сделать два отсчета (снижение 
в одном колене и подъем в другом) и суммировать их величины, 
т. е. H = h1 + h2. 

Д е ф о р м а ц и о н н ы е  п р и б о р ы  

По виду упругого чувствительного элемента деформационные 
приборы делятся на следующие группы (рис. 4): 
1) приборы с трубчатой пружиной, или собственно пружинные
(рис. 4а – одновитковые, рис. 4б – многовитковые); 
2) мембранные приборы, у которых упругим элементом служит
мембрана (рис. 4в), анероидная или мембранная коробка (рис. 4г, д), 
блок анероидных или мембранных коробок (рис. 4е, ж); 
3) пружинно-мембранные с гибкой мембраной (рис. 4з);
4) приборы с упругой гармониковой мембраной (сильфоном)
(рис. 4к); 
5) пружинно-сильфонные (рис. 4и).

Рис. 4. Виды упругих чувствительных элементов 

М а н о м е т р ы  с  о д н о в и т к о в о й  т р у б ч а т о й  п р у ж и н о й

Приборы с одновитковой трубчатой пружиной (манометры, ва-
куумметры, мановакууметры и дифманометры) наиболее распростра-
нены. Действие пружинных приборов основано на измерении величи-
ны деформации одновитковой полой пружины различного вида. Эта 
деформация преобразуется передаточными механизмами того или 
иного вида в угловое или линейное перемещение указателя по шкале 
прибора. 
Основная деталь прибора с одновитковой трубчатой пружиной – 
согнутая по дуге окружности трубка эллиптического или плоско-
овального сечения (рис. 5). Одним концом трубка 1 заделана в держа-
тель 2, оканчивающийся ниппелем с резьбой для присоединения к по-
лости, в которой измеряется давление. Другой свободный конец труб-
ки запаян. Внутри держателя есть канал, соединяющийся с внутрен-
ней полостью трубки (рис. 5).  
Если в трубку подать жидкость, газ или пар под избыточным 
давлением, то кривизна трубки уменьшится и она распрямляется. 
При создании разрежения внутри трубки кривизна ее возрастает, и 
трубка скручивается. Деформация трубки объясняется тем, что на 
внутреннюю поверхность трубки радиусами r и R давление создает 
разные усилия за счет того, что площадь поверхности по радиусу r 
меньше, чем площадь по радиусу R (рис. 5). 

Рис. 5. Схема трубчатой пружины (а) и ее эллиптическое (б), 
плоскоовальное (в) поперечные сечения: 1 – трубка; 2 – держатель

В результате подачи давления через держатель 2 (рис. 6) в ма-
нометрическую трубчатую пружину 1 и при изменении кривизны 
трубки ее запаянный конец перемещается по траектории, близкой 
к прямой, при этом он воздействует на передаточный механизм 3, ко-
торый поворачивает зубчатое колесо 5 со стрелкой 4.  

Рис. 6. Конструктивное исполнение манометра 
 с одновитковой трубчатой пружиной: 
1 – трубка; 2 – держатель; 3 – передаточный механизм; 
 4 – стрелка; 5 – зубчатое колесо 

Г р у з о п о р ш н е в ы е  м а н о м е т р ы  

Грузопоршневые манометры применяются в основном для гра-
дуировки и поверки средств измерений давления, так как они облада-
ют высокой точностью воспроизведения давления и широким диапа-
зоном измерений – от 0,098 до 980 МН/м2 (от 1 до 10 000 кгс/см2). 
Принцип действия грузопоршневых манометров основан на уравно-
вешивании измеряемого давления силой веса положенных на поршень 
грузов.