Rich--house.ru

Строительный журнал Rich—house.ru
7 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЙ ДАВЛЕНИЯ, РАЗНОСТИ ДАВЛЕНИЙ И РАЗРЕЖЕНИЯ

Обзор методов и средств измерения давления

Измерение давления необходимо для управления технологическими процессами и обеспечения безопасности производства. Кроме того, этот параметр используется при косвенных измерениях других технологических параметров: уровня, расхода, температуры, плотности и т. д. В системе СИ за единицу давления принят паскаль (Па).

Методы измерения давления во многом предопределяют как принципы действия, так и конструктивные особенности средств измерений. В этой связи в первую очередь следует остановиться на наиболее общих методологических вопросах техники измерения давления.

Давление, исходя из самых общих позиций, может быть определено как путем его непосредственного измерения, так и посредством измерения другой физической величины, функционально связанной с измеряемым давлением.

В первом случае измеряемое давление воздействует непосредственно на чувствительный элемент прибора, который передает информацию о значении давления последующим звеньям измерительной цепи, преобразующим ее в требуемую форму. Этот метод определения давления является методом прямых измерений и получил наибольшее распространение в технике измерения давления. На нем основаны принципы действия большинства манометров и измерительных преобразователей давления.

Во втором случае непосредственно измеряются другие физические величины или параметры, характеризующие физические свойства измеряемой среды, значения которых закономерно связаны с давлением (температура кипения жидкости, скорость распространения ультразвука, теплопроводность газа и т. д.). Этот метод является методом косвенных измерений давления и применяется, как правило, в тех случаях, когда прямой метод по тем или иным причинам неприменим, например, при измерении сверхнизкого давления (вакуумная техника) или при измерении высоких и сверхвысоких давлений.

Методологически не менее важен и вопрос о способе, которым средство измерений воспроизводит единицу давления, что непосредственно сказывается на его функциональных возможностях.

Давление является производной физической величиной, определяемой тремя основными физическими величинами — массой, длиной и временем. Конкретная реализация значения давления зависит от способа воспроизведения единицы давления. Давление определяется силой и площадью с одной стороны, а с другой — длиной, плотностью и ускорением. Методы определения давления, основанные на измерении указанных величин, являются абсолютными (фундаментальными) методами и применяются при воспроизведении единицы давления эталонами грузопоршневого и жидкостного типа, а также позволяют, при необходимости, производить аттестацию образцовых средств измерений.

Относительный метод измерений, в отличие от абсолютного, основан на предварительном исследовании зависимости от давления физических свойств и параметров чувствительных элементов средств измерения давления при методах прямых измерений, других физических величин и свойств измеряемой среды — при методах косвенных измерений. Например, деформационные манометры перед их применением для измерения давления должны быть сначала отградуированы по образцовым средствам измерений соответствующей точности.

Помимо классификации по основным методам измерений и видам давления, средства измерений давления классифицируют по принципу действия, функциональному назначению, диапазону и точности измерений.

Наиболее существенный классификационный признак — принцип действия средства измерения давления.

Современные средства измерений давления представляют собой измерительные системы, звенья которых имеют различное функциональное назначение. Важнейшим звеном любого средства измерения давления является его чувствительный элемент (ЧЭ), который воспринимает измеряемое давление и преобразует его в первичный сигнал, поступающий в измерительную цепь прибора. С помощью промежуточных преобразователей сигнал от ЧЭ преобразуется в показания манометра или регистрируется им, а в измерительных преобразователях (ИПД) — в унифицированный выходной сигнал, поступающий в системы измерения, контроля, регулирования и управления. При этом промежуточные преобразователи и вторичные приборы во многих случаях унифицированы и могут применяться в сочетании с ЧЭ различных типов. Поэтому принципиальные особенности манометров и ИПД зависят, в первую очередь, от типа ЧЭ.

По принципу действия ЧЭ средства измерения давления можно разделить на следующие основные группы:

средства измерения давления, основанные на прямых абсолютных методах: поршневые манометры и ИПД, в том числе и грузопоршневые манометры, манометры с нецилиндрическим неуплотненным поршнем, колокольные, кольцевые и жидкостные манометры.

средства измерения давления, основанные на прямых относительных методах: деформационные манометры и ИПД, в том числе и с силовой компенсацией; полупроводниковые манометры и ИПД; манометры других типов, основанные на изменении физических свойств ЧЭ под действием давления.

средства измерения давления, основанные на методах косвенных измерений: установки и приборы для определения давления по результатам измерения других физических величин: установки и приборы для определения давления по результатам измерения параметров физических свойств измеряемой среды (термопарные и ионизационные вакуумметры, ультразвуковые манометры, вязкостные вакуумметры и др.).

Для измерения давления используют манометры, вакуумметры, мановакуумметры, напоромеры, тягомеры, тягонапоромеры, датчики давления.

Манометры — приборы, предназначенные для измерения избыточного, абсолютного и дифференциального давления или разности давлений жидкостей и газов. Действие манометров основано на зависимости ряда физических параметров от давления. По принципу действия все приборы для измерения давления можно разделить на жидкостные, пружинные, грузопоршневые и с дистанционной передачей показаний.

Для измерения абсолютного давления, т. е. такого, которое считывается от абсолютного нуля, выпускаются манометры абсолютного давления; для измерения избыточного — манометры избыточного давления, и наиболее часто «по умолчанию» эти разновидности приборов называют манометрами. Большинство выпускаемых манометров применяются для измерения избыточного давления. Их отличительным признаком является показание «нуля» прибора при воздействии на чувствительный элемент атмосферного давления.

Измерение давления разреженного газа производят вакуумметрами. Соответственно вакуумметр — это манометр для измерения давления разреженного газа. Манометр, имеющий возможность измерять давление разреженного газа и избыточное давление (у прибора единая шкала), называют мановакуумметром.

Приборы, предназначенные для измерения разности давлений в двух произвольных точках, именуют дифференциальными манометрами (дифманометрами). Причем это название в большей степени применимо для показывающих приборов. Устройство измерения дифференциального давления с унифицированным выходным сигналом называют измерительным преобразователем разности давлений.

Тягомеры, напоромеры, дифманометры-напоромеры — приборы, предназначенные для измерения вакуумметрического, избыточного, а также разности вакуумметрических и избыточных давлений воздуха и неагрессивных газов.

Датчики давления — устройства, физические параметры которых изменяются в зависимости от давления. Предназначены для работы в системах автоматического контроля, регулирования и управления технологическими процессами и обеспечивают непрерывное преобразование значения измеряемого параметра — давления (избыточного ДИ, абсолютного ДА, разрежения ДВ, разности давлений ДД, давления и разрежения ДИВ) нейтральных и агрессивных сред в унифицированный токовый выходной сигнал дистанционной передачи.

Одним из наиболее распространенных и надежных ПИП, используемых для контроля технологического процесса являются дифманометры типа «Сапфир» различных модификаций.

Методы и средства измерения давления

Давление – это один из важнейших термодинамических параметров теплоносителя (газа, пара, жидкости) и его измерение необходимо как в расчетных теплотехнических целях для определения расхода, количества и тепловой энергии среды, так и в технологических — для контроля и прогнозирования безопасных и эффективных режимов работы напорных трубопроводов и агрегатов.

Давлением (Р) называют отношение абсолютного значения нормального вектора силы к площади поверхности: P = F/S (при неравномерно распределенной силе Р = dF/dS). В отличие от силы, значение которой зависит от размеров поверхности ее приложения, давление позволяет при рассмотрении взаимодействия физических тел исключить фактор площади, то есть оно является величиной удельной отнесенной к единице площади.

Для жидких и газообразных сред, характеризующихся свойствами упругости и текучести, различают давление внешнее (на границе или поверхности среды) и внутреннее (в объеме или массе среды). В напорных трубопроводах с энергоносителями измеряются, как правило, статическое давление, которое является разностью полного внутреннего давления среды и динамического давления движения потока). На практике давления газообразных и жидких сред могут измеряться относительно двух различных уровней:

· уровня абсолютного вакуума (абсолютное давление);

· уровня атмосферного или барометрического давления (избыточное давление или давление разряжения).

Разность давлений сред, измеряемую в двух различных процессах или в двух различных точках одного процесса, причем таких, что ни одно из давлений не является атмосферным, называют дифференциальным давлением.

В Международной системе единиц СИ единицей давления является паскаль (1Па = 1H/1кв.м). В технической системе единиц МКГСС единицей давления является техническая атмосфера (1ат = 1кгс/кв.см). В системе СГС единицей давления является бар (1бар = 1дин/1кв.см) и на ее основе введена одноименная внесистемная единица бар (1бар = 1000000 дин/кв.см.). В практике часто используется внесистемная единица физическая (или нормальная) атмосфера, которая уравновешивается давлением столба ртути высотой 760 мм.

Соотношения между единицами измерения давления в различных системах (коэффициенты перевода) приведены в табл. 6.

Таблица 6 Соотношения между единицами измерения давления

Система единицЕдиница давленияПакгс/см 2 (ат)баратм
СИ1Па= 1Н/м 21,01972*10 -510 -50,98692*10 -5
МКГСС1ат = 1кгс/1см 20,980665*10 50,9806650,96784
Вне системн.1бар = 10 6 дин/см 210 51,019720,98692
Вне системн.1атм = 760 мм.рт.ст1,01325*10 51,03321,01325

Для прямого измерения давления с отображением его значения непосредственно на первичном измерительном приборе (шкале, табло или индикаторе) применяются манометры.

Если отображение давления на самом первичном приборе отсутствует (то есть он является бесшкальным), но он позволяет получать и дистанционно передавать измеренную величину давления, то такой прибор называют измерительным преобразователем давления или датчиком давления. Возможно объединение этих двух свойств в одном приборе (манометр – датчик).

При учете энергоносителей манометры, как правило, выполняют функцию только локального контроля за давлением и в большинстве случаев из-за отсутствия дистанционного доступа к их показаниям не могут быть использованы для целей автоматизации процесса измерений. Такую возможность обеспечивают измерительные преобразователи давления (ИПД), классификация которых приведена на рис. 11.

Известны десятки способов преобразования давления в электрический сигнал, но только некоторые из них получили широкое применение в общепромышленных ИПД. Большинство из них реализованы на основе следующих принципов:

1. Емкостные. Используют упругий чувствительный элемент (УЧЭ) в виде конденсатора с переменным зазором. Смещение или прогиб под действием прилагаемого давления подвижного электрода — мембраны изменяет емкость УЧЭ.

2. Пьезоэлектрические. Основаны на зависимости величины поляризованного заряда или резонансной частоты пьезокристаллов (кварца, турмалина и др.) от величины приложенного давления.

3. Тензорезисторные. Используют зависимость активного сопротивления проводника или полупроводника от его деформации.

В последние годы создаются ИПД на основе и других принципов:

Рис. 11 Классификация преобразователей давления

Более 60% мирового рынка сегодня составляют тензо- и пьезоэлектрические ИПД, более 90% рынка СНГ – тензорезисторные ИПД, чувствительным элементом которых является металлическая мембрана, на которой размещены тензорезисторы. Деформация (прогиб) мембраны под воздействием внешнего давления приводит к локальным деформациям тензорезисторов и изменению их сопротивления, которое измеряется электронным блоком. Тензорезисторы могут быть как металлические (проволока, фольга, пленка), так и полупроводниковые. Поскольку чувствительность полупроводниковых тензорезисторов в десятки раз выше, чем металлических преимущественное развитие получили ИПД на их основе.

Большинство промышленных ИПД российского производства требует внешнего питания от источника постоянного напряжения (18-42 В). Подключение ИПД к вторичному прибору производится по 4-х или 2-х проводной схеме. В большинстве случаев используют выходной сигнал постоянного тока, величина которого изменяется в диапазонах 0-5мА, 0-20 мА или 4-20 мА.

В России ИПД производятся целым рядом предприятий, наиболее крупными из которых являются:

· завод «Манометр», г.Москва;

· концерн «Метран», г.Челябинск;

· МО «Промприбор», г.Саранск;

· АО «Пирамида», г.Смоленск;

· завод «Эталон», г.Волгодонск и др.

Наиболее распространенные типы ИПД: «Сапфир», «Метран», «МИДА». Буквенные индексы в обозначении означают:

— ДА — датчик абсолютного давления;

— ДИ — датчик избыточного давления;

— ДД — датчик дифференциального давления (дифманометр).

Выбор ИПД для конкретного применения производится по ряду параметров:

— величине измеряемого диапазона давления;

— рабочему давлению трубопровода;

— виду и величине выходного сигнала;

— пределу основной допустимой погрешности;

— пределу дополнительной температурной погрешности;

— допустимому диапазону температур измеряемой среды и условий эксплуатации прибора;

— требованиям к стабильности метрологических характеристик;

— требованиям к источнику внешнего питания;

— уровень пыле- и влагозащищенности;

Дата добавления: 2014-11-08 ; Просмотров: 1791 ; Нарушение авторских прав?

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Раздел 5. Измерение давления

Давлением называют отношение силы, действующей перпендикулярно поверхности, к площади этой поверхности. Давление — одна из основных величин, определяющих термодинамическое состояние веществ. Давлением во многом определяется ход технологического процесса, состояние технологических аппаратов и режимы их функционирования. С задачей измерения давления приходится сталкиваться при измерениях некоторых технологических параметров, например расхода газа или пара, при изменяющихся термодинамических параметрах, уровня жидкости, и др.

Различают следующие виды давления: атмосферное, абсолютное, избыточное и вакуум (разрежение).

Атмосферное (барометрическое) давление —давление, создаваемое массой воздушного столба земной атмосферы.

Абсолютное давление давление, отсчитанное от абсолютного нуля. За начало отсчета абсолютного давления принимают давление внутри сосуда, из которого полностью откачан воздух.

Избыточное давление разность между абсолютным и барометрическим.

Вакуум (разрежение)— разность между барометрическим и абсолютным давлениями.

В Международной системе единиц (СИ) за единицу давления принят паскаль (Па) — давление, создаваемое силой в 1 ньютон (Н), равномерно распределенной по поверхности площадью 1 м 2 и направленной нормально к ней. Соотношение единиц давления, допущенных к применению с обязательным переводом в международную систему единиц (СИ).

1 am (атмосфера техническая) = 1 кг/см 2 (кгс/см 2 ) = 10 м вод.ст. = 0,981 бар = 735,56 мм рт. ст. = 98066,5 (≈ 100 000) Н/м 2 = 100 кН/м 2 = 0,1 МН/м 2

1 бар = 1,02 am; 1 Па = Н/м 2 = ; 1 атм (атм. физическая) = 760 мм рт. ст. = 1,01325 Н/м 2 = 1,033 кГ/см 2 = 10 5 Па = 0,1 МПа = 100 кПа

Таблица 13.1 — Соотношение единиц давления

ЕдиницыПаКгс/м 2ат(кгс/см 2 )мм вод.ст.мм рт. ст.
1 Па0,101970,10197 10 -40,101977,5006 10 -3
1 кгс/м 29,8066510 -473,56 10 -3
1кгс/см 298066,510 410 4735,56 10 4
1 мм вод. ст.9,8066510 -473,56 10 -4
1 мм тр. ст.133,32213,59513,595 10 -413,595

Разнообразие видов измеряемых давлений, а также областей их применения в технологии и научных исследованиях обусловило использование наряду с системной единицей давления и внесистемных единиц. К их числу относятся бар, миллиметр ртутного столба, килограмм-сила на квадратный сантиметр, килограмм-сила на квадратный метр, миллиметр водного столба.

Средства измерений давления классифицируют по виду измеряемого давления и принципу действия. По виду измеряемого давления средства измерений подразделяют на: Рабс. = Ратм. + Ризб.; Рраз. = Рабс. – Ратм.; Ризб. = Рабс. – Ратм.;

манометры избыточного давления для измерения избыточного давления;

манометры абсолютного давления для измерения давления, отсчитанного от абсолютного нуля;

барометры для измерения атмосферного давления;

вакуумметры для измерения вакуума (разрежения);

мановакуумметры для измерения избыточного давления и вакуума (разрежения).

Кроме перечисленных средств измерений в практике измерений получили распространение:

напоромеры манометры малых избыточных давлений (до 40кПа);

тягомеры вакуумметры с верхним пределом измерения не более — 40 кПа;

тягонапоромеры мановакуумметры с диапазоном измерений +20¸-20 кПа;

вакуумметры остаточного давления вакуумметры, предназначенные для

измерения глубокого вакуума или остаточного давления, т. е. абсолютных давлений менее 200 Па;

дифференциальные манометры средства измерений разности давлений.

По принципу действия средства измерений давления подразделяют на: жидкостные, поршневые, деформационные (пружинные), ионизационные, тепловые, электрические. Такое подразделение не является исчерпывающим и может быть дополнено средствами измерений, основанными на иных физических явлениях.

В настоящее время существует большой парк средств измерений давления, позволяющий осуществить измерение давления в диапазоне 10 -12 — 10 11 Па (рисунок 13.1).

Далее рассмотрены средства измерений давления, широко применяемые в качестве рабочих при технологических измерениях. Средства измерений, применяемые в качестве образцовых, в настоящее время их называют как рабочие эталоны, рассматривать которые нужно в отдельных источниках литературы.

Для организации лабораторных работ по разделу измерения давления на кафедру МСиС ТФ ГОУ ОГУ приобретена лабораторная установка «Методы измерения давления МСИ 4», «Задатчик давления воздуха МЛИ 4/1» — паспорта МСИ 4 ПС, МЛИ 4/1 ПС от Министерства образования РФ ФГО ООО «ИНТОС+» заводские №№ 11, 31 по ТУ 9.464 – 2004, ТУ 9.441 – 2002 дата изготовления и упакована для отправки в ГОУ ОГУ на кафедру МсиС ТФ 18.06 2008 года:

13.1 Назначение изделия

Установка лабораторная «Методы измерения давления МСИ 4» (далее – установка) предназначена для проведения лабораторных работ по курсу «Мето­ды и средства измерений, испытаний и контроля» в учебных заведениях для специальностей 200503 – Стандартизация и сертификация и 220501 – Управление качеством.

Читать еще:  Как залить масло в домкрат бутылочного типа

Установка обеспечивает решение типовых задач измерения давления, исследование характеристик датчиков давления различных типов и обработку результатов измерений.

Установка эксплуатируется в помещении при температуре от плюс 10 °С до плюс 35 °С и относительной влажности до 80 % при плюс 25 °С.

13.2 Основные технические данные

Диапазон изменения давлений, МПа от 0 (+ 0,001) до 0,25 ( — 0,005)

Максимальная погрешность измерения давлений — 5 %

13.3 Установка обеспечивает возможность измерения давления с помощью:

а) стрелочных манометров типа МО и МТК;

б) датчика измерения избыточного давления МТ101;

в) тензорезистивного преобразователя давления ПМД2-ИВ1;

г) механического преобразователя давления (разделителя мембранного типа РМ) с индикатором перемещения часового типа.

13.4 Электропитание тензорезистивного преобразователя давления ПМД2 — ИВ1 осуществляется от адаптера питания типа АП-5901:

— напряжением, В, (справочно) 5 + 0,05;

— силой тока, А, (справочно) 0,35 + 0,02.

13.5 Электропитание датчика измерения избыточного давления МТ101
осуществляется от блока питания типа БПС 24 — 0,3:

— напряжением, В, (справочно) 24 + 0,4;

— силой тока, А, (справочно) 0,3 ± 0,02.

13.6 Электропитание блоков питания осуществляется
от сети переменного тока:

— напряжением, В 220 ± 4

— частотой, Гц 50 ± 0,4.

13.7 Потребляемая установкой мощность, В-А, не более (справочно) 20.

13.8 Габаритные размеры установки, мм, не более:

13.9 Масса установки, кг, не более 15

13.10 Технические данные тензорезистивного преобразователя давления
ПМД2-ИВ1 (справочно):

— диапазон измеряемых избыточных давлений, МПа 0,06. 0,25;

— напряжение питания, В 5 + 0,1;

— выходной сигнал, мВ 5 0. 9 5.

13.11 Технические данные датчика измерения избыточного давления
МТ101 (справочно):

— верхний предел измерений, МПа предел 0,001÷0,25;

— предел допускаемой основной погрешности ±1,0 %;

— напряжение питания, В 15 ÷ 42;

— выходной сигнал, мА 4 ÷ 20.

13.12 Технические данные манометра МТК (справочно):
— верхний предел измерений, кгс/см 2 2.5;

— класс точности 2.5.

13.13 Технические данные манометра образцового МО (справочно):
— верхний предел измерений, МПа 0,25;
— класс точности 0,4.

13.14 Технические данные разделителя мембранного РМ (справочно):
— верхний предел измерений, МПа 0,25;
— дополнительная погрешность измерения, вносимая разделителем, ± 1 %.

13.15 Технические данные индикатора часового ИЧ10 (справочно):
— верхний предел измерений, мм 10;
— цена деления, мкм 5;
— класс точности 1,0

13.16 Средняя наработка до отказа, циклов, не менее 5000

Комплект поставки установки приведён в таблице 5.2

Наименование и условное обозначение установкиКоличествоПримечание
Установка лабораторная «Методы измерения давления МСИ 4», в том числе1 шт.
Адаптер питания установки1 шт.+5 В
Блок питания установки1 шт.+24 В
Индикатор часового типа ИЧ -10 кл. 1 ГОСТ 577-681 шт.
Мультиметр М-830В1 шт.
Паспорт на установку МСИ 41 экз.

13.8 Устройство и принцип действия установки

4.1 Внешний вид установки представлен на рисунке 13.2

Установка выполнена в настольном исполнении.

Рисунок 13.2 – Внешний вид установки МСИ 4

Обозначения на рисунке соответствуют следующей аппликации:

1 — Два основания рессивера; 2 — Баллон — рессивер с резьбовым штуцером для установки контрольного манометра 3; 3-Контрольный манометр образцовый МО;

4 — Рабочий манометр тип МТК; 5 — Датчик давления, тензорезистивный преобразователь давления типа ПМД2-ИВ1; 6 — Датчик измерения избыточного давления типа МТ 101; 7 — Механический преобразователь давления, разделитель мембранный типа РМ; 8 — Индикатор перемещения в РМ часового типа ИЧ — 5;

9 — Источник питания датчика давления 6; 10 — Источник питания датчика давления 5; 11 — Ниппель для подключения к установке установки нагнетания воздуха МЛИ 4/1 «Задатчик давления воздуха»; 12 — Мультиметр для измерения показаний датчиков 5 и 6. Источники питания подключаются к сети 220 В, 50 Гц.

13.9 Указания мер безопасности

13.9.1 К работе с установками МСИ 4 и МОИ 4/1 допускаются лица, ознакомившиеся с их устройствами, а также с разделом 6 настоящего паспорта, о чём должна свидетельствовать их личная роспись в журнале по ТБ лаборатории кафедры МС и С ТФ ГОУ ОГУ, лица, не прошедшие эту процедуру, до занятий по ЛР не допускаются.

13.9.2 К работам по монтажу и проверке установки на соответствие ПУЭ (Правил устройства электроустановок) допускается персонал лаборантов, зав. лабораторией каф. МСиС, обученный методам безопасной работы с электрооборудованием напряжением до 1000 В, в соответствии с требованиями действующих ПТЭ (Правил технической эксплуатации электроустановок потребителей) и ПТБ (Правил техники безопасности при эксплуатации электроустановок потребителей).

Во избежание поражения электрическим током при монтаже каких либо манометров и датчиков давления, а также при вскрытии установки и замене электрических элементов, пришедших в негодность, установка должна быть отключена от питающей электрической сети.

13.10 Подготовка установки к работе и выполнение лабораторных работ с помощью неё

13.10.1 Подготовка установки к работе.

13.10.1.1 Установить установку на рабочий стол — подставку (изготовление по заказу кафедры МСиС в УНПК ГОУ ОГУ). Выставить часовой индикатор часового типа в положение «НОЛЬ» (совместить шкалу и стрелку индикатора с нулевым отсчётом шкалы). Присоединить к установке через ниппель 11 устройство нагнетания воздуха МЛИ 4/1 (автомобильный воздушный компрессор, шланг пневмосети и т.д.)

13.10.1.2 Подключить источники питания 9 и 10 через разъёмы питания к датчикам давления 6 и 5. Убедиться в правильности подключения и только после этого подключить источники питания к сети переменного тока 220 В, 50 Гц.

13.10.1.3 Порядок проведения лабораторных работ проводится в соответствии с методическими указаниями лабораторных работ раздела 5 №№ 29, 30, 31, 32, 33, при условии согласованности средств измерения по типажу, если выяснятся расхождения, то обратиться к лаборанту или преподавателю за дополнительным инструктажем и пояснением.

Классификация методов измерения давления

Различают следующие виды давления (ГОСТ 8.271-77).

Абсолютное — давление, при измерении которого за начало отсчёта принимают абсолютный пуль давления. Абсолютный нуль давления может существовать либо в замкнутом объёме, из которого удалены все молекулы, либо при полном прекращении движения молекул, т.е. при абсолютной температуре, равной О К.

Атмосферное — абсолютное давление околоземной атмосферы.

Избыточное давление — разность между полным абсолютным давлением и абсолютным давлением окружающей среды.

Манометр (от греч. pavoa — неплотный и . метр) — измерительный прибор или установка для измерения давления или разности давлений.

Манометр абсолютного давления — манометр для измерения давления, отсчитываемого от абсолютного нуля.

Барометр (от греч. (lapoa — тяжесть и . метр) — манометр абсолютного давления для измерения давления околоземной атмосферы. Барометр с непрерывной записью показаний называют барографом.

Манометр избыточного давления — манометр для измерения разности между абсолютным давлением, большим абсолютного давления окружающей среды, и абсолютным давлением окружающей среды. В большинстве случаев абсолютным давлением окружающей среды является атмосферное давление. Манометр избыточного давления в газовых средах с верхним пределом измерения не более 40 кПа называют напоромером.

Вакуумметр — манометр для измерения давления разреженного газа. Вакуумметр для измерения давления разреженного газа с верхним пределом измерения не более 40 кПа, называют тягомером.

Вакуум (от лаг. vacuum — пустота) — состояние газа при давлениях р, более низких, чем атмосферное. Различают низкий вакуум (р > 1 мм рт. ст.), средний (10 3 мм рт. ст. 8 мм рт. ст. 3 мм рт. ст.). Давление р 8 мм рт. ст. соответствует сверхвысокому вакууму.

Мановакуумметр — манометр для измерения избыточного давления и давления разреженного газа. Мановакуумметр для газовых сред с верхним пределом измерения не более 20 кПа называют тягонапоромером.

Дифференциальный манометр — манометр для измерения разности двух давлений. Дифманометр с верхним пределом измерения нс более 40 кПа называют микроманометром.

Измеритель парциальных давлений — манометр для измерения давления, которое оказывал бы один из газов, входящих в газовую смесь, если бы из нес были удалены все остальные газы, при условии сохранения первоначальных объёма и температуры.

Приборы для измерения давления можно разделить на жидкостные, деформационные, грузопоршневые и электрические.

По принципу действия манометры классифицируют следующим образом.

  • 1. Жидкостной — манометр, принцип действия которого основан на уравновешивании измеряемого давления, или разности давлений, давлением столба жидкости.
  • 1.1. U-образный манометр — жидкостной манометр, состоящий из сообщающихся сосудов, в которых измеряемое давление определяют по одному или нескольким уровням жидкости.
  • 1.2. Компрессионный (от лат. compressus — сжатый) — жидкостной манометр, в котором для измерения абсолютного давления разреженного газа последний подвергается предварительному сжатию ртутью.
  • 2. Колокольный — манометр, давление в котором определяют по перемещению колокола, погружённого в жидкость, или развиваемой им силе от измеряемого давления.
  • 3. Кольцевой — дифференциальный манометр, измеряемая разность давлений в котором определяется по углу поворота кольцевого корпуса или по моменту силы, создаваемому подвешенным к корпусу грузом.
  • 4. Грузопоршновой — манометр, принцип действия которого основан на уравновешивании измеряемого давления давлением, создаваемым весом поршня с грузоподъёмным устройством, и грузов с учётом сил жидкостного трения.
  • 5. Деформационный (от лат. deformatio — искажение) — манометр, принцип действия которого основан на зависимости деформации чувствительного элемента или развиваемой им силы от измеряемого давления.
  • 5.1. Мембранный (от лат. membrane — перепонка) — дифференциальный манометр, в котором чувствительным элементом является мембрана или мембранная коробка.
  • 5.2. Сильфонный — деформационный манометр, в котором чувствительным элементом является сильфон.
  • 5.3. Трубчато-пружинный — деформационный манометр, в котором чувствительным элементом является трубчатая пружина.
  • 5.4. Манометр с вялой мембраной — деформационный манометр, в котором измеряемое давление воспринимается вялой мембраной и преобразуется в силу, уравновешиваемую дополнительным устройством.
  • 6. Электрический — манометр, принцип действия которого основан на зависимости электрических параметров преобразователя давления от измеряемого давления.
  • 6.1. Пьезоэлектрический (от греч. лшао — давлю, сжимаю и . электрический) — манометр, принцип действия которого основан на зависимости электрического заряда пьезоэлемента от измеряемого давления.
  • 6.2. Манометр сопротивлении — электрический манометр, принцип действия которого основан на зависимости электрического сопротивления чувствительного элемента от измеряемого давления.
  • 6.3. Ионизационный — манометр, принцип действия которого основан на зависимости тока положительных ионов, образованных в результате ионизации молекул разреженного газа, от измеряемого давления.
  • 6.4. Электронный ионизационный — ионизационный манометр, в котором ионизация газа осуществляется электронами, ускоряемыми электрическим полем.
  • 6.5. Магнитный элсктроразридный — ионизационный манометр, принцип действия которого основан на зависимости тока электрического разряда в магнитном поле от измеряемого давления.
  • 6.6. Радиоизотопный — ионизационный манометр, в котором для ионизации газа применяют излучение радиоизотопных источников.
  • 7. Тепловой манометр — манометр, принцип действия которого основан на зависимости теплопроводности разреженного газа от давления.
  • 7.1. Термопарный — тепловой манометр, в котором использована зависимость тсрмоэдс термопары от измеряемого давления.
  • 8. Вязкостный — манометр, принцип действия которого основан на зависимости вязкости разреженного газа, определяемой движением в нём твёрдого тела, от измеряемого давления.

Сигнализатор давления — средство контроля, начинающее или прекращающее выдавать выходной сигнал при достижении заданного давления.

Основу метрологического обеспечения средств измерений давления составляет группа государственных эталонов, в состав которой входят один первичный и пять специальных эталонов.

Государственный первичный эталон единицы давления представляет собой комплекс средств измерений, включающий группу из пяти поршневых приборов переменного состава, набор гирь и специальную аппаратуру для создания и поддержания гидростатического давления, создаваемого весом поршня и нагружающих его гирь.

В качестве образцовых или лабораторных средств измерений давления в диапазоне от КГ 1 до 10 23 Па используют грузо- поршневые манометры с классом точности 0,02; 0,2 и 0,05, которые работают по принципу сообщающихся сосудов. Измереннос давление в них уравновешивается силой тяжести поршня с грузами.

Высокая точность воспроизведения и измерения давления в этих манометрах определяется большой точностью заданной массы грузов и площади поперечного сечения поршня.

В качестве образцовых средств измерений используют также жидкостные компенсационные и деформационные приборы.

Жидкостные компенсационные приборы имеют диапазон измерений 0 — 1.000 мм вод. ст. и следующую погрешность:

  • — ±0,3 % (диапазон 75 — 1.000 мм вод. ст.);
  • -±0,5 мм вод. ст. (диапазон 0-150 мм вод. ст.);
  • — ±0,25 мм вод. ст. (диапазон 0 — 75 мм вод. ст.)

Образцовые деформационные манометры и вакуумметры имеют принцип действия, аналогичный рабочим приборам. Отличительным элементом конструкций образцовых приборов является корректор (от лат. correctus — исправленный) нуля и арретир (франц. arreter — останавливать). Верхние пределы измерений образцовых манометров избыточного давления ограничены значениями 0,1 — 60 МПа, а диапазон измерений образцовых вакуумметров — 0 — 0,1 МПа. Классы точности образцовых деформационных приборов 0,15; 0,2; 0,25; 0,4; 0,6 и 1,0.

В настоящее время известно более 600 принципов действия средств измерений давления. Однако на практике используются около 30.

Измерение давления, разрежения и разности давлений

Общие сведения о давлении

Важнейшим параметром, влияющим на ход процессов в химической технологии, является давление: абсолютное, атмосферное, избыточное и вакуумметрическое.

Атмосферное давление имеет переменную величину, так как создается массой воздушного столба земной атмосферы.

Избыточное давление находят как разницу между абсолютным и атмосферным давлениями:

где pизб — избыточное давление; pабс — абсолютное давление; pат – атмосферное давление.

Вакуумметрическое давление (разрежение) – такое состояние газа, при котором его давление меньше атмосферного, и количественно определяется разностью между величиной атмосферного и абсолютного давлений внутри вакуумной системы:

где pвак — вакуумметрическое давление.

За единицу давления в системе СИ принято давление, которое создается силой в 1 ньютон, равномерно распределенной по поверхности в 1 м 2 , и называется паскалем (Па). Для измерения средних и высоких давлений применяют кратные единицы: килопаскаль (кПа) и мегапаскаль (мПа).

В движущихся средах различают: полное, статическое, динамическое давление.

Статическое – может быть избыточным и вакуумметрическим, в частном случае оно равно атмосферному и зависит от запаса потенциальной энергии газовой (жидкостной) среды.

Динамическое давление обусловлено скоростью движения потока газа (жидкости) и определяется через скоростной (динамический) напор в соответствии с формулой:

где pд — динамическое давление; ρ – плотность движущегося вещества; w — скорость движущегося потока.

Полное давление движущейся среды представлено суммой статического pст и динамического pд давлений:

Единицы давления

Из числа допускаемых к применению единиц давления предпочтительной является единица международной системы (СИ) паскаль (Па). Паскаль – это давление силы в один ньютон на площадь в один квадратный метр (Н/м 2 ).

До введения единицы давления системы СИ в физической и технической литературе пользовались единицей давления системы СГС: дина на квадратный сантиметр (1 дин/см 2 = 0,1 Па) и внесистемной единицей давления бар (1 бар = 10 5 Па = 101970 кгс/м 2 = 1,0197 кгс/см 2 .

Допускаются к применению единица давления системы МКГСС килограмм-сила на квадратный метр (кгс/м 2 ) и внесистемные единицы: килограмм-сила на квадратный сантиметр (кгс/см 2 ), которую называют технической атмосферой (ат), миллиметр водяного столба (мм вод. ст.) и миллиметр ртутного столба (мм рт. ст.). При измерении давления жидкостным столбом последний должен быть отнесен для воды к 4 о С, ртути – к 0 о С и нормальному ускорению свободного падения, равному 9,80665 м/с 2 . Применение последних единиц давления особенно удобно при пользовании жидкостными приборами.

Кроме рассмотренных выше единиц давления применяют физическую атмосферу, равную нормальному давлению атмосферного воздуха 760 мм рт. ст. при 0 о С и нормальном ускорении свободного падения (760 мм рт. ст. = 101,325 кПа = 1,0332 кгс/см 2 ).

Соотношения между основными применяемыми единицами давления приведены в таблице 1.3.

Таблица 1.3 Единицы измерения давления и соотношение между ними

Единицы измеренияПаБаркгс/см -2мм рт. ст.
1 Па110-51,0197·10 -57,5006·10 -3
1 Бар10 511,0197750,06
1 кгс/см -29.8066·10 40,980661735,56
1 мм рт. ст.133,3213332·10 -31,3595·10 -31

Виды и принцип работы манометров

Давление, характеризуя внутреннюю энергию среды (жидкость или газ), является одним из основных параметров состояния. Это широкое понятие, которое определяет нормально распределенную силу, действующую со стороны одного тела на единицу поверхности другого.

Классификация приборов для измерения давления представлена рядом групп. Наименования приборов для измерения различных типов давления представлены в таблице 1.4.

Таблица 1.4 Наименования приборов для измерения давления

Наименование прибораОбласть применения прибора
Барометрыдля измерения атмосферного давления
Манометрыдля измерения избыточного давления
Вакуумметрыдля измерения вакуумметрического давления
Дифференциальные манометры (дифманометры)для измерения разности (перепадов) давления
Мановакуумметрыдля измерения избыточного и вакуумметрического давления
Манометры абсолютного давлениядля измерения давления, отсчитываемого от абсолютного нуля
Читать еще:  Изготовление угловой струбцины своими руками

Манометры, вакуумметры и дифференциальные манометры, предназначенные для измерения небольшого давления, разрежения и разности давлений газовых сред (до 40 кПа), называют соответственно напоромерами, тягомерами и тягонапоромерами. Для высокоточных измерений малых давлений (не выше 4,0 кПа) применяют микроманометры.

В этих приборах используется принцип сообщающихся сосудов, в которых уровни рабочей жидкости совпадают при равенстве давлений над ними. В качестве рабочей жидкости возможно использование ртути, спирта, трансформаторного масла и воды. При неравенстве уровней жидкость занимает такое положение, при котором избыточное давление в одном из сосудов уравновешивается гидростатическим давлением жидкости в другом.


Группа первая – жидкостные манометры (измеряемое давление уравновешивается давлением столба жидкости соответствующей высоты (рисунок 1.2).

Рисунок 1.2 Схемы жидкостных манометров: двухтрубного (а); однотрубного (б); микроманометра с наклонной трубкой (в) 1,2 – вертикальные сообщающиеся стеклянные трубки; 3 – шкала; 4 – шкальная пластинка.

Большинство жидкостных манометров имеют видимый уровень рабочей жидкости, по положению которого определяется значение измеряемого давления. Эти приборы используются в лабораторной практике и в некоторых отраслях промышленности.

Для измерения атмосферного давления применяются барометры, наиболее распространенными из которых являются чашечные барометры с ртутным заполнением, отградуированные в мм рт. Ст. (рисунок 1.3). Принцип действия компрессионных манометров или манометров Мак-Леода (рисунок 1.4) основан на использовании закона Бойля-Мариотта, согласно которому для фиксированной массы газа произведение объема на давление при неизменной температуре представляет постоянную величину.

Рисунок 1.3 Схема чашечного ртутного барометра: 1 – нониус; 2 – термометр.

Рисунок 1.4 Схема компрессионного манометра: 1 – резервуар; 2,5 – трубки; 3 – измерительный баллон; 4 – глухой измерительный капилляр; 6 – капилляр сравнения; 7- трехходовой кран; 8 – устье баллона.

Нижний предел измерения компрессионных манометров составляет 10 -3 Па (10 -5 мм рт. Ст.), погрешность не превышает ±1 %. У приборов пять диапазонов измерения и они охватывают давления до 10 3 Па.

Достоинствами рассмотренных жидкостных манометров и дифманометров являются их простота и надежность при высокой точности измерений.

Группа вторая – деформационные приборы (измеряемое давление определяется по величине деформации различных чувствительных упругих элементов или по развиваемой ими силе).


Деформационные манометры в зависимости от конструкции чувствительного элемента (рисунок 1.5) делятся на трубчатые, мембранные и сильфонные.

Рисунок 1.5. Упругие чувствительные элементы деформационных манометров:

Дата добавления: 2019-03-09 ; просмотров: 221 ;

ИЗМЕРЕНИЕ ДАВЛЕНИЯ И РАЗНОСТИ ДАВЛЕНИЙ

Единицей измерения давления в системе СИ является паскаль (Па). Паскаль — это давление силы в 1 Н на площадь в 1 м 2 (Н/м 2 ). При применении этой единицы могут использо­ваться приставки для образования кратных и дольных единиц (табл. 2.1), в первую очередь с целью сокращения числа значащих цифр в записываемом значении (например, 5, 28 МПа вместо 5 280 ООО Па).

Измерение давления отечественными приборами производится в кгс/см (килограмм-сила на сантиметр квадратный) и кгс/м 2 (килограмм-сила на метр квадратный). При использовании для измерения давления жидкостных приборов с видимым мениском применяют в качестве единицы давления миллиметр водяного или ртутного столба. Кроме перечисленных единиц измерения приме­няют физическую атмосферу, равную нормальному давлению атмо­сферного воздуха 760 мм. рт. ст. при 0 «С и нормальном ускорении свободного падения (760 мм. рт. ст. = 101, 325 кПа = 1, 0332 кгс/ см 2 ). Соотношения между применяемыми единицами измерения давления приведены в табл. 2.1.

При измерении давления различают абсолютное, избыточное и вакуумметрическое давление. Под термином абсолютное давле­ние подразумевается полное давление р, под которым находится жидкость или газ. Оно равно сумме давлений избыточного рИ и атмосферного ра:

т. е. избыточное давление равно разности между абсолютным дав­лением, большим атмосферного, и атмосферным давлением.

Под термином вакуумметрическое давление (разрежение или вакуум) рВ понимается разность между атмосферным давлением и абсолютным давлением, меньшим атмосферного:

Устройства для измерения давления и разности (перепада) дав­лений получили общее название манометры. Их классифицируют следующим образом:

барометры — для измерения атмосферного (или барометри­ческого) давления;

манометры абсолютного давления — для измерения абсолют­ного давления;

манометры избыточного давления — для измерения избыточ­ного давления (в практике называют манометрами);

вакуумметры — для измерения вакуумметрического давления, т. е. давления ниже атмосферного (в практике применяют термин «разрежение»);

напорометры и тягометры — для измерения малых (до 40 кПа) избыточного давления и вакуумметрического давления (разреже­ния) газовых сред;

мановакуумметры — для измерения избыточного и вакууммет­рического давлений одновременно;

тягонапорометры — для измерения малых (до 40 кПа) давлений и разрежений газовых сред одновременно;

дифференциальные манометры (дифманометры) — для измере­ния разности (перепада) давлений;

микроманометры — для измерения очень малых давлений (ниже и выше барометрического) и незначительной разности давлений.

Чувствительные элементы всех манометров воспринимают два давления р1 и р2 и вырабатывают сигнал, пропорциональный их разности. У манометров избыточного давления, вакуумметров, тягометров и напорометров давление р2 обычно равно атмосфер­ному. Дифманометры также могут использоваться для измерения как избыточного, так и вакуумметрического давления, если один из двух штуцеров для подвода давления соединить с атмосферой.

По принципу действия манометры делят на две основные груп­пы: жидкостные и деформационные (с упругими чувствительными элементами).

Жидкостные манометры (рис 2.1) всех систем заполняются жидкостью таким образом, чтобы над жидкостью были образованы две полости, воспринимающие давления р1 и р2. В этих маномет­рах величина измеряемого давления определяется по высоте столба жидкости h или по силе, образующейся за счет действия давления на поверхность сосудов. К приборам первой группы относятся U-образные (двухтрубные), чашечные (однотрубные) и поплав­ковые манометры, к приборам второй группы — колокольные.

U-образный (двухтрубный) манометр (рис. 2.1, а) состоит из одной прозрачной трубки, согнутой в виде латинской буквы U (или двух трубок, соединенных в нижней части). Трубки верти­кально укреплены на основании, и по всей их высоте нанесена двухсторонняя шкала с нулем посередине. Трубки заливают жид­костью (обычно водой или ртутью, а иногда спиртом или транс­форматорным маслом) до нулевой отметки. При применении U-образный манометр должен устанавливаться вертикально по отвесу. Отсчет производят по разности уровней жидкости h в обеих трубках, что не всегда удобно.

Обычно с помощью U-образного манометра давление, разре­жение или разность давлений измеряют в миллиметрах водяного или ртутного столба. Если отсчет высоты столба жидкости h по U-образному манометру производят невооруженным глазом, то при цене деления шкалы прибора в 1 мм при отсчете в двух

коленах пределы допускаемой основной погрешности измерения давления, разрежения или разности давлений не превышают +2 мм столба рабочей жидкости. Для увеличения точности отсчета высоты столба рабочей жидкости U-образные приборы снабжают зеркальной шкалой. В этом случае пределы допускаемой основной погрешности показаний не превышают + 1 мм столба рабочей жидкости. Отечественная промышленность выпускает двухтруб­ные манометры типа ДТ-5 и ДТ-6.

Чашечный (однотрубный) манометр (рис. 2.1, б) состоит из цилиндрического сосуда и сообщающейся с ним измерительной стеклянной трубки. При этом диаметр сосуда D значительно больше диаметра трубки d (обычно отношение d 2 /D 2 ≥ 1/400). При измерении давления в объекте его соединяют с атмосферой. При изменении разрежения с объектом соединяют измеритель­ную трубку, а с атмосферой — сосуд. При измерении разности (перепада) давлений большее давление подается в сосуд, а мень­шее — в измерительную трубку.

Когда под действием давления или разрежения жидкость в измерительной трубке поднимется на высоту h1, а в широком сосуде опустится на высоту h2, то высота столба h, соответству­ющая значению измеряемой величины, будет равна:

Если F1 — площадь сечения измерительной трубки, a F2 широкого сосуда, то

поскольку объем жидкости F1h1 в измерительной трубке равен объему F2 h2 жидкости, вытесненной из широкого сосуда.

Решив уравнения (2.4) и (2.5) относительно h, получим:

h = h1(1 + F1/F2) = h(1+ d 2 /D 2 ). (2.6)

Величиной d 2 /D 2 ≥ 1/400 ввиду ее малости на практике пре­небрегают, и отсчет ведут по столбу жидкости h1 только в одной измерительной трубке, что упрощает измерение по сравнению с U-образным манометром. При цене деления шкалы в 1 мм отсчет высоты столба в измерительной трубке может быть произ­веден с погрешностью, не превышающей ±1 мм столба рабочей жидкости. Промышленностью нашей страны выпускаются одно­трубные манометры типа ДТЖ и ММН-240. Поплавковые манометры (рис. 2.1, в) работают по принципу рассмотренных выше чашечных манометров. В поплавковом манометре имеется два U-образных сосуда 1 и 2, соединенных трубкой 3. Большее давление подводится к широкому сосуду, в котором на поверхности рабочей жидкости (ртути или транс­форматорного масла) находится поплавок 4. Перемещение по­плавка, зависящее от величины разности (перепада) давлений Δp=p1 – p2, передается стрелке отсчетного П или регистриру­ющего С устройства прибора. Поплавковые манометры сегодня уже не выпускаются, хотя в эксплуатации еще имеются.

В колокольных манометрах (рис. 2.1, г) чувствительным эле­ментом является тонкостенный стальной колокол 5, подвешенный на винтовой пружине 6. Колокол свободно плавает в раздели­тельной жидкости (трансформаторное масло), будучи частично погруженным в нее. Разделительная жидкость отделяет камеру большого давления («плюсовую») под колоколом от камеры мень­шего давления («минусовой») над колоколом. Под действием разности давлений(p1 – p2) колокол и кинематически связанная с ним подвижная часть передающего преобразователя Пр пере­мещаются до тех пор, пока усилие от приложенной к колоколу разности давлений не уравновесится упругими силами винтовой пружины. Перемещение подвижной части передающего преобра­зователя приводит к изменению выходного сигнала. В настоящее время выпускаются колокольные манометры типа ДКО.

Действие деформационных манометров основано на использо­вании деформации или изгибающего момента упругих чувстви­тельных элементов, воспринимающих измеряемое давление и пре­образующих его в перемещение или усилие. Манометры этого типа широко применяют в диапазоне измерений от 50 Па (5 кгс/м 2 ) до 1000 МПа (10 000 кгс/м 2 ). Они выпускаются в виде тягомеров, напоромеров, манометров, вакуумметров. В качестве упругих чув­ствительных элементов в них используются трубчатые пружины, мембраны, сильфоны и вялые мембраны.

Одними из наиболее распространенных являются трубчато- пружинные манометры с одновитковой трубчатой пружиной (рис. 2.2, а). Трубчатая пружина (трубка Бурдона) представляет собой изогнутую трубку, имеющую эллиптическое или плоско­овальное поперечное сечение. Один конец трубчатой пружины, сообщающийся с измеряемой средой, закрепляют неподвижно, а другой — свободный, закрытый пробкой и запаянный — соеди­няют с механизмом показаний прибора, передающим преобра­зователем или другим устройством. Под действием внутреннего давления пружина стремится уменьшить свою кривизну, вслед­ствие чего ее свободный (запаянный) конец перемещается. Это

перемещение передается на отсчетное или регистрирующее уст­ройство манометра либо воспринимается передающим преоб­разователем (на рис. 2.2 изображен показывающий прибор П, имеющий передающий преобразователь Пр).

Некоторые модификации манометров снабжаются контактным устройством, срабатывающим при достижении измеряемой вели­чиной заданного значения. Такие приборы называются электро­контактными манометрами. Промышленностью выпускаются трубчато-пружинные манометры типа ОБМ, МТП, ЭКМ.

В мембранных манометрах упругий чувствительный элемент выполняется в виде мембранной коробки (рис. 2.2, б), состоящей из двух спаянных по периметру дисковых металлических гофри­рованных мембран. Внутренняя полость коробки сообщается со средой с большим давлением. Под воздействием разности атмо­сферного и измеряемого давлений мембранная коробка сжимается или разжимается, что передается стрелке отсчетного устройства манометра П.

В сильфонных манометрах (рис. 2.2, в) упругий чувствитель­ный элемент выполнен в виде сильфона 1, представляющего собой гофрированную тонкостенную металлическую трубку, открытую с одной стороны. Сильфон помещается в камеру 2, в которую подводится измеряемое давление. Изменение величины этого дав­ления вызывает упругую деформацию сильфона и находящейся в нем винтовой пружины 3. Перемещение дна сильфона пере­дается регистрирующему устройству прибора С. Сильфонные манометры в настоящее время уже не выпускаются, хотя в эксп­луатации они еще встречаются (типа МСС).

Принципиальные схемы деформационных манометров пред­ставлены на рис. 2.3. У мембранного дифманометра (типа ДМ)

упругим чувствительным элементом является мембранный блок (рис. 2.3, а), состоящий из двух заполненных дистиллированной, водой мембранных коробок 1 и 3, закрепленных с обеих сторон в основании 2. Основание с верхней и нижней крышками корпуса образуют две камеры: нижнюю — плюсовую и верхнюю — минусо­вую. Внутренние полости мембранных коробок сообщаются через отверстие в перегородке. Большее давление подводится к нижней камере, а меньшее — к верхней. Под действием разности давле­ний Δp=p1 – p2нижняя мембранная коробка сжимается, вытесняя находящуюся в ней воду в верхнюю коробку 2. Последняя рас­ширяется, что воспринимается передающим преобразователем Пр.

Чувствительным элементом дифманометра (типа ДМИ, ДМЭ), представленного на рис. 2.3, б, является вялая (мягкая) неметал­лическая мембрана 4 с жестким центром 5, работающая совместно с винтовой цилиндрической пружиной 7. Мембрана, укрепленная между двумя крышками корпуса прибора, образует две камеры, в которые подводятся давления р1 и р2. Под действием разности давлений Δp=p1 – p2 жесткий центр мембраны и связанный с ним шток 6сердечника преобразователя Пр перемещаются до тех пор, пока сила, вызываемая разностью давлений, не уравновесится силой упругости винтовой пружины 7. Преобразователь Пр выра­батывает сигнал измерительной информации, пропорциональный измеряемой разности давлений.

У сильфонного дифманометра типа ДСС (рис. 2.3, в) чувстви­тельный элемент состоит из расположенных на общем основании двух сильфонов8 и10, донышки которых жестко связаны што­ком 9, а внутренние полости заполнены кремнийорганической жидкостью. Под действием разности давлений Δр = р1—р2 сильфоны начинают деформироваться, вызывая перемещение штока, ки­нематически связанного с компенсационным преобразователем Пр.

Последнее изменение этой страницы: 2016-04-19; Нарушение авторского права страницы

МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЙ ДАВЛЕНИЯ, РАЗНОСТИ ДАВЛЕНИЙ И РАЗРЕЖЕНИЯ

Широкое использование давления в научных исследованиях и в различных отраслях промышленности вызывает необходимость применения большого числа средств измерения давления и разности давлений, различных по принципу их действия, устройству, назначению и точности. При измерении давления нас могут интересовать абсолютное, избыточное и вакуум-метрическое давления. Абсолютное давление необходимо знать в тех случаях, когда влияние атмосферного давления исключить нельзя, как, например, при изучении вопросов состояния рабочих тел, при определении температуры кипения различных жидкостей и в других подобных случаях.

При контроле технологических процессов и при проведении научных исследований в большинстве случаев приходится иметь дело с измерением избыточного и вакуумметрического давлений, а также с измерением разности давлений.

Под термином абсолютное давление подразумевается полное давление, под которым находится жидкость, газ или пар. Оно равно сумме давлений избыточного и атмосферного

Из этого уравнения

т. е. избыточное давление равно разности. между абсолютным давлением, большим атмосферного, и атмосферным давлением.

Под термином вакуумметрическое давление (разрежение или вакуум) подразумевается разность между атмосферным давлением и абсолютным давлением, меньшим атмосферного:

Прибор, измеряющий атмосферное давление, называют барометром, отсюда атмосферное давление — барометрическим. Прибор, предназначенный для измерения абсолютного давления, называют манометром абсолютного давления. Прибор, измеряющий избыточное или вакуумметрическое давление, — соответственно манометром избыточного давления и вакуумметром. Прибор, измеряющий малое избыточное давление (например, давление воздуха, подаваемого в топку котла) и разрежение газа (например, в газоходе котла), называется соответственно напоромером и

тягомером. Прибор, предназначенный для измерения вакуумметрического и избыточного давлений, называют мановакуумметром, а для измерения малых давлений и — разрежений газа (например, в топке котла) — тягонапоромер ом. Прибор, измеряющий очень малые давления (ниже и выше барометрического) и незначительные разности давлений, называют микроманометром; прибор, предназначенный для измерения разности давлений, — дифференциальным манометром (дифманометром).

Единицы давления. Из числа допускаемых к применению в СССР единиц давления предпочтительной является единица международной системы паскаль (Па). Паскаль — давление силы в один ньютон на площадь в один квадратный метр При применении этой, единицы давления могут использоваться приставки, установленные для образования наименований кратных и дольных единиц лишь для выражения значения давления, полученного как окончательное в результате измерения или расчета, с целью сокращения числа значащих цифр в записываемом числе (например, 2,94 МПа вместо 2 940 000 Па).

Для применения допускаются также единица давления системы килограмм-сила на квадратный метр и внесистемные единицы давления: килограмм-сила на квадратный сантиметр которую часто называют технической атмосферой миллиметр водяного столба вод. и миллиметр ртутного столба При измерении давления жидкостным столбом последний должен быть отнесен для воды к ртути — к 0°С и нормальному ускорению свободного падения, равному

Применение единицы давления миллиметр водяного (или ртутного) столба особенно удобно в тех случаях, когда пользуются техническими жидкостными приборами с видимым мениском Следует также отметить, что в настоящее время в СССР выпускаемые приборы для измерения давления и разности давлений (гл. 10— 12) градуируются в единицах давления килограмм-сила на квадратный метр (или сантиметр).

Кроме указанных выше единиц давления применяют физическую атмосферу, равную нормальному давлению атмосферного воздуха при 0°С и нормальном ускорении свободного падения ().

Читать еще:  Мультиметр для автомобиля и домашнего использования: Какой лучше выбрать

В физической и технической литературе до введения единицы давления системы пользовались единицей давления системы дина на квадратный сантиметр (1 дин и внесистемной единицей давления бар (1 бар ). В настоящее время эти единицы давления не рекомендуются к применению.

В английской системе мер за единицу давления принимают давление в один английский фунт на площадь в один квадратный дюйм

Соотношения между применяемыми единицами давления приведены в табл. 9-1.

Таблица 9-1 (см. скан) Соотношение между единицами давления

МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЙ ДАВЛЕНИЯ, РАЗНОСТИ ДАВЛЕНИЙ И РАЗРЕЖЕНИЯ

Измерение давления необходимо практически в любой области науки и техники как при изучении происходящих в природе физических процессов, так и для нормального функционирования технических устройств и технологических процессов, созданных человеком. Давление определяет состояние веществ в природе (твердое тело, жидкость, газ).

Чрезвычайно многообразно применение давления в науке, технике и производстве. Энергетические возможности тепло- и гидроэлектростанций и атомных электростанций определяются давлением пара или воды на лопасти турбин, под действием давления по каналам и трубопроводам на тысячи километров транспортируется вода, нефть и газ. Давление приводит в движение автомобили и самолеты, геодезические ракеты и космические корабли, открывает и закрывает двери лифта, вагонов метропоездов, троллейбусов и автобусов, подает воду и газ в квартиры наших домов.

Посредством давления осуществляется работа разнообразных станков, механизмов и установок в различных отраслях производства.

По давлению контролируют состояние рабочих сред в различных технологических процессах нефтехимической промышленности, при производстве искусственных волокон и пр. Во многих отраслях науки при проведении физических, термодинамических и метрологических исследований (определение концентрации газов в твердых веществах, констант уравнений состояния различных веществ, эталонные температурные и линейные измерения) также требуется измерять давление [3-5].

Давление характеризует напряженное состояние жидкостей и газов в условиях всестороннего сжатия и определяется частным от деления нормальной к поверхности силы на площадь этой поверхности

где р — давление; N — нормальная сила, действующая на поверхность; F — площадь поверхности.

При этом принимается, что нормальная сила равномерно распределена по поверхности, а в жидкости или газе отсутствуют касательные напряжения. Так как действующая сила всегда перпендикулярна к поверхности вне зависимости от ее расположения, то давление является скалярной величиной [2].

Понятие давления как физической величины во всех его проявлениях едино. Вместе с тем, во многих естественных природных явлениях и в различных технических устройствах и процессах определяющим является не само давление, а его значение относительно другого. Например, под действием разности двух давлений по магистральным трубопроводам транспортируются нефть и газ из Сибири.

При сравнении значений двух давлений одно из них принимается за начало отсчета их разности. По этому признаку различают следующие виды давлений.

Абсолютное давление — давление, значение которого при измерении отсчитывается от давления, равного нулю. Абсолютное давление воздушной оболочки Земли на ее поверхность называется атмосферным давлением.

С учетом специфики каждого из видов давления при измерениях применяются специальные средства измерений — манометры и измерительные преобразователи давления.

Манометр — измерительный прибор или измерительная установка для измерения давления или разности давлений с непосредственным отсчетом их значения.

Измерительный преобразователь давления (датчик) — первичный преобразователь, выходной сигнал которого функционально связан с измеряемым давлением или разностью давлений. Выходной сигнал датчика вторичными приборами преобразуется в показания значения давления или поступает в различные системы управления и регулирования [3-5].

В соответствии с видами измеряемого давления применяют следующие виды средств измерения давления:

· манометр абсолютного давления — манометр для измерения абсолютного давления;

· барометр — манометр для измерения атмосферного давления; манометр избыточного давления — манометр для измерения положительного избыточного давления;

· вакуумметр — манометр для измерения отрицательного избыточного давления. Вакуумметрами часто называют манометры, предназначенные для измерения низких абсолютных давлений, существенно меньших, чем атмосферное давление (в вакуумной технике);

· мановакуумметр — манометр, для измерения как положительного, так и отрицательного избыточного давления;

· дифференциальный манометр (дифманометр) — манометр для измерения разности двух давлений, каждое из которых отличается от атмосферного давления;

· микроманометр — дифференциальный манометр для измерения малых разностей двух давлений, каждое из которых существенно больше их разности.

Единицы измерения давления

Когерентной единицей Международной системы единиц (СИ) является паскаль (Па). По определению единица давления паскаль представляет собой отношение единицы силы Ньютона к единице площади квадратному метру:

1 Па= 1 Н/м 2 = 1 кг/(м*с 2 )

Наиболее близка к СИ единица давления бар (бар), размер, которой очень удобен для практики (1 бар = 1*10 5 Па).

В применяемых до настоящего времени жидкостных манометрах мерой измеряемого давления является высота столба жидкости. Поэтому естественно применение единиц давления, определяемых высотой столба жидкости, т. е. основанных на единицах длины. В странах с метрическими системами мер получили распространение единицы давления милли­метр и метр водяного столба (ммвод. ст. и мвод. ст.) и миллиметр ртутного столба (мм рт. ст.).

Размеры этих единиц давления пересчитываются в единицы СИ на основании формулы

где Н — высота столба жидкости, м, с — плотность жидкости, кг/м 3 , g -ускорение свободного падения, м/с 2 .

Методы измерения давления во многом предопределяют как принципы действия, так и конструктивные особенности средств измерений. В этой связи в первую очередь следует остановиться на наиболее общих методологических вопросах техники измерения давления.

Давление, исходя из самых общих позиций, может быть определено как путем его непосредственного измерения, так и посредством измерения другой физической величины, функционально связанной с измеряемым давлением.

В первом случае измеряемое давление воздействует непосредственно на чувствительный элемент прибора, который передает информацию о значении давления последующим звеньям измерительной цепи, преобразующим ее в требуемую форму. Этот метод определения давления является методом прямых измерений, и получил наибольшее распространение в технике измерения давления. На нем основаны принципы действия большинства манометров и измерительных преобразователей давления.

Во втором случае непосредственно измеряются другие физические величины или параметры, характеризующие физические свойства измеряемой среды, значения которых закономерно связаны с давлением (температура кипения жидкости, скорость распространения ультразвука, теплопроводность газа и т. д.). Этот метод является методом косвенных измерений давления и применяется, как правило, в тех случаях, когда прямой метод по тем или иным причинам неприменим, например, при измерении сверхнизкого давления (вакуумная техника) или при измерении высоких и сверхвысоких давлений [34].

Давление является производной физической величиной, определяемой тремя основными физическими величинами — массой, длиной и временем. Конкретная реализация значения давления зависит от способа воспроизведения единицы давления. При измерении по формуле (4.22) давление определяется силой и площадью, а по формуле (4.23) — длиной (высотой), плотностью и ускорением. Методы определения давления, основанные на измерении указанных величин, являются абсолютными (фундаментальными) методами и применяются при воспроизведении единицы давления эталонами грузопоршневого и жидкостного типа, а также позволяют, при необходимости, производить аттестацию образцовых средств измерений.

Относительный метод измерений, в отличие от абсолютного, основан на предварительном исследовании зависимости от давления физических свойств и параметров чувствительных элементов средств измерения давления при методах прямых, измерений или других физических величин и свойств измеряемой среды — при методах косвенных измерений. Например, деформационные манометры перед их применением для измерения давления должны быть сначала отградуированы по образцовым средствам измерений соответствующей точности.

Помимо классификации по основным методам измерений и видам давления, средства измерений давления классифицируют по принципу действия, функциональному назначению, диапазону и точности измерений.

Наиболее существенный классификационный признак — принцип действия средства измерения давления, в соответствии с ним и построено дальнейшее изложение.

Современные средства измерений давления представляют собой измерительные системы, звенья которых имеют различное функциональное назначение. Важнейшим звеном любого средства измерения давления является его чувствительный элемент (ЧЭ), который воспринимает измеряемое давление и преобразует его в первичный сигнал, поступающий в измерительную цепь прибора. С помощью промежуточных преобразователей сигнал от ЧЭ преобразуется в показания манометра или регистрируется им, а в измерительных преобразователях (ИПД) — в унифицированный выходной сигнал, поступающий в системы измерения, контроля, регулирования и управления. При этом промежуточные преобразователи и вторичные приборы во многих случаях унифицированы и могут применяться в сочетании с ЧЭ различных типов. Поэтому принципиальные особенности манометров и ИПД зависят, в первую очередь, от типа ЧЭ [34].

По принципу действия ЧЭ средства измерения давления можно разделить на следующие основные группы:

1. Средства измерения давления, основанные на прямых абсолютных методах: поршневые манометры и ИПД, в том числе и грузопоршневые манометры, манометры с нецилиндрическим неуплотненным поршнем, колокольные, кольцевые и жидкостные манометры. В первых трех манометрах метод измерений реализуется уравнением (4.22), основанным на определении величины давления по отношению силы к площади; в жидкостных манометрах — уравнением (4.23), основанным на уравновешивании давления столбом жидкости.

2. Средства измерения давления, основанные на прямых относительных методах: деформационные манометры и ИПД, в том числе и с силовой компенсацией; полупроводниковые манометры и ИПД; манометры других типов, основанные на изменении физических свойств ЧЭ под действием давления.

3. Средства измерения давления, основанные на методах косвенных измерений: установки и приборы для определения давления по результатам измерения других физических величин; установки и приборы для определения давления по результатам измерения параметров физических свойств измеряемой среды (термопарные и ионизационные вакуумметры, ультразвуковые манометры, вязкостные вакуумметры и др.).

Следует отметить, что абсолютные методы измерений, заложенные в поршневых и жидкостных манометрах, во многих случаях на практике не реализуются. Например, жидкостные манометры, исключая первичные эталоны, градуируются и поверяются не абсолютным, а относительным методом, путем их сличения с образцовыми средствами измерений соответствующей точности.

Средства измерения давления и разности давления.

Лабораторная работа № 1

Цель работы: сравнительный анализ устройств датчиков давления, решение ситуационных задач.

КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

Давление необходимо учитывать при проектировании многих химических процессов. Давление определяется как сила действующая на единицу площади и измеряется в английских единицах — пси или в СИ единицах — Па.

Существуют три типа измеряемого давления:

1. Абсолютное давление — атмосферное давление плюс избыточное давление;

2. Избыточное давление — абсолютное давление минус атмосферное давление;

3. Дифференциальное давление — разность давлений между двумя точками.

Существуют различные типы датчиков давления, которые сегодня доступны на рынке для использования в промышленности. Каждый из них имеет преимущества в определенных ситуациях.

КРИТЕРИИ ОТБОРА ДАТЧИКА

Для того чтобы контролируемая давлением система работала правильно и эффективно, важно, чтобы используемый датчик давления мог давать точные показания по мере необходимости и в течение длительного периода времени без необходимости ремонта или замены в условиях работы системы. Существует несколько факторов, влияющих на пригодность конкретного датчика давления для конкретного процесса.

Основные это:

· характеристики используемых веществ, в среде которых будет использоваться устройство;

· условия окружающей среды;

· уровень точности и чувствительности, требуемые в процессе измерения.

Чувствительный элемент (упругий элемент) будет подвергаться воздействию веществ, используемых в процессе, поэтому материалы датчика, которые могут реагировать с данными веществами или подвергаться воздействию агрессивных сред — непригодны для использования. Мембраны (диафрагмы) являются оптимальными даже для очень суровых условий использования.

Окружающая среда (в технологическом процессе — это среда создаваемая веществом, вибрация, температура и т.д.), в которой проводится технологический процесс, также должна быть учтена при выборе датчика давления. В агрессивных средах, при сильных вибрациях в трубопроводе, или при экстремальных температурах, датчики должны иметь дополнительный уровень защиты. Герметичные, прочные корпуса с заполнением материалом, содержащим глицерин или силикон — часто используются, для того, чтобы защитить внутренние компоненты датчика (кроме чувствительного элемента) от очень жестких, агрессивных сред и колебаний.

Большинство процессов работают в определенном диапазоне давлений. Поскольку определенные датчики давления работают оптимально в определенных диапазонах давления, существует необходимость выбрать устройства, способные функционировать в диапазоне, установленном процессом.

Различные процессы требуют различных уровней точности. В общем, чем точнее датчик, тем он дороже, таким образом, будет экономически выгодно выбрать датчики, которые способны максимально удовлетворить требуемую точность. Существует также компромисс между точностью и способностью быстро обнаруживать изменения давления. Следовательно, в процессах, в которых давление сильно варьируется в течение коротких периодов времени — нецелесообразно использовать датчики, которым требуется больше времени, чтобы дать точные показания давления, хотя они и могли бы дать более точные значения.

МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ

Существует несколько наиболее часто используемых методов измерения давления. Эти методы включают в себя визуальный замер высоты жидкости в колонне, метод упругой деформации и электрические методы.

Высота жидкости в колонне

Давление можно выразить как высоту жидкости с известной плотностью в трубке. Используя уравнение P = ρ GH, можно легко вычислить значение давления. Данные типы измерительных приборов обычно называют манометрами. Для измерения высоты жидкости в колонне, может быть использована шкала с единицами измерения расстояния, также как и откалиброванная шкала давления. Обычно в качестве жидкости в этих колоннах используется вода или ртуть. Вода используется, когда вы хотите достичь более высокой чувствительности (плотность воды значительно меньше, чем плотность жидкой ртути, так что высота столба воды будет более сильно меняться при изменении давления). Ртуть же используется, когда вы хотите измерять более высокие значения давления, но с меньшей чувствительностью.

Этот метод измерения давления основан на принципе, который гласит, что степень деформации упругого материала прямо пропорциональна прикладываемому давлению. Для данного метода, в основном, используются три типа датчиков: трубки Бурдона, диафрагмы и сильфоны. (См. раздел «Типы датчиков»)

Электрические методы, используемые для измерения давления основаны на принципе, основывающимся на том, что изменение размера влияет на электрическое сопротивление проводника. Устройства, использующие для измерения давления изменение сопротивления называют тензодатчиками. Также существуют и другие электрические датчики, например емкостные, индуктивные, магнетосопротивления (Холла), потенциометрические, пьезометрические и пьезорезистивные преобразователи. (См. раздел «Типы датчиков»)

Существует множество различных датчиков давления являющихся наиболее подходящими для конкретного процесса, но их обычно можно разделить на несколько категорий, а именно: упругие датчики, электрические преобразователи, датчики дифференциального давления и датчики давления вакуума. Ниже представлены категории, каждая из которых содержит уникальные внутренние компоненты более подходящие под использование в конкретной ситуации.

Большинство датчиков давления жидкости имеют упругую структуру, где жидкость заключена в небольшой отсек по меньшей мере с одной упругой стенкой. При использовании данного метода, показания давления определяются путем измерения отклонения этой эластичной стенки, представляя результат непосредственным отсчетом через соответствующие связи, либо через трансдуцированные электрические сигналы. Упругие датчики давления очень чувствительны, они довольно хрупкие и подвержены вибрации. Кроме того, они, как правило, значительно дороже, чем манометры, и поэтому в основном используются для передачи измеренных данных и измерения разности давлений. Теоретически можно использовать довольно широкий спектр упругих элементов для упругих датчиков давления. Однако большинство устройств используют ту или иную форму трубки Бурдона или диафрагмы.

Принцип, на котором основаны разного вида трубки Бурдона: Давление, подаваемое внутрь трубки, вызывает упругую деформацию эллиптического или овального сечения трубки в сторону круга, которая вызывает появление напряжений в продольном направлении, заставляющих трубку разгибаться, а свободный конец трубки перемещаться. Система рычагов и передач превращает это движение и возвращает стрелку, показывающую давление относительно круглой шкалы. Диапазон измерения такого манометра составляет — от 10 Па до 1000 МПа. Трубные материалы могут быть изменены соответствующим образом в соответствии с требуемым условием процесса. Также, трубки Бурдона — портативные и требуют минимального технического обслуживания, однако, они могут быть использованы только для статических измерений и имеют низкую точность.

Материалом для трубчатых пружин может служить сталь, бронза, латунь. В зависимости от конструктивного исполнения трубчатые пружины могут быть одно- и многовитковые (винтовые и спиральные), S-образные и т.п. Распространены одновитковые трубчатые пружины, используемые в манометрах, которые предназначены для измерения давления жидкостей и газов, а также в таких типах манометров как глубиномер. Датчики С-типа могут быть использованы в диапазонах давлений приближающихся к 700 МПа; они имеют минимальный рекомендованный диапазон давления — 30 кПа (т.е. они не достаточно чувствительны для измерения разности давлений меньше чем 30 кПа).

Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector