10.4. Измерение давления газа . Часть 1

Пневмогидравлические схемы передачи давления в технологических объектах

1. Способы отбора давления из технологических объектов.

Все известные способы отбора давления и построение пневмогидравлической схемы (ПГС) передачи давления от объекта к датчику, рассмотрены на примере горизонтально трубопровода (объекта). Другое пространственное расположение объекта не меняет состав ПГС, но потребует частичного изменения взаимного расположения элементов ПГС, передающих давление от объекта к датчику. Но принципы построения ПГС для различных сред остаются неизменными.
Способы отбора давления, в зависимости от измеряемой среды (ИС) — газ, пар или жидкость, показаны на рисунках 1…11. К названным трем типам сред сводится большинство встречаемых на практике. Но есть свои особенности измерения агрессивных, вязких, высокотемпературных, низкотемпературных, «грязных» сред, в воздухопроводах, дымоходах, пылепроводах и т.д.

1.1. Измеряемая среда — газ.
Отбор давления производится вертикально вверх или под углом не более 45° относительно вертикали с удобной стороны трубопровода (рис. 1а, 1б). На рис. 1а отбор давления производится через отрезок трубы длиной L ≈ 200 мм, Ø ≥ 30 мм. Он вварен в трубопровод и заканчивается запорным вентилем. На рис. 1б такой же отрезок трубы заканчивается фланцем и запорным вентилем.

1.2. Измеряемая среда — водяной пар или другие конденсирующиеся среды.
Отбор давления производится горизонтально или выше горизонтали под углом не более 45° к ней с удобной стороны трубопровода (рис. 2).

1.3. Измеряемая среда — любая «чистая» жидкость.
Отбор давления производится горизонтально или ниже горизонтали под углом не более 45° к ней с удобной стороны трубопровода (рис. 3).

2. Пневмогидравлические схемы измерения давления газа, пара и жидкости.

3. Пневмогидравлические схемы измерения дифференциального давления (перепада давления или разности давлений Δ_p) на сужающем устройстве.

Сама по себе задача измерения расхода газа, пара или жидкости по перепаду давления на сужающем устройстве (СУ) подробно проработана в специальной технической литературе, а также в нормативных технических документах, таких как РД-50-213-80 (РД-50-213-80-1), ГОСТ 8.563-1, ГОСТ 8.563-2, ИСА 1932, тем не менее, повторим основные правила построения ПГС передачи давления от СУ к датчику перепада давления. Отличие представленных ПГС (рис. 22…29) между собой заключается как в наборе комплектующих (по типу измеряемых сред: газ, пар или жидкость), так и относительной пространственной компоновкой элементов ПГС.

4. Правила монтажа датчиков, сосудов и прокладки импульсных трубок.

5. Методика установки и демонтажа датчиков давления на пневмогидравлических трактах.

Характерные ошибки и их последствия при отступлении от вышеизложенной методики установки датчика.

Чаще всего на практике встречаются два отступления:

• не ставят вентиль В3 — соединения измерительной полости датчика с атмосферой;
• не имея соответствующих выбранному типу соединения уплотнительных прокладок, посадочное место датчика герметизируют по резьбовому соединению штуцера герметиком или foom-лентой.

В первом случае для контроля «0» при закрытом вентиле В2 необходимо вывернуть датчик давления из гнезда или прослабить резьбовое соединение в штуцере, что весьма неудобно (не расстыковав электрическую линию) и ненадежно, т.к. по ослабленному резьбовому соединению не гарантируется установка атмосферного давления в измерительной полости датчика. Во втором случае, при вворачивании датчика с уплотнением по резьбе, его полный ход может составить до 18 мм для резьбового соединения М20х1.5, что создаст поршневой эффект в малом замкнутом объеме, заполненном жидкостью, между закрытым вентилем В2 и штуцером датчика. В результате давление в измерительной полости датчика может возрасти во много раз. Если оно превысит запас по допустимой перегрузке датчика, указанной в формуляре, то измерительная мембрана тензомодуля датчика будет раздавлена.

6. Влияние установки датчика на точность измерения.

где ρ — плотность жидкости [кГ/м 3 ];
g — ускорение свободного падения [м/с 2 ];
H — высота столба жидкости по вертикали между отбором давления и датчиком [м].
Обеспечив техническими средствами постоянство H , можно оценить его вклад (±ΔP) в измерение давления, т.е. систематическую погрешность измерения.

1. МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ ГАЗА.

Метод определения давления основан на измерении разности давления газов в газоходе по отношению к атмосферному давлению воздуха.

1.1. Средства измерений, устройства и реактивы.

Микроманометры типа ММН-2400(5)-1,0 по нормативно-технической документации класса точности 1,0.

Манометры жидкостные U-образные по ГОСТ 9933.

Манометры (вакуумметры) показывающие по ГОСТ 2405, класса точности 1,5.

Трубки напорные конструкции НИИОГАЗа по ГОСТ 17.2.4.06.

Спирт этиловый по ГОСТ 17299.

Трубки медицинские резиновые типа 1 по ГОСТ 3399 или полиэтиленовые по ГОСТ 18599.

Трубки стальные водогазопроводные по ГОСТ 3262.

Допускается заменять указанные средства измерений на аналогичные, не уступающие им по метрологическим характеристикам.

1.2. Подготовка к измерениям.

1.2.1. При выполнении измерений должны быть соблюдены условия в соответствии с требованиями ГОСТ 17.2.4.06, разд. 2, 3 и настоящего стандарта.

1.2.2. Давление в газоходах диаметром до 500 мм измеряют в одной точке у стенки (черт. 1 а).

Для газоходов диаметром свыше 500 мм давление измеряют в четырех точках, расположенных на двух взаимно перпендикулярных диаметрах и объединенных с целью усреднения давления кольцевым трубопроводом, присоединяемым к измерительному прибору (черт. 1 б).

1 — стенка газохода; 2 — патрубок; 3 — соединительный трубопровод.

1.2.3. Собрать измерительную схему в соответствии с черт. 1.

1.2.4. Если расстояние до средств измерений превышает 15 м и при проведении постоянных измерений средства измерений присоединяют к газоходу, используют стальные водогазопроводные трубы диаметром 10 — 38 мм. При проведении разовых измерений в качестве соединительных трубок применяют резиновые трубки диаметром не менее 4 мм.

1.2.5. Диаметр стальных водогазопроводных соединительных труб для монтажа кольцевого трубопровода зависит от степени запыленности газов (табл. 1).

Диаметр водогазопроводных труб, мм

1.2.6. Давление в газоходе определяют по показаниям средств измерений. Средства измерений выбирают в зависимости от статического давления в газоходе (табл. 2).

Давление газа в газоходе, кПа

Средство измерения давления

Микроманометры с накладной трубкой типа ММН-2400 (5)

U-образные жидкостные манометры

Манометры (вакуумметры) показывающие

1.2.7. После сборки измерительную схему необходимо проверить на герметичность. Для этого в системе создают давление, превышающее рабочее давление в газоходе на 25 % и, закрыв измерительные отверстия, следят за стабильностью показаний средства измерения давления в течение 15 — 30 с. Если система герметична, то показания средства измерения не изменятся.

1.3. Выполнение измерений.

1.3.1. Статическое давление определяют:

— непосредственным измерением в газоходе;

— измерением с помощью напорной трубки в соответствии с требованиями ГОСТ 17.2.4.06. В этом случае давление газов определяют методом измерения статического давления (Р_ст)

(1)

где Р_п — полное давление газа, Па;

Р_д — динамическое давление газа, Па.

Динамическое давление газа определяют по ГОСТ 17.2.4.06.

1.3.2. Статическое давление в i -й точке измерения ( ) вычисляют по формуле

(2)

где п. и — полное и динамическое давление газа в i -й точке измерения газохода, Па.

Среднее статическое давление газа Р_ст в газоходе вычисляют по формуле

(3)

где п — количество точек измерения в измерительном сечении газохода, определяемое в соответствии с требованиями ГОСТ 17.2.4.06.

1.3.3. Пределы измерений манометра или угла установки трубки микроманометра с целью уменьшения погрешности измерений выбирают с таким расчетом, чтобы показания средств измерений находились в последней трети шкалы.

1.4. Оценка погрешности измерений давления газа.

1.4.1. Погрешность измерения давления газов оценивают по ГОСТ 8.207.

1.4.2. Для определения доверительных границ случайной погрешности результата измерения при установившемся движении потока газа в газоходе вычисляют результат измерений в соответствии с требованиями ГОСТ 17.2.4.06.

1.4.3. Систематическую составляющую погрешности определяют в зависимости от метода измерения давления:

— непосредственное измерение — систематическая составляющая погрешности равна основной погрешности применяемых средств измерений;

— измерение при помощи напорной трубки — систематическая составляющая погрешности вычисляют по формуле

(4)

где d _п — погрешность применяемого в комплекте с напорной трубкой средства измерений;

d _кт — погрешность определения коэффициента напорной трубки.

2. МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ГАЗА.

Метод основан на зондовом контактном методе измерения температуры при установившемся движении потока газа.

2.1. Средства измерений.

2.1.1. В зависимости от температуры газов применяют термометры лабораторные типа ТЛ-2 и ТЛ-3. Характеристики термометров приведены в табл. 3.

Значения для термометра типа

1. Предел измерения, °С

2. Цена деления,°С

3. Погрешность измерения при интервале температур, °С:

2.1.2. Термопары типа ТХЛ-0806 по ТУ 25.02.1133 и ТУ 25.02.1136 с пределами измерений от 0 до 1000 °С, инерционность не более 3,5 мин и длиной монтажной части 180; 200; 320; 400; 800; 1250 мм.

2.1.3. Вторичные измерительные приборы к термопарам:

— пирометрические милливольтметры типов М-64, МВУ-6, МР-64, Ш4500, Ш4501, Щ69003 и др. по ГОСТ 13881, класса точности 1,5, градуировка ХА;

— переносной потенциометр типа ПП-63 по ГОСТ 9245, класса точности 0,02;

— автоматические электронные потенциометры типов КСР, КСУ, КСМ и др. по ГОСТ 7164, класса точности 0,5, градуировки ХА.

2.1.4. Допускается применять аналогичные средства измерений, обеспечивающие те же метрологические характеристики.

2.2. Подготовка к измерениям.

2.2.1. При выполнении измерений должны быть соблюдены условия в соответствии с требованиями ГОСТ 17.2.4.06 и настоящего стандарта.

2.2.2. В зависимости от количества точек измерения температуры газа они должны располагаться следующим образом:

— для одной точки измерения — в центре газохода;

— для точек измерения количеством больше единицы — по кольцу от 1/6 до 1/3 диаметра для газохода круглого сечения или на полосе по периметру от 1/6 до 1/3 линейного размера прямоугольного газохода. Точки измерения в этом случае должны располагаться в противоположных по отношению к оси газохода сторонах;

— измерения в разных точках должны производиться одновременно.

2.2.3. С целью устранения погрешностей необходимо:

— не допускать утечек теплового потока в месте установки средств измерений;

— обеспечить минимальное тепловое сопротивление между рабочим концом средства измерения и газовым потоком;

— в случае размещения термоприемника в защитном металлическом чехле или гильзе для улучшения теплопередачи, т. е. уменьшения динамической погрешности гильзу заполняют маслом, металлическими опилками или снабжают специальными внутренними радиаторами;

— при измерении температуры дымовых газов термоприемник следует экранировать от теплового излучения более нагретых тел (пламени, раскаленных участков клади печи и т. д.);

— при измерении температуры среды в высокочастотном электромагнитном поле нельзя применять ртутные термометры и другие температурные зонды с массивным металлическим термоприемником.

2.2.4. Собирают измерительную схему в соответствии с черт. 2 и устанавливают средства измерений, уплотнив места их установки с целью устранения подсосов воздуха из окружающей среды.

Глубина погружения средства измерений в газоход должна соответствовать паспортной.

2.3. Выполнение измерений.

2.3.1. Метод применяется для измерения температуры газов, не превышающей 1000 °С.

2.3.2. Устанавливают средство измерения в заданную точку газохода и нагревают его до температуры газового потока. Время прогрева ( t ) вычисляют по формуле

где т — инерционность средства измерений, с.

2.3.3. При измерении температуры с помощью термопар (если вторичные приборы, работающие в комплекте с термопарами, не имеют автоматической компенсации температуры свободных концов) необходимо обеспечить стабилизацию температуры их свободных концов. Для этого помещают последние в сосуд с тающим льдом или в процессе измерений контролируют температуру свободных концов. Для этого помещают рядом со свободными концами термометр и обеспечивают условия, при которых его температура будет равна температуре свободных концов термопар.

2.3.4. Температуру в каждой точке измеряют не менее трех раз. По результатам измерения определяют среднее значение для данной точки измерения.

Схема установки термопары.

1 — термопара в защитном кожухе; 2 — соединительные провода; 3 — измерительный прибор; 4 — стенка газохода.

2.4. Обработка результатов измерений.

2.4.1. При использовании термопар в комплекте с вторичными приборами, измеряющими электродвижущую силу ( e ), развиваемую термопарой, необходимо перевести электродвижущую силу в температуру по градуировочным таблицам ГОСТ 3044.

2.4.2. Если при проведении измерений температура свободных концов не равна 0 °С, в измеренную электродвижущую силу термопары необходимо ввести поправку

e = e _тп + e _ск, (6)

где e — электродвижущая сила с учетом поправки, мВ;

e _тп — измеренная электродвижущая сила термопары, мВ;

e _ск — электродвижущая сила, мВ.

Среднюю термодинамическую температуру газового потока (Т) в градусах Цельсия, определяемую по измеренным значениям температур в точках измерения сечения газохода ( t_i ), вычисляют по формуле

(7)

2.5. Оценка погрешности измерения температуры газа .

2.5.1. Погрешность измерения температуры оценивают по ГОСТ 8.207. Погрешность измерения температуры газа ( d _T ) определяется погрешностью:

— термометра — для измерения температуры при помощи термометра;

— термопары и вторичного прибора — для измерения температуры при помощи термопары, и может быть рассчитана по формуле

(8)

где d _тп — погрешность термопары;

d _вп — погрешность вторичного прибора.

3. ТРЕБОВАНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ.

Требования безопасности — по ГОСТ 17.2.4.06.

ИНФОРМАЦИОННЫЕ ДАННЫЕ.

1. РАЗРАБОТАН И ВНЕСЕН Министерством тяжелого машиностроения СССР.

РАЗРАБОТЧИКИ

Н. М. Васильченко, канд. техн. наук (руководитель темы); А. С. Кузин, Н. И. Могилко, Т. М. Липецкая, Н. С. Комкова.

2. УТВЕРЖДЕН И ВВЕДЕН В ДЕЙСТВИЕ Постановлением Государственного комитета СССР по охране природы от 10.12.90 № 46.

3. ВВЕДЕН ВПЕРВЫЕ.

4. ССЫЛОЧНЫЕ НОРМАТИВНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ДОКУМЕНТЫ.

Обозначение НТД, на который дана ссылка

Номер раздела, пункта, подпункта

1.1; 1.2.1; 1.3.1; 1.3.2; 1.4.2; 2.2.1; 2.5.1

Измерение давления газа в газораспределительных сетях

2.4.1. Контроль за давлением газа в газопроводах производится путем его измерения в период наибольшего расхода (в зимний период) и в часы максимального потребления газа.

Рекомендуется производить внеплановые измерения давления для уточнения радиусов действия существующих ГРП, выявления возможности подключения новых потребителей, а также при вводе в эксплуатацию новых потребителей с расходом газа более 10 % от расхода на участке газопровода, к которому присоединяется потребитель.

2.4.2. Замеры давления производятся в заранее намеченных точках газовой сети, на выходе из ГРП и у потребителей по схеме, утверждаемой техническим руководством эксплуатационной организации в установленном порядке.

Точки (пункты) замера давления на газопроводах определяются эксплуатационной организацией, исходя из опыта эксплуатации с учетом заявок потребителей о снижении давления газа.

В схему замеров должны быть включены точки замеров на участках газопроводов у наиболее удаленных от ГРП (по ходу газа) потребителей и другие неблагоприятные по условиям подачи газа точки газовой сети.

При выявлении и уточнении мест закупорки газопроводов гидратными и конденсатными пробками производятся дополнительные замеры.

2.4.3. Измерения давления следует производить одновременно во всех точках, предусмотренных схемой замеров. Продолжительность проведения работ не должна превышать 1 ч.

Выявление резких перепадов давления на отдельных линейных участках газопровода свидетельствует о наличии закупорок.

2.4.4. Давление на выходе и входе ГРП (ГРУ) потребителей измеряется манометрами.

Для измерения давления на газопроводах следует применять следующие типы манометров:

— при давлении до 0,01 МПа — U-образцовые, заполняемые водой;

— при давлении свыше 0,01 МПа — образцовые или пружинные контрольные с соответствующей шкалой.

2.4.5. Герметичность соединений пробок, штуцеров, установленных по окончании замеров давления газа, должна быть проверена приборами или другими способами.

2.4.6. Результаты измерений давления заносятся в специальный журнал. При необходимости оценки фактического режима давления в системе газораспределения по результатам замеров следует составлять режимную карту давлений для сравнения ее с проектной расчетной схемой и выявления причин недостаточного давления газа.

2.4.7. Для восстановления оптимального режима работы систем газораспределения рекомендуется предусматривать прочистку газопроводов, замену отдельных участков или прокладку дополнительных газопроводов, повышение давления газа после ГРП, устройство новых ГРП, кольцевание распределительных газопроводов.

Измерение давления газа

Основным показателем, характеризующим сеть газопотрсбления, является давление газа в газопроводе. Обеспечение нормативного давления газа перед газоиспользующим оборудованием позволяет обеспечить качественное сжигание топлива и устойчивую работу горелок.

Давление — отношение силы к площади, на которую она действует, а для газа сила, с которой он действует на единицу площади поверхности сосуда. Давление, отсчитываемое от абсолютного нуля, называется абсолютным, давление, оказываемое атмосферой атмосферным. Избыточное давление больше атмосферного, оно отсчитывается от уже имеющегося атмосферного давления:

Р изб = Р абс -Р атм ,

где Р изб – избыточное давление;
P абс – абсолютное давление;
Р атм – атмосферное давление.

При измерении разрежения определяют, насколько давление в каком-либо ограниченном объеме меньше атмосферного. Это давление называют вакуумметрическим:

Р вак = Р атм – Р абс ,

где Р вак – вакуумметрическое давление.

При обслуживании и ремонте внутридомового газового оборудования контролируется избыточное давление газа или воды, а также вакуумметрическое давление при измерении разрежения в системах удаления дыма.

В системе СИ основной единицей измерения давления является Паскаль (Па). Один паскаль – это давление, оказываемое силой в 1 ньютон (Н) на площадь в 1 квадратный метр (м²).

Для измерения давления газа в газопроводах жилых домов как единицу измерения зачастую используют миллиметр водяного столба (мм.вод. ст.). Эта единица наглядна и понятна, особенно при использовании жидкостного манометра.

В Западной Европе для измерения давления применяется бар (bar). Один бар равен 100.000 Па, что приблизительно равно 1 кгс/см². Один миллибар (mbar) составляет 100 Па, он приблизительно равен 10 мм.в.ст (1 mbar – 10 мм.в.ст.). Основной единицей, используемой в настоящей книге при описании газоиспользующего оборудования, является бар. Для характеристик состояния газового топлива применяется единица измерения Паскаль (даПа).

Паскаль очень мал, па практике применяют кратные ему единицы:

1 декапаскаль (1 даПа) = 10 Па – 1 мм.в.ст;
1 гектопаскаль (1 гПа) = 100 Па -1 mbar;
1 килопаскаль (1 кПа) = 1000 Па -100 мм.в.ст.;
1 Мегапаскаль (1 МПа)= 1000000 Па – 10 кгс/см² или 1 кгс/см² – 0,1 МПа.

Необходимо заметить, что точное значение 1 мм.в.ст = 9,81 Па, а 1 кгс/см² = 9,81 х 104 Па, но для практических целей достаточно запомнить, что 1 мм.в.ст -10 Па (1 даПа), а 1 кгс/см² – 0,1 МПа.

При измерении избыточного давления или разрежения происходит определение его величины с помощью специальных приборов манометров, напоромеров, тягонапоромеров. Точность измерения характеризуется погрешностью – отклонением результата измерения от истинного значения измеряемой величины. Класс точности прибора характеризуется пределом допускаемой погрешности – наибольшей погрешностью прибора, при которой он может быть признан годным и допущен к применению. У показывающих пружинных манометров бывают следующие классы точности: 0,4; 0,6; 1; 1,5; 2,5; 4. У манометра с классом точности 1.5 результат измерения может отличаться от истинного значения не более чем на 1,5%.

Жидкостные U-образные манометры применяются для измерения небольших величин давления, чаще всего низкого (до 500 даПа). Их применяют для измерения давления газа, а также давления воздуха, идущего на горение в горелках с принудительной подачей воздуха. Жидкостной манометр – это стеклянная или прозрачная пластиковая U-образная трубка, которая прикреплена к деревянной или пластмассовой панели. На панели имеется шкала с делениями в миллиметрах, от нуля вверх и от нуля вниз. У современных манометров шкала может иметь деления в паскалях (Па).

Для определения давления необходимо сложить высоту столба жидкости от нуля вверх – 60 мм.вод.ст. и от нуля вниз – 60 мм.вод.ст. Сумма двух значений – 120 мм.вод.ст. – даст величину измеренного давления. В настоящее время несмотря на простоту конструкции жидкостные манометры находят ограниченное применение из-за больших габаритов.

Пружинные манометры применяются в настенных котлах для измерения избыточного давления воды в системах отопления и горячего водоснабжения. В отдельных котлах применяются термоманометры, которые одновременно измеряют давление и температуру воды у настенных котлов.

Для наладочных и ремонтных работах на газопроводах и газоиспользующем оборудовании применяют цифровые манометры, которые позволяют вести измерение давления газа с выводом его величины на жидкокристаллический дисплей. Цифровые манометры TESTO 312 производства немецкой фирмы Testo AG предназначены для настройки и обслуживания сетей газопотребления. Принцип действия TESTO 312 основан на преобразовании поступающего на его вход давления в электрический сигнал, пропорциональный измеряемому давлению. Электропитание приборов осуществляется от аккумуляторной батареи напряжением 9 В. Манометры TESTO 312-2 могут измерять давление в диапазонах ± 40 гПа (± 40 mbar) и ± 200 гПа (± 200 mbar), манометры TESTO 312-3 в диапазонах ± 300 гПа (± 300 mbar) и ± 6000 гПа (± 6000 mbar). Цифровые манометры TESTO 312-2 также могут измерять разрежение в диапазоне ± 40 гПа (± 40 mbar). На дисплее отражается время, измеряемый параметр, измеренная величина с указанием единицы измерения. При превышении максимального давления на входе прибора он подает световую и звуковую индикацию перегрузки.

10.4. Измерение давления газа . Часть 3

Поэтому между вакуумметром и вакуумной системой ставят ловушки с жидким азотом для вымораживания таких примесей.

Вакуумметр Мак-Леода неприменим также для контроля в быстро изменяющемся вакууме. Как правило, на одно измерение уходит 15 — 25 с, в течение которых вакуумметр отключен от вакуумной системы.

Поплавковый вакуумметр Гурского (рис. 245,6) позволяет не-прерывно и непосредственно измерять давление в диапазона» 10 -6 — 10 -4 торр и 10 -4 — 10 торр.

Он состоит из поплавка 2, погруженного в ртуть 5 (на рисунке поплавок поднят) и имеющего несущее кольцо 4 и груз 6. Груз подобран таким образом, чтобы поплавок имел стабильное вертикальное положение и его верхний и нижний штоки меньше касались направляющих выступов 9 верхней и нижней (находится в ртути) трубках сосуда 3. Трубка 7 соединена с вакуумом, значительно более низким, чем измеряемый. Трубка 1 связана с исследуемой системой. Когда внутри и снаружи поплавка давление одинаково, головка штока 11 находится в самом верхнем положении. Если давление в системе выше контрольного в трубке 8 и внутри поплавка, то последний погружается в ртуть на глубину А,. Тогда измеряемое давление р (в торр) равно

(10.9)

где d и D — соответственно внутренний и внешний диаметры поплавка, мм.

Деформационные манометры. К этому типу манометров относят приборы, в которых измеряемое давление определяют по деформации упругих элементов: трубчатых пружин, плоских и гофрированных мембран, мембранных коробок, полых кварцевых спиралей и ложечек.

Мембранный манометр служит главным образом для измерения атмосферного давления при проведении некоторых экспериментов с газами и для измерения небольших давлений в замкнутых пространствах. На рис. 246,а приведен манометр с металлической коробкой 3, из которой выкачан воздух. Коробка имеет гофрированную мембрану 4. При увеличении внешнего давления мембрана вдавливается в коробку и приводит в движение связанный с нею рычажной механизм 2 и стрелку 1, указывающую на значение внешнего давления. Такие манометры называют еще анероидами. Калибруют анероид по ртутному манометру.

Анероид может измерять давление в интервале от 100 до 10 7 Па с погрешностью 0,5 — 2,5%.

Значение измеряемого давления (чувствительность анероида) зависит от толщины мембраны, диаметра коробки, свойств материала, из которого изготовлена коробка и мембрана, глубины и формы гофрировки.

Манометр Бурдона содержит одновитковую плоскую пустотелую металлическую трубку 2 (рис. 246,6), выполняющую роль упругого элемента. Трубку перед измерением соединяют с источником давления. При повышении давления трубка стремится выпрямиться, при этом ее свободный конец совершает движение, приблизительно пропорциональное измеряемому давлению. Это движение передается при помощи рычага 4, зубчатого сектора 5 и колеса 6 стрелке 3. Отсчет давления по перемещению стрелки является довольно грубым, но удобным.

Диапазон измеряемого давления манометром Бурдона составляет от 0,1 до 2500 МПа с погрешностью 0,2 — 4,0%.

Вакуумметр Боденштейна (рис. 247,о) состоит из полой кварцевой спирали 2, находящейся в сосуде 3, и кварцевой нити 4, на конце которой закреплено либо зеркало 6 для наблюдения за поворотом нити, либо острие 7, отклоняющееся от нулевого положения (расположенного под ним острого конуса). Движение острия и зеркала происходит тогда, когда прибор через трубку 5 присоединяют к вакуумной системе. Воздух, находящийся в расширении 1 и спирали, раскручивает ее. Отсчеты показаний отклонения светового луча или иглы производят с помощью лупы 8 или микроскопа. Прибор реагирует на изменение давления в 5 — 10 Па. Перепад давлений между внутренней частью спирали и окружающим ее пространством не должен превышать 2*10 -4 Па (150 торр).

Вакуумметр Боденштейна можно использовать в сильно агрессивной среде, так как газы в нем приходят в соприкосновение только с кварцем. Он выдерживает также нагревание до 500 o C без заметного изменения положения нулевой точки.

Однако при использовании таких вакуумметров необходимо обеспечить надежное крепление прибора, исключающее какие-либо сотрясения. Диапазон измеряемого давления вакуумметрами Боденштейна составляет 103 — 105 Па (10- 760 торр).

Боденштейн Макс (1871-1942) — немецкий химик, исследовал кинетику газовых химических реакций.

Ложечковый вакуумметр(рис. 247,6) состоит из сосуда 3, пустотелой кварцевой ложечки 4, имеющей на конце острие 5, выполняющее функции стрелки, и указателя нулевого положения 6. Этот прибор является чувствительным датчиком, его соединяют через трубку 2 со стандартным вакуумметром. Перед измерением давления сосуд 3 откачивают так, чтобы оставшийся в нем воздух имел меньшее давление, чем давление в измеряемой системе. Затем трубку 1 соединяют с этой системой. Ложечка из-за разнести давлений изгибается, и острие 5 отклоняется от указателя нулевого положения 6. После этого в сосуд 3 осторожно впускают воздух и следят за положением острия 5. При совпадении его с указателем нулевого положения 6 закрывают кран на трубке 2 и отмечают значение давления, показываемого вакуумметром, присоединенным к трубке 2.

Толщина стенки ложечки составляет 0,5 — 0,8 мм, а диаметр острия 5 1,5 — 2,0 мм при длине 150 — 200 мм. Если к сосуду 3 присоединить микроскоп с окуляром, имеющим шкалу, и прокалибровать отклонения острия по стандартному вакуумметру, то надобность в отдельном вакуумметре отпадает.

Тепловые вакуумметры. Тепловые вакуумметры применяют для измерения значений среднего вакуума в интервале от 1 до 10 Па. Их действие основано на линейной зависимости теплопроводности газов от давления. Несмотря на некоторые недостатки тепловых вакуумметров — зависимости показаний от состава газа и температуры окружающей среды, инерционности и погрешности измерений, достигающей 10 — 40%, — они успешно конкурируют с ртутными вакуумметрами, так как в них не и пользуется ртуть. Что касается погрешности измерений, то она самая маленькая среди электронных вакуумметров. Например, ионизационных и магнитных электроразрядных вакуумметров погрешность составляет соответственно 30 — 50% и 60%.

Рис. 247. Кварцевые вакуумметр Боденштейна (а) и ложечковый (б)

рис. 248. Манометр Пирани со свободно подвешенной нитью (а) и с натянутой нитью накаливания (б):

а: 1 — колба; 2 — нить накаливания; 3 — трубка; А — миллиамперметр; Б| и — постоянные источники тока с напряжением соответственно 4 и 20 В; Д — реостаты с сопротивлением 25 Ом

Наиболее известен среди тепловых вакуумметров — вакуумметр Пирани.

Прибор представляет собой стеклянный баллон 1 (рис. 248,а) диаметром 12-15 мм, в котором свободно подвешена платиновая нить 2 диаметром 0,06 мм и длиной 70 мм. Стеклянный баллон с такой подвеской укрепляют только вертикально. В других конструкциях (рис. 248,б) нить 4 растягивают в баллоне при помощи пружин 2. В этом случае баллон 1 может занимать любое положение. Баллон соединяют через трубку 3 с прибором, давление в котором надо измерить.

Если проволоку нагреть электрическим током, то окружающий ее газ (в зависмости от давления) понизит температуру нити за счет теплопроводности, в результате изменится и электропроводность проволоки. Мерой давления будет служить значение силы тока, необходимой для поддержания свечения нити. (Баллон с нитью затемняют чехлом или закрашивают в черный Цвет, оставляя окно для наблюдения за свечением нити.)

Установлено, что достаточно изменения силы тока всего на ±5%, чтобы яркость свечения накаленной нити изменилась на 50%. Температуру нити определяют визуально по яркости накаливания или при помощи термопары, приваренной к центру нити.

Калибруют манометр Пирани по ртутному манометру для каждого газа отдельно.

Для этого его соединяют через трубку 3 с вакуумной системой, в которой вакуум несколько больше работает, например 10 4 Па (100 торр). Затем при помощи реостата R1 устанавливают ток, при котором нить начинает светиться (около 450 °С).

Ток, протекающий через миллиамперметр компенсируется встречным током от батареи Б2, Регулируемым реостатом R2. Положение ручки реостата R2 фиксируют и в дальнейшем не изменяют. При уменьшении давления ток, необходимый для поддержания свечения нити на прежнем уровня падает, и нить гаснет, схема разбалансируется и стрелка миллиамперметра (50 — 100 мА) отклоняется. Это отклонение и является мерой давления газа в баллоне 1. Восстанавливают свечение нити реостатом R1.

Наибольшая чувствительность манометра Пирани лежит в области 10-4•10 3 Па (0,07 — 30 торр), где сила тока линейно зависит от логарифма давления газа.

10.4. Измерение давления газа . Часть 1

где F-сила, ньютон, Н; S- площадь, m2.

Единица 1 Н/м2 = 1 Па, а 1 атм = 101325 Па, внесистемная единица давления «бар» равна 105 Па.Для измерения давления широко применяют ртутные и водяные манометры. С ними связаны еще две единицы измерения давления: миллиметр ртутного столба, сокращенно — мм рт. ст., или торр, и миллиметр водяного столбе сокращенно — мм вод. ст., или мм Н2O.

Обозначение единицы давления «торр» связано с именем Торричелли, Эванджелиста (1608 — 1647) — итальянского физика и математика, ученика Г. Галлилея. Торричелли впервые изобрел ртутный барометр. Единица давления 1 торр равна гидростатическому давлению столба ртути высотой 1 мм на плоское основание при 0 °С. Единица давления 1 мм вол. ст. равна гидростатическому давлению столба воды высотой 1 мм на плоское основание при +4 °с

Соотношения между единицами измерения давления: 1 торр = 133,322 Па 1 атм = 760 торр, 1 торр = 13,5951 мм вод. ст., 1 мм вод. ст. = 9,807 Па = 7,678-10 -2 торр.

Для измерения давления применяют жидкостные, мембранные, пружинные, тепловые и электрические манометры различных конструкций с использованием простых и сложных электронных и оптических схем.

Манометры, предназначенные для измерения атмосферного давления, называют барометрами (от греч. baros — тяжесть и metreo — измеряю), для измерения давления ниже атмосферного — вакуумметрами, а для измерения разности двух давлений ни одно из которых не является атмосферным, — дифманотрами, или дифференциальными манометрами.

Жидкостные манометры. Жидкостные манометры — самые простые и точные приборы для измерения давления. В таком приборе измеряемое давление (или вакуум) либо разность давлений уравновешиваются давлением столба манометрической жидкости, заполняющей прибор. Диапазон измерения давления жидкостными манометрами — от 10 -4 до 10 5 Па (или от 10 -6 до 760 торр).

Жидкостные манометры делят на две большие группы: барометры и вакуумметры. Их применяют в основном для определения давления в лабораторных условиях и для проверки других манометров.

Манометрической жидкостью в жидкостных манометрах чаще всего является ртуть, а при малых диапазонах измерения давления — вода, этанол, толуол, силиконовое масло.

Ртуть в обычных условиях имеет очень небольшое давление пара и обладает неизмеримо малой способностью растворять газы.

Рис. 241. Ртутный барометр (в). Высота мениска (б). U-образный барометр с отрытым коленом (в) и U-образный дифбарометр (г)

Однако высокое поверхностное натяжение ртути приводит к тому, что ее мениск даже в достаточно широких трубках имеет выпуклый вид. Обусловленная этим явлением погрешность измерений для манометрических трубок с внутренним диаметром 8 мм составляет около минус 0,07 мм, а при диаметре 16 мм -примерно минус 0,01 мм.

Ртутные барометры делят на чашечные с вертикальным расположением барометрической трубки, U-образные и на приборы с наклонной барометрической трубкой.

В первом типе приборов чашка 5 (рис. 241,а), наполненная ртутью, непосредственно сообщается с атмосферой через защитный патрон 6, а барометрическая трубка 3 имеет запаянный конец и снабжена наружной шкалой 1 с подвижной шкалой-нониусом 4, позволяющей измерять положение мениска ртути с погрешностью ±0,1 мм. Положение мениска ртути и определяет внешнее атмосферное давление в мм рт. ст. Защитный патрон 6 служит для предотвращения попадания пыли на открытую поверхность ртути в сосуде 5. Он содержит активированный уголь, пропитанный иодом, и закрыт с двух сторон полимерной ватой. Такой фильтр защищает ртуть от пыли и одновременно не позволяет проникать пару ртути из сосуда 5 в помещение.

Для приготовления адсорбента 20 г активированного угля пропитывают раствором, содержащим 5 г иода в 50 мл метанола, отфильтровывают и высушила воздухе.

Прежде чем проводить какие-либо отсчеты, барометр устанавливают строго вертикально по отвесу 7. Отклонение на 1° от вертикали вызывает погрешность в измерении давления ±0,1 мм при высоте столбика ртути h=760 торр.

Отсчет значения h, берут от нижней нулевой точки шкалы когда острие 8 касается поверхности ртути, до верхней линии 0-0 мениска ртути в трубке 3 (рис. 241,6). При оценке положения мениска он должен находиться на уровне глаз. Вследствие отражения делений шкалы, нанесенных на трубку, от поверхности ртути, положение верхней точки мениска трудно заметить. Поэтому отсчет для барометрических трубок с нанесенными на них делениями рекомендуют брать на фоне передвижном полости бумаги или стекла, имеющей одну половину черную -другую белую (см. рис. 81,е). Окулярную нить зрительной трубы для отметки 0-0 (на рис. не показана) устанавливают так, чтобы деления шкалы, если она нанесена на барометрическую трубку оказались сбоку, а не перед глазами.

Истинное расстояние h отвечающее температуре 1 между острием 8 и верхней точкой мениска 0-0 на шкале, отличается из-за термического расширения шкалы от произведенного отсчета ht и равно:

(Ю.2)

где отсчет по шкале при температуре t, — температура, при которой градуировалась шкала; а — коэффициент линейного расширения материала шкалы; значения а для стекла и латуни равны соответственно 1 • 10 -5 и 2 • 10 -5 на 1 °С.

После приведения значения ht, к истинному ht0 вносят еще и температурную поправку. Тогда

(10.3)

где beta — коэффициент объемного расширения ртути, равный 1,8168*10 -4 на 1 °С в температурном интервале 0—100 o C.

Эта поправка приводит объем ртути, отвечающий температуре t, к объему, занимаемому ею при 0 °С. Поэтому ртутные манометры в процессе измерения давления должны быть защищены от изменения температуры вдоль барометрической трубки. Погрешность в оценке температуры на 1 °С будет соответствовать погрешности 0,12 мм при определении давления.

Если ртутный барометр содержит над ртутью остаточный воздух, то исключить его влияние на показания прибора можно только калибровкой такого барометра по образцовому прибору

Ртутный барометр U-образного типа с открытым концом (рис. 241,в) имеет около изгиба сужение 3 для того, чтобы резкие колебания давления не привели к выбросу ртути. Этот типы манометров широко применяют для измерения давлений от 5 до 300 торр. При измерениях трубку 4 соединяют с системой повышенного давления, а трубку 1, снабженную шкалой 2, оставляют открытой на атмосферу.

Тогда давление в системе, связной с манометром через трубку 4, будет равно алгебраической сумме показаний барометра, расположенного вблизи, и данного барометра.

В показания этих двух барометров вносят все поправки, рассмотренные выше при описании барометра. Наиболее серьезным источником погрешностей является капиллярное понижение мениска ртути. В табл. 35 приведены поправки на это явление, которые прибавляют к наблюдаемой высоте ртутного столба.

Данными табл. 35 можно пользоваться только при работе с совершенно сухой и чистой ртутью . Из табл. 35 видно, что применение для манометров трубок небольшого внутреннего диаметра приводит к неприемлемо высоким значениям капиллярного понижения мениска ртути, которое сильно зависит от высоты мениска 1. Поэтому применять для ртутных Урометров и манометров трубки с диаметром меньше 8 мм не Рекомендуют.

Если сечения левой и правой трубок барометра и манометра одинаковы и мениски ртути имеют одну и ту же высоту l, то никаких добавочных измерений проводить не нужно. Если же диаметры трубок разные и мениски ртути не одинаковы по высоте, то следует ввести поправку, представляющую собой разить поправок для верхнего и нижнего менисков.

Рис. 242. Наклонный барометр (а) и U-образный вакуумметр (б)

Перед началом измерений U-образным барометром проводят проверку нуля, соединив с атмосферой оба колена а в дифбарометре (рис. 241,г), соединив оба колена между собой при помощи крана 3 при закрытых кранах 1 и 2 По закону сообщающихся сосудов уровни в обоих коленах при этом устанавливаются на одной горизонтали. Перемещая шкалу 4 вверх или вниз, совмещают ноль шкалы с этой горизонталью.

Наклонный барометр с открытым концом 1 (рис. 242,а) обладает более высокой чувствительностью к изменениям давления по сравнению с U-образным вертикальным барометром. В наклонном колене 3 ртуть продвигается на большее расстояние 1 и измеряемое давление ее столба по шкале 2 равно

(10.4)

где α — угол наклона трубки к горизонтали.

Жидкостные вакуумметры — приборы для измерения небольших давлений газа в системе (вакуум от лат. vacuum — пустота). Вакуум считают низким, если давление соответствует 100 — Па Па (примерно, 1 — 100 торр), среднему вакууму отвечает давление от 100 до 0,1 Па, и высокому — от 0,1 до 10 -6 Па.

Для измерения низкого вакуума в интервале 600 — 4*10 -4 Па (5 — 300 торр) в лабораториях широко используют U-образный вакуумметр (рис. 242,6). Он является составной частью любой установки по вакуумной перегонке жидкостей (см. разл-8.4).

Высота вакуумметрической трубки 1 определяет значение измеряемого давления. Внутренний диаметр этой трубки равен 9-10 мм.

Критерием отсутствия воздуха в трубке 1 служит появления резкого звука, когда ртуть ударяется в запаянный конец трубки Если в трубке 1 виден хотя бы мельчайший пузырек воздуха вакуумметр нельзя использовать.

10.4. Измерение давления газа . Часть 2

Манометрическая трубка / сужена в месте нижнего изгиба 3 и в верхней части 2 запаянного конца, чтобы предупредить сильный удар в запаянный конец при быстром впуске воздуха в манометр.

Точность измерения давления вакуумметром составляет 0,5-1,0 торр. Концы трубок 6 и 7 присоединяют один к прибору, в котором измеряют давление, другой — к вакуум-насосу. При выполнении работ под вакуумом до впуска воздуха в вакуумируемый прибор кран 4 следует закрывать во избежание загрязнения ртути. Кран открывают только на время снятия показаний вакуумметра. Перед работой вакуумметр проверяют по показаниям образцового вакуумметра.

Значение вакуума определяют по шкале 8 от верхней точки поверхности ртути в полностью заполненной ею трубке 1 до верхнего края мениска ртути, когда столбик ртути опустился, Стеклянные трубки вакуумметра прикреплены к деревянной стойке хомутами 5.

Погрешность измерений давления этим вакуумметром достигает 10 Па.

Измерение среднего вакуума проводят при помощи вакууметров Гюйгенса (рис. 243,о) и Цимерли (рис. 243,6).

Вакуумметр Гюйгенса состоит из двух сосудов 6 одинаковой формы диаметром 30 — 40 мм, наполненных ртутью и погруженных в термостат 7 с постоянной температурой. Правый резервуар содержит над ртутью нонановую кислоту 5 или дибутилфталат — жидкости с малым давлением пара и небольшой плотностью. Этот сосуд соединен с капилляром 4 диаметром 1,5 — 3,0 мм, расположенным под углом а равным 5-10°. Сосуд 2 служит для удаления из жидкости растворенных газов путем соединения его через кран 1 с глубоким вакуумом при закрытом кране 3. Вакуумирование продолжают до появления давления пара жидкости 5.

Предварительно из жидкости тщательно удаляют примесь воды. После подготовки прибора к работе закрывают кран 1 и открывают кран 3, соединяющий прибор с системой, в которой нужно измерить давление.

Температуру в термостате поддерживают близкую к комнатной с точностью ±0,05 °С. Если в первом сосуде над ртутью находится около 10 мл нонановой кислоты, то изменение температуры всего на 1 °С вызовет изменение длины столба жидкости в капилляре с внутренним диаметром 1,5 мм на 6 мм.

Манометр Гюйгенса позволяет измерять давление ниже 1 торр с погрешностью ±0,001 торр. Калибруют прибор по манометру Мак-Леода (см. ниже).

Гюйгенс Христиан (1629-1695) — нидерландский механик, физик и математик.

В вакуумметре Цимерли диаметр сосудов У, 2 и 3 (рис. 243,6) не менее 16 мм. Такой диаметр исключает поправки на капиллярное понижение мениска ртути (см. табл. 35). Сосуды 1 и 3 соединены с прибором, в котором измеряется давление через трубку 5, а сосуд 2 соединен через капилляр 4 с сосудом 3. Такое соединение сосудов составляет основное отличие этого вакуумметра от U-образного вакуумметра (см. рис. 242,6).

Когда вакуумметр Цимерли соединен с прибором, в котором надо измерить вакуум, то оба столба ртути в сосуде 2 и капилляре 4 начнут опускаться до тех пор, пока их уровни не станут постоянными; при этом столб ртути разрывается в верхнем изгибе капилляра. Значение Л, покажет абсолютное давление в присоединенном к вакуумметру через трубку 5 приборе.

Чтобы подготовить вакуумметр к работе, через боковую трубку 5 наливают ртуть, пока сосуды / и 2 не наполнятся на V высоты. Затем вакуумметр откачивают до возможно более глубокого вакуума. При этом, чтобы удалить пузырьки воздуха прилипшие к стенкам трубок, вакуумметр наклоняют назад почти до горизонтального положения. Затем, не отключая вакуума его ставят вертикально и наклоняют влево, пока ртуть не почет из верхней части сосуда 2 через капилляр 4 в сосуд

Рис. 244. Чашечный вакуумметр с наклонной вакуумметрической трубкой (а) и вакуумметр Дубровина (б)

время перетока ртути удаляются последние количества воздуха и образуется затвор, который препятствует попаданию воздуха в сосуд 2. Когда уровень ртути в сосуде 7 приближается к ее основанию, вакуумметр возвращают в вертикальное положение и в него после отключения вакуума осторожно впускают воздух. При этом ртуть поднимается в сосуде 2 и капилляре 4 до тех пор, пока оба столба ртути не сольются в верхнем изгибе капилляра, заполнив сосуд 2 и капилляр. Уровни ртути в сосудах 1 и 3 должны находиться приблизительно на 20 мм выше отметки 0-0.

Измерение высокого вакуума проводят при помоши жидкостных чашечных вакуумметров с наклонной вакуумметрической трубкой, вакуумметров Дубровина, Мак-Леода и Гурского.

Чашечный вакуумметр с переменным наклоном вакуумметрической трубки 1 (рис. 244,а) позволяет измерять вакуум в пяти диапазонах от 0 до 1800 Па (от 0 до 16 торр) с погрешностью 0,5 — 1,0%, определяемой погрешностью самого прибора, ошибкой отсчета показаний по шкале 3 и несоответствием действительного и расчетного значений плотности вакуумметрической жидкости [см. уравнение (10.5)].

Стеклянная трубка 1 имеет длину 250 — 300 мм с внутренним Диаметром около 4 мм. Дуга 2 содержит пять отверстий для фиксированного наклона трубки. Корректировку нулевого показания 0-0 осуществляют вращением регулировочного винта 7, перемещающего плунжер-вытеснитель 8 в чашке 5. Плунжер при погружении или подъеме изменяет уровень вакуумметрической жидкости в сосуде 5, а следовательно, и в трубке 1. В качестве манометрической жидкости помимо ртути чаще всего применяют этанол с концентрацией 95,5% (об.).

Значение давления определяют из соотношения

(10.5)

l — длина манометрической жидкости в трубке L, α — угол наклона трубки;

d1 и d2 — внутренние диаметры соответственно чашки 5 и трубки 1; d3 — наружный диаметр плунжера р — плотность 95% го этанола составляет 0,810 г/см3; g — ускорение свободного падения, 980,665 см/с2

Трехходовой кран 6 служит для присоединения прибора к вакууммируемой системе и корректировке нулевого показана шкалы 3. Резиновые трубки 4 соединяют части прибора.

Вакуумметр Дубровина (рис. 244,6) позволяет растянуть щкалу давлений и тем самым увеличить точность измерений почти в 25 раз. В вакуумметре находится запаянная в верхнем конце свободно плавающая в ртути трубка 3 высотой 300 мм и внутренним диаметром 9 мм. Боковое смещение трубки ограничено тремя направляющими конусами 4, приваренными к сосуду 1 и слегка касающимися наружной стенки трубки 3.

Перед измерением трубка 3 полностью заполнена ртутью и плавает в сосуде 1. При уменьшении давления в этом сосуде трубка начинает всплывать, а уровень ртути в ней понижается. Значение А, отвечает измеряемому давлению в системе, с уменьшением давления на 1 торр значение А, уменьшается на 1 мм. Нижний предел измерения давления этим прибором лежит около 1 Па (0,01 торр).

Если вместо ртути использовать силиконовое масло , то нижний предел измерения давления может быть доведен до 8 10 -2 Па (6*10 -4 торр).

Дубровин Александр Иванович (1855-1922) — русский врач и общественный деятель.

Вакуумметр Мак-Леода (рис. 245,а) применяют для измерения высокого вакуума в пределах от 0,01 до 100 Па (10 -4 -1,0 торр). Он служит также для калибровки и проверки остальных вакуумметров. Измерения, проводимые при помощи этого прибора, основаны на предположении справедливости закона Бойля -Мариотта для низких давлений.

Мак-Леод Джон (1877-1935) — канадский химик-органик, лауреат Нобелевской премии.

Бойль Роберт (1627 — 1691) — английский физик и химик. Закон открыл в 1660 г. Этот же закон независимо от Бойля был открыт французским физиком Э. Мариоттом.

Для измерения давления вакуумметр Мак-Леода присоединяют к вакуумной системе через вакуумный кран 1. После создания в приборе вакуума открывают трехходовой кран 7, связывающий манометр через трубку 9 с атмосферой, под давлением которой ртуть поднимается из склянки 10 вверх. При свое движении ртуть отсекает в резервуаре 5 вместимостью от 100 до 300 мл объем газа V0, занимающий этот резервуар, и связанный с ним объем капилляра 4 длиной 80 мм и диаметром 0,7 -1.6 мм. Рядом с капилляром 4 расположен капилляр 2 того же диаметра

245. Вакуумметры Мак-Леода (а) и Гурского (б)

Ртути дают подняться в капилляре 1 пока она не достигнет положения А на уровне вершины капилляра 4. Ртуть в этом капилляре доходит лишь до более низкой точки 8 сжимая газ в сосуде 5 и в капилляре 4 до объема Vx. как только ртуть в капилляре 2 достигнет уровня А, кран 7 закрывают.

Давление сжатого в капилляре 4 газа после такой операции равно измеряемому давлению системы плюс давление столба ртути между уровнями А и В. Если h, —

высота столба ртути, определяемая по рядом расположенной шкале, а давление р системы ничтожно мало по сравнению с давлением этого столба ртути, то из закона Бойля — Мариотта следует, что

(10.6)

где р — измеряемое давление, торр; V1 — объем сжатого газа в капилляре 4, мл; V0 — объем сосуда 5 и капилляра 4. мл.

Так как капилляр 4 имеет постоянный диаметр, имеем

(10.7)

V1 — объем капилляра на единицу его длины L, см3.

(10.8)

т е. давление газа в системе (в торр) пропорционально квадрату высоты столба ртути в капилляре 4. Отношение Vl/V0 определяют заранее, тщательно измеряя объем капилляра 4 и общий объем сосуда 5 и капилляра 4.

После измерения давления вакуумметр соединяют при помощи крана 7 с вакуумным насосом, присоединяемым к трубке и ртуть снова опускается в склянку 10.

Вакуумметр Мак-Леода дает неправильные результаты при измерении давления легко конденсирующихся газов, а также газов, содержащих примеси NH3, СO2, Н20, НС1, SO2 и другиим подобных не подчиняющихся закону Бойля — Мариотта

ГОСТ Р 8.740-2011 Государственная система обеспечения единства измерений. Расход и количество газа. Методика измерений с помощью турбинных, ротационных и вихревых расходомеров и счетчиков

1 Область применения

2 Нормативные ссылки

В настоящем стандарте использованы нормативные ссылки на следующие стандарты:
ГОСТ Р 8.654-2009 Государственная система обеспечения единства измерений. Требования к программному обеспечению средств измерений. Основные положения
ГОСТ Р 8.662-2009 (ИСО 20765-1:2005) Государственная система обеспечения единства измерений. Газ природный. Термодинамические свойства газовой фазы. Методы расчетного определения для целей транспортирования и распределения газа на основе фундаментального уравнения состояния AGA8
ГОСТ 8.566-99 Государственная система обеспечения единства измерений. Межгосударственная система данных о физических константах и свойствах веществ и материалов. Основные положения
ГОСТ 2939-63 Газы. Условия для определения объема
ГОСТ 6651-2009 Государственная система обеспечения единства измерений. Термопреобразователи сопротивления из платины, меди и никеля. Общие технические требования и методы испытаний
ГОСТ 15528-86 Средства измерений расхода, объема или массы протекающих жидкости и газа. Термины и определения
ГОСТ 17310-2002 Газы. Пикнометрический метод определения плотности
ГОСТ 17378-2001 (ИСО 3419-81) Детали трубопроводов бесшовные приварные из углеродистой и низколегированной стали. Переходы. Конструкция
ГОСТ 31369-2008 (ИСО 6976:1995) Газ природный. Вычисление теплоты сгорания, плотности, относительной плотности и числа Воббе на основе компонентного состава
ГОСТ 31370-2008 (ИСО 10715:1997) Газ природный. Руководство по отбору проб
ГОСТ 31371.1-2008 (ИСО 6974-1:2000) Газ природный. Определение состава методом газовой хроматографии с оценкой неопределенности. Часть 1. Руководство по проведению анализа
ГОСТ 31371.2-2008 (ИСО 6974-2:2001) Газ природный. Определение состава методом газовой хроматографии с оценкой неопределенности. Часть 2. Характеристики измерительной системы и статистические оценки данных
ГОСТ 31371.3-2008 (ИСО 6974-3:2000) Газ природный. Определение состава методом газовой хроматографии с оценкой неопределенности. Часть 3. Определение водорода, гелия, кислорода, азота, диоксида углерода и углеводородов до С8 с использованием двух насадочных колонок
ГОСТ 31371.4-2008 (ИСО 6974-4:2000) Газ природный. Определение состава методом газовой хроматографии с оценкой неопределенности. Часть 4. Определение азота, диоксида углерода и углеводородов С1-С5 и С6+ в лаборатории и с помощью встроенной измерительной системы с использованием двух колонок

ГОСТ 31371.5-2008 (ИСО 6974-5:2000) Газ природный. Определение состава методом газовой хроматографии с оценкой неопределенности. Часть 5. Определение азота, диоксида углерода и углеводородов С1-С5 и С6+ в лаборатории и при непрерывном контроле с использованием трех колонок
ГОСТ 31371.6-2008 (ИСО 6974-6:2002) Газ природный. Определение состава методом газовой хроматографии с оценкой неопределенности. Часть 6. Определение водорода, гелия, кислорода, азота, диоксида углерода и углеводородов С1-С8 с использованием трех капиллярных колонок
ГОСТ 31371.7-2008 Газ природный. Определение состава методом газовой хроматографии с оценкой неопределенности. Часть 7. Методика выполнения измерений молярной доли компонентов
Примечание — При пользовании настоящим стандартом целесообразно проверить действие ссылочных стандартов в информационной системе общего пользования — на официальном сайте Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии в сети Интернет или по ежегодно издаваемому информационному указателю «Национальные стандарты», который опубликован по состоянию на 1 января текущего года, и по соответствующим ежемесячно издаваемым информационным указателям, опубликованным в текущем году. Если ссылочный стандарт заменен (изменен), то при пользовании настоящим стандартом следует руководствоваться заменяющим (измененным) стандартом. Если ссылочный стандарт отменен без замены, то положение, в котором дана ссылка на него, применяется в части, не затрагивающей эту ссылку.

10.4. Измерение давления газа . Часть 2

Определение величины давления

– это величина, характеризующая действие силы на единицу поверхности.

При определении величины давления принято различать давление абсолютное, атмосферное, избыточное и вакуумметрическое.

Абсолютное давление (ра)

– это давление внутри какой-либо системы, под которым находится газ, пар или жидкость, отсчитываемое от абсолютного нуля.

Атмосферное давление (рв)

создается массой воздушного столба земной атмосферы. Оно имеет переменную величину, зависящую от высоты местности над уровнем моря, географической широты и метеорологических условий.

Избыточное давление

определяется разностью между абсолютным давлением (ра) и атмосферным давлением (рв):

Вакуум (разрежение)

– это такое состояние газа, при котором его давление меньше атмосферного. Количественно вакуумметрическое давление определяется разностью между атмосферным давлением и абсолютным давлением внутри вакуумной системы:

Читать также: Продукция черной металлургии это

При измерении давления в движущихся средах под понятием давления понимают статическое и динамическое давление.

Статическое давление (рст)

– это давление, зависящее от запаса потенциальной энергии газовой или жидкостной среды; определяется статическим напором. Оно может быть избыточным или вакуумметрическим, в частном случае может быть равно атмосферному.

Динамическое давление (рд)

– это давление, обусловленное скоростью движения потока газа или жидкости.

Полное давление (рп)

движущейся среды слагается из статического (рст) и динамического (рд) давлений:

Давление в жидкости

В чем причина такого эффекта? Дело в том, что при смещении различных слоев жидкости относительно друг друга в ней не возникает никаких сил, связанных с деформацией. Нет сдвигов и деформаций в жидких и газообразных средах, в твердых же телах при попытке сдвинуть один слой против другого возникают значительные силы упругости. Поэтому говорят, что жидкость стремится заполнить нижнюю часть того объема, в котором она помещается. Газ же стремится заполнить весь объем, в который его помещают. Но это в действительности заблуждение, так как, если посмотреть на нашу Землю со стороны, мы увидим, что газ (земная атмосфера) опускается вниз и стремится заполнить некоторую область на поверхности Земли. Верхняя граница этой области достаточно ровная и гладкая, как и поверхность жидкости, заполняющей моря, океаны, озера. Все дело в том, что плотность газа значительно меньше плотности жидкости, поэтому, если бы газ был очень плотным, он точно так же опускался бы вниз и мы видели верхнюю границу атмосферы. В связи с тем, что в жидкости и газе не возникает сдвигов и деформаций – все силы взаимодействуют между различными областями жидкой и газообразной среды, это силы, направленные по нормальной поверхности, разделяющей эти части. Такие силы, направленные всегда по нормальной поверхности, называются силами давления. Если мы разделим величину силы давления на некоторую поверхность на площадь этой поверхности, мы получим плотность силы давления, которую называют просто давление (или иногда добавляют гидростатическое давление), даже в газообразной среде, поскольку с точки зрения давления газообразная среда практически ничем не отличается от жидкой среды.

Методы измерения давления

Широкое использование давления, его перепада и разрежения в технологических процессах вызывает необходимость применять разнообразные методы и средства измерения и контроля давления.

Методы измерения давления основаны на сравнении сил измеряемого давления с силами:

давления столба жидкости (ртути, воды) соответствующей высоты;

развиваемыми при деформации упругих элементов (пружин, мембран, манометрических коробок, сильфонов и манометрических трубок);

упругими силами, возникающими при деформации некоторых материалов и вызывающими электрические эффекты.

Классификация приборов измерения давления

Классификация по принципу действия

В соответствии с указанными методами, приборы измерения давления можно разделить, по принципу действия на:

Наибольшее распространение в промышленности получили деформационные средства измерения. Остальные, в большинстве своем, нашли применение в лабораторных условиях в качестве образцовых или исследовательских.

Классификация в зависимости от измеряемой величины

В зависимости от измеряемой величины средства измерения давления подразделяются на:

манометры – для измерения избыточного давления (давления выше атмосферного);

микроманометры (напоромеры) – для измерения малых избыточных давлений (до 40 кПа);

барометры – для измерения атмосферного давления;

микровакуумметры (тягомеры) – для измерения малых разряжений (до -40 кПа);

вакуумметры – для измерения вакуумметрического давления;

мановакуумметры – для измерения избыточного и вакуумметрического давления;

напоротягомеры – для измерения избыточного (до 40 кПа) и вакуумметрического давления (до -40 кПа);

манометры абсолютного давления – для измерения давления, отсчитываемого от абсолютного нуля;

Читать также: Какой самый хороший блендер

дифференциальные манометры – для измерения разности (перепада) давлений.

ПРОВЕРИЛ:________________

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Изучение назначения, устройства, принцип действия и тарировки приборов дня измерения давления (абсолютного, манометрического вакуумметрического).

Приборы для измерения давлений

Приборы для измерения давлений классифицируют по различным признакам. По характеру измеряемого давления приборы разделяют на следующие классы:

1) барометры

— приборы для измерения атмосферного давления:

2) манометры

— приборы для измерения избыточного давления;

3) вакуумметры

— приборы для измерения вакуума;

4) мановакуумметры

— приборы для измерения, как избыточного давления, так и вакуума;

5) манометры абсолютного давления

— приборы для измерения абсолютного (полного) давления;

6) дифференциальные манометры

— приборы для измерения разности давлении.

По принципу действий приборы различают:

Простейшим прибором для измерения избыточного давления является пьезометр (рис.1, а). Он представляет собой вертикально установленную прозрачную стеклянную или ПВХ трубку с открытым верхним концом

Измерения по пьезометру проводят в единицах длины, поэтому иногда давления выражают в единицах высоты столба определенной жидкости. Пьезометр высотой 1,5. 2м позволяет измерить давление до 0,15. 0,20 атм.

Основным достоинством пьезометра является простота устройства и точность измерения. Основным недостатком пьезометра является малый диапазон измеряемых давлений. При больших давлениях пьезометр становится слишком громоздким. К недостаткам пьезометра также можно отнести хрупкость.

Избыточное давление в жидкостях или газах измеряется манометрами

. Это весьма обширный набор измерительных приборов различной конструкции и различного исполнения

На рисунке 1,б показана схема действия поршневого манометра. При увеличении давления в сосуде жидкость или газ по закону Паскаля передаёт это давление на нижнюю поверхность поршня, заставляя его тем самым подниматься или опускаться. Поршень связан через систему рычагов с указательной стрелкой.

Рис.1 Приборы для измерения избыточного давления

а) пьезометр, б) поршневой манометр, в) жидкостный манометр, г) мембранный манометр, д) сильфонный манометр

Другой тип манометра — это открытый (жидкостный) манометр (рис.1, в). Он состоит из U-образной трубки, наполненной ртутью или другой жидкостью. Работа основана на законе сообщающихся сосудов и на уравновешивании измеряемого давления газа давлением столба жидкости (ртути, воды и т. д.). В один конец трубки подается давление. Жидкость в другой трубке поднимается до тех пор, пока измеряемое давление не будет в точности равно давлению, вызываемому разностью уровней жидкости в двух коленах трубки. Зная эту разность высот можно рассчитать давление.

Недостатком такого манометра является то, что величина давления зависит от ускорения свободного падения в данном месте. Не всегда такой манометр градуируется в паскалях, часто бывает удобным измерять давление в единицах высоты столба данной жидкости — в миллиметрах ртутного столба, водяного столба (1 мм вод. ст. — 9,8 Па; 1 мм рт. ст. = 133,3 Па)

Одним из простых приборов для измерения повышенных и высоких давлений является трубчатый манометр или манометр Бурдона Главная составная часть его — изогнутая по дуге латунная труба 1 овального сечения (рис. 2).

Читать также: Самодельная направляющая шина для дисковой пилы

Жидкость или газ, производя давление изнутри трубки, выпрямляет ее.

Жидкость или газ подается в штуцер 3, соединенный с трубкой 1. Трубка, распрямляясь, приводит в движение систему зубчатых колес и рычагов 2, которые поворачивают стрелку 4; чем больше давление, тем на больший угол повернется стрелка. Угол поворота стрелки пропорционален измеряемому давлению. Шкала, нанесенная на циферблате, градуирована в единицах давления. Обычно манометр калибруется в МПа. Такие манометры применяются при измерении давления воздуха, пара, газов и жидкостей. Манометры для измерения давления в шинах автомобиля часто бывают типа манометра Бурдона.

Таким образом, это деформационный манометр.

К деформационным относятся также мембранные и сильфонные манометры (рис. 1, г, д)

Главной частью мембранного манометра является гибкая круглая плоская пластина способная получить прогиб под действием давления.

Сильфонный манометр (сильфон) представляют собой тонкостенную цилиндрическую оболочку с поперечными гофрами, способную получать значительное перемещении под действием давления. Для увеличения жесткости внутрь сильфона часто помещают пружину. Сильфоны изготавливают из бронзы, углеродистой стали, алюминиевых сплавов. Серийно производят бесшовные и сварные сильфоны диаметром от 8-10 до 80-100 мм. Сильфоны более чувствительны, чем мембранные манометры и имеют больший диапазон измерений.

Основными достоинствами приборов являются большой диапазон измеряемых давлений, простота устройства и применения, портативность и универсальность.

Основным недостатком приборов является непостоянство их показаний, вследствие постепенных изменений упругих свойств пружинящего элемента, возникновения остаточной деформации, износа передаточного механизма. Поэтому такие приборы необходимо периодически проверять.

Манометры позволяют определять давление лишь с определенной точностью, класс точности манометров определяется величиной k, выражающей максимальную допустимую погрешность величины , соответствующей предельному показанию шкалы прибора

Номинальный ряд классов, точности манометров: 0,005; 0,02; 0,05; 0,1; 0.2; 0,35; 1; 2; 2,5; 4,0; 6,0.

Манометры и вакуумметры, пружинные образцовые служат для контроля манометров общего назначения и для проведения особо точных замеров. Для контроля образцовых манометров используются грузопоршневые манометры.

Манометры класса 0,05 предназначены для проверки образцовых пружинных и других манометров точных измерения, манометры класса 0,2 — для проверки технических манометров общего назначения.

Стенд для тарировки включает:

ВЫВОДЫ

1. Сделать заключение о годности проверяемого прибора в эксплуатации.

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Лучшие изречения:
Студент — человек, постоянно откладывающий неизбежность.
10178 — | 7215 — или читать все.

91.146.8.87 © studopedia.ru Не является автором материалов, которые размещены. Но предоставляет возможность бесплатного использования. Есть нарушение авторского права? Напишите нам | Обратная связь.

Отключите adBlock! и обновите страницу (F5)