Лекция № 6. Измерение давлений

Весовой принцип измерения дав-лений. Деформационные мано-метры. Дифференциальные мано-метры. Измерение быстроменя-ющихся давлений. Тензометрии-ческие и пьезоэлектрические преобразователи в манометрии. Измерение вакуума. Манометр Мак-Леода. Теплоэлектрические и ионизационные манометры. Компенсация сил инерции при измерении давлений

Согласно молекулярно-кинетической теории материи под давлением понимается сила, с которой молекулы вещества в термодинамической системе воздействуют на единицу ограничивающей ее поверхности. При этом предполагается, что движение молекул равновероятно во всех направлениях. Из данной теории следует, что давление пропорционально средней кинетической энергии движущихся частиц вещества, заключенных в единице объема:

P= , (4.1)

где α — коэффициент сжимаемости вещества;

n — молекулярная концентрация (число молекул в единице объема);

m — масса молекулы;

v- средняя скорость молекул.

Так как кинетическая энергия движения молекул и атомов связана с абсолютной температурой

, (4.2)

где k - константа Больцмана;

Т — абсолютная температура;

то давление общества можно выразить также через его абсолютную температуру и молекулярную концентрацию:

P = α nkT (4.3)

Давление, выраженное уравнениями (4.1) и (4.3), есть абсолютное давление.

Таким образом, абсолютным давлением называется давление внутри какой-либо системы, под которым находится газ, пар или жидкость, отсчитываемое от абсолютного нуля.

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

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

Избыточное давление определяется разностью между абсолютным давлением и атмосферным давлением:

Р_изб=Р_абс-Р_ат (4.4)

где Р_изб — избыточное давление;

Р_абс — абсолютное давление;

Р_ат — атмосферное давление.

Под вакуумом (разрежением) понимают такое состояние газа, при котором, его давление меньше атмосферного. Количественно вакуумметрическое давление определяется разностью между атмосферным давлением и абсолютным давлением внутри вакуумной системы:

Р_вак=Р_ат-Р_абс (4.5)

Где Р_вак — вакуумметрическое давление,

За единицу давления в Международной системе единиц СИ принято давление, называемое паскалем (Па). Оно создается си­лой в 1 ньютон, равномерно распределенной по поверхности в 1 м². Эта небольшая величина пригодна для измерения очень малых давлений. Для измерения средних и высоких давлений целесообразно применять кратные единицы: килопаскаль (кПа) и мегапаскаль (МПа) и др.

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

Статическое давление — это давление, зависящее от запаса потенциальной энергии газовой (жидкостной) среды, и опреде­ляется оно статическим напором. Оно может быть избыточным или вакуумметрическим, в частном случае оно равно атмосферному.

Динамическое давление это давление, обусловленное скоростью движения потока газа (жидкости). Определяется оно через скорост­ной (динамический) напор по формуле

Р_д=ρ W² /2 (4.6)

где Р_д — динамическое давление;

ρ — плотность движущегося вещества;

W — скорость движущегося потока.

Полное давление Р_п движущейся среды слагается из статического Р_ст и динамического Р_д давлений:

Р_п=Р_ст+Р_д. (4.7)

В дальнейшем под термином “давление” подразумевается статическое давление. Давление является важнейшим параметром, характеризующим протекание технологических процессов в различных отраслях промышленности. Широкое использование давления, его перепада и разрежения вызывает необходимость применения разнообразных средств измерения.

Приборы для измерения давления подразделяются на следующие основные группы:

1) жидкостные, в которых измеряемое давление уравновешивается давлением столба жидкости соответствующей высоты;

2) деформационные, в которых измеряемое давление опреде­ляется по величине деформации различных упругих чувствительных элементов или по развиваемой ими силе;

3) грузопоршневые, в которых измеряемое или воспроизводимое давление уравновешивается давлением, создаваемым массой поршня и грузов;

4) электрические, действие которых основано на изменении электрических свойств некоторых материалов при воздействии на них давления.

По наименованию приборы для измерения давления подразделяются на барометры (для измерения атмосферного давления);

манометры (для измерения избыточного давления); вакуумметры (для измерения вакуумметрического давления); мановакуумметры (для измерения избыточного и вакуумметрического давления); манометры абсолютного давления (для измерения давления, отсчитываемого от абсолютного нуля), дифференциальные манометры [для измерения разности (перепада) давления].

Манометры, вакуумметры и дифференциальные манометры, предназначенные для измерения небольших давлений, разрежений и разности давлений газовых сред (до 40 кПа), называют соответ­ственно напоромерами, тягомерами и тягонапоромерами.

Приборы, предназначенные для высокоточных измерений малых давлений (обычно не превышающих 2, 5 кПа), называют микро­манометрами.

Действие жидкостных приборов основано на гидростатическом принципе, при котором измеряемое давление уравновешивается давлением столба затворной (рабочей) жидкости. Разница уровней в зависимости от плотности жидкости является мерой давления.

Простейшим прибором для измерения давления или разности давлений является двухтрубный (или U-образный) манометр (рис. 4.1, а), представляющий собой стеклянную трубку, согнутую по форме вытянутой буквы U, заполненную жидкостью и прикреп­ленную к деревянной панели, на которой имеется шкала для от­счетов

Один конец трубки манометра сообщается с атмосферой, другой подключается к объекту, где измеряется давление. Трубка, связанная со средой большего давления, обозначается знаком “+” (плюсовая трубка), а трубка, связанная со средой меньшего дав­ления, знаком “ — ” (минусовая трубка).

Затворной жидкостью может быть ртуть или вода. Под дейст­вием измеряемого давления затворная жидкость в плюсовой трубке опускается, а в минусовой поднимается, разность гидростатиче­ских уровней и определяет величину измеряемого давления со­гласно выражению

P=hρ g, (4.8)

где Р — измеряемое давление, Па;

h — разность уровней жидкости, м;

ρ — плотность жидкости, кг/м³;

g — ускорение силы тяжести, м/с².

Равенство (4.8) показывает, что точность измерения давления определяется точностью отсчета h, точностью определения плотности жидкости ρ и не зависит от сечения трубки.

Определение величины давления по шкале двухтрубного манометра производится по двум уровням, отсчитывая высоту столба жидкости в одной трубке вверх от нуля, а в другой — вниз, и оба значения складываются.

Верхний предел измерения двухтрубных манометров состав­ляет 1 — 10 кПа. В этом случае приведенная погрешность измере­ния лежит в интервале 2 — 0, 2%.

Более удобным прибором является однотрубный (чашечный) манометр (рис. 4.2, б), в котором одна из трубок заменена сосудом, диаметр которого в несколько раз больше диаметра трубки. Манометр заполняют рабочей жидкостью до тех пор, пока мениск в трубке не установится на нулевую отметку по шкале прибора.

Для измерения избыточного давления широкий сосуд соеди­няется с измеряемым пространством, а конец трубки оставляется открытым, при этом уровень жидкости в трубке поднимается, а в широком сосуде опустится, но вследствие значительно большего поперечного сечения сосуда понижение уровня в нем будет очень малым.

При измерении вакуумметрического давления объект, где измеряется вакуум, соединяется с трубкой, а широкий сосуд — с атмосферой. При этом жидкость в измерительной трубке будет под­ниматься до тех пор, пока вес столба жидкости в трубке не уравновесит разность между атмосферным давлением и вакуумом контролируемой среды.

В этом приборе давление или разрежение будет определяться равенством

P=hgρ (1+f/F)=hgρ (1+d² /D²) (4.9)

где f — сечение трубки, м²;

F — сечение широкого сосуда, м²;

d — диаметр трубки, м;

D — диаметр широкого сосуда, м.

Обычно приборы имеют отношение f/F < 1/400 или d/D < < 1/20 и понижение уровня (см. рис. 24, б) h₂ в сосуде незначительно, им можно пренебречь и отсчет вести только по стеклянной трубке h₁, что упрощает измерение и уменьшает погрешность от счета.

Однотрубные манометры имеют верхний предел измерения 1, 6—10 кПа, приведенная погрешность измерения составляет 0, 4-0, 025%.

Измерение малых давлений (до 2 кПа) обычными двухтрубными или однотрубными приборами дает большую погрешность из-за неточности отсчета. В этом случае применяются микроманометры. Простейшим микроманометром является стеклянный однотрубный микроманометр с наклонной трубкой (рис. 4.1, в), у которого трубка расположена не вертикально, а под углом α к горизонту; при этом точность измерения увеличивается в несколько раз. Учитывая, что h₁ = l sin α, измеряемое давление определим по формуле

P=l× g× ρ × sinα × (1+f/F) (4.10)

где l — отсчет по наклонной трубке, м;

α — угол наклона трубки.

Отношением f/F как величиной весьма малой можно пренебречь, и равенство (4.10) примет вид

P=lgρ ·sinα (4.11)

Из уравнения (4.11) видно, что чем меньше угол α, тем меньше предел измерения прибора и тем больше растянуты деления шкалы, что и предопределяет высокую точность измерения.

Чашку микроманометра заполняют спиртом определенной плот­ности. Плотность спирта меньше плотности воды и он меньше смачивает стекло. Вследствие этого спирт дает больший, чем вода, масштаб отсчета и меньший мениск. Так как отсчет по микроманометру с наклонной трубкой зависит от угла наклона этой трубки, то во время измерения прибор должен находиться в строго горизонтальном положении. Для этой цели микроманометр снабжен уровнем, по которому устанавливают прибор перед началом измерения и периодически проверяют положение уровня жидкости при отключенном приборе.

Недостатками жидкостных приборов являются: отсутствие дистанционной передачи показаний, небольшой предел измерений, недостаточная наглядность показаний и хрупкость. Поэтому жид­костные приборы как стационарные в промышленности исполь­зуются редко. В то же время благодаря своей простоте, дешевизне и относительно высокой точности измерения они широко распространены в лабораториях и в промышленности при эпизодических измерениях и при проверке приборов других типов.

Деформационные приборы широко применяются для измерения давления и его перепада благодаря своей портативности, простоте и большому диапазону измерения — от нескольких Па до тысячи Мпа. Принцип действия данных устройств основан на уравновешивании силы, создаваемой давлением или вакуумом контролируемой среды на чувствительный элемент, силами упругих деформаций различного рода упругих элементов. Эта деформация в виде линейных или угловых перемещений передается показывающей или самопишущей части прибора, а также может быть преобразована в электрический или пневматический сигнал для дистанционной передачи его на измерительный (вторичный) прибор или другие средства контроля или регулирования.

В деформационных приборах в качестве чувствительных элементов используют одновитковые трубчатые пружины (рис. 4.2, а), многовитковые трубчатые пружины (рис. 4.2, б), упругие мембраны (рис. 4.2, в), упругие мембранные коробки (рис. 4.2, а, г, д), двойные упругие мембранные коробки (рис. 4.2, е, ж), пружннно-мембранные с гибкой (вялой) мембраной (рис 4.2, з), сильфонные (рис. 4.2, и) и пружинно-сильфонные (рис. 4.2, к).

Для изготовления мембран, сильфонов и трубчатых пружин необходим материал с высокой упругостью, антикоррозионностью, малой зависимостью параметров от изменения температуры, который также должен хорошо поддаваться технологической обработке, пайке и сварке. Указанным требованиям отвечают бронза, латунь и хромоникелевые сплавы.

Статическая характеристика упругого элемента представляет собой зависимость деформации W от приложенного давления Р, т.e. W = f(Р). В большинстве случаев эта зависимость имеет нелинейный характер, причем кривая нагруженния не совпадает с кривой, соответствующей разгружению. Кроме того, при снятии нагрузки, т. е. при Р = 0, имеет место остаточный сигнал вследствие продолжающейся деформации материала. Это объясняется наличием гистерезиса материала, из которого изготовлен упругий чувствительный элемент.

Мембранные приборы. Мембранные приборы применяются для измерения небольших давлений нейтральных газовых сред.

Принцип действия приборов основан на уравновешивании избыточного, абсолютного или вакуумметрического давления силами упругой деформации мембраны. Упругие элементы выполняют в форме тонкостенных металлических коробок, состоящих из двух гофрированных круглых мембран, выполненных из бериллиевой бронзы и сваренных между собой по контуру;

Если внутреннюю полость мембранной коробки соединить с измеряемой средой, то по прогибу ее жесткого центра можно судить о величине измеряемого избыточного давления. Такие мембраны называются манометрическими.

При откачке воздуха из внутренней полости мембранной ко­робки до 13, 3—40 Па и дальнейшей запайке получают анероидную коробку, с помощью которой измеряют абсолютное давление. Упругие мембранные коробки, применяемые для измерения атмосферного давления, называют барометрами-анероидами. В этом случае атмосферное давление воздействует на герметически закрытую мембранную коробку, внутренняя полость которой на­ходится под вакуумом.

Приборы типов ТМ-П1 и НМ-П 1 изготовляются со шкалой 250— 25000 Па, а типа ТНМ-П1 со шкалой 120—12000 Па. Класс точности данных приборов 2, 5.

Сильфонные приборы. Сильфонные приборы предназначены для измерения избыточного и вакуумметрического давления воздуха и неагрессивных газов и используются как напоромеры, тягомеры и тягонапоромеры с пределами измерения до 40 кПа, как манометры до 400 кПа, вакуумметры до — 100 кПа и мановакуумметры (-100) ÷ (0) ÷ (+300 кПа).

Принцип действия сильфонных приборов основан на уравновешивании измеряемого давления силами упругой деформации сильфона и диапазонных цилиндрических пружин.

Чувствительным элементом прибора является сильфон (см. рис. 4.2, и), представляющий собой тонкостенную цилиндрическую емкость с поперечной гофрировкой, которая изменяет свои линейные размеры при перепаде давлений внутри и вне ее. Сильфоны выполняются из фосфористой бронзы, нержавеющей стали или медноникелевого сплава.

Сильфоны изготовляют прессованием с эффективной площадью

F_эф = = 0, 1 ÷ 160 см²

с числом волн n = 4; 6; 10 и 16.

Применяют сильфоны диаметром 8 — 150, толщиной стенки 0, 1 — 0, 3 мм, Сильфоны соединяются с глухими донышками сваркой или пайкой.

Действие на сильфон давления (внешнего или внутреннего) приводит к изменению длины его, сжатию или растяжению в за­висимости от направления действующего усилия. Упругая характе­ристика сильфонов в пределах рабочего диапазона близка к линей­ной. Для увеличения жесткости и уменьшения влияния Нелинейности характеристики внутрь сильфона помещают проволочную цилиндрическую винтовую пружину (см. рис. 4.2, к). Вследствие этого измеряемое давление уравновешивается силой упругой деформации сильфона и винтовой пружины.

Конструктивно приборы состоят из двух частей: сильфонного блока и показывающей (самопишущей) части, встроенных в один корпус. Самопишущие приборы могут производить запись на дисковой или ленточной диаграммной бумаге. Класс точности само пишущих приборов 1 или 1, 5.

Сильфонные манометры используются также в качестве вторич­ных измерительных приборов в комплекте с пневматическими преобразователями для передачи показаний на расстояние. В этом случае вторичные приборы имеют пределы измерения 0—100 кПа.

Трубчато-пружинные приборы. Приборы с трубчатой пружиной принадлежат к числу наиболее распространенных манометров, вакуумметров и мановакуумметров.

Действие их основано на использовании зависимости между упругой деформацией трубчатой пружины и внутренним давле­нием. Трубчатая пружина представляет собой тонкостенную со­гнутую по дуге окружности трубку вытянутого поперечного се­чения. Изготовляются трубчатые пружины большей частью из медных сплавов или из нержавеющей стали в зависимости от на­значения прибора и пределов измерения. Трубку в приборе рас­полагают таким образом, чтобы малая ось сечения лежала в полости изгиба трубки. При заполнении полости трубки газом или жидкостью под давлением происходит деформация сечения в на правлении приближения к ее круглому, это вызывает появление усилий, которые заставляют трубку разгибаться. Таким образом, в пружинных приборах используется свойство спиральной трубки раскручиваться при увеличении давления внутри нее и сжиматься при уменьшении давления.

Устройство простейшего пружинного манометра представлено на рис. 4.3, а.

Чувствительный элемент прибора, воспринимающий сигнал давления, выполнен в форме согнутой по кругу на угол 270° полой трубки 2 с поперечным сечением в виде эллипса или плоского овала. Один конец трубки свободный и наглухо закрыт, другой конец ее впаян в держатель, который присоединяется к источнику измеряемого давления при помощи штуцера 8.За крытый конец трубки поводком 7 соединен с зубчатым сектором 6, который сцеплен с маленькой шестеренкой (трибкой) 5, сидящей на одной оси с указывающей стрелкой 4. Под действием избыточного давления трубка разгибается, закрытый (свободный) конец трубки перемещается и тянет поводок 7, который поворачивает связанный с ним зубчатый сектор 6. Перемещаясь, зубчатый сек­тор вращает трибку 5 с насаженной на ее ось стрелкой, указывающей по шкале 3 величину измеряемого давления. Чтобы избежать мертвого хода между зубцами сектора и трибкой, применена спиральная пружинка 9, прижимающая трибку к одной стороне зубцов сектора. Указанные элементы смонтированы в корпусе. Манометры регулируют изменением длины поводка и перемещением точки его соединения с хвостовиком зубчатого сектора.

Помимо величины давления, перемещение свободного конца трубки, служащей мерой измеряемого давления определяется формой и размерами трубки, свойствами материала и начальным углом, закручивания трубки. Для увеличения чувствительности прибора трубку делают с меньшей толщиной стенки и максимально большим отношением полуосей сечения трубки. При напряже­ниях, не превышающих предела пропорциональности, перемеще­ние конца трубки происходит прямо пропорционально давлению, благодаря чему шкала прибора получается равномерной. Вели­чина перемещения конца трубки очень невелика и составляет всего несколько миллиметров, поэтому для получения большого угла поворота стрелки манометра применяют передаточный ме­ханизм.

Секторный передаточный механизм чувствителен к вибрациям и к постоянным колебаниям давления. При этом непрерывно ра­ботающие зубья сектора и трибки быстро изнашиваются.

В приборах, пригодных для работы в условиях вибрации, использован рычажный механизм сочленения пружинной трубки с показывающей стрелкой. Такая конструкция значительно проще секторного механизма и не боится вибраций и колебаний давлений, но угол поворота стрелки при рычажном механизме состав­ляет 90°, следовательно, деления шкалы получаются более мел­кими, что понижает точность отсчета по сравнению с приборами, в которых использован зубчатый механизм передачи и угол поворота стрелки прибора составляет 270—300°.

Показывающие манометры выпускаются для верхних пределов измерения 60 кПа— 160 МПа. Нижний предел измерения у всех приборов равен нулю.

Вакуумметры выпускаются со шкалами 0—100 кПа. Мановакуумметры имеют предел вакуумметрического давления 100 кПа и предел избыточного давления 60 кПа — 2, 4 МПа.

Показывающие приборы выпускаются в корпусах диаметром 60, 100, 160, 250 мм, класс точности 0, 6—4. Класс точности 4, 0 допускается для датчиков избыточного и вакуумметрического давления с верхним пределом измерения менее 100 Па, а также датчиков абсолютного давления с верхним пределом измерения менее 10 кПа.

Образцовые манометры и вакуумметры имеют классы точности 0, 16; 0, 25 и 0, 4, что достигается применением трубчатых пружин высокого качества и тщательным выполнением передаточного зубчато-секторного механизма. Шкалы образцовых приборов имеют 100 условных делений с числовыми отметками через каждые 5 делений. Конечное значение давления указывается на циферблате прибора.

В зависимости от условий монтажа промышленные показывающие приборы изготавливаются с радиальным или осевым штуцером, а также с передним или задним фланцем на корпусе или без фланца.

Трубчато-пружинные манометры некоторых типов имеют кор­ректор нуля. Для этого к свободному концу трубчатой пружины присоединяется конец винтовой пружины, закрепленный на ку­лачке корректора. Головка корректора выведена наружу с задней стороны корпуса прибора. При повороте ее изменяется натяжение винтовой пружины, а следовательно, и положение конца трубча­той пружины, связанного с указательной стрелкой.

Манометры некоторых типов снабжены контрольной стрелкой, которая дает возможность следить за тем, не было ли давление повышено сверх допустимого предела.

Пружинные показывающие приборы общего назначения могут иметь дополнительное электроконтактное устройство (рис. 4.3, б) для автоматической подачи сигнала к устройству технологической сигнализации.

В этом приборе в качестве чувствительного элемента используется одновитковая трубчатая пружина. Прибор имеет указательную стрелку с расположенным на ней контактом 3 и задающие сигнальные (минимального и максимального значения) контакты 1 и 2, устанавливаемые на заданные значения шкалы манометра вращением винта. Прибор сообщается с измеряемой средой через штуцер 4. При достижении любого из заданных предельных дав­лений контакт, связанный с указательной стрелкой, соприкасается с контактом, расположенным на соответствующей сигнальной стрелке, и замыкает цепь сигнализации. Например, если измеряемое давление среды в объекте уменьшится и достигнет того минимального значения шкалы, на которое установлен контакт 1, стрелка с помощью контакта 3 замкнет цепь и включит лампу Л_з зеленого цвета. Если же давление среды увеличится до верхнего заданного значения, то стрелка с помощью контакта 3 замкнет контакт 2, а следовательно, и цепь красной лампы Л_к.