Никитин В.А., Бойко С.В. Методы и средства измерений, испытаний и контроля
Подождите немного. Документ загружается.
При получении средства измерения обязательно надо убедиться (по
парафинированию, отметке в аттестате и т. п.) не просрочена ли его поверка.
14.2 Средства измерения давления. Общие сведения
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 давлениями.
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.
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.
Соотношения единиц давления, допущенных к применению, приведены в
приложении Б.
Средства измерений давления классифицируют по виду измеряемого
давления и принципу действия.
Р
абс.
= Р
атм.
+ Р
изб.
; Р
раз.
= Р
абс.
– Р
атм.
; Р
изб.
= Р
абс.
– Р
атм.
;
По виду измеряемого давления средства измерений подразделяют на:
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 14.115) /8/.
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.
14.2.1 Жидкостные средства измерений давления с гидростатическим
уравновешиванием
В жидкостных приборах с гидростатическим уравновешиванием мерой
измеряемого давления является высота столба рабочей жидкости. В качестве
рабочей жидкости, называемой затворной или манометрической, применяются
дистиллированная вода, ртуть, этиловый спирт, трансформаторное масло.
Абсолютное давление Избыточное давление
10
-11
10
-12
10
-10
10
-9
10
-8
10
-7
10
-6
10
-5
10
-4
10
-3
10
-2
10
-1
10
0
10
1
10
2
10
3
10
4
10
5
10
6
10
7
10
8
10
9
10
10
10
11
Сверхвысокий вакуум Высокий вакуум Средний вакуум Низкий вакуум
Рисунок 14.115-Диапазон давлений (в Па), охватываемый существующими средствами измерений давления
Умеренное
давление
Среднее
давление
Серхвысокое
давление
Высокое
давление
Ионизационные
Электрические
Жидкостные
Тепловые
Поршневые
Деформационные
Выбор рода рабочей жидкости определяется диапазоном измеряемого
давления, условиями эксплуатации и требуемой точностью измерений.
В настоящее время номенклатура жидкостных средств измерений
давления с гидростатическим уравновешиванием существенно ограничена. В
большинстве случаев они заменены более совершенными деформационными
средствами измерений. К числу жидкостных средств измерений давления
(разности давлений и разрежения) с гидростатическим уравновешиванием,
которые еще применяются на технологических потоках, относятся поплавковые
и колокольные дифманометры.Поплавковые дифманометры. Принцип действия
поплавковых дифманометров основан на уравновешивании измеряемого
перепада давления гидростатическим давлением, создаваемым столбом рабочей
жидкости, заполняющей дифманометр. Поплавковый дифманометр (рисунок
14.116а) представляет собой два сообщающихся сосуда.
Рисунок 14.116 - Схемы жидкостных приборов для измерения давления
Площадь сечения F широкого сосуда 1 значительно больше площади
сечения f узкого сосуда 7. Внутренняя полость сообщающихся сосудов
заполняется рабочей жидкостью (ртутью или трансформаторным маслом) до
нулевой отметки. О значении измеряемой разности давлений в этих приборах
судят по отсчетному устройству, указатель 3 которого связан с поплавком 2,
расположенным во внутренней полости широкого сосуда. При подключении
прибора к объекту измерения большее давление подается в сосуд 1, а меньшее в
сосуд 7. Подача давления осуществляется через вентили 5 и 6. Вентиль 4
служит для того, чтобы исключить возможность выброса рабочей жидкости
при односторонней подаче давления. С этой целью перед подключением
прибора к объекту вентиль 4 открывают, а после стабилизации давления в
),(
)с(с F/f)1(
1
h
21
сж
2
PP
g
−
−+
=
обоих сосудах закрывают. При отключении прибора от объекта необходимо
предварительно открыть вентиль 4, а затем закрыть вентили 5 и 6.
В процессе измерения, жидкость в широком сосуде перемещается вниз,
а вместе с ним перемещается поплавок 2, который через механическую
передачу перемещает указатель 3 отсчетного устройства. Перемещение
поплавка будет происходить до тех пор, пока измеряемая разность давлений
Р
1
—Р
2
не уравновесится давлением столба жидкости высотой h
1
+h
2
.
Перемещение поплавка можно рассчитать по формуле (14.5) /8/
Р
1
—Р
2
=g(ρ
ж
-ρ
c
) (h
1
+h
2
), (14.5)
где g - местное ускорение свободного падения;
h
1
и h
2
- перемещение уровня жидкости в правом и левом коленах;
ρ
ж
- плотность рабочей жидкости;
ρ
c
— плотность измеряемой среды.
Принимая во внимание равенство объема жидкости, вытесненного из
широкого сосуда, объему жидкости, поступившему в узкий сосуд получаем
формулу (14.6) /8/
F h
2
= f h
1
, (14.6)
преобразуем уравнение (14.6) в (14.7) /8/
(14.7)
Уравнение (14.7) представляет собой статическую характеристику
поплавкового дифманометра, из которой следует: чтобы получать одинаковое
перемещение h
2
поплавка при измерении разности давлений в различных
диапазонах, необходимо изменять отношение F/f. Практически это достигается
заменой узкого сосуда одного диаметра на сосуд другого диаметра.
Поплавковые дифманометры имеют несколько сменных сосудов (стаканов),
замена которых позволяет изменять предельные номинальные перепады
давления. Для поплавковых дифманометров предельный номинальный перепад
∆Р
ном
связан с максимальным измеряемым перепадом ∆Р = Р
1
—Р
2
соотношением (14.8) /8/
∆Р
ном
= ∆Р (1- ρ
c
/ρ
ж
), (14.8)
где ρ
ж
, ρ
c
—плотности рабочей жидкости и среды при температуре 20°С
и атмосферном давлении.
Поплавковые дифманометры рассчитаны на номинальные перепады
давления, верхние пределы которых ограничены значениями от 6,3 кПа до 0,10
МПа. Поплавковые дифманометры используются при статических давлениях
измеряемой среды не более 25 МПа. Класс точности поплавковых
дифманометров 1,0 и 1,5. Для передачи на расстояние информации о значении
измеряемого перепада давления, рассматриваемые дифманометры оснащаются
преобразователями П перемещения указателя 3 в унифицированный сигнал
измерительной информации. Принцип действия и устройство преобразователей
перемещения рассмотрен широко в технической литературе.
Передаточные механизмы поплавковых дифманометров, применяемых
для измерения расхода веществ, оснащаются лекалами, профиль которых
рассчитывают по квадратичной корневой зависимости. Показания этих
поплавковых дифманометров пропорциональны измеряемому расходу.
Высокая точность измерений и возможность регистрации показаний без
применения специальных источников энергии являются преимуществами
дифманометров данного типа. Основным их недостатком является наличие
токсичной жидкости — ртути, которая при резких изменениях давления может
загрязнять объект измерения или окружающую среду.
Колокольные дифманометры. Дифманометры этого типа представляют
собой колокол, погруженный в рабочую жидкость и перемещающийся под
влиянием разности давлений. Противодействующая сила создается за счет
утяжеления колокола при его подъеме и уменьшении тяжести колокола при его
погружении. Достигается это за счет изменения гидростатической подъемной
силы, действующей на колокол согласно закону Архимеда.
Принцип действия колокольного дифманометра поясняет рисунок
14.116 б, в. Если давления в измерительных камерах 2 и 3 равны между собой,
то колокол 1 находится в положении, показанном на рисунке 14.116 б.
Если перепад давлений на колоколе получает некоторое приращение
d(P
1
-P
2
), то колокол всплывает. Всплытие происходит до тех пор, пока
изменение подъемной силы от перепада давления на колокол и изменение
гидростатической подъемной силы не уравновесятся.
Для состояния равновесия, иллюстрируемого рисунком 14.116 в,
справедливы равенства (14.9), (14.10), (14.11), (14.12) /8/
d(P
1
-P
2
)F = (dH + dy)∆fg(ρ
ж
-ρ
c
), (14.9)
dh = dy + dx, (14.10)
d(P
1
-P
2
) = dh(ρ
ж
-ρ
c
)g, (14.11)
fdy = ∆fdH + (Ф-F)dx, (14.12)
где F - площадь внешнего поперечного сечения колокола;
dН - перемещение колокола;
dу - перемещение жидкости под колоколом;
∆f - площадь поперечного сечения стенок колокола;
),PP(
)сс(f
f
H
21
ж
−
−∆
= d
g
d
с
),PP(
)сс(fg
f
H
21
−
−∆
=
сж
ρ
ж
,ρ
c
- плотность рабочей жидкости и измеряемой среды;
dh - разность уровней жидкости снаружи и внутри колокола;
dх - перемещение жидкости в широком сосуде;
Р - площадь поперечного сечения широкого сосуда;
f - внутренняя площадь поперечного сечения колокола.
Решая совместно уравнения (14.9)—(14.12), получим зависимость
(14.13) /8/, которая после интегрирования в пределах от нуля до Р
1
—Р
2
преобразуется к виду (14.14)
(14.13)
(14.14)
Уравнение (14.14) представляет собой статическую характеристику
колокольного дифманометра с гидростатическим уравновешиванием. Для
обеспечения измерения перепада давления в широком диапазоне значение
отношения f/∆f должно быть по возможности уменьшено.
Колокольные дифманометры с гидростатическим уравновешиванием
обладают высокой чувствительностью и могут быть использованы для
измерения малых давлений, перепадов давлений и разрежений.
Некоторые модификации колокольных дифманометров с
гидростатическим уравновешиванием оснащаются преобразователями П,
посредством которых перемещение поплавка преобразуется в
унифицированный сигнал измерительной информации, передаваемый по
каналу связи.
14.2.2 Чувствительные элементы деформационных средств
измерений давления
Принцип действия деформационных средств измерений давления
основан на использовании упругой деформации чувствительного элемента (ЧЭ)
или развиваемой им силы. Мерой измеряемого давления в средствах измерений
данного вида является деформация упругого ЧЭ или развиваемая им сила.
Различают три основные формы ЧЭ, получивших распространение в практике
измерения: трубчатые пружины, сильфоны и мембраны.
Трубчатые пружины. Трубчатая пружина (манометрическая трубка,
пружина Бурдона) - упругая криволинейная металлическая полая трубка, один
из концов которой имеет возможность перемещаться, а другой - жестко
закреплен. Трубчатые пружины используются в основном для преобразования
измеряемого давления, поданного во внутреннее пространство пружины, в
,)1(
1
22
222
ℵ+
−
−
=∆
β
αµ
γγ
a
b
bh
R
E
P
γγγγ
γγ
ε
cossinsin43
sin48
)1(
22
2
+−
−
ℵ
+
−=
S
a
b
PabN
t
пропорциональное перемещение ее свободного конца. Наиболее
распространена одновитковая трубчатая пружина, представляющая собой
изогнутую по дуге окружности трубку с обычно овальным поперечным
сечением (рисунок 14.117 а).
Под влиянием поданного избыточного давления трубка раскручивается,
а под действием разрежения скручивается. Такое направление перемещения
трубки объясняется тем, что под влиянием внутреннего, избыточного давления
малая ось трубки (ось b) увеличивается, в то время как длина трубки остается
постоянной. длина трубки также изменяется, но эти изменения столь малы по
сравнению с длиной, что на общее перемещение трубки оно не оказывает
существенного влияния.
Для тонкостенных трубок изменение центрального угла трубки под
действием внутреннего, избыточного давления Р описывается выражением
(14.15) /8/
(14.15)
где γ - центральный угол трубки;
µ - коэффициент Пуассона;
Е - модуль упругости материала трубки;
R - радиус кривизны центральной оси трубки (центральная ось—
геометрическое место центров тяжести поперечных сечений);
Н - толщина стенки;
а и b - большая и малая полуоси овального сечения, измеренные по
среднему контуру;
α
и
β
- эмпирические коэффициенты, зависящие от формы
поперечного сечения трубки;
ℵ=R h / а
2
- главный параметр трубки.
Составляющая сила в направлении касательной к оси на свободном
конце тонкостенной трубки (у тонкостенных трубок отношение h/b = 0,6÷0,7)
может быть найдена из выражения (14.16) /8/
(14.16)
Сила в радиальном направлении вычисляется по формуле (14.17) /8/
γγγ
γ
ε
cossin
cos148
)1(
22
2
−
−
ℵ
+
−=
S
a
b
PabN
r
(14.17)
где S и ε — коэффициенты, зависящие от отношения b/а.
В уравнениях (14.16) и (14.17) все величины, за исключением Р,
постоянные. Поэтому для трубчатой пружины справедливо равенство (14.18) /8/
N=kР, (14.18)
где k=f (a;b;h;R;
γ
)
Как следует из приведенных зависимостей, путем изменения а/b, R, Н и
γ
можно изменять величины ∆γ и N, а следовательно, и чувствительность
измерения. Практически увеличение γ достигается путем увеличения числа
витков трубчатой пружины. На рисунке 14.117 б показана винтовая n-витковая
трубчатая пружина. Величина γ в чувствительных элементах этой формы равна
360° п. Для измерения высоких давлений до 1000 МПа используют
криволинейные и прямолинейные трубчатые пружины. Форма сечения
прямолинейной трубчатой пружины показана на рисунке 14.117 в.
Перемещение свободного конца пружины происходит не из-за изменения
поперечного сечения, а благодаря изгибающему моменту, который можно
вычислить по формуле (14.19) /8/
М=
π
r
2
l Р, (14.19)
где
π
r
2
- площадь канала;
l - расстояние от центра канала до центра тяжести;
Р - измеряемое избыточное давление, направленное в сторону
более толстой стенки.
Основной недостаток рассмотренных пружин — малый угол поворота,
что требует применения передаточных механизмов. Этот недостаток устранен в
чувствительных элементах типа витой трубчатой пружины овального или
звездчатого сечения (рисунок 14.117 г). Угол поворота такой витой пружины
составляет 40—60 °. Это позволяет отказаться от применения передаточного
механизма, так как стрелка может быть укреплена непосредственно на
свободном конце пружины. Трубчатые пружины для давлений до 5 МПа
изготавливают из латуни, томпака, бронзы; для изготовления пружин,
рассчитанных на давления свыше 5 МПа, применяют легированные сплавы,
стали различных составов. Для давлений 1000 МПа и более применяют
легированную сталь типа 50 ХФА.
Сильфоны. Сильфон — тонкостенная цилиндрическая оболочка с
поперечными гофрами (рисунок 14.117 д), способная получать значительные
перемещения под действием давления или силы. В пределах линейности
статической характеристики сильфона отношение действующей на него силы к
вызванной ею деформации остается постоянным и называется жесткостью
сильфона.
Рисунок 14.117 – Конструкции чувствительных элементов деформационных средств
измерения давления