Туяхов И.А. Практическая метрология

Подождите немного. Документ загружается.

ПРАКТИЧЕСКАЯ

МЕТРОЛОГИЯ

ИЗМЕРЕНИЯ

130

"+" или "–".

Приборы для измерения давления, разрежения или разности дав-

лений называются манометрами. Они подразделяются на:

– барометры, измеряющие атмосферное давление;

– манометры избыточного давления или просто манометры;

– напоромеры, измеряющие небольшие избыточные давления,

примерно от 0 до + 40 кПа;

– тягомеры, измеряющие разрежения, примерно от 0 до –40кПа;

– тягонапоромеры, измеряющие как положительные, так и отри-

цательные давления и имеющие двухстороннюю шкалу с пре-

делами от –20 до + 20 кПа;

– манометры абсолютного давления, измеряющие только значе-

ние Р

;

– дифференциальные манометры (дифманометры), измеряющие

разность давлений.

Единицей измерения давления в системе СИ является паскаль

(Па), а также кратные единицы кПа и МПа. Для удобства измерения

больших давлений (больше атмосферного) искусственно ввели в сис-

тему СИ единицу, получившую название "бар" (1 Бар). При этом,

1 Бар, содержащий 10

Па незначительно отличается от одной атмо-

сферы, т.е. 1 Бар≈1 ат.

На практике допускается применение внесистемных единиц, та-

ких как:

1 мм вод. ст.=9,8 Па

1 мм рт. ст.=133,3 Па

1 кг/см

(1 техн. ат.)=0,98066⋅10

Па.

Применение единицы давления "миллиметр водяного (или ртутно-

го) столба" особенно удобно в тех случаях, когда применяют жидкост-

ные манометры с визуальным отсчетом высоты подъема жидкости.

В зависимости от принципа измерения давления все приборы

можно разделить на три группы:

– жидкостные, в которых измеряемое давление уравновешивается

давлением столба жидкости;

– деформационные (пружинные), где измеряемое давление опре-

деляется по величине деформации различных упругих чувстви-

тельных элементов;

– электрические, действие которых основано на преобразовании

давления в какую-нибудь электрическую величину либо на из-

менении электрических свойств материала под действием дав-

ления;

ПРАКТИЧЕСКАЯ

МЕТРОЛОГИЯ

ИЗМЕРЕНИЯ

131

– грузопоршневые, в которых измеряемое давление уравновеши-

вается давлением, создаваемым массой поршня и грузов.

3.2 Жидкостные манометры

В жидкостных манометрах мерой измеряемого давления является

высота неуравновешенной части столба жидкости в сообщающихся

сосудах. Простейший жидкостный манометрический прибор состоит

из U-образной стеклянной трубки и прямолинейной шкалы с наи-

меньшей ценой деления 1 мм (рисунок 3.2). Оба конца трубки запол-

нены жидкостью примерно до половины своей высоты. В качестве

рабочей жидкости используется вода или ртуть, отсюда давление из-

меряется в миллиметрах водяного или ртутного столба.

Разница в диаметрах левой и пра-

вой частей трубки не влияет на ре-

зультат измерения. Не обязательно

также заполнять трубку жидкостью до

уровня, точно совпадающего с нуле-

вой отметкой, так как при отсчете по-

казаний учитывается только разность

уровней по количеству делений шка-

лы. При измерении давления один ко-

нец трубки подключается к объекту,

другой сообщается с атмосферой.

Столб жидкости h уравновешивает

разность давлений:

– Р

=ρ⋅g⋅h;

()

ба

h −

⋅ρ

, (3.1)

где Р

– абсолютное давление газовой

(жидкой) среды в объекте, Па;

– атмосферное давление в мо-

мент измерения, Па;

ρ - плотность рабочей жидкости,

кг/м

;

g – ускорение силы тяжести, м/с

Равенство (3.1) показывает, что точность измерения давления оп-

ределяется точностью отсчета высоты подъема жидкости h, точностью

определения плотности рабочей жидкости ρ и не зависит от сечения

трубки. Если плотность среды (жидкости или газа) в объекте заметно

0 0

объект

Рисунок 3.2 – Измерение

избыточного давления

-образным манометром

ПРАКТИЧЕСКАЯ

МЕТРОЛОГИЯ

ИЗМЕРЕНИЯ

132

отличается от плотности рабочей жидкости, заполняющей U-

образную трубку, то выражение (3.1) примет следующий вид:

()

ба

h −

ρ−ρ⋅

(3.2)

где ρ

– плотность рабочей жидкости, кг/м

;

– плотность среды в объекте, кг/м

Наибольшая абсолютная погрешность измерения давления h

U-образным манометром составляет около 2 мм, что связано с неточ-

ностью считывания (фиксации) уровня жидкой среды в двух трубках

манометра из-за наличия мениска (вогнутого при водяном заполнении

и выпуклого при ртутном заполнении). Для уменьшения влияния ка-

пиллярных сил в манометрах используются стеклянные трубки диа-

метром от 8 до 10 мм.

Двухтрубные манометры с водяным заполнением используются

для измерения давления, разряжения, разности давлений воздуха и

неагрессивных газов в диапазоне до ± 10кПа. При заполнении мано-

метра ртутью пределы измерения расширяются до 100 кПа, при этом,

измеряемой средой могут быть вода, неагрессивные жидкости и газы.

Такие пределы измерения обусловлены удобством визуального сле-

жения за изменением уровня жидкости в стеклянных трубках мано-

метра. В отдельных случаях при проведении исследований в лабора-

торных условиях пределы измеряемых давлений могут быть расшире-

ны, при этом, длина стеклянных трубок манометра может достигать

более двух метров, что позволяет значительно снизить относительную

погрешность измерения.

Для увеличения точ-

ности отсчета высоты

столба рабочей жидкости

используются чашечные

однотрубные манометры

(рисунок 3.3), в которых

одна трубка заменена

широким сосудом, диа-

метр которого в несколь-

ко раз больше диаметра

трубки. При измерении

избыточного давления

широкий сосуд соединя-

ется с объектом, а конец

Рисунок 3.3 – Чашечный маноме

объект

ПРАКТИЧЕСКАЯ

МЕТРОЛОГИЯ

ИЗМЕРЕНИЯ

133

сообщается с атмосферой, при этом уровень жидкости в трубке под-

нимется, а в широком сосуде опустится. При измерении вакууметри-

ческого давления трубка соединяется с объектом, а широкий сосуд с

атмосферой. При этом, жидкость в измерительной трубке будет под-

ниматься до тех пор, пока вес столба жидкости не уравновесит раз-

ность между атмосферным давлением и вакуумом контролируемой

среды.

В этом приборе точное давление или разряжение будет опреде-

ляться как сумма высот опускания жидкости h

и подъема h

h=h

(3.3)

Однако, на практике, из-за незначительного опускания жидкости

в широком сосуде h

, давление определяется только по величине h

Оценим погрешность при таком способе измерения давления.

Масса жидкости, вытесненная из широкого сосуда, равна массе, по-

ступившей в измерительную трубку, т.е.

=М

или h

⋅F

⋅ρ=h

⋅F

⋅ρ

Отсюда:

h =

(3.4)

Подставив полученное соотношение (между h

и h

) в выражение

(3.3), получим:













1hh или













1hh ,

где d, D – диаметры соответственно широкого сосуда и трубки. Обыч-

но соотношение диаметров составляет 1:20 и величина h составит:

()

h0025,01h

1hh ≈+=













Таким образом, измерением уровня в широком сосуде можно

пренебречь из-за незначительной погрешности. Измерение давления в

чашечных манометрах по высоте подъема столба жидкости только в

капилляре приводит к снижению погрешности считывания, которая с

учетом погрешности градуировки шкалы не превышает ±1 мм, т.е. в

два раза меньше, чем у двухтрубных (U-образных).

Минимальный диапазон измерения чашечных манометров с во-

дяным заполнением составляет 1,6 кПа, при этом относительная при-

веденная погрешность измерения не превышает ±1%.

Для измерения малых давлений и разряжений (±2500 Па), а также

для повышения точности измерения применяют чашечные манометры

ПРАКТИЧЕСКАЯ

МЕТРОЛОГИЯ

ИЗМЕРЕНИЯ

134

с наклонной трубкой

(рисунок 3.4), показания

которых определяются

по длине растекания ра-

бочей жидкости в на-

клонной трубке мано-

метра. Такие приборы

получили название мик-

романометры и приме-

няются как в лаборатор-

ной практике, так и в

промышленных условиях при измерении давления и разряжения в то-

почном пространстве, а также тяги в дымовых трактах тепловых агре-

гатов. Наклонное положение трубки повышает точность измерения,

так как при одном и том же значении высоты подъема жидкости h

длина жидкости в трубке увеличивается при уменьшении угла накло-

на. При этом, измеренное давление в мм. вод. ст. при водяном запол-

нении определяется по формуле:

h=l ⋅sinα (3.5)

Чаще всего в качестве рабочей жидкости в микроманометрах

применяют этиловый спирт, так как он меньше смачивает стекло и

дает большее, чем вода, значение цены деления прибора. При измере-

нии в формулу (3.5) вводят поправку на плотность спирта:

⋅sinα,(3.6)

где ρ

– плотность спирта, кг/м

;

– плотность воды, кг/м

В микроманометрах с наклонной трубкой угол наклона трубки α

может меняться и занимать одно из пяти фиксированных положений,

которым соответствуют поправочные коэффициенты "К"=0,2; 0,3; 0,4;

0,6; 0,8, рассчитанные по формуле:

К=

⋅sinα,(3.7)

в которой ρ

=8095 кг/м

(плотность этилового спирта).

Недостатками жидкостных манометров явялются отсутствие дис-

танционной передачи показаний и сравнительно небольшой предел

измерений. Поэтому жидкостные приборы как стационарные в про-

мышленности используются редко. Они широко распространены в

Рисунок 3.4 – Манометр с наклонной

трубкой

объект

ПРАКТИЧЕСКАЯ

МЕТРОЛОГИЯ

ИЗМЕРЕНИЯ

135

лабораторной практике и в промышленности при эпизодических из-

мерениях и при контроле других приборов благодаря высокой точно-

сти измерения.

3.3 Деформационные манометры

В деформационных (пружинных) манометрах мерой измеряемого

давления или разряжения является величина деформации упругих

чувствительных элементов в виде их линейных или угловых переме-

щений.

В качестве упругих элементов в приборах давления чаще всего ис-

пользуются (рисунок 3.5) плоские мембраны (а), гофрированные мембра-

ны (б), коробчатые гофрированные мембраны (в), сильфоны (г), сильфо-

ны с цилиндрической пружиной (д) и трубчатые пружины (е) и др.

Рисунок 3.5 – Упругие чувствительные элементы

Для изготовления мембран, сильфонов и трубчатых пружин при-

меняются материалы с высокой упругостью, антикоррозионностью,

малой зависимостью параметров от изменения внешних условий и

хорошо поддающиеся технологической обработке, пайке и сварке.

Указанным требованиям отвечают бронза, латунь и хромоникелевые

сплавы.

Одной из основных характеристик упругого чувствительного

элемента является зависимость линейного (или углового) перемеще-

ния l

∆

определенной его точки от действующего давления, т.е.

∆

=f(р). Такую характеристику, называемую статической, обычно

при проектировании упругих чувствительных элементов стараются

делать линейной:

∆

=к⋅∆Р

объект

ПРАКТИЧЕСКАЯ

МЕТРОЛОГИЯ

ИЗМЕРЕНИЯ

136

Крутизна статической характеристики зависит от конструкции

чувствительного (пружинного) элемента, материала, температуры.

Рабочий диапазон выбирается в области упругих деформаций и зави-

сит от упругости (коэффициента жесткости) пружинного элемента.

Для обеспечения надежной работы упругого чувствительного

элемента необходимо, чтобы размер напряжений, возникающих в ма-

териале под действием внешних сил, не превышал предела упругости.

Вследствие несовершенства упругих свойств реальных материа-

лов вид статической характеристики l

∆

=f(∆Р) чувствительного эле-

мента при увеличении и уменьшении нагрузки в пределах упругих

деформаций неоднозначен и образует так называемую петлю гистере-

зиса. Размер гистерезиса является одной из важных характеристик

пружинного элемента, так как определяет погрешность прибора. На

размер гистерезиса оказывает влияние химический состав, структура

материла и значение напряжений в материале чувствительного эле-

мента. Гистерезис, а отсюда и величина погрешности, выражается в

процентах:

(

)

% ,100

макс

⋅

∆

∆−∆

=δ

,(3.8)

где

(

)

макс

ll ∆−∆ - максимальная разность между перемеще-

ниями пружинного элемента при прямом и

обратном измерении (ходе);

макс

l∆ - максимальная величина перемещения пружинного

элемента при максимально допускаемом измеряе-

мом давлении для данного пружинного элемента.

Упругие чувствительные элементы изготовляют из достаточно

пластичных материалов, которые имеют высокую упругость и проч-

ность. Указанными свойствами обладают такие материалы как бронза,

латунь, и хромоникелевые стали, которые имеют наилучшие техноло-

гические и эксплуатационные качества.

По классу точности манометры разделяются на технические ,

контрольные и образцовые. Технические манометры имеют классы

точности 1,5; 2,5; 4; контрольные – 0,5 и 1,0; образцовые – 0,16 и 0,45.

Ниже рассматриваются наиболее распространенные типы упру-

гих чувствительных элементов, применяемых в приборах давлениях.

Плоские мембраны. Плоская мембрана представляет собой тон-

костенную мембрану постоянной толщины (рисунок 3.5 а), защемлен-

ную по краям. Под действием давления газа или жидкости мембрана

ПРАКТИЧЕСКАЯ

МЕТРОЛОГИЯ

ИЗМЕРЕНИЯ

137

прогибается и передает перемещение своего центра через рычажную

систему на стрелку показывающего прибора. Преимуществом мано-

метров с плоской мембраной является устойчивость против вибраций.

Такие манометры применяются для измерения давления не выше

2,5 МПа при погрешности от ±2,5 до ±4%. Плоские мембраны находят

применение в приборах для измерения давления агрессивных жидко-

стей или вязких веществ, а также в приборах специальных конструк-

ций, например, пьезокварцевых, емкостных, индуктивных, с тензо-

преобразователями и т.д. Приборы с плоскими мембранами обладают

малой инерционностью и их можно использовать для измерения пе-

ременных давлений с частотой до нескольких сотен и тысяч герц.

Гофрированные мембраны. Гофрированная поверхность мембра-

ны в виде кольцевых волн (рисунок 3.5 б) позволяет получить линей-

ную характеристику и значительно повысить надежность работы мем-

браны. Гофрированные одиночные мембраны в качестве чувствитель-

ных элементов применяются редко. Наибольшее применение в прибо-

рах давления (тягомерах, напоромерах, дифманометрах) получили ко-

робчатые мембраны, образованные двумя спаянными или сваренны-

ми по внешней кромке гофрированными мембранами. Профили мем-

бран могут быть пильчатыми, трапециидальными и синусоидальными.

Коробчатые мембраны применяются в приборах для измерения срав-

нительно малых давлений, разрежений и перепадов давлений. Напри-

мер, напоромеры и тягомеры имеют шкалы с верхним пределом изме-

рения от 160 до 40000 Па; тягонапоромеры с нулем по середине шка-

лы от ±80 до ±20000 Па. Основная погрешность прибора составляет

±2,5%. Многие мембранные манометры снабжаются системой дистан-

ционной передачи показаний с унифицированными электрическими

или пневматическими сигналами.

Сильфонные манометры. Сильфон представляет собой тонко-

стенный цилиндр, боковая поверхность которого выполнена с попе-

речной гофрировкой (рисунок 3.5 г). Высота сильфона изменяется

пропорционально приложенному давлению или перепаду давления,

при этом, большее значение создается над сильфоном, а меньшее –

внутри него. Максимальная величина рабочего хода (деформация)

сильфона составляет 5-10 мм, что обуславливает самую высокую чув-

ствительность по сравнению с другими типами пружинных элементов,

применяемых в приборах для измерения давления. Большой рабочий

ход сильфона и большое развиваемое усилие позволяет достаточно

просто осуществлять запись показаний измеряемого давления на дис-

ковой или ленточной диаграммной бумаге.

ПРАКТИЧЕСКАЯ

МЕТРОЛОГИЯ

ИЗМЕРЕНИЯ

138

Сильфоны применяются в напоромерах и тягомерах для измере-

ния небольшого давления до 25 кПа и разрежения до 100 кПа воздуха

и неагрессивынх газов. Для увеличения жесткости и уменьшения

влияния нелинейности характеристики внутрь сильфона помещают

проволочную цилиндрическую винтовую пружину (рисунок 3.5 д).

Вследствие этого измеряемое давление уравновешивается силой упру-

гой деформации сильфона и винтовой пружины. Основная погреш-

ность сильфонных манометров составляет 1,0…2,5%.

Барометры. Барометры предназначены для измерения атмосфер-

ного давления, т.е. абсолютного давления, производимого газовым

слоем планеты Земля на земную поверхность.

Действие барометра основано на деформации коробчатой или

сильфонной мембраны при измерении атмосферного давления (рису-

нок 3.6). Внутрення полость мембран герметична и находится под ва-

куумом (абсолютное давление во внутренней полости мембран со-

ставляет от 13 до 40 Па).

а – коробчатая мембрана; б – сильфонная мембрана

Рисунок 3.6 – Схема барометра (анероида)

Трубчатые манометры. Приборы с трубчатой пружиной принад-

лежат к числу наиболее распространенных манометров и вакууметров.

Манометры имеют чувствительный элемент в виде согнутой по кругу

на угол ≈270° трубки овального или эллиптического сечения (рисунок

3.5е). Один конец трубки закрыт, а к другому через специальный шту-

цер подводится измеряемое давление. При повышении давления внут-

ри трубки происходит деформация сечения в направлении приближе-

ния к круглому сечению, и это вызывает появление усилий, которые

заставляют трубку разгибаться. Таким образом, величина перемеще-

ния конца трубки служит мерой измеряемого давления.

Тонкостенные трубчатые пружины применяют в приборах для

измерения вакууметрического давления до 0,1 МПа и избыточного

780

770

760

750

740

вакуум

780

770

760

750

740

вакуум

ПРАКТИЧЕСКАЯ

МЕТРОЛОГИЯ

ИЗМЕРЕНИЯ

139

давления до 6 МПа. Для измерения избыточного давления от 20 до

160 МПа применяют толстостенные пружины овального сечения.

Разновидностью конструкции трубчатых манометров являются

манометры с многовитковой (геликоидальной) трубчатой пружиной,

применяемые чаще всего в качестве самопишущих приборов. Приме-

нение геликоидального полого пружинного элемента позволяет значи-

тельно повысить чувствительность прибора, что обусловлено большей

величиной деформации пружины (большим углом поворота свободно-

го конца пружины) по сравнению с одновитковой пружиной при оди-

наковом подведенном давлении.

Показывающие и самопишущие манометры могут иметь допол-

нительные устройства, осуществляющие замыкание электрической

цепи при определенном значении измеряемого давления для автома-

тической сигнализации или позиционного регулирования давления

газа или жидкости в каком-либо объекте. Электроконтактные приборы

и реле давления применяют при автоматизации технологических про-

цессов, в устройствах тепловой защиты агрегатов и реле других уст-

ройств. Электроконтактные приборы выпускают с показывающим от-

счетным устройством, поэтому они могут быть использованы одно-

временно для целей измерения и сигнализации избыточного или ва-

кууметрического давления. Реле (или сигнализаторы) давления для

целей измерения не могут быть использованы так, как они не имеют

отсчетных устройств. На рисунке 3.7 показана схема электроконтакт-

ного манометра. В этом приборе в качестве упругого чувствительного

элемента используется одновитковая трубчатая пружина. Внутри при-

бора расположены специаль-

ные электроконтакты 1, 2, 3.

Установка электроконтактов 1

и 2 может произведена на лю-

бые отметки рабочей части

шкалы манометра при помощи

винтов, расположенных на ли-

цевой части прибора.

Если измеряемое давление

среды в объекте уменьшится до

нижнего заданного уровня, то

показывающая стрелка с по-

мощью контактов 3 и 1 замкнет

электрическую цепь и включит

лампу Л

(зеленого цвета). Если

∼

220 В

Рисунок 3.7 – Электроконтактный

манометр