Жидкостно-поршневые манометры

Вопросы:

Измерение давления. Единицы измерения. Основные методы и средства измерений, их классификация и виды.

Измерение перемещений. Единицы измерения. Основные методы и средства измерений, их классификация и виды.

Год

Измерение давления. Единицы измерения. Основные методы и средства измерений, их классификация и виды.

Давление как физическая величина определяется в виде энергии вещества (жидкость или газ), отнесенной к единице объема, и является наряду с температурой основным параметром его физического состояния. Воздействие давления вещества на внешний объект проявляется в виде силы F, действующей на единицу площадиS, т.е. P = F/S [Н/м²].

Различают следующие виды давления:

- атмосферное;

- абсолютное;

- избыточное;

- вакуум (разрежение).

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

Абсолютное давление Р_абс– давление, отсчитанное от абсолютного нуля. За начало отсчета абсолютного давления принимают давление внутри сосуда, из которого полностью откачан воздух. Также под абсолютным давлением понимается полное давление, которое равно сумме атмосферного и избыточного Р_абс = Р_и +Р_атм.

Избыточное давление – разность между абсолютным и атмосферным давлениями Р_и = Р_абс - Р_атм(избыточное давление всегда выше атмосферного).

Вакуум (разрежение) – разность между атмосферным и абсолютным давлениями Р_в = Р_атм - Р_абс(вакуумметрическое давление всегда ниже атмосферного).

Единицей измерения давления в Международной системе единиц (СИ) является паскаль [Па].

Соотношение между единицами измерения давления.

1 Па = 1 Н/м² = 1,01972·10^-5 кгс/см² = 10^-5 бар = 0,98692·10^-5атм

1 ат = 1 кгс/см² = 0,980665·10⁵ Па = 0,980665 бар = 0,96784 атм

1 бар = 10⁶ дин/см² = 10⁵ Па = 1,01972 кгс/см² = 0,98692 атм

1 атм = 760 мм рт. ст. = 1,01325·10⁵ Па = 1,0332 кгс/см² = 1,01325 бар

Приборы давленияв зависимости от измеряемой величины разделяются на:

- манометры (для измерения избыточного или абсолютного давления);

- барометры (для измерения атмосферного давления);

- вакуумметры (для измерения вакуумметрического давления).

Манометры предназначенные для измерения малых давлений, имеют свои специфические названия:

- напоромеры, для измерения избыточных давлений до 40 кПа;

- тягомеры, для измерения малых вакуумметрических давлений до 40 кПа;

- тягонапоромеры, приборы давления, имеющие двустороннюю шкалу с пределами измерения ± 20 кПа (значение нуль на шкале соответствует атмосферному давлению).

Для измерения разности давлений используют дифференциальные манометры (дифманометры).

По принципу действия чувствительного элемента приборы для измерения давления разделяют на:

- жидкостные;

- деформационные;

- грузопоршневые.

В качестве эталонных, по которым осуществляется поверка рабочих приборов, применяют грузопоршневые манометры.

Передача сигнала, получаемого от чувствительного элемента первичного преобразователя к вторичным приборам, осуществляется либо механически в показывающих приборах, либо с помощью преобразователей дифференциально-трансформаторных, ферродинамических, тензопреобразователей и др.

Жидкостные манометры.

Принцип действия жидкостных манометров можно проиллюстриро­вать на примере U-образного жидкостного манометра (рис. 1, а), состоя­щего из двух соединенных между собой вертикальных трубок 1 и 2, наполовину заполненных жидкостью.

Рис. 1. Основные типы жидкостных манометров

В соответствии с законами гидро­статики при равенстве давлений Р₁ и Р₂ свободные поверхности жидкос­ти (мениски) в обеих трубках установятся на уровне I-I. Если одно из давлений превышает другое (Р₁>Р₂), то разность давлений вызовет опускание уровня жидкости в трубке 1 и, соответственно, подъем в труб­ке 2, вплоть до достижения состояния равновесия. При этом на уровне II-II уравнение равновесия примет вид:

ΔР=Р₁–Р₂ = Н - ρ·g ,(1)

т. е. разность давлений определяется давлением столба жидкости высо­той Н с плотностью ρ.

Чашечный жидкостный манометр (рис. 1, б) состоит из соединенных между собой чашки 1 и вертикальной трубки 2, причем площадь попереч­ного сечения чашки существенно больше, чем трубки. Поэтому под воз­действием разности давлений ΔР изменение уровня жидкости в чашке гораздо меньше, чем подъем уровня жидкости в трубке: Н₁ = Н₂·f/F, где Н₁ - изменение уровня жидкости в чашке; Н₂ - изменение уровня жидкости в трубке; f - площадь сечения трубки; F - площадь сечения чашки.

Отсюда высота столба жидкости, уравновешивающей измеряемое давление

Н = Н₁ + Н₂ = Н₂ (1 + f/F), (2)

а измеряемая разность давлений

                                      Р₁-Р₂ =Н₂·g(1+f/ F), (3)

Поэтому при известном коэффициенте k = 1 + f/F разность давлений может быть определена по изменению уровня жидкости в одной трубке, что упрощает процесс измерений.

Двухчашечный манометр (рис.1, в) состоит из двух соединенных при помощи гибкого шланга чашек 1 и 2, одна из которых жестко за­креплена, а вторая может перемещаться в вертикальном направлении. При равенстве давлений Р₁ и Р₂ чашки, а следовательно, свободные по­верхности жидкости находятся на одном уровне I-I. Если Р₁>Р₂, то чашка 2 поднимается вплоть до достижения равновесия.

Единство принципа действия жидкостных манометров всех типов обусловливает их универсальность с точки зрения возможности изме­рения давления любого вида — абсолютного и избыточного и разности давлений.

К важной метрологической характеристике средств измерения дав­ления относится чувствительность измерительной системы, которая во многом определяет точность отсчета при измерениях и инерционность. Для манометрических приборов под чувствительностью понимается от­ношение изменения показаний прибора к вызвавшему его изменению давления (п =ΔН/ΔР).

Диапазоны измерений жидкостных манометров определяются высотой столба жидкости, т. е. размерами маномет­ра и плотностью жидкости. Наиболее тяжелой жидкостью в настоящее время является ртуть, плотность, которой ρ = 1,35951 · 104 кг/м³ . Столб ртути высотой 1 м развивает давление около 136 кПа, т. е. давле­ние, не много превышающее атмосферное давление. Поэтому при из­мерении давлений порядка 1 МПа размеры манометра по высоте соизме­римы с высотой трехэтажного дома, что представляет существенные экс­плуатационные неудобства, не говоря о чрезмерной громоздкости кон­струкции. Тем не менее, попытки создания сверхвысоких ртутных ма­нометров предпринимались. Мировой рекорд был установлен в Париже, где на базе конструкций знаменитой Эйфелевой башни был смонтирован манометр высотой ртутного столба около 250 м, что соответствует 34 МПа. В настоящее время этот манометр разобран в связи с его бес­перспективностью.

Жидкостно-поршневые манометры.

Очень часто к жидкостным манометрам относят приборы, измери­тельная система которых хотя и содержит в качестве одного из элемен­тов жидкость, но по принципу действия в корне отличается от жидкост­ных манометров. К таким приборам относится дифференциальный мано­метр типа „кольцевые весы" (рис. 2), состоящий из тороидального кор­пуса 1, внутренняя полость которого в верхней части разделена перего­родкой 2, а нижняя часть до половины заполнена жидкостью 4. Таким образом, корпус имеет две измерительные камеры А и Б, в которые че­рез гибкие шланги подаются измеряемые давления Р₁ и Р₂. Корпус мо­жет поворачиваться относительно опоры 3, расположенной в его геомет­рическом центре. К нижней части корпуса прикреплен противовес 5.

При равенстве давлений в камерах А и Б корпус прибора располага­ется в соответствии с рис. 2, а. Если одно из давлений больше другого, например, Р₁>Р₂ то под действием разности давлений ΔР = Р₁ – Р₂, воздействующей на перегородку, корпус повернется на определенный угол α, а уровни жидкости внутри корпуса займут положения, соответствующие рис. 2, б. При этом уравнения равновесия измерительной сис­темы принимают вид

, (4)

Рис. 2. Дифференциальный манометр типа «Кольцевые весы».

где F — площадь перегородки (внутренняя площадь поперечного сечения тороида); R₁ — средний радиус тороида; R₂ — расстояние от оси враще­ния до центра тяжести противовеса; m — масса противовеса; g — ускоре­ние свободного падения; α — угол поворота корпуса.

Таким образом, давление определяется массой противовеса, геомет­рическими параметрами прибора и углом поворота корпуса, а роль за­полняющей измерительную систему жидкости сводится к созданию жид­костного затвора между камерами А и Б. Поэтому по виду первичного преобразования - давления в силу, действующую на перегородку, - прибор аналогичен поршневым манометрам.

Поршневые манометры.

На рис. 3 изображен простейший поршневой манометр, который состоит из цилиндрического поршня 1, притертого к цилиндру 2 с ми­нимально возможным зазором. Если на ниж­ний торец поршня действует измеряемое дав­ление р, то для его уравновешивания к порш­ню должна быть приложена сила Р. Уравнение равновесия с учетом силы трения на боковую поверхность поршня, возникшей при протека­нии жидкости или газа через зазор между поршнем и цилиндром под действием изме­ряемого давления, имеет вид

рF = P-T, (5)

где F — геометрическая площадь поперечного сечения поршня; Т — сила жидкостного трения на боковую поверхность поршня.

Рис. 3. Простейший порш­невой манометр

Наиболее часто измеряемое давление уравновешивают весом грузов, что явно предпочтительно с точки зрения достижения высокой точности измерений, хотя и представляет известные неудобства в эксплуатации.

Благодаря высокой стабильности эффективной площади, которая определяется в основном геометрическими размерами пары поршень - цилиндр, а также возможности учета внешних влияний расчетными методами, поршневые манометры являются идеальными преобразова­телями давления в силу.

Поршневой манометр — манометр, в котором действующее на пор­шень измеряемое давление преобразуется в силу и определяется по зна­чению силы, необходимой для ее уравновешивания. В наиболее распрос­траненных поршневых манометрах давление уравновешивается весом грузов. Такие манометры называются грузопоршневыми.

Одно из обязательных условий, обеспечиваю­щих возможность выполнения измерения — сохранение постоянства из­меряемого давления при его измерении. В жидкостно-поршневых мано­метрах это достигается уравновешиванием измеряемого давления гидро­статическим давлением столба жидкости. Например, в манометре столб образуется в кольцевом пространстве между боковыми поверхностями колокола и сосуда, в которой залита разделительная жидкость (гидростатический затвор). В отличие от этого в поршневых манометрах постоянство давления в измерительной камере поддержива­ется благодаря гидравлическому сопротивлению протекания жидкости через зазор между поршнем и цилиндром (гидродинамический затвор). При этом ввиду малости зазора (1-2 мкм) гидравлическое сопротивле­ние позволяет поддерживать постоянство давления с допускаемыми от­клонениями. Не обеспечивая полную герметичность, гидродинамический затвор обладает очень важным преимуществом - измеряемое давление практически не влияет на размеры прибора, в то время как во всех жид­костных манометрах высота столба жидкости, необходимая для уравновешивания, прямо пропорциональна измеряемому давлению.

Деформационные манометры

Принципиальное отличие деформационных манометров от жидкост­ных и поршневых состоит в применении упругого чувствительного эле­мента (УЧЭ) в качестве первичного преобразователя давления. Чувстви­тельный элемент, воспринимающий измеряемое давление, представляет собой упругую оболочку, которая обычно выполняется в форме тела вращения, причем толщина стенки оболочки существенно меньше ее внешних размеров. Под действием измеряемого давления упругая обо­лочка деформируется так, что в любой точке оболочки возникают напря­жения, уравновешивающие действующее на нее давление.

Понятие „деформационный манометр" в общем виде может быть сформулировано следующим образом. Деформационный манометр- ма­нометр, в котором измеряемое давление, действующее на упругую обо­лочку УЧЭ, уравновешивается напряжениями, которые возникают в ма­териале упругой оболочки. Таким образом УЧЭ преобразует давление, являющееся входной величиной, в выходную величину, несущую изме­рительную информацию о значении давления. Для УЧЭ естественно вы­брать в качестве выходной величины в зависимости от принципа дейст­вия деформационного манометра: перемещение заданной точки УЧЭ; напряжение в материале заданной точки и усилие, развиваемое УЧЭ под действием давления.

Выбор того или иного выходного сигнала УЧЭ определяет способы его дальнейшего преобразования для получения результатов измерения давления, а, следовательно, и принцип действия деформационного мано­метра. В технике измерения давления нашли применение два основных ме­тода: метод прямого преобразования и метод уравновешивающего пре­образования (рис. 4).

По методу прямого преобразования (рис. 4, а) все преобразования информации о значении давления проводятся в направлении от УЧЭ через посредство промежуточных преобразователей П1, П2, . . ., Пn к устройству И, представляющему резуль­таты измерений давления в требуемой форме. При этом суммарная погреш­ность преобразования опре­деляется погрешностями всех преобразователей, вхо­дящих в измерительный ка­нал.

Рис. 4. Методы измерения давления

Метод уравновешива­ющего преобразования (рис. 4, б) характеризу­ется тем, что используются две цепи преобразователей: цепь прямого преобразования, состоящая из цепи промежуточных преоб­разователи П1, П2, . . ., Пn, выходной сигнал которой Увых поступает на указатель результата измерений Ии одновременно на цепь обратного преобразования, состоящей из преобразователя ОП. Метод уравновешивания состоит в том, что усилие N, развиваемое УЧЭ, уравновешивается усилием Nоп, создаваемым обратным преобразователем ОП выходного сигнала Iвых цепи прямого преобразования. Поэтому на вход последней поступает лишь отклонение заданной точки УЧЭ от положения равновесия. В отличие от предыдущего метода суммарная погрешность преобра­зования в данном случае почти полностью определяется погрешностью обратного преобразователя. Однако применение метода уравновешивания приводит к усложнению конструкции деформационного манометра В зависимости от назначения и принципа действия отдельные звенья измерительных цепей деформационных манометров могут конструктивно выполняться в виде самостоятельных блоков. Во многих случаях, на­пример, при жестких эксплуатационных условиях на объекте измерения (повышенная или пониженная температура, высокий уровень вибрации труднодоступность места подключения и пр.) целесообразно свести к минимуму количество звеньев, находящихся непосредственно на объекте Конструктивная совокупность этих измерительных элементов с обяза­тельным включением в нее УЧЭ называется датчиком. В то же время указатель результата измерений должен находиться в месте, с более благоприятными условиями, удобном для наблюдателя. Это же касается и остальной части измерительной цепи. Блочный принцип построения целесообразен также и с точки зрения изготовления манометров на разных предприятиях при массовом производстве.

В этой связи следует остановиться на часто применяемом понятии "измерительный преобразователь давления" (ИПД). В принципе, ИПД — это составная часть измерительной цепи многих современных деформа­ционных манометров, включающая промежуточный преобразователь с унифицированным выходным сигналом. Поэтому выделение ИПД в самостоятельный раздел нецелесообразно из-за неизбежности повторов при их описании. В то же время ИПД по функциональным возможностям имеет более широкое применение, чем манометры.

Мы поможем в написании ваших работ!