Загальні відомості. Рідинні прилади для вимірювання тиску
Тиск є важливим параметром хіміко-технологічних процесів, який суттєво впливає на характер і хід їхнього протікання та стан й режим роботи обладнання.
Під тиском розуміють відношення сили, яка діє перпендикулярно деякій поверхні тіла до площі цієї поверхні.
Розрізняють наступні різновиди тиску: атмосферний ( 
), абсолютний ( 
), надлишковий ( 
) та вакуум, або розрідження ( 
).
Атмосферний (барометричний) тиск, це тиск, який зумовлений масою (вагою) повітряного стовпа земної атмосфери.
Абсолютний (вимірювальний) тиск є параметром стану речовини, наприклад рідин, газів чи пари.
Надлишковий тиск визначається як різниця між абсолютним і атмосферним тисками ( 
).
Про вакуум (розрідження) говорять у випадку, коли 
. Його числове значення знаходиться як різниця між барометричним і абсолютним тисками ( 
).
В Міжнародній системі одиниць (СІ) за одиницю тиску прийнято паскаль (Па). Це тиск, що зумовлений силою один ньютон (1 Н), яка рівномірно розподілена по поверхні площею 
( 
).
На практиці, поряд з системною одиницею тиску Па знайшли своє застосування і позасистемні одиниці, а саме: бар, міліметр ртутного стовпа (мм рт.ст.), кілограм-сила на квадратний сантиметр ( 
), кілограм-сила на квадратний метр ( 
) та міліметр водного стовпа (мм вод.ст.).
Для наближених розрахунків можна прийняти наступні співвідношення:
дде 
- технічна атмосфера; 
- фізична атмосфера.
Класифікація засобів для вимірювання тиску
|
|
|
Засоби для вимірювання тиску класифікуються за принципом їхньої дії та родом вимірювальної величини.
За принципом дії їх можна розділити на:
- рідині, дія яких грунтується на врівноваженні тиску, що вимірюється за допомогою гідростатичного тиску стовпа рідини (межі вимірювання від 
до 
Па);
- деформаційні, які вимірюють тиск за величиною деформації пружних елементів, або за силою, яку вони розвивають (межі вимірювання від 
до 
Па);
- електричні, в яких тиск перетворюється у відповідну електричну величину або під його дією змінюються електричні властивості матеріалів (межі вимірювання від до 
Па).
За видом вимірювальної величини розрізняють:
- манометри – прилади для вимірювання абсолютного і надлишкового тисків;
- вакуумметри – прилади для вимірювання вакуума (розрідження) абсолютних тисків не менше 200 Па;
- мановакуумметри – прилади для вимірювання надлишкового тиску і вакууму;
- напірметри (мікроманометри) – прилади для вимірювання малих надлишкових тисків (до 40 кПа);
- тягометри (мікроманометри) – прилади для вимірювання малих тисків і розріджень (з діапазоном вимірювання від +20 до –20кПа);
- диференціальні манометри – прилади для вимірювання різниці двох тисків;
|
|
|
- барометри – прилади для вимірювання атмосферного тиску.
За галуззю застосування розрізняють:
- технічні (застосовують в промислових умовах);
- лабораторні (є підвищеної точності і застосовуються в лабораторних умовах);
- зразкові – для повірки технічних і лабораторних вимірювальних засобів;
- еталонні – для збереження одиниць тиску і передачі останніх зразковим засобам;
- спеціальні (застосовуються в нестандартних умовах).
За типом відображення результатів вимірювання поділяються на:
- показуючі (з аналоговою або цифровою шкалою);
- сигналізуючі (виробляють керуючий електричний сигнал при досягненні встановленого контрольованого значення тиску);
- реєструючі (записують у пам’ять зміну тиску в часі і відображують його значення на електронному табло).
Для забезпечення вимог сучасної автоматизації технологічних процесів створюються і дістають подальшого розвитку різні вимірювальні перетворювачі тиску (ВПТ), наприклад:
- деформаційні (перетворення переміщення пружнього чутливого елемента в електричний або електромагнітний сигнал);
- електричні (під дією вимірювального тиску на чутливий елемент, змінюються його електричні параметри: електричний опір, індуктивність, ємність чи електричний заряд).
|
|
|
В останні роки розроблено нові принципи створення ВПТ: волоконнооптичні, гальваномагнітні, акустичні, дифузійні тощо.
Щодо вихідного сигналу, усі ВПТ можуть бути розділені на аналогові (з аналоговим уніфікованим пневматичним або електричним сигналом) і цифрові.
В наш час найбільшого розповсюдження набули аналогові ВПТ з уніфікованим струмовим сигналом 0…5 мА, 0…20 мА та 4…20 мА, проте вже досить чітко проглядаються контури переходу до ВПТ з цифровим виходом. При цьому бурхливого розвитку набуває інтеграція первинних перетворювачів з різновидами промислових мереж, наприклад Foundation Fieldbus, Modbus, Profibus тощо.
Необхідно також підкреслити, що межі вимірювання тиску сучасними вимірювальними засобами надзвичайно великі від 
до Па.
Нижче розглянуто найбільш розповсюджені засоби вимірювання тиску.
Рідинні прилади для вимірювання тиску
Дані прилади відрізняються простотою конструкції і порівняно високою точністю вимірювання. Вони застосовуються в якості лабораторних і технічних вимірювальних засобів тиску. Принцип їхньої дії, як вже зазначалось, грунтується на врівноваженні вимірювального тиску або розріджень тиском стовпа рідини.
|
|
|
Прилади видимого рівня
U-подібний манометр (рис. 4.1) представляє собою конструкцію, яка складається з скляної U-подібної трубки 1, заповненої рідиною (підфарбований спирт або ртуть) і шкали, які закріплені на стойці 2.
Рис. 4.1. Двотрубний U-подібний манометр:
1 – скляна U-подібна трубка з робочою рідиною; 2 – стойка
Один кінець трубки (відкритий) знаходиться під дією атмосферного тиску , а інший – під дією вимірювального тиску досліджуваного об’єкта. Якщо 
, то рідина перетікатиме із правої частини U-подібної трубки у ліву доти, поки вимірюваний тиск не врівноважиться гідростатичним тиском стовпа рідини висотою 
.
Аналітично це можна представити наступним чином
, (4.1)
де 
- площа поперечного перерізу U-подібної трубки ( 
); - висота стовпа рідини ( 
); 
- прискорення сили земного тяжіння ( 
); 
і 
- відповідно густина рідини в U-подібній трубці і речовини, що знаходиться над нею ( 
). Звідси тиски і вимірюються в паскалях (Па).
Оскільки, як зазначалось вище, 
, то вираз (4.1) можна переписати наступним чином
. (4.2)
Якщо в манометрі над робочою рідиною знаходиться газ, то щільністю можна знехтувати.
Тоді
. (4.3)
Звідси видно, що висота стовпа рідини в манометрі відповідає величині надлишкового тиску .
Визначивши із (4.3) значення і враховуючи, що величина тиску відома, можна знайти абсолютний тиск ( 
) в досліджуваному об’єкті.
Якщо тиск в досліджуваному об’єкті буде меншим за атмосферний , то в цьому випадку висота стовпа рідини відповідатиме величині розрідження (вакууму).
При під’єднанні вільних кінців манометра до об’єктів з різним значенням абсолютного тиску, величина цієї різниці визначатиметься за різницею рівнів рідини в U-подібній трубці.
У випадку, коли данний манометр наповнений рідиною до нульової відмітки шкали для визначення висоти стовпа рідини необхідно зробити два відліки: зменшення рівня рідини в одному коліні і підвищення рівня у другому коліні, після чого виміряні величини просумувати.
Однотрубний прилад. Даний різновид манометра отримав назву «чашечний» і являється модифікацією двотрубного U-подібного манометра, представленого на рис.4.1. Один кінець його виконано у вигляді широкої чашкоподібної посудини 1, з’єднаної з об’єктом, де вимірюється тиск, діаметр якої перевищує діаметр вертикальної скляної трубки 2, що з’єднана з атмосферою (рис.4.2).
Рис.4.2. Чашечний манометр
1 – чашка; 2 – трубка
Оскільки площа поперечного перерізу чашки більша за площу поперечного перерізу трубки 
(на практиці приймається 
), то при вимірюваннях, рівень 
рідини в чашці буде набагато меншим за рівень 
рідини в трубці, у зв’язку з чим, першим можна знехтувати. Виходячи з цього надлишковий тиск для чашечних манометрів визначається як
. (4.4)
Прилади без видимого рівня (поплавкові, кільцеві та «колокольні»)
- Поплавкові дифманометри
Поплавкові дифманометри представляють собою U-подібні рідинні прилади у яких одне з колін розширено і в ньому розміщено поплавок, який зв’язаний із стрілкою, що переміщується відносно шкали. Дані прилади призначені для вимірювання різниці тисків.
На рис.4.3 наведено схему поплавкового дифманометра.
Якщо в лівій порожнині тиск 
, а в правій 
, то при 
рівень рідини в лівій порожнині зменшиться на висоту , а в правій порожнині збільшиться на висоту .
Рис.4.3. Схема поплавкового дифманометра:
1 і 7 – більша і менша посудини; 2 – поплавок;
3 – показчик; 4, 5, 6 – вентилі.
Різниця тисків 
врівноважується стовпом рідини висотою .
. (4.5)
Умова рівноваги аналітично запишеться так
, (4.6)
де - місцеве прискорення вільного падіння; і - відповідно густини робочої рідини і середовища, що вимірюється.
Для посудин циліндричної форми можна записати 
, де 
і 
- відповідно діаметри лівої і правої посудин приладу.
З останнього виразу маємо
. (4.7)
Тоді з (4.5) і (4.7) випливає, що
. (4.8)
Підставивши в (4.6) із (4.8) замість його значення отримаємо
. (4.9)
Для даного приладу вирази 
та 
є постійними, тому їх можна представити через постійні коефіцієнти, відповідно як 
та 
.
Виходячи із цього (4.9) перепишеться наступним чином
, (4.10)
або
. (4.11)
З (4.11) видно, що різницю тисків 
можна виразити величиною переміщення поплавка. Це вказує на те, що шкала такого приладу є рівномірною.
Поплавкові дифманометри застосовуються при статичних тисках вимірювального середовища не більше ніж 25 МПа. Клас точності цих приладів 1,0 та 1,5.
Для передачі на відстань інформації про значення вимірюваного перепаду тиску , зазначені дифманометри оснащено (рис.4.3) перетворювачами П переміщення показчика 3 в уніфікований сигнал (електричний чи пневматичний) вимірювальної інформації.
- Кільцеві прилади призначені для вимірювання малих тисків, розріджень та різниці тисків. Кільцевий прилад показано на рис.4.4.
Прилад складається з порожнинного замкненого кільця 1, розділеного перегородкою 2. Кільце підвішене на ножовій опорі 3 в її геометричному центрі. Патрубки 4 і 5 призначені для з’єднання кільця з порожниною в якій вимірюється тиск або розрідження. До нижньої частини кільця прикріплено противагу 6. Порожнина кільця на половину заповнена рідиною (вода, масло, ртуть).
При з’єднанні обох порожнин кільця з об’єктами, в яких тиск дорівнює і (причому ), рівень рідини в лівій половині кільця знижується, а в правій відповідно підвищується. Різниця рівнів 
пропорційна різниці тисків
, (4.12)
де - густина рідини, яка заповнює кільце.
Рис. 4.4. Принципова схема кільцевого дифманометра
Водночас сила від різниці тисків , яка діятиме на перегородку, створює обертовий момент 
, (4.13)
де - площа поперечного перерізу перегородки; 
- середній радіус кільця.
Протидіючий момент 
визначиться як
, (4.14)
де 
- сила дії противаги; 
- плече; 
- кут повороту кільця.
При врівноваженні обох моментів ( 
) можна записати, що
. (4.15)
Оскільки 
; 
; 
; 
, то отримаємо
, (4.16)
де 
; 
.
Із (4.16) видно, що вимірюваний перепад тисків прямопропорційний синусу кута повороту кільця приладу. Звідси випливає, що шкала кільцевого дифманометра є нерівномірною.
Прилади кільцевого типу виготовляються показуючими, показуючо-самопишучими та з дистанційною передачею результатів вимірювання.
Данні прилади з водяним і масляним заповнювачами призначені для роботи з надлишковим тиском 49 кПа, а з ртутним заповнювачем – в межах від 980 до 9800 кПа. Клас точності даних дифманометрів становить 1,0 і 1,5.
- «Колокольні» дифманометри. Дифманометри цього типу представляють собою колокол, що знаходиться в робочій рідині і переміщується під впливом різниці тисків. Протидіюча сила створюється за рахунок збільшення ваги колокола при його підйомі і зменшення ваги при його опусканні. Це досягається за рахунок зміни гідростатичної підйомної сили, що діє на колокол згідно закону Архімеда.
Принцип дії «колокольного» дифманометра пояснюється на рис. 4.5, а і б.
Якщо тиски у вимірювальних камерах 2 і 3 рівні між собою, то «колокол» 1 знаходиться у положенні, показаному на рис.4.5,а. Якщо утворюється відповідний перепад тиску , то він почне вспливати. Вспливання проходитиме доти, поки зміна підйомної сили від перепаду тиску на «колоколі» і зміна гідростатичної підйомної сили не врівноважаться.
Рівняння статичної характеристики даного дифманометра має вигляд
, (4.17)
де - величина переміщення «колокола»; 
- площа поперечного перерізу стінок «колокола»; і - густина робочої рідини і вимірюваного середовища; 
- внутрішня площа поперечного перерізу «колокола».
Оскільки , , , , є величинами постійними, то (4.17) можна переписати як
, (4.17)
де 
; .
Рис. 4.5. Принципова схема «колокольного» дифманометра
а) вихідне положення; б) стан рівноваги при вспливанні «колокола»
і - тиски в досліджуваних об’єктах; 1 – «колокол»; 2 і 3 – внутрішня і зовнішня вимірювальні камери; 4 – поверхня камери 3; 
- площа зовнішнього поперечного перерізу «колокола»; 
- елементарне переміщення «колокола»; 
- елементарне переміщення рідини в зовнішній посудині; 
- переміщення рідини під «колоколом»; 
- площа поперечного перерізу зовнішньої посудини; П – перетворювач переміщення показчика в уніфікований сигнал
Із (4.17) випливає, що величина переміщення «колокола» в даних дифманометрах пропорційна вимірюваному перепаду тисків.
«Колокольні» дифманометри мають високу чутливість і можуть застосовуватись для вимірювання малих тисків, перепадів тисків і розріджень.
Деякі модифікації «колокольних» дифманометрів оснащено перетворювачами П, з допомогою яких переміщення «колокола» перетворюється в уніфікований сигнал вимірювальної інформації, який передається по каналу зв’язку.
Запитання для самоконтролю
1. Тиск, як параметр хіміко-технологічних процесів.
2. Атмосферний, абсолютний та надлишковий тиск.
3. Класифікація засобів вимірювання тиску за принципом дії.
4. Класифікація засобів вимірювання тиску за видом вимірювальної величини.
5. Класифікація вимірювальних засобів тиску за галуззю застосування та типом відображення результатів вимірювання.
6. Двотрубний 
подібний манометр.
7. Чашечний манометр.
8. Поплавковий дифманометр.
9. Принципова схема і принцип дії кільцевого дифманометра.
10. Колокольні дифманометри.
Дата добавления: 2018-06-27; просмотров: 606; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!