Приборы для измерения давления. Практическая.

Практическая работа № 1

Приборы для измерения давления. Классификация, принцип действия, области

применения.

Цель работы: изучить принцип действия и устройство приборов для измерения давления

Теория. Давлением называется отношение силы, равномерно действующей на поверхность и перпендикулярно к ней направленной, к площади этой поверхности.

В международной системе единиц СИ давление выражают в Паскалях (Па) 1 Па = 1 Н/м². Внесистемные единицы давления, которые используются для технических измерений: техническая атмосфера, миллиметры водяного столба, миллиметры ртутного столба.

Различают атмосферное (р_атм), избыточное (р_н), абсолютное (р_а) давления и давление разрежения (р_р), которые связаны между собой.

Атмосферное давление (р_атм) измеряется обычно барометром. Оно зависит от погоды, географического положения, высоты над уровнем моря и т.д.

Давление выше атмосферного является дополнительным к атмосферному давлением, т.е. избыточным (р_и).

Избыточное давление измеряют манометром.

При этом абсолютное давление (р_а) определяют как сумму атмосферного и избыточного давления.

Если из замкнутого сосуда вакуум-насосом удалить воздух, то давление в сосуде станет меньше атмосферного.

При этом абсолютное давление определяют как разность между атмосферным давлением и давлением разрежения (р_р):

где р_р - давление разрежения, измеряемое вакуумметром.

Таким образом, максимальный вакуум (P_p) может быть, когда мы из замкнутого сосуда удалим весь воздух (р_а =0), тогда

При изменении давления в движущихся средах под давлением 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 может быть равно атмосферному.

Динамическое давление — это давление, обусловленное скоростью движения потока газа (жидкости).

Давление является важнейшим параметром, характеризующим протекание процессов в жидкостях и газах.

Изменение давления в широком диапазоне вызывает необходимость применения разнообразных средств измерения.

Для измерения давления и разрежения используются приборы (ГОСТ 2405-88):

1.                  Барометры - приборы, измеряющие атмосферное давление;

2.                  Манометры - приборы, измеряющие избыточное давление в диапазоне от 0,06 до 1000 МПа

3.                  Вакуумметры - приборы, измеряющие разрежение до минус 100 кПа

4.                  Мановакуумметры — манометры измеряющие как избыточное (от 60 до 240000 кПа), так и вакуумметрическое (до минус 100 кПа) давление.

5.                  Напоромеры - приборы, измеряющие малые избыточные давления до 40 КПа

6.                  Тягомеры - приборы, измеряющие малые разрежения (до минус 40кПа);

7.                  Тягонапоромеры - мановакуумметры, измеряющие малые давления и разрежения (+20 кПа; - 20 кПа);

8.                  Дифференциальные манометры - приборы, измеряющие разность давлений в двух точках.

По принципу действия приборы для измерения давления подразделяются на:

жидкостные - измеряемое давление уравновешивается давлением столба жидкости;

деформационные - измеряемое давление определяется значением деформации различных упругих элементов или значением развиваемой ими силы.

грузопоршневые - измеряемое давление уравновешивается давлением, создаваемым массой поршня или дополнительного груза;

электрические - измеряемое давление определяется по изменению электрических свойств некоторых материалов при воздействии на них давления.

1.      Жидкостные манометры

Жидкостные приборы отличаются простотой устройства при относительно высокой точности измерения. Их действие основано на уравновешивании внешнего давления столбом затворной (рабочей) жидкости, в качестве которой используют воду, ртуть, спирты, масла.

а) U - образный;

б) U - образный двухжидкостный;

в) с наклонной трубкой (микроманометр);

г) колокольный.

1.1. Простейшим прибором для измерения давления или разности давлений является двухтрубный U - образный манометр. По разности столбов жидкости в двух трубках манометра – h определяют давление по формуле

где р - измеряемое давление, Па;

р - плотность жидкости, кг/м^[3];

g - ускорение свободного падения, м/с²;

h - разность уровней жидкости, м.

Верхний предел измерения таких манометров составляет 1 – 10кПа. При этом погрешность не превышает 2%

Рис. 1 – Пример U – образных манометров

1.2. U - образные манометры могут быть и двухжидкостными. При этом используются близкие по плотности две несмешивающиеся жидкости, например вода и толуол. Плотность легкой жидкости (толуол) pi=884 кгс/м³, а более тяжелой (воды) р2=1000 кгс/м³. Разность между менисками более тяжелой жидкости, находящейся внизу, при оказании давления (разрежения) на одну из трубок манометра - h, замеряется и выражается в метрах. Тогда давление определяется по формуле:

Подбирая плотности двух несмешивающихся жидкостей, можно измерять большие давления и делать меньшие ошибки в отсчете.

1.3. Для более точного определения малых давлений используют жидкостной манометр с наклонной трубкой (микроманометр) под различными углами 

При этом по шкале наклонной трубки определяется длина L, заполненная жидкостью, от нулевой точки и переводится в высоту h по вертикали

Точность отсчетов наклонных манометров повышается по сравнению с вертикальными в L/sin  раз. Так, если  ~ 6°, то sin 6° ~ 0,1, тогда h = (L/10, т.е. в этом случае представляется возможность произвести отсчет в 10 раз точнее, чем в обычном жидкостном манометре.

Рис. 2 – Жидкостный манометр с наклонной трубкой

Все вышеописанные манометры широко используются в основном в лабораторной практике.

2.      Деформационные манометры

Деформационные приборы широко применяются для измерения давления и его перепадов благодаря своей портативности, простоте и большому диапазону измерения - от нескольких Па до ГПа.

Работа деформационных манометров основана на уравновешивании давления среды силами, возникающими при упругой деформации различного рода упругих элементов. Эта деформация в виде линейных или угловых перемещений передается показывающей или самопишущей части манометра. Одновременно она может быть преобразована в электрический или пневматический сигнал для дистанционной его передачи на вторичные средства контроля.

В деформационных приборах в качестве чувствительных элементов используются трубчатые пружины, упругие мембраны, сильфоны.

2.1. Трубчатые (пружинные) приборы относятся к наиболее распространенным приборам измерения давления.

Основной деталью их является согнутая по дуге трубка (пружина). Один конец ее соединен с пространством, где измеряется давление, другой конец трубки запаян. В сечении трубка имеет эллипсовидную форму (U), которая под действием измеряемого давления газа или жидкости стремится к окружности. В металле возникают механические напряжения, приводящие к деформации пружины (трубки).

При подаче на вход прибора избыточного давления трубка разжимается, а при подаче разряжения - сжимается. При этом свободный конец трубки, изменяя свое положение, через передаточный механизм перемещает стрелку по шкале.

Наиболее распространенными приборами такого типа являются манометры ОБМ, МОШ и МТ, которые применяются для измерения избыточных давлений жидких и газообразных сред.

Трубчатые приборы изготавливаются и используются и для измерения вакуума. Трубчатый вакуумметр конструктивно аналогичен манометру. Отличие состоит только в шкале и направлении перемещения стрелки. В вакуумметрах оно может происходить как по часовой стрелке, так и против.

Мановакууметры имеют шкалу с нулем в средней части. Шкала, расположенная слева от нуля, служит для измерения вакуума, а шкала, расположенная справа, - для измерения избыточного давления.

Диапазон измерений манометров от 100 кПа до 1000 МПа, вакуумметров от минус 0,1 МПа до 0 МПа.

2.2. Сильфон представляет собой тонкостенный металлический стакан с гофрированными стенками. Иногда внутри сильфона помещают пружину (многовитковая трубчатая пружина) для усиления его жесткости. Тогда эти приборы называются трубчато-сильфонные.

Сильфоны изготовляют из бронзы различных марок, углеродистой стали, нержавеющей стали, алюминиевых сплавов и др. Серийно производят бесшовные и сварные сильфоны диаметром от 8-10 до 80-100 мм и толщиной стенки 0,1-0,3 мм.

Под действием давления сильфон деформируется и дно его поднимает шток, жестко связанный с рычагом, который через передаточный механизм воздействует на стрелку. Сильфонные манометры изготовляются для измерения избыточного давления от 0,025 до 0,4 МПа (0,25-4,0 атм).

Рис. 3 - Чувствительные элементы деформационных манометров

а - трубчатая одновитковая пружина; б - трубчатая многовитковая винтовая пружина; в - плоская мембрана; г - мембрана коробчатая; д - сильфон (цилиндрическая пружина)

2.3. Мембранные приборы имеют в качестве чувствительного элемента мембрану. Мембраны могут быть упругими и эластичными (вялыми).

Упругая мембрана - круглая, плоская или гофрированная пластина, изготовленная из различных марок стали, бронзы, латуни. Прогиб под действием избыточного давления плоских мембран изменяется не линейно с увеличением давления, поэтому у манометров с такими мембранами используется небольшая часть возможного прогиба мембраны. Гофрированные мембраны могут применяться при больших прогибах, чем плоские.

Эластичная мембрана - зажатый между фланцами плоский или гофрированный диск, выполненный из прорезиненной ткани, тефлона и др.

Мембранные приборы, у которых мембраны покрыты слоем из химически стойкого материала, могут использоваться для измерения давления и разряжения в агрессивных средах.

Мембранные приборы применяются в основном для измерения небольших давлений и разрежений в качестве напоромеров, тягомеров и тягонапоромеров. Максимальный диапазон измерения напоромеров 0…2,5 МПа, тягомеров от -0,1 до 0 МПа.

3.         Электрические манометры

Все электрические средства измерения давления и разрежения являются преобразователями давления в какую-либо электрическую величину и изменение ее при изменении давления.

Например: изменение сопротивления, электродвижущей силы, индуктивности, емкости и др. Таким образом, измерительный преобразователь вырабатывает сигнал в форме, удобной для передачи, дальнейшего преобразования, но не поддающийся непосредственному восприятию наблюдателем. Чтобы наблюдатель получил сигнал для непосредственного восприятия, необходимо иметь прибор для замера сопротивления (логометр, электрический мост), электродвижущей силы (потенциометр, милливольтметр) и др.

К числу электрических средств измерения давления можно отнести пьезометрические (пьезоэлектрические), индукционные, емкостные и тензометрические.

3.1.      В пьезометрических приборах используется пьезометрический эффект, под которым понимают появление электрических зарядов на поверхности ряда кристаллических диэлектриков при их деформации.

В индукционных приборах используется упругий элемент (например, трубчатая пружина), соединенный с индукционной катушкой, с реостатом и др. Диапазон измерения от до 1,25 МПа до 7 Мпа; класс точности 0,25

МПа.

3.3. В емкостных манометрах чувствительный элемент образован мембраной и двумя неподвижными электродами, образующими пару конденсаторов. Изменение давления приводит к дисбалансу между конденсаторами. Сигнал, пропорциональный разности их емкостей, обрабатывается электронным контуром. Диапазон измерения от до 15 МПа; класс точности 0,25

3.4. Тензометрические приборы имеют в качестве чувствительного элемента мембрану с наклеенными на нее тензорезисторами. Их принцип действия заключается в непосредственном преобразовании деформации упругой мембраны под действием давления в изменение электрического сопротивления резисторов. Диапазон измерения от 0 до 30 МПа; класс точности 0,1 ... 0,5

4. Грузопоршневые манометры

Грузопоршневые манометры используются для поверки пружинных манометров.

Это образцовые манометры классов точности 0,05 и 0,2 с верхними пределами измерения от 250 кПа до 250 МПа (2,5 - 2500 атм).

Принцип действия их заключается в том, что измеряемое давление создается в результате нагружения поршня образцовыми грузами и его давления на жидкость

где р - давление, Па;

G - вес поршня с грузом, находящимся на нем, Н;

S - площадь поршня, м².

К грузопоршневому манометру через соответствующие штуцера подсоединяются два трубчатых (пружинных) манометра, один из которых образцовый, а второй - поверяемый. Класс точности образцового манометра должен быть в 3-4 раза выше класса точности поверяемого.

Нагружая поршень грузопоршневого манометра образцовыми грузами, создают различные давления на жидкость, которая передает эти давления на образцовый и поверяемый трубчатые манометры.

Рис.4 - Схема грузопоршневого манометра

1 - маховик; 2 - корпус; 3 - поршень; 4, б, 12 - игольчатые вентили; 5,11 - штуцеры, 7 - колонка с каналом; 8 - тарелка; 9 - грузы; 10 -воронка; 13 - вентиль для спуска масла; 14 - поршень

5. Сигнализаторы давления

Любой технологический процесс, в котором используется повышенное давление, имеет допустимую величину рабочего давления, превышение которого может привести к аварии, взрыву, выводу оборудования из строя.

В связи с этим такое оборудование имеет автоматическую защиту, позволяющую производить «сброс» предельного давления или остановку процесса.

Для этих целей используются сигнализаторы давления, которые подразделяются на четыре основных типа; пружинные, поршневые, мембранные, сильфонные. Пружинные и поршневые сигнализаторы используют при давлении 2,5-60 МПа (25-600 атм), сильфонные и мембранные при давлениях 0,02-0,25 МПа (0,2-2,5 атм).

По принципу действия и устройству сигнализаторы давления подобны аналогичным манометрам, в которых сигнальное устройство имеет два установочных контакта: минимальный (нижний) и максимальный (верхний), которые замыкаются подвижным контактом. Расположение установочных контактов можно изменять.

Порядок выполнения работы.

1.      Ознакомьтесь с классификацией, принципом действия, устройством и техническими характеристиками приборов для измерения давления, используя материал, представленный в описании данной практической работы.

2.      Заполните таблицу.

Скачано с www.znanio.ru