Меню

Измерение разности давления жидкости



ИЗМЕРЕНИЕ ДАВЛЕНИЯ И РАЗНОСТИ ДАВЛЕНИЙ

Единицей измерения давления в системе СИ является паскаль (Па). Паскаль — это давление силы в 1 Н на площадь в 1 м 2 (Н/м 2 ). При применении этой единицы могут использо­ваться приставки для образования кратных и дольных единиц (табл. 2.1), в первую очередь с целью сокращения числа значащих цифр в записываемом значении (например, 5, 28 МПа вместо 5 280 ООО Па).

Измерение давления отечественными приборами производится в кгс/см (килограмм-сила на сантиметр квадратный) и кгс/м 2 (килограмм-сила на метр квадратный). При использовании для измерения давления жидкостных приборов с видимым мениском применяют в качестве единицы давления миллиметр водяного или ртутного столба. Кроме перечисленных единиц измерения приме­няют физическую атмосферу, равную нормальному давлению атмо­сферного воздуха 760 мм. рт. ст. при 0 «С и нормальном ускорении свободного падения (760 мм. рт. ст. = 101, 325 кПа = 1, 0332 кгс/ см 2 ). Соотношения между применяемыми единицами измерения давления приведены в табл. 2.1.

При измерении давления различают абсолютное, избыточное и вакуумметрическое давление. Под термином абсолютное давле­ние подразумевается полное давление р, под которым находится жидкость или газ. Оно равно сумме давлений избыточного рИ и атмосферного ра:

т. е. избыточное давление равно разности между абсолютным дав­лением, большим атмосферного, и атмосферным давлением.

Под термином вакуумметрическое давление (разрежение или вакуум) рВ понимается разность между атмосферным давлением и абсолютным давлением, меньшим атмосферного:

Устройства для измерения давления и разности (перепада) дав­лений получили общее название манометры. Их классифицируют следующим образом:

барометры — для измерения атмосферного (или барометри­ческого) давления;

манометры абсолютного давления — для измерения абсолют­ного давления;

манометры избыточного давления — для измерения избыточ­ного давления (в практике называют манометрами);

вакуумметры — для измерения вакуумметрического давления, т. е. давления ниже атмосферного (в практике применяют термин «разрежение»);

напорометры и тягометры — для измерения малых (до 40 кПа) избыточного давления и вакуумметрического давления (разреже­ния) газовых сред;

мановакуумметры — для измерения избыточного и вакууммет­рического давлений одновременно;

тягонапорометры — для измерения малых (до 40 кПа) давлений и разрежений газовых сред одновременно;

дифференциальные манометры (дифманометры) — для измере­ния разности (перепада) давлений;

микроманометры — для измерения очень малых давлений (ниже и выше барометрического) и незначительной разности давлений.

Чувствительные элементы всех манометров воспринимают два давления р1 и р2 и вырабатывают сигнал, пропорциональный их разности. У манометров избыточного давления, вакуумметров, тягометров и напорометров давление р2 обычно равно атмосфер­ному. Дифманометры также могут использоваться для измерения как избыточного, так и вакуумметрического давления, если один из двух штуцеров для подвода давления соединить с атмосферой.

По принципу действия манометры делят на две основные груп­пы: жидкостные и деформационные (с упругими чувствительными элементами).

Жидкостные манометры (рис 2.1) всех систем заполняются жидкостью таким образом, чтобы над жидкостью были образованы две полости, воспринимающие давления р1 и р2. В этих маномет­рах величина измеряемого давления определяется по высоте столба жидкости h или по силе, образующейся за счет действия давления на поверхность сосудов. К приборам первой группы относятся U-образные (двухтрубные), чашечные (однотрубные) и поплав­ковые манометры, к приборам второй группы — колокольные.

U-образный (двухтрубный) манометр (рис. 2.1, а) состоит из одной прозрачной трубки, согнутой в виде латинской буквы U (или двух трубок, соединенных в нижней части). Трубки верти­кально укреплены на основании, и по всей их высоте нанесена двухсторонняя шкала с нулем посередине. Трубки заливают жид­костью (обычно водой или ртутью, а иногда спиртом или транс­форматорным маслом) до нулевой отметки. При применении U-образный манометр должен устанавливаться вертикально по отвесу. Отсчет производят по разности уровней жидкости h в обеих трубках, что не всегда удобно.

Обычно с помощью U-образного манометра давление, разре­жение или разность давлений измеряют в миллиметрах водяного или ртутного столба. Если отсчет высоты столба жидкости h по U-образному манометру производят невооруженным глазом, то при цене деления шкалы прибора в 1 мм при отсчете в двух

коленах пределы допускаемой основной погрешности измерения давления, разрежения или разности давлений не превышают +2 мм столба рабочей жидкости. Для увеличения точности отсчета высоты столба рабочей жидкости U-образные приборы снабжают зеркальной шкалой. В этом случае пределы допускаемой основной погрешности показаний не превышают + 1 мм столба рабочей жидкости. Отечественная промышленность выпускает двухтруб­ные манометры типа ДТ-5 и ДТ-6.

Чашечный (однотрубный) манометр (рис. 2.1, б) состоит из цилиндрического сосуда и сообщающейся с ним измерительной стеклянной трубки. При этом диаметр сосуда D значительно больше диаметра трубки d (обычно отношение d 2 /D 2 ≥ 1/400). При измерении давления в объекте его соединяют с атмосферой. При изменении разрежения с объектом соединяют измеритель­ную трубку, а с атмосферой — сосуд. При измерении разности (перепада) давлений большее давление подается в сосуд, а мень­шее — в измерительную трубку.

Читайте также:  Как незаметно измерить размер пальца для кольца девушке

Когда под действием давления или разрежения жидкость в измерительной трубке поднимется на высоту h1, а в широком сосуде опустится на высоту h2, то высота столба h, соответству­ющая значению измеряемой величины, будет равна:

Если F1 — площадь сечения измерительной трубки, a F2 широкого сосуда, то

поскольку объем жидкости F1h1 в измерительной трубке равен объему F2 h2 жидкости, вытесненной из широкого сосуда.

Решив уравнения (2.4) и (2.5) относительно h, получим:

Величиной d 2 /D 2 ≥ 1/400 ввиду ее малости на практике пре­небрегают, и отсчет ведут по столбу жидкости h1 только в одной измерительной трубке, что упрощает измерение по сравнению с U-образным манометром. При цене деления шкалы в 1 мм отсчет высоты столба в измерительной трубке может быть произ­веден с погрешностью, не превышающей ±1 мм столба рабочей жидкости. Промышленностью нашей страны выпускаются одно­трубные манометры типа ДТЖ и ММН-240. Поплавковые манометры (рис. 2.1, в) работают по принципу рассмотренных выше чашечных манометров. В поплавковом манометре имеется два U-образных сосуда 1 и 2, соединенных трубкой 3. Большее давление подводится к широкому сосуду, в котором на поверхности рабочей жидкости (ртути или транс­форматорного масла) находится поплавок 4. Перемещение по­плавка, зависящее от величины разности (перепада) давлений Δp=p1 – p2, передается стрелке отсчетного П или регистриру­ющего С устройства прибора. Поплавковые манометры сегодня уже не выпускаются, хотя в эксплуатации еще имеются.

В колокольных манометрах (рис. 2.1, г) чувствительным эле­ментом является тонкостенный стальной колокол 5, подвешенный на винтовой пружине 6. Колокол свободно плавает в раздели­тельной жидкости (трансформаторное масло), будучи частично погруженным в нее. Разделительная жидкость отделяет камеру большого давления («плюсовую») под колоколом от камеры мень­шего давления («минусовой») над колоколом. Под действием разности давлений(p1 – p2) колокол и кинематически связанная с ним подвижная часть передающего преобразователя Пр пере­мещаются до тех пор, пока усилие от приложенной к колоколу разности давлений не уравновесится упругими силами винтовой пружины. Перемещение подвижной части передающего преобра­зователя приводит к изменению выходного сигнала. В настоящее время выпускаются колокольные манометры типа ДКО.

Действие деформационных манометров основано на использо­вании деформации или изгибающего момента упругих чувстви­тельных элементов, воспринимающих измеряемое давление и пре­образующих его в перемещение или усилие. Манометры этого типа широко применяют в диапазоне измерений от 50 Па (5 кгс/м 2 ) до 1000 МПа (10 000 кгс/м 2 ). Они выпускаются в виде тягомеров, напоромеров, манометров, вакуумметров. В качестве упругих чув­ствительных элементов в них используются трубчатые пружины, мембраны, сильфоны и вялые мембраны.

Одними из наиболее распространенных являются трубчато- пружинные манометры с одновитковой трубчатой пружиной (рис. 2.2, а). Трубчатая пружина (трубка Бурдона) представляет собой изогнутую трубку, имеющую эллиптическое или плоско­овальное поперечное сечение. Один конец трубчатой пружины, сообщающийся с измеряемой средой, закрепляют неподвижно, а другой — свободный, закрытый пробкой и запаянный — соеди­няют с механизмом показаний прибора, передающим преобра­зователем или другим устройством. Под действием внутреннего давления пружина стремится уменьшить свою кривизну, вслед­ствие чего ее свободный (запаянный) конец перемещается. Это

перемещение передается на отсчетное или регистрирующее уст­ройство манометра либо воспринимается передающим преоб­разователем (на рис. 2.2 изображен показывающий прибор П, имеющий передающий преобразователь Пр).

Некоторые модификации манометров снабжаются контактным устройством, срабатывающим при достижении измеряемой вели­чиной заданного значения. Такие приборы называются электро­контактными манометрами. Промышленностью выпускаются трубчато-пружинные манометры типа ОБМ, МТП, ЭКМ.

В мембранных манометрах упругий чувствительный элемент выполняется в виде мембранной коробки (рис. 2.2, б), состоящей из двух спаянных по периметру дисковых металлических гофри­рованных мембран. Внутренняя полость коробки сообщается со средой с большим давлением. Под воздействием разности атмо­сферного и измеряемого давлений мембранная коробка сжимается или разжимается, что передается стрелке отсчетного устройства манометра П.

В сильфонных манометрах (рис. 2.2, в) упругий чувствитель­ный элемент выполнен в виде сильфона 1, представляющего собой гофрированную тонкостенную металлическую трубку, открытую с одной стороны. Сильфон помещается в камеру 2, в которую подводится измеряемое давление. Изменение величины этого дав­ления вызывает упругую деформацию сильфона и находящейся в нем винтовой пружины 3. Перемещение дна сильфона пере­дается регистрирующему устройству прибора С. Сильфонные манометры в настоящее время уже не выпускаются, хотя в эксп­луатации они еще встречаются (типа МСС).

Читайте также:  Национальный классификатор единиц измерения

Принципиальные схемы деформационных манометров пред­ставлены на рис. 2.3. У мембранного дифманометра (типа ДМ)

упругим чувствительным элементом является мембранный блок (рис. 2.3, а), состоящий из двух заполненных дистиллированной, водой мембранных коробок 1 и 3, закрепленных с обеих сторон в основании 2. Основание с верхней и нижней крышками корпуса образуют две камеры: нижнюю — плюсовую и верхнюю — минусо­вую. Внутренние полости мембранных коробок сообщаются через отверстие в перегородке. Большее давление подводится к нижней камере, а меньшее — к верхней. Под действием разности давле­ний Δp=p1 – p2нижняя мембранная коробка сжимается, вытесняя находящуюся в ней воду в верхнюю коробку 2. Последняя рас­ширяется, что воспринимается передающим преобразователем Пр.

Чувствительным элементом дифманометра (типа ДМИ, ДМЭ), представленного на рис. 2.3, б, является вялая (мягкая) неметал­лическая мембрана 4 с жестким центром 5, работающая совместно с винтовой цилиндрической пружиной 7. Мембрана, укрепленная между двумя крышками корпуса прибора, образует две камеры, в которые подводятся давления р1 и р2. Под действием разности давлений Δp=p1 – p2 жесткий центр мембраны и связанный с ним шток 6сердечника преобразователя Пр перемещаются до тех пор, пока сила, вызываемая разностью давлений, не уравновесится силой упругости винтовой пружины 7. Преобразователь Пр выра­батывает сигнал измерительной информации, пропорциональный измеряемой разности давлений.

У сильфонного дифманометра типа ДСС (рис. 2.3, в) чувстви­тельный элемент состоит из расположенных на общем основании двух сильфонов8 и10, донышки которых жестко связаны што­ком 9, а внутренние полости заполнены кремнийорганической жидкостью. Под действием разности давлений Δр = р1—р2 сильфоны начинают деформироваться, вызывая перемещение штока, ки­нематически связанного с компенсационным преобразователем Пр.

Источник

Приборы для измерения давления. Виды и работа. Применение

Характеристикой давления является сила, которая равномерно воздействует на единицу площади поверхности тела. Эта сила оказывает влияние на различные технологические процессы. Давление измеряется в паскалях. Один паскаль равен давлению силы в один ньютон на площадь поверхности в 1 м 2 . Применяют приборы для измерения давления.

Виды давления
  • Атмосферное давление образуется атмосферой Земли.
  • Вакуумметрическое давление – это давление, не достигающее величины атмосферного давления.
  • Избыточное давление – это величина давления, превосходящая значение атмосферного давления.
  • Абсолютное давление определяется от величины абсолютного нуля (вакуума).
Виды и работа

Приборы, измеряющие давление, называются манометрами. В технике чаще всего приходится определять избыточное давление. Значительный интервал измеряемых величин давлений, особые условия измерения их во всевозможных технологических процессах обуславливает разнообразие видов манометров, которые имеют свои различия по конструктивным особенностям и по принципу работы. Рассмотрим основные из применяемых видов.

Барометры

Барометром называют прибор, измеряющий давление воздуха в атмосфере. Существует несколько видов барометров.

Ртутный барометр действует на основе перемещения ртути в трубке по определенной шкале.

Жидкостный барометр работает по принципу уравновешивания жидкости давлением атмосферы.

Барометр-анероид работает на изменении размеров металлической герметичной коробки с вакуумом внутри, под действием давления атмосферы.

Электронный барометр является более современным прибором. Он преобразовывает параметры обычного анероида в цифровой сигнал, отображающийся на жидкокристаллическом дисплее.

Жидкостные манометры

В этих моделях приборов давление определяется высотой столба жидкости, которое выравнивает это давление. Жидкостные приборы для измерения давления чаще всего выполняют в виде 2-х стеклянных сосудов, соединенных между собой, в которые залита жидкость (вода, ртуть, спирт).

Рис-1

Один конец емкости соединен с измеряемой средой, а второй открыт. Под давлением среды жидкость перетекает из одного сосуда в другой до выравнивания давления. Разность уровней жидкости определяет избыточное давление. Такими приборами замеряют разность давлений и разрежение.

На рисунке 1а изображен 2-х трубный манометр, измеряющий вакуум, избыточное и атмосферное давление. Недостатком является значительная погрешность измерения давлений, имеющих пульсацию. Для таких случаев применяют 1-трубные манометры (рисунок 1б). В них один край сосуда большего размера. Чашка соединена с измеряемой полостью, давление которой передвигает жидкость в узкую часть сосуда.

При замере берется во внимание только высота жидкости в узком колене, так как жидкость изменяет свой уровень в чашке незначительно, и этим пренебрегают. Чтобы произвести замеры малых избыточных давлений используют 1-трубные микроманометры с трубкой, наклоненной под углом (рисунок 1в). Чем больше наклон трубки, тем точнее показания прибора, вследствие увеличения длины уровня жидкости.

Особой группой считаются приборы для измерения давления, в которых движение жидкости в емкости действует на чувствительный элемент – поплавок (1) на рисунке 2а, кольцо (3) (рисунок 2в) или колокол (2) (рисунок 2б), которые связаны со стрелкой, являющейся указателем давления.

Читайте также:  Аппарат для измерения микробов

Рис-2

Преимуществами таких приборов является дистанционная передача и их регистрация значений.

Деформационные манометры

В технической области приобрели популярность деформационные приборы для измерения давления. Их принцип работы заключается в деформации чувствительного элемента. Эта деформация появляется под действием давления. Упругий компонент связан со считывающим устройством, имеющим шкалу с градуировкой единицами давления.

Деформационные манометры делятся на:
  • Пружинные.
  • Сильфонные.
  • Мембранные.

Рис-3

Пружинные манометры

В этих приборах чувствительным элементом является пружина, соединенная со стрелкой передаточным механизмом. Давление воздействует внутри трубки, сечение старается принять круглую форму, пружина (1) пытается раскручиваться, в результате стрелка передвигается по шкале (рисунок 3а).

Мембранные манометры

В этих приборах упругим компонентом является мембрана (2). Она прогибается под давлением, и воздействует на стрелку с помощью передаточного механизма. Мембрану изготавливают по типу коробки (3). Это увеличивает точность и чувствительность прибора из-за большего прогиба при равном давлении (рисунок 3б).

Сильфонные манометры

В приборах сильфонного типа (рисунок 3в) упругим элементом является сильфон (4), который выполнен в виде гофрированной тонкостенной трубки. В эту трубку воздействует давление. При этом сильфон увеличивается в длину и с помощью механизма передачи передвигает стрелку манометра.

Сильфонные и мембранные виды манометров используют для замеров незначительных избыточных давлений и вакуума, так как упругий компонент имеет небольшую жесткость. При применении таких приборов для измерения вакуума они получили название тягомеров. Прибор, измеряющий избыточное давление, является напоромером, для измерения избыточного давления и вакуума служат тягонапоромеры.

Приборы для измерения давления деформационного типа имеют преимущество в сравнении с жидкостными моделями. Они позволяют производить передачу показаний дистанционно и записывать их в автоматическом режиме.

Это происходит вследствие преобразования деформации упругого компонента в выходной сигнал электрического тока. Сигнал фиксируется приборами измерений, которые имеют градуировку по единицам давления. Такие приборы имеют название деформационно-электрических манометров. Широкое использование нашли тензометрические, дифференциально-трансформаторные и магнитомодуляционные преобразователи.

Дифференциально-трансформаторный преобразователь

Рис-4

Принципом работы такого преобразователя является изменение силы тока индукции в зависимости от величины давления.

Приборы с наличием такого преобразователя имеют трубчатую пружину (1), которая передвигает стальной сердечник (2) трансформатора, а не стрелку. В итоге изменяется сила индукционного тока, подающегося через усилитель (4) на измерительный прибор (3).

Магнитомодуляционные приборы для измерения давления

В таких приборах усилие преобразуется в сигнал электрического тока вследствие передвижения магнита, связанного с упругим компонентом. При движении магнит воздействует на магнитомодуляционный преобразователь.

Электрический сигнал усиливается в полупроводниковом усилителе и поступает на вторичные электроизмерительные устройства.

Тензометрические манометры

Преобразователи на основе тензометрического датчика работают на основе зависимости электрического сопротивления тензорезистора от величины деформации.

Тензодатчики (1) (рисунок 5) фиксируются на упругом элементе прибора. Электрический сигнал на выходе возникает вследствие изменения сопротивления тензорезистора, и фиксируется вторичными устройствами измерения.

Электроконтактные манометры

В схемах сигнализации, системах авторегулирования технологических процессов, приборах тепловой защиты популярными стали электроконтактные манометры. На рисунке изображена схема и вид прибора.

Упругим компонентом в приборе выступает трубчатая одновитковая пружина. Контакты (1) и (2) выполняются для любых отметок шкалы прибора, вращая винт в головке (3), которая находится на внешней стороне стекла.

При уменьшении давления и достижении его нижнего предела, стрелка (4) с помощью контакта (5) включит цепь лампы соответствующего цвета. При возрастании давления до верхнего предела, который задан контактом (2), стрелка замыкает цепь красной лампы контактом (5).

Классы точности
Измерительные манометры разделяют на два класса:

Образцовые приборы определяют погрешность показаний рабочих приборов, которые участвуют в технологии производства продукции.

Класс точности взаимосвязан с допустимой погрешностью, которая является величиной отклонения манометра от действительных величин. Точность прибора определяется процентным соотношением от максимально допустимой погрешности к номинальному значению. Чем больше процент, тем меньше точность прибора.

Образцовые манометры имеют точность намного выше рабочих моделей, так как они служат для оценки соответствия показаний рабочих моделей приборов. Образцовые манометры применяются в основном в условиях лаборатории, поэтому они изготавливаются без дополнительной защиты от внешней среды.

Пружинные манометры имеют 3 класса точности: 0,16, 0,25 и 0,4. Рабочие модели манометров имеют такие классы точности от 0,5 до 4.

Применение манометров

Приборы для измерения давления наиболее популярные приборы в различных отраслях промышленности при работе с жидким или газообразным сырьем.

Источник