Череповецкий государственный университет Методы и средства измерений испытаний

Череповецкий государственный университет Методы и средства измерений, испытаний и контроля 5 -й семестр Методы и средства измерения и контроля давления. Курс лекций Разработчик: Кабаков П. З. Череповец 2009 г.

Методы и средства измерения и контроля давления. Общие сведения Давлением называют отношение силы, действующей перпендикулярно поверхности, к площади этой поверхности. Давление - одна из основных величин, определяющих термодинамическое состояние веществ. Давлением во многом определяется ход технологического процесса, состояние технологических аппаратов и режимы их функционирования. С задачей измерения давления приходится сталкиваться при измерениях некоторых технологических параметров, например расхода газа или пара, при изменяющихся термодинамических параметрах, уровня жидкости, и др. Различают следующие виды давления: атмосферное, абсолютное, избыточное или вакуум (разрежение). Атмосферное (барометрическое) давление - давление, создаваемое массой воздушного столба земной атмосферы. Абсолютное давление - давление, отсчитанное от абсолютного нуля. За начало отсчета абсолютного давления принимают давление внутри сосуда, из которого полностью откачан воздух. Избыточное давление - разность между абсолютным и барометрическим давлениями. Вакуум (разрежение) - состояние среды, абсолютное давление которой существенно меньше атмосферного давления. Средства измерения давления 2

Общие сведения В Международной системе единиц (СИ) за единицу давления принят паскаль (Па) - давление, создаваемое силой в 1 ньютон (Н), равномерно распределенной по поверхности площадью 1 м 2 и направленной нормально к ней. Соотношение единиц давления Единицы Паскаль давления (Pa, Па) Бар (bar, бар) Физическая атмосфера (atm, атм) Миллиметр ртутного столба (мм рт. ст. , mm. Hg, torr, торр) Метр водяного столба (м вод. ст. , m H 2 O) 1 Па 1 Н/м 2 10− 5 9, 8692× 10− 6 7, 5006× 10− 3 1, 0197× 10− 4 1 бар 105 1 × 106 дин/см 2 0, 98692 750, 06 10, 197 1 атм 101325 1, 01325 1 атм 760 10, 33 1 мм рт. ст. 133, 322 1, 3332× 10− 3 1, 3158× 10− 3 1 мм рт. ст. 13, 595× 10− 3 1 м вод. ст. 9806, 65 9, 80665× 10− 2 0, 096784 73, 556 1 м вод. ст. Средства измерения давления 3

Общие сведения Классификация средства измерений давления: По виду измеряемого давления Ø манометры избыточного давления — для измерения избыточного давления; Ø манометры абсолютного давления — для измерения давления, отсчитанного от абсолютного нуля; Ø барометры — для измерения атмосферного давления; Ø вакуумметры — для измерения вакуума (разрежения); Ø мановакуумметры — для измерения избыточного давления и вакуума (разрежения). По принципу действия 1. 2. 3. 4. 5. 6. Жидкостные, Деформационные (пружинные), Поршневые, Ионизационные, Тепловые, Электрические. Средства измерения давления 4

Общие сведения Абсолютное давление Избыточное давление Деформационные Поршневые Тепловые Жидкостные Электрические Средства измерения давления - до 1 Па 3 - до 10 Па Сверхвысокое давление -4 - до 10 Па Высокое давление - до 10 Па Высокий вакуум Средний вакуум Низкий вакуум Среднее давление -11 Умеренное давление Сверхвысокий вакуум Нормальное давление Ионизационные 5

1. Жидкостные средства измерений давления с гидростатическим уравновешиванием В жидкостных приборах с гидростатическим уравновешиванием мерой измеряемого давления является высота столба рабочей жидкости. В качестве рабочей манометрической жидкости применяются дистиллированная вода, ртуть, этиловый спирт, трансформаторное масло. Выбор которой определяется диапазоном измеряемого давления, условиями эксплуатации и требуемой точностью измерений. К числу жидкостных средств измерений давления с гидростатическим уравновешиванием, относятся поплавковые и колокольные дифманометры. Поплавковые дифманометры Дифференциальным манометром, или дифманометром, называют прибор, который предназначен для анализа перепада, то есть разности давлений различных веществ Средства измерения давления 6

1. Жидкостные средства измерений давления с гидростатическим уравновешиванием Поплавковые дифманометры Принцип действия поплавковых дифманометров основан на уравновешивании измеряемого перепада давления гидростатическим давлением, создаваемым столбом рабочей жидкости, заполняющей дифманометр. Площадь сечения F широкого сосуда 1 значительно больше площади сечения f узкого сосуда 7. Внутренняя полость сообщающихся сосудов заполняется рабочей жидкостью (ртутью или трансформаторным маслом) до нулевой отметки. О значении измеряемой разности давлений в этих приборах судят по отсчетному устройству, указатель 3 которого связан с поплавком 2, расположенным во внутренней полости широкого сосуда. При подключении прибора к объекту измерения большее давление подается в сосуд 1, а меньшее в сосуд 7. Подача давления осуществляется через вентили 5 и 6. Вентиль 4 служит для того, чтобы исключить возможность выброса рабочей жидкости при односторонней подаче давления. С этой целью перед подключением прибора к объекту вентиль 4 открывают, а после стабилизации давления в обоих сосудах закрывают. При отключении прибора от объекта необходимо предварительно открыть вентиль 4, а затем закрыть вентили 5 и 6. В процессе измерения, жидкость в широком сосуде перемещается вниз, а вместе с ним перемещается поплавок 2, который через механическую передачу перемещает указатель 3 отсчетного устройства. Перемещение поплавка будет происходить до тех пор, пока измеряемая разность давлений Р 1 -Р 2 не уравновесится давлением столба жидкости высотой h 1+h 2. Перемещение поплавка можно рассчитать по формуле Р 1 -Р 2 =g(ρж-ρc) (h 1+h 2), где g - местное ускорение свободного падения; h 1 и h 2 - перемещение уровня жидкости в правом и левом коленах; ρж - плотность рабочей жидкости; ρc — плотность измеряемой среды.

1. Жидкостные средства измерений давления с гидростатическим уравновешиванием Поплавковые дифманометры Основные характеристики: Поплавковые дифманометры используются при статических Давлениях измеряемой среды не более 25 МПа. Диапазон измерения перепадов давления от 0 до 133000 Па Класс точности поплавковых дифманометров 1, 0 и 1, 5. Основная приведённая погрешность ± 1, 5— 2%. Дифманометр применяется для измерений уровня жидкостей и расхода жидкости, пара или газа по методу перепада давлений. Средства измерения давления 8

1. Жидкостные средства измерений давления с гидростатическим уравновешиванием Колокольные дифманометры. Дифманометры этого типа представляют собой колокол, погруженный в рабочую жидкость и перемещающийся под влиянием разности давлений. Противодействующая сила создается за счет утяжеления колокола при его подъеме и уменьшении тяжести колокола при его погружении. Достигается это за счет изменения гидростатической подъемной силы, действующей на колокол согласно закону Архимеда. Если давления в измерительных камерах 2 и 3 равны между собой, то колокол 1 находится в положении, показанном на рисунке б. Если перепад давлений на колоколе получает некоторое приращение d(P 1 -P 2), то колокол всплывает. Всплытие происходит до тех пор, пока изменение подъемной силы от перепада давления на колокол и изменение гидростатической подъемной силы не уравновесятся. Δf - площадь поперечного сечения стенок колокола; f - внутренняя площадь поперечного сечения колокола. Средства измерения давления 9

1. Жидкостные средства измерений давления с гидростатическим уравновешиванием Колокольные дифманометры. Диапазон измерения перепада давлений от 40 Па до 4 КПа при давлении среды от 10 КПа до 0, 3 МПа. Колокольные дифманометры с гидростатическим уравновешиванием обладают высокой чувствительностью и могут быть использованы для измерения малых давлений, перепадов давлений и разрежений. Жидкостные средства измерений применяются в газовой и нефтяной отросли и в качестве образцовых приборов для лабораторных и технических измерений. В настоящее время применение жидкостных средств измерений давления с гидростатическим уравновешиванием существенно ограничено. В большинстве случаев они заменены более совершенными деформационными средствами измерений. Средства измерения давления 10

2. Деформационные средства измерений давления Высокая точность, простота конструкции, надежность и низкая стоимость являются основными факторами, обусловливающими широкое распространение деформационных приборов для измерения давления в промышленности и научных исследованиях. В этих приборах давление определяется по деформации упругих чувствительных элементов или по развиваемой ими силе, которые преобразуются передаточными механизмами в угловое или линейное перемещение указателя по шкале прибора. По виду упругого чувствительного элемента пружинные приборы делятся на следующие группы: - приборы с трубчатой пружиной; - мембранные приборы; - снльфонные приборы. 2. 1. Манометры с трубчатой пружиной - один из наиболее распространенных видов деформационных приборов. Чувствительным элементом таких приборов является согнутая по дуге окружности и запаянная с одного конца трубка Диапазон измерения от 1 Па до 2500 MПа, погрешность 0, 16 -4, 0%. Средства измерения давления 11

2. Деформационные средства измерений давления Манометры с трубчатой пружиной Если в трубку подать жидкость, газ или пар под избыточным давлением, то кривизна трубки уменьшается и она распрямляется; при создании разрежения внутри трубки кривизна ее возрастает, и трубка скручивается. Перемещение свободного конца трубки до определенного предела пропорционально давлению Δ=k*p Вид трубок в выполняют из легированной стали и используют для измерения высоких давлений (свыше 98 МПа). Средства измерения давления 12

2. Деформационные средства измерений давления Манометры с трубчатой пружиной Средства измерения давления 13

2. Деформационные средства измерений давления 2. 2. Мембранные манометры Приборы с чувствительным элементом в виде плоских и гофрированных мембран применяют для измерения небольших избыточных давлений и разрежений (манометры, напоромеры и тягомеры), а также перепадов давления (дифманометры). Мембраны для измерения различных давлений отличаются толщиной, диаметром и видом материала. Пределы измеряемых давлений для мембранных манометров ограничены и составляют от 20 к. Па до 30 МПа. Мембранные манометры используют при измерении давлений в высоковязких средах, так как прямой и широкий канал в ниппеле обеспечивает более свободный проход жидкости, чем в трубчатом манометре. Для измерений в химически агрессивных средах нижнюю сторону мембраны покрывают тонкой пленкой защитного материала. Δ=k*p Погрешность обычно не превышает 0, 1, 0, 25 Па или 0, 5% Средства измерения давления 14

2. Деформационные средства измерений давления Мембранные манометры Средства измерения давления 15

2. Деформационные средства измерений давления 2. 3. Сильфонные манометры Сильфон - это тонкостенная металлическая камера с гофрированной боковой поверхностью. Изготавливают сильфоны из латуни, а также из нержавеющей стали. Они применяются в качестве чувствительных элементов приборов давления, которые своевременно и точно реагируют на изменение давления. Если такой сильфон подвергнуть действию избыточного давления снаружи или изнутри, то он сожмется или растянется по высоте так, что его горизонтальные поверхности будут перемещаться параллельно самим себе. Величина перемещения пропорциональна величине измеряемого давления. Сильфонные манометры применяются для измерения давлений от 40 к. Па до 0, 5 МПа. Δ=k*p Средства измерения давления 16

Для преобразования перемещения чувствительного элемента в сигнал измерительной информации широко применяются индуктивные, дифференциально-трансформаторные, емкостные, тензорезисторные и другие электрические преобразовательные элементы. Пример: Индуктивные измерительные преобразователи давления. Мембрана 1, воспринимающая давления, является подвижным якорем электромагнита 2 с обмоткой 3. Под действием измеряемого давления мембрана 1 перемещается, что вызывает изменение электрического сопротивления индуктивного преобразовательного элемента. Средства измерения давления 17

3. Поршневые манометры 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. Применяются для измерения высоких давлений (до 100 МПа и в качестве образцовых и контрольных приборов, классы точности приборов 0, 02; 0, 05; 0, 2. Применение поршневых манометров для технических измерений крайне ограничено. Р Средства измерения давления 18

3. Поршневые манометры Р Рабочее давление в сосуде определяется выбором величины груза где, g - вес груза и поршня s - сумма площади поршня и половины площади зазора. Средства измерения давления 19