Технические основы метрологического обеспечения (стр. 2 из 3)

Ра = Ри + Ратм

Атмосферное давление измеряется обычно барометром. Оно называется барометрическим Рб и зависит от погоды, географического положения. Высоты над уровнем моря и т.д.

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

Избыточное давление измеряют манометром.

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 разрежением (вакуумом):

Ра = Ратм – Рр или Рр = Ратм – Ра

где Рр – разрежение, измеряемое вакуумметром.

Таким образом, максимальный вакуум (Рр) может быть, когда мы из замкнутого сосуда удалим весь воздух (Ра=0), тогда Рр = Ратм.

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). Оно определяется через скоростной (динамический) напор по формуле

(5.1)

где Рg – динамическое давление (напор), Па;

r - плотность движущегося газа (жидкости), кг/м3;

v – скорость движущегося потока, м/с.

Полное давление движущейся среды слагается из статического Рст и динамического Рд давлений:

Р = Рст + Рд

Давление является важнейшим параметром, характеризующим протекание процессов при эксплуатации ВВТ. Использование давления в широком диапазоне вызывает необходимость применения разнообразных средств измерения.

Для измерения давления и разрежения используются приборы:

1. барометры – приборы, измеряющие атмосферное давление;

2. манометры – приборы, измеряющие избыточное давление;

3. вакуумметры – приборы, измеряющие разрежение;

4. напоромеры – приборы, измеряющие малые избыточные давления;

5. тягомеры – приборы, измеряющие малые разрежения (до 40кПа);

6. тягонапоромеры – приборы, измеряющие малые давления и разрежения (+20 ¸ - 20 кПа);

7. 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. Деформационные приборы широко применяются для измерения давления и его перепадов благодаря своей портативности, простоте и большому диапазону измерения – от нескольких Па до ГПа. В качестве упругих элементов используют трубчатые пружины, мембраны, сильфоны и др. устройства.

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.

компрессионные;

термокондуктометрические.

А. Жидкостные средства измерения давления.

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.

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

Р = r . g . h(1)

где Р –измеряемое давление, Па;

r - плотность жидкости, кг/м3;

g – ускорение силы тяжести, м/с2;

h – разность уровней жидкости, м.

Верхний предел измерения таких манометров составляет 1 – 10 кПа. При этом погрешность не превышает 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, r1=884 кгс/м3), а более тяжелой (воды) r2=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:

Р = gh(r2-r1) (2)

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

Для более точного определения малых давлений используют жидкостной манометр с наклонной трубкой (микроманометр) под различными углами a. При этом определяется по шкале наклонной трубки длина L, заполненная жидкостью, от нулевой точки и переводится в высоту h по вертикали

h = L.sina (3)

Точность отсчетов наклонных манометров повышается по сравнению с вертикальными в 1/sina раз. Так, если a=5040’, то sin 5040’@ 0,1, тогда h = L/10, т.е. в этом случае представляется возможность произвести отсчет в 10 раз точнее, чем в обычном одножидкостном манометре.

Все вышеописанные манометры широко используются в основном в лабораторной практике.

Б. Деформационные средства измерения давления

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.

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 элипсовидную форму (U), которая под действием измеряемого давления газа или жидкости стремиться 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.

Перемещения свободного конца незначительны (до 8-100). Стрелка же прибора вращается при этом за счет передаточного механизма от 0 до 2700. Наиболее распространенными приборами такого типа являются манометры ОБМ, МОШ и МТ, которые применяются для измерения избыточных давлений жидких и газообразных сред. Специальные манометры: АМ (аммиачный), МК (кислородный).

Трубчатые приборы изготавливаются и используются 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.

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).

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, так как имеют значительно меньшую нелинейность характеристики. На линейность характеристики оказывает существенное влияние глубина гофр. Чем больше глубина гофр, тем линейность статической характеристики выше. При необходимости получения большего прогиба с линейной характеристикой используют соединения мембран в виде мембранных коробок или блоки, собранные из нескольких мембранных коробок.

Эластичная мембрана - зажатый между фланцами плоский или гофрированный диск, выполненный из прорезиненной ткани, тефлона и др. Эластичные мембраны также имеют небольшой ход (до 10 %), на котором характеристика их линейна.