Руководство по измерению давления и вакуума
| Вид материала | Руководство |
- Билет №3, 172.94kb.
- И. П. Волк рлэ як-18т руководство, 1114.6kb.
- Законы эволюции вселенной час ть 10. Механизм формирования, 684.99kb.
- Н. А. Козырева как механика физического вакуума. Жвирблис В. Е. 1994, 245.74kb.
- Научная и производственная элита по вопросам измерения давления впервые собралась, 40.25kb.
- Методика обработки кривых восстановления давления, полученных при исследовании газовой, 153.93kb.
- Разработка системы автоматического управления компрессора сверхвысокого давления, 14.49kb.
- Литература. 27, 287.37kb.
- Роль атмосферного давления в поведении рыбы, 42.82kb.
- Невский завод, 56.79kb.
Для важных случаев применения отдельные вакуумметры должны быть откалиброваны для различных конкретных видов газов. Следует отметить, что в Соединенном Королевстве и во всей остальной Европе большинство данных по калибровке вакуумметров, приведенные изготовителями, даны для азота, поэтому «сырые» показания вакуумметров относятся к давлению, эквивалентному азоту. Однако в США многие вакуумметры калибруются по аргону.
- Влияние вакуумметра на вакуумную систему
Ионизационные вакуумметры не являются инертными приборами и будут, более или менее, влиять на процесс измерения. По определению, вакуумметр с горячим катодом нагревается и будет приводить к местной дегазации вакуумной системы вблизи прибора, что увеличит давление. Такие вакуумметры следует тщательно дегазировать при измерении низких давлений, в противном случае показания прибора могут быть выше, чем давление в системе. Это в особенности верно, если вакуумметр установлен на боковом патрубке или в колене.
После использования вакуумметра для измерения химически активных газов, например, кислорода, чувствительность прибора может значительно меняться вследствие химических изменений поверхности сетки или коллектора. Такие изменения можно часто предотвратить путем тщательной дегазации.
Присутствие горячей нити также приводит к химическим изменениям в остаточном газе в вакуумной системе. Например, водород, который присутсвует во всех вакуумных системах, будет реагировать с образованием воды, окиси и двуокиси углерода и метана. Поэтому нужно принять меры для оценки этого влияния на любой процесс. Температура и тип нити в этом случае имеют некоторое значение. Нити часто изготавливаются из вольфрамовой проволоки, но также могут быть изготовлены из иридия или рения с ториевым покрытием. Последние работают при более низких температурах, чем вольфрам, но покрытие может отслаиваться или быть подверженным химическому воздействию, что приводит к нестабильности электронной эмиссии и, следовательно, показаниям прибора. Однако они лучше переносят внезапное воздействие атмосферного воздуха, чем вольфрамовые нити, которые перегорают.
В вакуумметре образуются ионы, электроны и фотоны, которые также могут поглощать газы с поверхностей внутри вакуумной системы. Если вакуумметр находится на одной линии с технологическим процессом, например, производство полупроводников, то может иметь место разрушение от бомбардировки или углеводороды на поверхности могут растрескиваться с образованием углерода. Нужно также заметить, что вакуумметры выделяют ионы, электроны и фотоны, и если в вакуумной системе находится больше, чем один вакуумметр для измерения давления в различных точках системы и они расположены на одной линии друг с другом, то они будут «переговариваться» друг с другом, т.е. каждый из них сможет вызывать случайные ионизационные токи в другом приборе, что приводит к неправильным показаниям давления. Аналогично, неправильные показания давления могут быть вызваны внешними источниками ионизирующего излучения, такими как рентгеновские установки, которые могут «видеть» ионизационную область измерительной головки.
Вакуумметры также действуют, как насосы. Скорость накачки вакуумметра Байара-Альперта довольно низка, хотя и не пренебрежимо мала. Для вакуумметра Пеннинга эта величина на удивление велика – примерно, 1 л/с. Этот эффект нужно особенно учитывать, если вакуумметр установлен на боковом патрубке или в колене с низкорасходным соединением с основной вакуумной системой, где давление может стать значительно ниже, чем действительное давление в системе.
- Сравнение типов ионизационных вакуумметров
Таблица 9-3. Характеристики ионизационных вакуумметров
| Тип | Преимущества | Недостатки |
| Триодный |
|
|
| Байара-Альперта |
|
|
| Пеннинга |
|
|
| Обращенный магнетрон |
|
|
9.5 Безопасность
9.5.1 Общие сведения
Во время промышленной революции многие инженеры и ученые начали понимать значение энергии, получаемой от какого-то объема сжатого газа и сравнительную легкость, с которой эту энергию можно было получать. Однако такая видимая легкость получения энергии часто сопровождалась множеством случаев взрывов котлов. Безопасность стала главным движущим фактором первых попыток измерения давления и остается важнейшим фактором сегодня [14, 22].
- Запасенная энергия
Возможность вредных последствий в случае отказа барической системы зависит от количества энергии, запасенной в системе во время ее отказа. Эта энергия сохраняется в трех основных формах: энергия сжатия – это энергия, запасенная в рабочей жидкости, в результате ее сжатия до рабочего давления. Ее вклад в запасенную энергию является основным и она гораздо выше для газов, чем для жидкостей; энергия деформации - это энергия, запасенная в механических элементах, трубопроводах, резьбе и прокладках вследствие их деформаций под влиянием давления. Химическая энергия – это энергия, запасенная в химических веществах, содержащихся в барической системе, которая может высвободиться, если система откажет. Например, если система содержит горючий газ, например, водород, то газ может взорваться или воспламениться при отказе системы.
Запасенная энергия является суммой энергий сжатия, деформации и химической энергии вместе с любыми другими средствами хранения энергии. С практической точки зрения, если система содержит инертную жидкость, то разумно предположить, что запасенная энергия равна энергии сжатия.
Энергия сжатия веществ, особенно газов, меняется с давлением. Следует заметить, что для жидкостных (гидравлических) систем, неверно предполагать, что запасенная энергия пренебрежимо мала. Это может быть справедливо для малых систем, но редко верно для высоких давлений и часто неверно для систем с большим объемом под малым давлением. Вакуумные системы являются другим особым случаем. Реально они являются барическими системами, как и любые другие, но находятся под внешним давлением, а не внутренним. Перепад давления через стенку вакуумной системы можно принять равным 100 кПа и нужно отметить, что имеется незначительная разница в запасенной энергии между системой откачанной до 1000 Па или до 10-6 Па.
Трубчатый манометр– это часто относительно слабая часть системы и нужно использовать только безопасные манометры для измерения высоких давлений. Они имеют металлическую пластину, установленную позади циферблата, и срывную заднюю крышку, чтобы в случае разрушения трубки, жидкость бы выбросило в сторону от оператора. Такие манометры не должны устанавливаться задней стенкой вплотную к панели и изготовители обычно обеспечивают монтажные стойки для их установки на расстоянии от стенок. Для техпроцессов с высоким давлением, перед лицевой панелью манометра нужно устанавливать поликарбонатный лист или наблюдать за показаниями по замкнутой системе ТВ контроля.
- Режим отказа
Последствия отказа барической системы зависят от способа ее отказа. Два основных режима отказа – это хрупкое разрушение и вязкое разрушение. Хрупкое разрушение – это очень быстропротекающий процесс, при котором отказываемый элемент разрушается на большое число малых кусков. Разрушение стекла является хорошим примером. Каждый кусок сосуда или элемента, который отказывает, становиться снарядом, вылетающим с большой скоростью из точки отказа. Эти скорости обычно равны 50– 250 м/с и требуется защитная оболочка для удержания кусков. Если система находится под давлением газа, то хрупкое разрушение приводит к взрывной волне, распространяющейся по воздуху от точки отказа со звуковой скоростью (примерно, 300 м/с). Эта взрывная волна характеризуется увеличением давления (положительный импульс), за которым следует падение давления (отрицательный импульс). Прохождение взрывной волны приводит к большим местным деформациям объектов, с которыми она сталкивается, но в идеальном случае после прохождения волны не наблюдается факт чистого перемещения. Локальная деформация приводит к разрушениям от действия взрывной волны.
Вязкое разрушение – это относительно медленный процесс, сопровождающийся значительной величиной упругой деформации сосуда или элемента, которые отказывают. Он обычно приводит к появлению вздутия на стенке трубы с последующим осевым разрывом вдоль вздутия. Существует вероятность отрыва целой секции трубы, но обычно осевой разрыв прекращается до наступления этого. Взрывная волна не формируется в системе с отказом под действием вязкого разрушения, невзирая на то, заполнена ли она газом или жидкостью. При прочих равных условиях, не нужно ограждать систему, которая отказывает под воздействием вязкого разрушения, но весь вопрос заключается в том, чтобы знать какой режим разрушения будет иметь место.
Итак, вязкое разрушение менее опасно, чем хрупкое разрушение и большинство элементов барических систем рассчитано на такое разрушение. Однако имеются две дополнительные переменные, которые нужно учесть. Во-первых, материалы переходят от хрупкого состояния к вязкому при понижении температуры. Это наиболее заметно для углеродистых сталей и менее заметно для нержавеющих сталей (у которых температура перехода ниже). Во-вторых, имеется зависимость между жесткостью (склонностью к быстрому развитию трещины) и прочностью на растяжение материала. Материалы, которые очень прочные и твердые, склонны к хрупкому разрушению (например, закаленные сверла), тогда как менее прочные материалы (например, мягкая сталь) склонны к вязкому разрушению. Следует подчеркнуть, что сварка это процесс, который меняет как состав, так и тепловую историю материалов и может привести к охрупчиванию. Сварку нельзя применять для элементов, работающих под давдением свыше 50 МПа, если только очень тщательные металлургические исследования не покажут, что это возможно.
Высокобарические системы часто должны быть выполнены из высокопрочных материалов, которые хрупки и могут отказать под воздействием хрупкого разрушения. В большинстве случаев системы, работающие под давлением выше 0,1 ГПа, должны быть ограждены, как и многие газонаполненные системы, работающие при более низких давлениях.
Циклические изменения давления в элементе могут привести к усталостному разрушению. Датчики давления, применяющие тонкие мембраны или трубки, отклонение которых измеряют, особенно чувствительны к такому типу разрушения. Необычные условия циклических нагрузок могут иметь место вблизи возвратно-поступательных насосов или компрессоров. При этих условиях датчики должны быть оснащены амортизаторами (гидравлическими демпферами) для минимизации амплитуды пульсаций.
Трещинообразование под воздействием окружающей среды (под влиянием коррозии) является следствием химического взаимодействия между металлом сосуда или элемента и рабочей жидкостью, когда элемент находится под давлением (нагрузкой). Большинство жидких растворов, содержащих ионы хлора, приводят к трещинам как в углеродистой, так и в нержавеющей стали. Воздействие ртути может приводить к жидкометаллическому охрупчиванию углеродистых сталей, латуни, алюминия или монель-металла. Рост таких трещин может привести к хрупкому разрушению. Трещинообразование под воздействием окружающей среды часто связано с усталостным разрушением и оно инициирует формирование излома, который распространяется при циклическом нагружении. Это одна из частых причин низко-цикловой усталости. Временной период отказа может меняться от нескольких часов и до нескольких лет.
- Контрольно-измерительные приборы и регулирование
Поскольку измерение давления часто связано с приложениями критичными к безопасности, следует учитывать влияние человеческого фактора при отображении значений измеряемых давлений. Анализ этого вопроса имел место в связи с аварией на АЭС Три Майл Айленд в США, когда отсчет значений измеренных величин давления явился критическим фактором. Человеческий фактор влияет на эксплуатацию всех типов контрольно-измерительных приборов и не только на манометры. Было установлено, что, в общем случае, лучше использовать цифровые и алфавитно-цифровые индикаторы, когда решающим фактором является точность отображения измеряемых величин. Аналоговые индикаторы лучше, когда нужно наблюдать изменения давления. В том и другом случае, нужно всегда избегать использования приборов с двумя видами шкал измерения, потому что можно сделать отсчет величины давления не по той шкале. То же самое относится к приборам с переключателями для переключения единиц измерения.
Особое внимание нужно уделять выбору методов измерения давления, применяемых в системах управления давления. Номинальное давление прибора должно быть таковым, чтобы он мог безопасно работать с любыми переходными давлениями, а также с установленной точечной величиной. Для преобразователей лучше всего, если передаточная функция замкнутого контура системы будет таковой, чтобы отклик преобразователя на ступенчатый входной сигнал была бы критически затухающим или сверхзатухающим, чтобы избежать значительных выбросов или нестабильностей. В этом смысле, ситуация складывается гораздо более критическая при высоких давлениях, чем при низких. Например, 10 % выброс на 10 МПа (т.е. 1 МПа) можно легко учесть, тогда как аналогичный выброс при 1 ГПа (т.е. 100 МПа) представляет собой серьезную опасность. Причиной этого является то, что при более низких давлениях (например, 10 МПа) в нормативы расчета конструкций сосудов, работающих под давлением, вводится запас прочности по давлению, равный, примерно, 4-кратному расчетному давлению. Для оборудования, работающего под давлением 1 ГПа, запас прочности может быть лишь 10%, так что ожидаемое давление разрыва будет в 1,1 раза больше реального рабочего давления.
Чистота является условием безопасности, это особенно важно при работе с сильно окисляющими агентами, такими,как кислород, фтор, хлор, азотная кислота (пары) и перекись водорода.
9.5.5 Транспортировка ртутных барометров
Транспортировка ртутных барометров должна осуществляться с большой осторожностью, чтобы избежать нарушения их метрологических свойств и не подвергать людей и окружающую среду влиянию токсичных испарений. Они должны быть упакованы в пластиковую непроницаемую тару, устойчивую к прорыву, и не должны вверяться обычным коммерческим средствам перевозки.
Барометры Фортина имеют стеклянные трубки, которые можно разбить, если ртуть будет в них колебаться вверх и вниз, например, во время ходьбы при вертикальном положении барометра .
Стационарные барометры Кюи не имеют осевого винта, но с ними нужно обращаться иначе , чем с барометрами Фортина и поворачивать их, пока они не примут горизонтальное положение или вверх дном.
Станковые барометры Кюи такие же чувствительные. Перед транспортировкой ртуть в трубке должна быть изолирована от атмосферы либо с помощью почти пустой трубки, либо почти полной. Для этой цели в некоторых конструкциях предусмотрены винты уплотнения для транспортировки , но уплотнения порта давления будет достаточно. В случае, когда во время транспортировки трубка барометра полная, требуется дополнительная упаковка между трубкой и рамой барометра. Затем возможна транспортировка в обычном вертикальном положении.
Риск утечки можно уменьшить, раположив ртутные барометры в тех местах, где их нельзя случайно с легкостью повредить.
10 Примеры вычислений
10.1 Соотношения между единицами измерений.
Соотношение между паскалем и некоторыми другими единицами давления приведены в табл. 4.2 в секции 4.2.3. Кроме того , ниже приведены примеры перехода к разным единицам. Говоря о числе значащих цифр, используемых для представления результата преобразования , следует помнить , что большинство основынх коэффициентов преобразований не точны сами по себе, как отмечено в секции 4.2.3. В общем, есть небольшой нюанс, связанный с представлением результата преобразования с большим количеством значащих цифр , чем это нужно , исходя либо из точности начальной величины, либо из погрешности измерения, связанной с этой величиной. Так, в зависимости от конкретных условий , не всегда необходимо задействовать полную точность коэффициентов преобразования.
Пример: преобразование из mbar в паскали
По таблице 1 mbar = 100 Pa (точно)
поэтому
- mbar = 997.2 * 100 Pa = 99 720 Pa = 99.72 kPa
4 значащих цифры пятая значащая цифра здесь необходима ,
но она не является значащей и не дает большей точности
Пример : перевести две близких величины миллиметров ртутного столба в паскали.
Из таблицы 1 мм рт. ст. = 133.322.... Па
Поэтому 2.896 мм рт. ст. = 2.896 * 133.322 Па = 386.100512 Па
и 2.897 мм рт. ст. = 2.896 * 133.322 Па = 386.233834 Па
наименьшие значащие цифры цифры , значащие меньше ,
отличаются всего лишь на 1 чем 1 в 4000, не значащие
(примерно как 1 относительно 3 000)
Пример: преобразовать паскали в фунты силы на кв. дюйм
Из таблицы 1 фунт силы на кв. дюйм = 6 894.76... Па
поэтому 99.631 кПа = 99.631 * 1000 6 894.76 фунт/ дюйм2 =14.450249 фунт/дюйм2
наименьшая значащая цифра частица кило не нужно
представляет примерно
1 часть от 100 000
Пример: преобразовать дюймы рт. ст. в килограммы силы на кв. см.
Из таблицы 1 дюйм рт. ст. = 3 386.39.... Па
и 1 кг силы/ см2 = 98 066.5 Па (точно)
Поэтому 29.471 дюйм рт. ст. = 29.471 * 3 386.39 Па
= 29.471 * 3 386.39 98 066.5 кг/см2 = 1.017 68 кг/см2
-
наименьшая значащая цифра наименьшая значащая цифра
представляет примерно представляет примерно
1 часть в 30 000 1 часть в 100 000
10.2 Сравнительная характеристика процента от показания и процента от всей шкалы
Неопределенности измерений , получаемых с помощью приборов измерения давления, часто выражаются одним из двух способов – как процент от показания либо показания, выраженные в процентах от всей шкалы, - и при этом различия могут быть весьма значительными, особенно при работе с давлениями, значительно меньшими , чем предел шкалы.
Преобладающие неопределенности прибора очень часто являются константами – некое число паскалей, например. Это означает, что они не изменяются с изменением давления. Выражение такой ‘фиксированной’ неопределенности измерений как части величины давления (а это обычно то, что желает знать большинство пользователей), однако, приводит к очень большим числам; в самом деле, при нулевом давлении неопределенность, выраженная как процент от показания, не определена! В спецификациях неопределенности иногда выражаются как процент от всей шкалы, а это может привести к неправильному завышенному восприятию характеристик прибора. В табл. 10-1 приведены неопределенности измерений давления, в первом случае представленные как 1% полной шкалы, а во втором как 1% показания. В области, отмеченной стрелками, прибор , характеризующийся неопределенностью 1% относительно полной шкалы, вероятно не будет давать значащие измерения. Те же данные представлены графически на рис. 10-1.
Таблица 10-1 Пример сравнения двух общих методов выражения неопределенности
| Различные значения ‘1% неопределенности’ | ||||
| Показания прибора в единицах давления (т.е. Паскали) | ‘процент от полной шкалы’ | “процент от показания” | ||
| Неопределенность в единицах давления (Паскали) | Эквивалент в “процентах от полной шкалы” | Неопределенность в единицах давления (Паскали) | Эквивалент в “процентах от показания” | |
| 1000 500 100 50 10 5 0 | 10 = 1% 5 = 0.5% 1 = 0.1% 0.5 = 0.05% 0.1 = 0.01% 0.05 = 0.005% 0.00 = - | 10 = 1% 10 = 2% 10 = 10% 10 = 20% 10 = 100% 10 = 200% 10 =  | ||
- Коррекция гидростатического уровня.
Давление в среде, будь-то газ, или жидкость, изменяется в зависимости от высоты. Не имеет значения, находится ли среда в трубке или она менее ограничена, как , например, атмосфера или море - до тех пор, пока действует сила тяжести.
Если необходимо определить величину давления на высоте , отличной от высоты , на которой расположен измерительный прибор, должно быть сделано допущение для перемежающихся гидростатических уровней (иначе называемые высоты напора среды). Давление на высоте H метров выше уровня измерительного прибора
пересчитывается по формуле
где Ph - давление на уровне Н метров выше уровня измерительного
прибора
Рi - давление , измеренное прибором
- - плотность среды кг/м3
g - гравитационное ускорение м/с2
Н - высота в метрах над измерительным прибором в точке определения давления
U - коэффициент пересчета гидростатического уровня из паскалей в требуемые единицы.
Это выражение действительно для небольших разностей высот. Внутри зданий оно может быть использовано для вычисления разности значений атмосферного давления между этажами, но при условии, что не существуют никаких другие факторы, вызывающие разность давлений, такие, как ветер, вентилятор и т.д.
Жидкости для лучшего приближения считаются несжимаемыми. Таким образом коррекция для жидких систем может быть выражена в терминах разности давлений на единицу высоты. Например, ее значение для воды грубо равно 10 к Па на метр. Газы сжимаемы, таким образом коррекция зависит от давления и может быть выражена как соотношение значений давления; очень грубо 1 часть в 10 000 на метр при атмосферном давлении.
11РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА
- Британские и международные стандарты
[1] ISO 3529/1-1981 Вакуумные технологии – Словарь – часть 1: Общие определения.
[2] ISO 3529/3-1981 Вакуумные технологии – Словарь – часть 3:
Вакуумные приборы.
[3] ISO 10012-1: 1992 Требования к гарантиям качества для измерительных систем – часть 1: Системы метрологического подтверждения для измерительной техники.
[4] BS 1780: 1985 Британский стандарт – Спецификации трубчатых манометров для давления и вакуума
[5] BS 2520: 1983 Британский стандарт – Соглашения по барометрам, таблицы, применения и использование.
[6] BS 5233: 1986 Британский стандарт – Словарь терминов, используемых в метрологии.
[7] BS 6134: 1991 Британский стандарт – Спецификации для переключателей давления и вакуума.
[8] BS 6174: 1982 Британский стандарт – Спецификации для трансмиттеров дифференциального давления с электрическими выходами.
[9] BS 6739: 1986 Британский стандарт – Правила эксплуатации оборудования в автоматизированных системах управления технологическими процессами: установка, конструкции и использование.
[10] BS EN 60529: 1992 Британский стандарт – Спецификации для степеней защиты , обеспечиваемой ограждениями (код IP).