Руководство по измерению давления и вакуума

Вид материала

4. Единицы измерения и их преобразования
5. Методы измерений
Британский Стандарт -Барометрические соглашения, их приложения и использование
Т Рис. 5-7. Трубчатый манометр с круговой шкалой рубчатый манометр с круговой шкалой

Подобный материал:

1 2 3 4 5 6 7 8 9 ... 12

4. ЕДИНИЦЫ ИЗМЕРЕНИЯ И ИХ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ

4.1 Исторические единицы давления

К сожалению, существует множество единиц измерений давления и вакуума, которые вызывают значительные проблемы в равной степени как у новичков, так и у опытных практиков. Хотя, к счастью, на самом деле все обстоит проще, т.к. устаревшие и неопределенные единицы уступают место единице давления СИ (смотрите раздел 4.2).

Множество старых единиц давления имеет очевидные практическое и историческое начало; например, дюймы воды была единица, используемая там , где давление мерялось с помощью столба воды, поверхность вершины которого рассматривалась на фоне шкалы дюймов. Сначала точности измерений, требуемые от таких систем, согласовывались с довольно грубыми методиками измерений, и никто особенно не беспокоился, была ли вода горячая или холодная. Поскольку возросли технологические требования, возникла потребность в более совместимых единицах; определения были усовершенствованы для того, чтобы учесть изменения плотности жидкости, связанные с изменениями температуры и наличием примесей, изменением гравитационного ускорения и т.д., и были значительно усовершенствованы математические модели измерительных инструментов. Например, в одной традиционной конструкции ртутного барометра были ( и все еще остаются) приняты в расчет различия в дифференциальных расширениях ртути в столбике, стекла, из которого сделан столбик, меди, из которой изготовлена шкала и стального резервуара.

В математике, применяемой для расчета более точных значений давления по показаниям прибора, часто использовались случайные значения данной величины, но , к сожалению, изготовители часто выбирали другие значения. Для температуры это должны были быть 0⁰ С или 68 ⁰F; для гравитационного ускорения это должно было быть значение, связанное со стандартными условиями или значение , ? ‘полезно’ модифицированное так, чтобы учесть местоположение, такое, например, как условия Лондонской лаборатории. В некоторых барометрах даже использовались различные условия для смежных шкал, делая невозможным правильное сравнение этих шкал!

Однако, даже с усовершенствованием определений и использованием математики многие традиционные единицы не могли применяться при ограничениях современной технологии - их определения просто не являются адекватными и не могут быть сделаны таковыми.

4.2. Интернациональная система единиц и размерностей давления

4.2.1. Введение

Интернациональная система единиц, известная как система СИ, является согласованной системой, принятой и рекомендованной Генеральной конференцией по весам и мерам (CGPM). Она базируется на семи основных величинах: длина, масса, время, электрический ток, термодинамическая температура, количество вещества и сила света.

Давление не является основной величиной, это производная величина, имеющая размерность длины , массы и времени. Это может быть продемонстрировано путем рассмотрения двух основных способов измерения давления: непосредственно в терминах сила -на- единицу площади и с помощью столбов жидкости.

Давление определяется как сила на единицу площади, но сила=массаускорение (Второй закон Ньютона) и ускорение есть скорость изменения скорости. Следовательно, если давление-это сила/площадь, то оно равно (массаскорость изменения скорости)/площадь. Получаем размерность давления массадлина/(время²длина²), которая упрощается до масса/(длинавремя²) или M.L^-1.T^-2. Следовательно, из определения может быть показано, что давление -это производная величина от трех основных величин: массы, длины и времени.

Давление столба жидкости вычисляется путем перемножения плотности жидкости, ускорения свободного падения и высоты столба (gh). Поскольку плотность- это масса/объем, то она имеет размерность масса/длина³. Ускорение- это скорость изменения скорости, таким образом , его размерность длина/время². Вертикальное расстояние- это просто длина, значит, произведение gh имеет размерность масса/длина³длина\время²длина, которая упрощается до M.L^-1.T^-2 и тождественна размерности сила/площадь, вычисленной выше в (i).

4.2.2 Единица давления в СИ

Единицей давления СИ является паскаль, сокращенно Па, название, данное давлению равному один ньютон на один квадратный метр (N/m²). Если представить один квадратный метр легко, то один ньютон труднее , но грубо он равен вертикальной силе, действующей на руку, в которой находится маленькое яблоко (в предположении, что тот, кто держит яблоко, стоит на поверхности земли!). что касается повседневной жизни, то один паскаль-это очень маленькая величина, атмосферное давление приблизительно 100000 Па. На дне полной кастрюли с водой давление, благодаря глубине воды, будет приблизительно на 1000 Па больше , чем на поверхности воды (независимо от диаметра кастрюли).

Чтобы избежать громоздких цифр множители 10³ или 0.001 обозначаются приставками такими, что, например, 100000 Па (10⁵ Па) можно записать как 100 кПа или 0.1 МПа. Некоторые из этих приставок показаны в таблице 4-1.

Таблица 4-1 Десятичные и кратные доли в СИ

Приставка СИ	Сокращение	Множитель	Научная запись
Гига	G	1 000 000 000	10⁹
Мега	M	1 000 000	10⁶
кило	k	1 000	10³
милли	m	0.001	10^-3
микро		0.000 001	10^-6
нано	n	0.000 000 001	10^-9

4.2.3. Единицы давления и переводные коэффициенты

В таблице 4-2 показана связь между паскалем и некоторыми другими единицами давления, но заметьте, что не все они выражаются или могут быть выражены точно. Римские цифры верхнего индекса в таблице относятся к примечаниям, которые следуют за ней. Заметьте также, что термин стандартная атмосфера не является единицей давления.

Таблица 4-2 Единицы давления и переводные коэффициенты

Единица	Символ	Количество паскалей
паскаль	Па	1
бар	бар	110⁵ (точно)
миллибар^(I)	мбар	100 (точно)
гектопаскаль^(I)	гПа	100 (точно)
традиционный миллиметр ртутного столба^(II,III)	мм рт. ст.	133..322
традиционный дюйм ртутного столба^(II,III)	дюйм рт.ст.	3 386..39
дюйм водяного столба^(III,IV)	дюйм водяного столба	от 248.6.. до 249
Торр^(v)	торр	101 325/760 (точно)
килограмм-сила на квадратный сантиметр	кг-сила/см²	98 066..5 (точно)
фунт-сила на квадратный дюйм^(vi)	фунт-сила/дюйм²	6 894.76

миллибар и гектопаскаль Согласно 8-му Конгрессу Всемирной Метеорологической Организации с 1 января 1986 года термин гектопаскаль (гПа) используется в метеорологических целях вместо численно равного ему миллибара (мбар). Несмотря на тот факт , что гекто (100) не является предпочтительным кратным в системе СИ, это решение было принято, чтобы избежать необходимости изменять численные значения на барометрических шкалах.
миллиметры и дюймы ртутного столба Обычный миллиметр ртутного столба (мм.рт.ст.) и обычный дюйм ртутного столба (дюйм рт. ст.) определены в терминах давления, производимого столбом ртути единичной длины и с заданной плотностью 13 595.1 кг/м³ при 0⁰С и стандартной гравитации 9.806 65 м/с². (Смотрите примечание (iv) ниже и [5] BS 2520: 1983 Барометрические соглашения, их приложения и использование).
манометрические единицы Определения так называемых ‘манометрических’ единиц, таких, как миллиметры ртутного столба или дюймы ртутного столба , зависят от полагаемых плотности жидкости , гравитационного ускорения, предположений, которые сами по себе делают связи с паскалем неочевидными. Для поощрения отмирания единиц, не входящих в СИ и определения которых становятся неадекватными для большинства точных измерений давления, предпринимаются международные усилия для того, чтобы исключить их из таблиц переводов или, в то же самое время, ограничить точность вновь издаваемых переводных коэффициентов.
дюйм водяного столба Традиционный дюйм водяного столба (дюйм водяного столба) определяется в терминах давления, производимого столбом воды единичной длины с заданной плотностью 1 000 кг/м³, на который действует гравитация 9.806 65 м/с². Как и в случае с другими определениями ‘манометрических’ единиц (смотрите примечание (iii) выше) это определение само по себе делает связь с паскалем неочевидной. Более того, существуют несовместимые при использовании определения, которые ведут к различию между значениями давления до 2%. Это может привести к серьезным погрешностям и использование единицы настоятельно не рекомендуется. Диапазон значений, данный в таблице 4-2, отражает проблему.
торр Торр определяется как точно 101 325/760 Па- ‘760’ идет от начального и произвольного определения стандартной атмосферы. Его значение отличается от обычного миллиметра ртутного столба на приблизительно 1/7000 000 часть. (Смотрите [5] BS 2520: 1983 Барометрические соглашения, их приложение и использование)
фунт-сила на квадратный дюйм. Правильное сокращение для фунт-силы на квадратный дюйм -фунт-сила/дюйм². Многие приборы, использующие эту единицу, имеют маркировку psi. Однако, маркировка неправильно описывается как означающая фунты на квадратный дюйм- с пропущенным словом сила. Это существенная понятийная ошибка, т.к. фунт-это масса, а не сила.
стандартная атмосфера Современное определение стандартной атмосферы (атм) 101 325.0 Па точно. Оно все еще иногда используется в определении эталонной окружающей среды, например, для определения плотности газа. Но это не единица давления и ее не следует использовать для выражения значений давления.

5. МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЙ

5.1 Введение

В приборах измерения давления реализован ряд различных принципов. Некоторые из них, такие как измерение столба жидкости известной плотности, являются фундаментальными. Один из таких примеров -ртутный барометр, в котором атмосферное давление уравновешивается ртутным столбиком. Эта идея получила свое развитие, когда стали использовать металлические грузы, действующие на известную площадь с силой, большей, чем вес жидкости, для измерения больших давлений.

Часто давление может определяться путем измерения механической деформации гибкого элемента в результате изменения давления вдоль его поверхности. Механические изгибы могут быть реализованы и отслежены несколькими способами. Наиболее распространенный - это эластичная диафрагма. Другой пример - трубчатый манометр, в котором внутреннее давление вызывает распрямление его искривленной формы.

Подобные механические деформации могут быть отслежены разными способами: последовательностью механических передач для непосредственного отображения величины деформации, измерением сопротивления в устройстве растяжения, измерением емкости, измерением изменений в частоте резонирующего элемента, подвергающегося растяжению или сжатию и т.д.

Если давление очень мало и, следовательно, малы механические перемещения, которые должны быть измерены, применяются непрямые методы измерений, основанные на измерении физических свойств, зависящих от плотности молекул: теплопроводности, ионизации или вязкости.

На рисунке 5-1 показана возможная классификация методов измерений.

Анероидный барометр

Кварцевый

кристалл

Эксцентрическая труба

Ионизация

Принципы измерений

Прямые

Механическая

деформация

Баланс давлений

Столб жидкости

Диафрагма

Трубчатый манометр

Мехи

/капсулы

Пьезоэлектрические

Резистивные

Газ

Ртутные барометры

Манганин

Гидравлика

Водяные манометры

Емкостные манометры

Пьезо-резистивный датчик леформации

Индуктивная

Частота - растяжение

Простой

Спиральный

Винтовой

Другие

жидкости

Косвенные

Тепловая проводимость

Вязкость

Горячий катод

Холодный катод

Пирани

Прибор с вращаюшимся ротором

Байярд-Альперт

Триод

Осциллирующие электроны

Инвертированный магнетрон

Термопара

Рис. 5-1. Классификация методов измерения

Приборы жидкостного столба

5.2.1. Введение

Одним из наиболее ранних методов измерения и до сих пор одним из наиболее точных является метод, основанный на способности сжимаемой среды поднимать жидкость в трубе.

М

анометр, показанный на рисунке 5-3, по сути представляет собой трубу U-формы, наполненную жидкостью , в которой разница вертикальных уровней связана с разницами давлений в каждом колене. На уровне d давление L , действующее сверху вниз, создается жидкостью выше этого уровня плюс давление p₂ наверху трубки. В состоянии равновесия столбик жидкости поддерживается давлением, действующим снизу вверх, которое передается через жидкость из другого колена. Если давление в цоколе, либо в колене меняется, жидкость поднимается на одной стороне и опускается на другой до тех пор, пока снова не установится состояние равновесия.

Давление p₁ в той части трубки, где жидкость ниже, выражается как

p₁=gh+p₂ ,(3)

где h - высота столба жидкости выше уровня d;

 - плотность жидкости;

g - местное значение гравитационного ускорения.

Рис. 5-3.

Если верхняя труба сообщается с атмосферой (p₂= атмосферному давлению), то p₁- относительное давление; если верхняя трубка изолирована (т.е. p₂=0), то p₁=абсолютное значение давления, и прибор в этом случае становится барометром.

В различных вариациях манометров используются ртуть, вода и масло, хотя в барометрических приложениях всегда используется ртуть. Ее плотность более, чем в 13 раз превышает плотность воды и масла и таким образом, для данного давления требуется столбец намного короче -около 0.75 м для измерения атмосферного давления. Кроме того, ее плотность значительно стабильнее плотностей других жидкостей. Низкие относительные и дифференциальные давления традиционно измерялись с помощью водяных или масляных столбов для достижения адекватной чувствительности. Повышение чувствительности манометра подразумевает, что жидкость должна подниматься выше для достижения данного вертикального момента. Обычно единицами данного типа измерений были дюймы воды или миллиметры воды, но как единицы они плохо определены, и их дальнейшее использование было ограничено (смотрите раздел 4.2.3)

5.2.2 Ртутные барометры с трубками большого диаметра

Построенные по индивидуальным заказам ртутные барометры с трубками большого диаметра, использующие различные оптические , емкостные, ультразвуковые или индуктивные методы для определения положения поверхности ртути , применяются повсеместно национальными лабораториями в качестве первичных и национальных эталонов. Наиболее точные ртутные столбики используют трубки большого диаметра (несколько десятков миллиметров) для уменьшения капиллярной депрессии мениска и других эффектов натяжения поверхности Погрешности определения давления могут составить несколько миллионных долей, но следует соблюдать особую осторожность в определении температуры ртути (обычно точность  0,005⁰С), плотности ртути (смотрите[35]), соблюдении вертикальности систем, измеряющих в вертикальной плоскости, выборе значения местного гравитационного ускорения (смотрите раздел 9.1.10).В продаже имеются приборы с немного меньшими функциональными возможностями с диапазоном до 310⁵Па. Однако, они самые дорогие среди всех инструментов измерения давления.

Ниже приведены описания двух точных ртутных барометров.

5.2.3. Барометры Фортина

Барометры Фортина (рис. 5-4) измеряют давление только в нормальном атмосферном диапазоне. Измерения высоты столба ртути проводятся с использованием верньера, нулем шкалы которого является отправная точка отсчета, установленная в резервуаре. Уровень ртути в резервуаре может повышаться или понижаться путем поворота осевого винта, в результате чего сжимается кожаный мешок до тех пор, пока поверхность ртути не совпадет с точкой отсчета. Не критичен к точному количеству ртути. Атмосферный воздух проникает через пористое вещество в крышке резервуара. Данные барометры являются традиционными инструментами, которые нуждаются в транспортировке с особенной осторожностью (смотрите раздел 9.5.5) и калибровке путем полного погружения (смотрите раздел 7.7).Несмотря на ручное управление, барометры очень надежны. Кроме калибровочных поправок для показаний верньера необходимо учитывать температурные поправки и поправки на местное значение гравитационного ускорения.

П
Рис. 5-4
одробно информация об этих поправках дана в [5] BS 2520: 1983 Британский Стандарт -Барометрические соглашения, их приложения и использование).

Ртутные барометры следует транспортировать с чрезвычайной осторожностью (смотрите раздел 9.5.5).

Барометр модели Кюи (Kew)

Один вариант барометра модели Кюи (Рис. 5-5), известный как стационарный барометр, является похожим на барометр Фортина за исключением того, что он имеет фиксированный резервуар и для компенсации изменения высоты поверхности ртути резервуаре в связи с изменениями атмосферного давления шкала немного сокращена.

Настольные барометры модели Кюи используются без предварительной подготовки и измеряют давления от нескольких миллибар до значений атмосферного давления. Они используют порт давления и поэтому не нуждаются в калибровке полным погружением.

Количество ртути в любой конструкции барометра модели Кюи критично для его работы.

Подробно информация об этих поправках дана в [5] BS 2520: 1983 Британский Стандарт -Барометрические соглашения, их приложения и использование).

Р
Рис. 5-5
тутные барометры следует транспортировать с чрезвычайной осторожностью (смотрите раздел 9.5.5).

Приборы механической деформации

Введение

Если к деформирующему элементу приложено давление, то он будет двигаться. Чтобы подобный датчик давления имел практическую значимость, движение должно быть достаточно малым, чтобы оставаться в рамках предела упругости материала, но достаточно большим, чтобы его можно было определить с достаточным разрешением. Следовательно, тонкие гибкие компоненты используются при низком давлении и более толстые и жесткие -при высоких давлениях. Существует несколько методик, используемых для определения степени отклонения. Это ряд методик от механического расширения, приводящего к видимому отклонению стрелки или светового пучка, до электронных методов определения.

Приборы, перечисленные ниже, не исчерпывают все многообразие подобных устройств, но представляют те из них, которые могут быть с легкостью найдены и широко используются в промышленности.

Рис. 5-6.

Элементы механической деформации
1. Диафрагмы

На неподвижно закрепленную мембрану будет действовать сила при условии, что существует разница давлений между сторонами.

Удобство и легкость изготовления требует, чтобы они были круглыми, хотя возможны и другие формы. Разница давлений приведет к отклонению диафрагмы с максимальным отклонением в центре и это отклонение может быть измерено множеством механических и электронных датчиков. Впервые это явление было использовано для измерения давления Шаффером в 19 веке. Поскольку центр отклоняется, поверхность диафрагмы сжимается и может показать на одной стороне напряжение сжатия вокруг внешнего края и напряжение растяжения вокруг центральной части диафрагмы. Такая конфигурация напряжений может быть определена с помощью датчика растяжений , и по этой информации может быть вычислено давление.

5.3.2.2 Капсулы

В общих чертах , капсулы сделаны из пары диафрагм, соединенных своими внешними краями. Одна из них будет иметь центральное соединение , через которое подаются давление, и движение центра другой диафрагмы относительно первой определяется чувствительным элементом любого типа. Очевидно, что соединение двух диафрагм в одно целое должно увеличить отклонение в два раза . Стеки капсул сделаны из множества капсул, соединенных по центру и, как правило, имеющих отверстие в середине. Большее количество стеков подразумевает и большее перемещение, но вместе с тем и больший вес и большую неустойчивость. Один из видов капсул используется в барометрах-анероидах. В барометре - анероиде она может быть одиночной или составным стеком , из нее частично откачивается воздух, и она опечатывается. Увеличение внешнего давления вызывает сжатие стека, и это перемещение определяется чувствительным элементом. Другим видом является вложенные капсулы, в которой две диафрагмы скреплены таким образом, что при увеличении внешнего давления они двигаются свободно по направлению друг к другу, но при чрезмерном давлении они в конце концов вкладываются друг в друга. Это позволяет им выдерживать без повреждений перегрузки в давлении.

5.3.2.3 Мехи

Между капсулами и мехами очевидной разницы не существует, но мехи обычно имеют множество секций, соединенных последовательно, и как правило, складки малы по сравнению с диаметром. Мехи могут быть раскатаны из трубы, сформированы под давлением или собраны из сваренных элементов. Иногда они называются стеками капсул.

5.3.2.4 Трубчатые манометры

Впервые разработанные в середине девятнадцатого века трубчатые манометры с их стрелками и шкалами, управляемыми реечным приводом, все еще широко используются. Существуют разнообразные конструкции, но обычной формой является закрытая труба с овальным поперечным сечением, изогнутая вдоль всей длины. Находящаяся под давлением труба стремится выпрямиться и датчик обнаруживает это движение. Они могут быть сконструированы для работы в широком диапазоне давлений и в абсолютном и относительном режимах. Имеются простая ‘С’ - форма, спиральные и винтовые формы. В общем перемещение конца определяется электронным способом с помощью кварцевых спиральных приборов. Обычные материалы , из которых изготавливаются составные части , различные металлы , вплавленный кварц и др. в зависимости от диапазона давления и совместимости со средой.

5.3.2.5 Цилиндры

Когда внутрь цилиндрической трубки нагнетается давление , оно воздействует на стенки, вызывая растяжение внешней поверхности трубки. Этот эффект может быть оценен путем подсоединения резистивных датчиков деформаций к внешней поверхности трубки. В продаже имеются приборы для измерения давлений до 1ГПа. Вместо использования отдельного цилиндра обычной практикой является подсоединение датчиков деформаций к внешней стенке сосуда давления, с тем чтобы сосуд сам по себе мог быть использован как элемент деформации.

Другой вид устройств измерения давления цилиндрического типа, подходящий для использования под высоким давлением, может быть изготовлен из стержня круглого сечения , в котором по его длине , но не насквозь, параллельно, но не по оси симметрии просверлено отверстие. При подаче внутрь давления будет происходить движение конца цилиндра, как и в трубчатых манометрах. Это движение может быть обнаружено таким же путем , как и в трубчатых манометрах с круговой шкалой.

Обнаружение механической деформации

Природа методик обнаружения и связанные с ними инструменты влияют на работу трансдьюсера. Существует много комбинаций деформирующих элементов и методик обнаружения, каждая из них имеет свои преимущества и недостатки. В большинстве случаев верхний предел давления будет определяться ограничениями подвижного элемента, а не методикой обнаружения.

Электронная обработка выходного сигнала может обеспечить цифровое разрешение, которое нельзя получить со стрелками и шкалами независимо от их величины. Например, шкала длиной 1 метр с ценой деления 0.5 мм дает разрешение  0.05 % (от всей длины шкалы) или 5 частей в 10000. Лучшее разрешение может быть получено на цифровом дисплее всего с 4 разрядами (хотя строго он должен иметь ‘один и четыре девятки’, чтобы получить значение ‘10000’). Однако, не следует полагать, что приборы с цифровыми дисплеями должны быть более точными, чем аналоговые, потому что часто это не так. Большинство датчиков являются наследственно аналоговыми по своей природе, приборы механической деформации несомненно тоже. И их аналоговые выходные сигналы необходимо преобразовывать в цифровую форму. Все аналого-цифровые преобразователи (известные как ‘A в Ds’) вносят дополнительные ошибки и в дешевых приборах они могут быть значительными. Также существует инстинктивное, но ошибочное мнение, что цифровые приборы не претерпевают дрейф характеристик подобно аналоговым.

Механический индикатор

Эти приборы используют прямой механический индикатор движения трубчатого манометра, диафрагмы или стека капсул.

Т

рубчатые манометры с круговой шкалой и диафрагмы с круговой шкалой являются самыми широко используемыми в режиме измерения относительного давления, но также могут использоваться для измерения дифференциальных давлений и абсолютных давлений при реализации в опечатанных корпусах. В случае трубчатого манометра дифференциальные измерения осуществляются использованием второй трубки, перемещение которой механически вычитается из главной трубки. В случае диафрагмы с круговой шкалой дифференциальное давление прикладывается к диафрагме. Оба прибора могут быть использованы для абсолютных измерений путем усовершенствования режима дифференциального давления таким образом, чтобы одна сторона реагировала на изменения в атмосферном давлении, позволяя таким образом имитировать абсолютные измерения.

Т
Рис. 5-7. Трубчатый манометр с круговой шкалой
рубчатый манометр с круговой шкалой состоит из трубки эллиптического сечения, согнутой в виде дуги. При подаче давления внутрь трубки, последняя стремится к выпрямлению. Это перемещение и усиливается механически передачами и рычагами и передается указателю. Трубчатый манометр работает в диапазоне давлений до 1.5 ГПа. Типичная конструкция показана на рис. 5-7.

Blog

Руководство по измерению давления и вакуума