Geum.ru

Курс лекций для студентов специальности 140104 «Промышленная теплоэнергетика»

Вид материалаКурс лекций

Содержание


11.2. Средства измерения давления и разности давлений
Подобный материал:
1   ...   4   5   6   7   8   9   10   11   ...   14

11.2. Средства измерения давления и разности давлений


Измерение давления необходимо практически в любой области нау­ки и техники как при изучении происходящих в природе физических процессов, так и для нормального функционирования технических уст­ройств и технологических процессов, созданных человеком. Давление определяет состояние веществ в природе (твердое тело, жидкость, газ). Чрезвычайно многообразно применение давления в науке, технике и производстве. Энергетические возможности тепло- и гидроэлектростан­ций и атомных электростанций определяются давлением пара или воды на полости турбин, под действием давления по каналам и трубопроводам на тысячи километров транспортируется вода, нефть и газ. Во многих отраслях науки при проведении физических, термодинамических и метрологических исследо­ваний (определение концентрации газов в твердых веществах, констант уравнений состояния различных веществ, эталонные температурные и ли­нейные измерения) также требуется измерять давление.

Давление характеризует напряженное состояние жидкостей и газов в условиях всестороннего сжатия и определяется частным от деления нормальной к поверхности силы на площадь этой поверхности

р = N/F

где р — давление; N — нормальная сила, действующая на поверхность; F — площадь поверхности.

При этом принимается, что нормальная сила равномерно распределе­на по поверхности, а в жидкости или газе отсутствуют касательные на­пряжения. Так как действующая сила всегда перпендикулярна к поверх­ности вне зависимости от ее расположения, то давление является скаляр­ной величиной.

Приборы, предназначенные для измерения и контроля давления и разности давлений, называются манометрами. Они подразделяются на барометры, манометры избыточного, вакуумметрического и абсолютного давлений, дифференциальные манометры, напоромеры, тягомеры, тягонапоромеры. Кроме показывающих и самопишущих манометров промышленностью выпускаются измерительные преобразователи давлений и перепада давлений – бесшкальные приборы, предназначенные для получения унифицированного сигнала о давлении жидкостей, газов и пара.

Манометр — измерительный прибор или измерительная установка для измерения давления или разности давлений с непосредственным от­счетом их значения. Измерительный преобразователь давления (датчик) — первичный преобразователь, выходной сигнал которого функционально связан с из­меряемым давлением или разностью давлений. Выходной сигнал датчика вторичными приборами преобразуется в показания значения давления или поступает в различные системы управления и регулирования.

В соответствии с видами измеряемого давления применяют следую­щие виды средств измерения давления: манометр абсолютного давле­ния — манометр для измерения абсолютного давления; барометр — ма­нометр для измерения атмосферного давления; манометр избыточного давления — манометр для измерения положительного избыточного дав­ления, вакуумметр - манометр для измерения отрицательного избыточного давления; мановакуумметр — манометр для измерения как поло­жительного, так и отрицательного избыточного давления; дифферен­циальный манометр (дифманометр) - манометр для измерения разнос­ти двух давлений, каждое из которых отличается от атмосферного давле­ния; микроманометр — дифференциальный манометр для измерения ма­лых разностей двух давлений, каждое из которых существенно больше их разности.

Вакуумметрами часто называют манометры, предназначенные для измерения низких абсолютных давлений, существенно меньших, чем атмосферное давление (в вакуумной технике).

В зависимости от принципа действия манометры можно разделить на четыре основные группы:

- грузопоршневые, когда измеряемое давление уравновешивается давлением, создаваемым массой неуплотненного поршня и грузов;



Рис. 17. Грузопоршневые манометры.

- деформационные, когда измеряемое давление определяется по деформации упругого элемента. Такими элементами являются трубчатые пружины, сильфоны, мембраны и мембранные коробки. Наибольшее распространение в настоящее время, особенно в показывающих манометрах, получила трубчатая одновитковая пружина, представляющая собой сплющенную трубку эллиптического или овального с прямоугольными участками поперечного сечения, изогнутую по дуге окружности так, чтобы большая ось сечения была перпендикулярна плоскости изгиба. Один конец трубки закреплен неподвижно в цоколе манометра, через штуцер которого в трубку подается избыточное давление. Перемещение свободного конца трубки, увеличенное передаточным механизмом, дает информацию о давлении в объекте измерения. Мембранные и сильфонные упругие чувствительные элементы чаще всего применяются в тягомерах, напоромерах, дифманометрах;



Рис. 18. Измерительные элементы деформационных манометров и измерительных преобразователей давления, разрежения и перепада давлений: одновитковая трубчатая пружина (а), сильфон (б), мембранная коробка (в), многовитковая трубчатая пружина (г), вялая мембрана (д), жесткая мембрана (е).



Рис. 19.

В трубчатопружинном манометре с одновитковой трубчатой пружиной (рис. 19), получившем наибольшее распространение, чувствительным элементом является трубчатая пружина 2, представляющая собой полую трубку овального или эллиптического сечения, согнутую по дуге окружности на 180–270 град. Маленькая ось эллипса трубки расположена параллельно, а большая – перпендикулярно плоскости чертежа. Один конец трубчатой пружины жестко соединен с держателем 1, укрепленным винтами в круглом корпусе 3 манометра. Держатель имеет резьбовой ниппель, предназначенный для крепления прибора на трубопроводе или аппарате, в котором измеряется давление. Свободный конец пружины поводком связан с передаточным механизмом 7, состоящим из зубчатого сектора и сцепленной с ним шестеренки, на ось которой насажена стрелка 4.

Для устранения мертвого хода стрелки, вызванного люфтами в соединениях, передаточный механизм снабжен упругим спиральным волоском 5. Внутренний конец волоска крепится на оси стрелки, а внешний – на неподвижной плате механизма. Волосок постоянно прижимает шестеренки со стрелкой в направлении, противоположном перемещению звеньев механизма под действием давления, что устраняет влияние люфтов в соединениях, и стрелка прибора начинает двигаться одновременно с отклонением чувствительного элемента.

Под действием давления среды, сообщающийся с внутренней полостью трубчатой пружины, последняя несколько распрямляется, свободный конец перемещается и тянет за собой поводок, который через передаточный механизм вызывает перемещение стрелки по шкале прибора. Раскручивание трубчатой пружины, согнутой по дуге окружности, обусловлено тем, что при подаче давления ее эллиптическое сечение стремиться перейти в круглое. При этом малая ось эллипса, расположенная в плоскости чертежа, увеличивается, и волокна пружины, находящиеся на радиусе r1, переходят на больший радиус r1’, а волокна, находящиеся на радиусе r2, переходят на меньший радиус r2’. Так как длина трубчатой пружины остается неизменной, а один конец ее жестко заделан в держателе, в пружине возникают внутренние напряжения, приводящие к ее раскручиванию и перемещению свободного конца. Последний и, следовательно, стрелка прибора перемещаются пропорционально изменению измеряемого давления, поэтому манометр имеет равномерную шкалу.

- жидкостные, работающие на гидростатическом принципе, когда измеряемое давление или разность давлений уравновешивается давлением столба жидкости. В качестве рабочей жидкости используется ртуть (при измерении давлений жидкостей, паров и газов), спирт и дистиллированная вода (для неагрессивных газов);





Рис. 20. Жидкостные манометры. Основные типы: жидкостные (а - U-образный, б, в - чашечные соотв. с постоянным и переменным углом j наклона трубки, г - поплавковый, д - колокольный, е - кольцевой);

Принцип действия жидкостных манометров основан на уравновешивании измеряемой величины высотой столба рабочей жидкости. В качестве рабочей жидкости, в зависимости от величины измеряемого избыточного давления или разряжения, а также от химических свойств измеряемого вещества, применяются: вода, спирт, ртуть, минеральные масла небольшой вязкости

Простота конструкции и надежность гидростатического метода, лежащего в основе работы этих приборов, а также достаточно высокая точность – причины их широкого применения, как для лабораторных, так и для технических измерений небольших избыточных давлений, разрежений, разности двух давлений, атмосферного давления. Образцовые жидкостные приборы служат для поверки некоторых типов манометров, вакуумметров, тягомеров, напоромеров, барометров, дифференциальных манометров.

Наиболее распространенным и самым простым по устройству является U-образный прибор (рис. 1). Он состоит из изогнутой в виде буквы U стеклянной трубки 4, примерно до половины заполненной рабочей жидкостью 3. С помощью скобок 1 трубка прикреплена к доске 2, между ветвями трубки размещена шкала 5.

Когда давления Р1 и Р2 равны, уровни жидкости в левой и правой ветвях U-образной трубки находятся против нулевой отметки шкалы. При неравенстве давлений, например, Р1>Р2, уровень в левой ветви опустится, а в правой - поднимется. Отсчет нужно производить дважды: от нуля вниз до уровня в левой ветви и от нуля вверх до уровня в правой ветви; полученные значения отсчетов (их сумма равна h) надо сложить. Это рекомендуется делать, поскольку трубки обеих ветвей прибора могут немного отличаться по диаметру. В этом случае жидкость будет опускаться (в левой) и подниматься (в правой) ветвях на неодинаковое количество делений.

Значение измеряемой величины (разность давлений Р1 и Р2) определяется по шкале прибора:

P1-P2=hpg,

где р - плотность рабочей жидкости; g – ускорение силы тяжести

- электрические, действие которых основано на зависимости электрических параметров манометрического преобразователя от измеряемого давления. К этой группе приборов относятся манометры с тензо- и пьезоэлектрическими преобразователями, а также вакуумметры для измерения малых абсолютных давлений газа.



Рис. 21. Сигнализирующий (электроконтактный) манометр.