Приборы для измерения давления

Приборы для измерения давления. Различают абсолютное, избыточное и вакуумметрическое давления. Вакуумметрическое давление называют, иногда, разряжением. Абсолютное давление отсчитывается от нуля, а избыточное и вакуумметрическое от атмосферного. Избыточное давление представляет собой превышение абсолютного давления над атмосферным, а вакуумметрическое – недостаток давления до атмосферного. Таким образом, для определения абсолютного давления необходимы в общем случае два прибора: барометр для измерения атмосферного давления, манометр для измерения избыточного давления и вакуумметр для вакуумметрического давления. Характеристики приборов для измерения давления Основными характеристиками приборов для измерения давления являются: диапазон измеряемых давлений, точность, чувствительность, быстродействие и дистанционность. Точность прибора характеризуется классом точности. Классом точности прибора называется отношение максимальной погрешности к максимальному значению шкалы прибора, выраженное в процентах и округленное до стандартной величины. Классы точности описываются стандартным рядом: 0,005; 0,02; 0,05; 0,15; 0,4; 0,6; 1,0; 1,5; 2,5; 4; 6. Если класс точности равен, например, четырем, то это означает, что прибор имеет допустимую погрешность в пределах не более 4 % от максимального значения шкалы прибора. Под чувствительностью прибора понимается приращение разности показаний к приращению давления. Быстродействие прибора характеризует запаздывание изменения его показаний от изменения измеряемого давления. Дистанционность обусловлена возможностью регистрации давления с помощью показывающих или записывающих приборов на удалении от места непосредственного замера. По конструкции приборы для измерения давления можно разделить на следующие основные группы: 1) жидкостные; 2) механические с упругими чувствительными элементами; 3) электрические. Жидкостные приборы для измерения давления Принцип действия жидкостных приборов состоит в уравновешивании измеряемого давления весом столба жидкости. Высота столба жидкости известной плотности характеризует давление: p = ρ·g·h , где p – давление, Па; g – ускорение свободного падения, м/с2 ; h – высота столба жидкости, м; ρ – плотность жидкости, кг/м3 . Примеры конструкций жидкостных приборов представлены на рис. 1. Жидкостные приборы обладают универсальностью и в зависимости от способа подключения могут измерять как избыточное давление, так и вакуумметрическое. Основными достоинствами жидкостных приборов является высокая точность и чувствительность, простота и дешевизна. Точность и чувствительность жидкостных приборов зависят от плотности жидкости, применяемой в них. Чем меньше плотность, тем больше изменение высоты столба жидкости при изменении давления, т.е. тем выше чувствительность прибора. Кроме то- го, с уменьшением плотности возрастает высота столба жидкости, соответствующая измеряемому давлению. Следствием этого является снижение относительной погрешности измерения этой высоты, т.е. повышается точность прибора. Недостатками жидкостных приборов являются малая величина измеряемых давлений (не более 0,5 Па для ртутных манометров), инерционность, обусловленная временем перетекания и успокоения манометрической жидкости, хрупкость и громоздкость. Рис. 1. Схема жидкостных приборов: а – пьезометр; б – U – образный манометр; в – чашечный манометр; г – микроманометр; д – вакуумметр; е – манометр для измерения абсолютного давления (барометр) Пьезометр (или пьезометрическая трубка). Это устройство является самым простым из всех известных устройств. Пьезометр представляет собой, как правило, открытую цилиндрическую стеклянную трубку, устанавливаемую вертикально, одним концом, которая соединена с сосудом, а другим – с атмосферой. Чтобы избежать влияния капиллярного давления, диаметр таких пьезометрических трубок составляет в пределах 8-10 мм. На рис.2 представлены варианты установки и измерения давления при помощи пьезометров. Рис. 2 Вариант «а»: давление в сосуде Р1 выше атмосферного Р2, т.е. Р1 > Р2: жидкость в сосуде находится под давлением. Относительно нивелирной линии 0-0 состояние равновесия можно выразить при помощи основного закона гидростатики: Поверхностью уровня – называют поверхность в каждой точке которой давление имеет одинаковое значение.. Поверхностью пьезометрического напора называется такая поверхность, во всех точках которой абсолютное давление равно атмосферному, т.е. она является частным случаем поверхностей уровня. В случае абсолютного покоя жидкости поверхность пьезометрического напора является горизонтальной плоскостью. Положение поверхности пьезометрического напора относительно свободной поверхности зависит от величины давления p0 над последней. Если p0 = pатм , то поверхности пьезометрического напора и свободная совпадают Механические манометры с упругими чувствительными элементами Манометры с упругими чувствительными элементами имеют широкий диапазон измеряемых давлений (до 1000 МПа). Они компактны, просты по устройству, обладают большим, по сравнению с жидкостными приборами, быстродействием. В качестве упругих элементов применяют трубчатые пружины различной конструкции, мембраны, сильфоны. Деформация упругих элементов передается либо механически к стрелочным указателям, либо оптическим путем к самописцам. Примеры конструкций механических манометров с упругими чувствительными элементами показаны на рис. 3. Из рис. 3,а виден принцип работы трубчато–пружинного манометра. Под действием давления сечение трубки (овал) деформируется, и возникающие Рис.3. Схемы механических манометров: а – трубчато-пружинный манометр; б – мембранный манометр напряжения в материале трубки создают раскручивающий момент, вследствие чего конец трубки перемещается, поворачивая через передаточный механизм стрелку прибора. Наличие упругого гистерезиса деформируемого элемента, изменение показаний прибора с течением времени вследствие изменения упругих свойств элемента, трение и износ в передаточном механизме – являются наиболее существенными недостатками механических манометров. Указанные недостатки обусловливают необходимость периодической поверки этих манометров. Поверка средств измерений – это определение погрешностей средств измерений и установления их пригодности к применению. Согласно ГОСТ 8.002–86, манометры с упругими чувствительными элементами должны подвергаться государственной поверке не менее 1 раза в год. Манометры подбираются по максимальному измеряемому давлению. Если давление постоянно, то максимальное измеряемое давление должно составлять 3/4 от верхнего предела измерения прибора. В случае переменного давления указанное соотношение должно быть не менее 2/3. Класс точности прибора выбирается, исходя из технических условий, в которых оговаривается требования к точности измерений Электрические приборы для измерения давления Жидкостные и механические манометры не пригодны для измерения быстро изменяющегося давления. Помимо этого, часто необходимо измерять давление в труднодоступных местах, где невозможно поместить манометр или откуда нецелесообразно вести трубку к нему. Для измерения давления в этих случаях применяют электрические манометры, состоящие из датчика давления и вторичного электрического прибора. В датчике чувствительного давления элемента перемещение обусловливают или изменение деформация параметров электрической цепи манометра. Это изменение фиксируется вторичным прибором манометра. В манометре сопротивления (рис. 4,а) ползун 5 реохорда 6 связан через передаточный механизм с мембраной 3. Под воздействием давления мембрана 3 прогибается и перемещает ползун 5, который изменяет сопротивление электрической цепи измерительного прибора. Основными достоинствами электрических манометров являются их неограниченная дистанционность и возможность измерения быстро изменяющегося давления. К недостаткам можно отнести их относительную сложность в изготовлении и использовании, большую стоимость, необходимость подвода электрической энергии и градуировки электрического прибора ля измерения давления. Градуировка прибора – это метрологическая операция, посредством которой средство измерения снабжают или шкалой, или градуировочным графиком. Рис.4. Схема электрического манометра: а – схема датчика давления: 1 – корпус датчика, 2 – крышка, 3 – мембрана, 4 – толкатель, 5 – ползун реохорда, 6 – реохорд; б – электрическая схема манометра: 1 – реохорд, 2 – ползун реохорда, 3 – настроечное сопротивление, 4 – сопротивление прибора, 5 – регистрирующий прибор Расчет и построение эпюр давления Эпюра давления — графическое изображение распределения давления в сосуде. Давление при этом показывают вектором, направленным по нормали к поверхности, на которую оно действует и направленным наружу сосуда при избыточном давлении в нем, и внутрь сосуда — при вакууме в нем. Эпюра строится только для относительного давления. Рассмотрим избыточным открытый давлением, сосуд, сосуд с сосуд с вакуумом внутри. Подсоединим к сосудам пьезометры — жидкостные приборы для измерения давления (см. рис. 5÷9). Пусть высота жидкости в сосудах Н, плотность жидкости ρ. Рис. 5 Давление на поверхности жидкости (в т.1) равно нулю (см. рис. 5). Давление на свободной поверхности жидкости в пьезометре также равно нулю. Обозначим плоскость, проходящую через свободную поверхность жидкости в пьезометре (в открытом сосуде она совпадает с поверхностью жидкости) через 0-0 и назовем данную плоскость пьезометрической плоскостью. Относительное давление на этой плоскости равно нулю. Определим давление на дно сосуда. По основному закону гидростатики оно равно P2 = ρ·g·h, где h – высота жидкости от пьезометрической плоскости до дна. Давление P2 является избыточным, т.к. определяется весом столба жидкости в сосуде. Покажем давление P2 вектором, направленным наружу сосуда. В т. 2 соединяются дно и правая стенка сосуда, поэтому давление P2 покажем на дно и правую стенку разными векторами, но одинаковыми по модулю, направленными перпендикулярно к поверхности. Ввиду того, что давление изменяется по высоте жидкости линейно, то соединим точки 1 и 3 прямой линией и покажем произвольное количество переменных по длине векторов. В точке 4 давление Р4=Р2. Соединим точки 5 и 6 и покажем произвольное количество одинаковых по величине векторов. Эпюры давления на правую стенку и дно сосуда построены. В сосуде с избыточным давлением (рис. 6) жидкость под его воздействием поднимается в пьезометре на высоту hизб, называемую пьезометрической высотой и равную: Обозначим плоскость, проходящую через Рис. 6 свободное сечение жидкости в пьезометре через 0-0. Давление в т. 1 равно Ризб, давление на дно сосуда в т. 2 равно: Отложим в произвольном масштабе вектора Ризб и Рдна и соединим концы векторов. Пусть в сосуде с вакуумом последний небольшой по величине (см. рис. 7). Под воздействием вакуума жидкость в пьезометре опустится ниже уровня жидкости в сосуде на величину hвак, называемую вакуумметрической высотой Рис. 7 Обозначим пьезометрическую плоскость через 0-0. Тогда давление в т.2 будет равно нулю. Покажем в т.1 вектор Рвак, направленный внутрь сосуда и соединим точку 2 с началом этого вектора. На дне сосуда давление избыточное, равное: Pдна  ·g·h1 Покажем его вектором и соединим его конец с т.2. Для дна проведем уже известные операции. Увеличим значение вакуума в сосуде так, чтобы уровень жидкости в пьезометре расположился на уровне дна сосуда (см. рис. 8). Рис. 8 Тогда относительное давление на дне сосуда равно нулю (но не абсолютное, которое равно атмосферному и действует на дно сосуда как изнутри, так и снаружи сосуда). Отложим в т.1 вектор Pвак и соединим его начало с т.2. В результате получим эпюру давления. Ввиду того, что давление на дне сосуда равно нулю, то и сила давления на это дно так же равна нулю. Это означает, что вакуум как бы вывесил весь объем жидкости в сосуде так, что он не давит на это дно. Увеличим значение вакуума в сосуде так, чтобы пьезометре уровень жидкости расположился ниже в дна сосуда (см. рис. 9). Обозначим пьезометрическую плоскость 0-0. Отложим в т.1 вектор Рвак. Определим давление на дне сосуда Рис. 9 Но ввиду того, что первое слагаемое больше по модулю второго слагаемого, то на дне тоже вакуум, но меньший по величине, чем на поверхности жидкости. Отложим вектор Рдна в точках 2 и 3 и соединим начала этих всех векторов, получим эпюру давления в этом случае. Проанализируем построенные эпюры давления и сделаем выводы: 1) В открытом сосуде пьезометрическая плоскость располагается на поверхности жидкости в сосуде. 2) При избыточном давлении в сосуде пьезометрическая плоскость смещается вверх от точки замера давления на пьезометрическую высоту hизб. 3) При вакууме в сосуде пьезометрическая плоскость смещается вниз от точки замера давления на вакуумметрическую высоту hвак. 4) Жидкость, расположенная выше пьезометрической плоскости в сосуде, находится под вакуумметрическим давление, которое тем больше по модулю, чем больше расстояние от пьезометрической плоскости, т.е. вакуум растет по модулю снизу вверх. 5) Жидкость, расположенная ниже пьезометрической плоскости в сосуде, находится под избыточным давлением, которое растет по мере удаления от пьезометрической плоскости, т.е. сверху вниз. 6) Относительное давление на пьезометрической плоскости равно нулю и если эта плоскость не совпадает со свободной поверхностью жидкости или с дном сосуда, то в верхней части сосуда (над плоскостью) вакуум, а в нижней (под плоскостью) — избыточное давление.