АВТОМАТИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЬ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ

Измерение давления и разности давлений

Единицей измерения давления в системе СИ является паскаль (Па). Паскаль — это давление силы в 1 Н на площадь в 1 м2 (Н/м2). При применении этой единицы могут использоваться приставки для образования кратных и дольных единиц — в первую очередь с целью сокращения числа значащих цифр в записываемом значении (например, 5,28 МПа вместо 5 280000 Па).

Измерение давления отечественными приборами производится в кгс/см2 (килограмм-сила на сантиметр квадратный) и кгс/м2 (килограмм-сила на метр квадратный). При использовании для измерения давления жидкостных приборов с видимым мениском применяют в качестве единицы давления миллиметр водяного или ртутного столба. Кроме перечисленных единиц измерения применяют физическую атмосферу, равную нормальному давлению атмосферного воздуха 760 мм. рт. ст. при 0 °С и нормальном ускорении свободного падения (760 мм. рт. ст. = = 101,325 кПа = 1,0332 кгс/см2). Соотношения между применяемыми единицами измерения давления приведены в табл. 3.1.

Таблица 3.1

Соотношение между единицами давления

Единица

Па

кгс/м2

кгс/см2

мм вод. ст.

мм. рт. ст.

1 Па

1

0,10197

10,197 • 10'6

0,10197

7,50 • 10’3

1 кгс/м2

9,80665

1

ю-4

1

73,56- 10"3

1 кгс/см2

98,0665- 103

104

1

104

735,56

1 мм. вод. ст.

9,80665

1

10-4

1

73,56- 10"3

1 мм. рт. ст.

133,322

13,595

13,595 • 10-4

13,595

1

При измерении давления различают абсолютное, избыточное и вакуумметрическое давление. Под термином «абсолютное давление» подразумевают полное давление, под которым находится жидкость или газ. Оно равно сумме давлений — избыточного (/?и) и атмосферного а): или

т.е. избыточное давление равно разности между абсолютным давлением, большим атмосферного, и атмосферным давлением.

Под термином «вакуумметрическое давление» (разрежение или вакуум) понимается разность между атмосферным давлением и абсолютным давлением, меньшим атмосферного:

Устройства для измерения давления и разности (перепада) давлений получили общее название манометры. Их классифицируют следующим образом:

барометры — для измерения атмосферного давления (отсюда атмосферное давление иногда называют барометрическим);

манометры абсолютного давления — для измерения абсолютного давления;

манометры избыточного давления — для измерения избыточного давления (сокращенно в практике их обычно называют манометрами);

вакуумметры — для измерения вакуумметрического давления, т.е. давления ниже атмосферного (в практике применяется термин «разрежение»);

напоромеры и тягомеры — для измерения малого (до 40 кПа) избыточного давления и вакуумметрического давления (разрежения) газовых сред;

моновакуумметры — для измерения избыточного и вакуумметрического давлений одновременно;

тягонапоромеры — для измерения малых (до 40 кПа) давлений и разрежений газовых сред одновременно;

дифференциальные манометры (дифманометры) — для измерения разности (перепада) давлений;

микроманометры — для измерения очень малых давлений (ниже и выше барометрического) и незначительной разности давлений.

Чувствительные элементы всех манометров воспринимают два давления — рх и р2 и вырабатывают сигнал, пропорциональный их разности. У манометров избыточного давления, вакуумметров, тягомеров и напоромеров давление р2 обычно равно атмосферному. Дифманометры также могут использоваться для измерения как избыточного, так и вакуумметрического давления, если один из двух штуцеров для подвода давления соединить с атмосферой.

По принципу действия манометры делят на две основные группы: жидкостные и деформационные (с упругими чувствительными элементами).

Жидкостные манометры (рис. 11) всех систем заполняются жидкостью таким образом, чтобы над ней образовались две полости, воспринимающие давления р{ и р2. В этих манометрах величина измеряемого давления определяется по высоте столба жидкости h или по силе, образующейся за счет действия давления на поверхность сосудов. К приборам первой группы относятся U-образные (двухтрубные), чашечные (однотрубные) и поплавковые манометры, к приборам второй группы — колокольные.

U-образный (двухтрубный) манометр (рис. 11, я) состоит из одной прозрачной трубки , согнутой в виде латинской буквы U (или двух трубок, соединенных в нижней части). Трубки вертикально укреплены на основании, и по всей их высоте нанесена двусторонняя шкала с нулем посередине. Трубки заливают жидкостью (обычно водой или ртутью, а иногда спиртом или трансформаторным маслом) до нулевой отметки. При применении U-образный манометр должен устанавливаться вертикально по отвесу. Отсчет производят по разности уровней жидкости h в обеих трубках, что не всегда удобно. Обычно с помощью U-образного манометра давление, разрежение или разность давлений измеряют в миллиметрах водяного или ртутного столба. Если отсчет высоты столба жидкости h по U-образному манометру производят невооруженным глазом, то при цене деления шкалы прибора в 1 мм при отсчете в двух коленах пределы допускаемой основной погрешности измерения давления, разрежения или разности давлений не превышают ±2 мм столба рабочей жидкости. Для увеличения точности отсчета высоты столба рабочей жидкости U-об- разные приборы снабжают зеркальной шкалой. В этом случае пределы допускаемой основной погрешности показаний не превышают ±1 мм столба рабочей жидкости. Отечественная промышленность выпускает двухтрубные манометры типа ДТ-5 и ДТ-6.

Чашечный (однотрубный) манометр (рис. 11, б) состоит из цилиндрического сосуда и сообщающейся с ним измерительной стеклянной трубки. При этом диаметр сосуда D значительно больше диаметра трубки d (обычно отношение d2/D2 > 1/400). При измерении давления в объекте его соединяют с атмосферой. При изменении разрежения с объектом соединяют измерительную трубку, а с атмосферой — сосуд. При измерении разности

Жидкостные манометры

Рис. 11. Жидкостные манометры:

а — U-образный (двухтрубный); б — чашечный (однотрубный); в —поплавковый; г — колокольный

(перепада) давлений большее давление подается в сосуд, а меньшее — в измерительную трубку. Когда под действием давления или разрежения жидкость в измерительной трубке поднимется на высоту hx, а в широком сосуде опустится на высоту h2, то высота столба h, соответствующая значению измеряемой величины, будет равна

Если F{ — площадь сечения измерительной трубки, а Р2 широкого сосуда, то

поскольку объем жидкости в измерительной трубке равен объему жидкости, вытесненной из широкого сосуда.

Решив уравнения (3.4), (3.5) относительно h, получим:

Величиной d2/D2 > 1/400 ввиду ее малости обычно пренебрегают и отсчет ведут по столбу жидкости h{ только в одной измерительной трубке, что упрощает измерение по сравнению с U-об- разным манометром. При цене деления шкалы в 1 мм отсчет высоты столба может быть произведен с погрешностью, не превышающей ±1 мм столба рабочей жидкости.

Поплавковые манометры (рис. 11, в) работают по принципу рассмотренных выше чашечных манометров. В поплавковом манометре имеются два U-образных сосуда 1 и 2, соединенных трубкой 3. Большое давление подводится к широкому сосуду, в котором на поверхности рабочей жидкости (ртути или трансформаторного масла) находится поплавок 4. Перемещение поплавка, зависящее от величины разности (перепада) давлений Ар=р{- р2, передается стрелке отсчетного (П) или регистрирующего (С) устройства прибора.

В колокольных манометрах (рис. 11, г) чувствительным элементом является тонкостенный стальной колокол 5, подвешенный на винтовой пружине 6. Колокол свободно плавает в разделительной жидкости (трансформаторное масло), будучи частично погруженным в нее. Разделительная жидкость отделяет камеру большого давления («плюсовую») под колоколом от камеры меньшего давления («минусовой») над колоколом. Под действием разности давлений (/?, -р2) колокол и кинематически связанная с ним подвижная часть передающего преобразователя Пр перемещаются до тех пор, пока усилие от приложенной к колоколу разности давлений не уравновесится упругими силами винтовой пружины. Перемещение подвижной части передающего преобразователя приводит к изменению выходного сигнала.

Действие деформационных манометров основано на использовании деформации или изгибающего момента упругих чувствительных элементов, воспринимающих измеряемое давление и преобразующих его в перемещение или усилие. Манометры этого типа широко применяют в диапазоне измерений от 50 Па (5 кгс/м2) до 1000 МПа (10 000 кгс/м2). Они выпускаются в виде тягомеров, напоромеров, манометров, вакуумметров. В качестве упругих чувствительных элементов в них используются трубчатые пружины, мембраны и сильфоны.

Одними из наиболее распространенных в практике измерений давления являются трубчато-пружинные манометры с одновитко- вой трубчатой пружиной (рис. 12, а). Трубчатая пружина представляет собой изогнутую трубку, имеющую эллиптическое или плоскоовальное поперечное сечение (такие пружины называют трубками Бурдона). Один конец трубчатой пружины, сообщающийся с измеряемой средой, закрепляют неподвижно, а другой — свободный, закрытый пробкой и запаянный, соединяют с механизмом показаний прибора, передающим преобразователем или другим устройством. Под действием внутреннего давления рх пружина стремится уменьшить свою кривизну, вследствие чего ее свободный (запаянный) конец перемещается. Это перемещение передается на отсчетное или регистрирующее устройство манометра либо воспринимается передающим преобразователем (на рис. 12 изображен манометр П, имеющий передающий преобразователь Пр).

Некоторые модификации манометров снабжены контактным устройством, срабатывающим при достижении измеряемой величиной заданного значения. Такие приборы называют электрокон- тактными манометрами.

В мембранных манометрах упругий чувствительный элемент выполняется в виде мембранной коробки (рис. 12, б), состоящей из двух спаянных по периметру дисковых металлических гофрированных мембран. Внутренняя полость коробки сообщается со средой с большим давлением. Под воздействием разности атмосферного и измеряемого давлений мембранная коробка сжимается или разжимается, что передается стрелке отсчетного устройства манометра П.

В сильфонных манометрах (рис. 12, в) упругий чувствительный элемент выполнен в виде сильфона 1, представляющего собой гофрированную тонкостенную металлическую трубку, открытую с одной стороны. Сильфон помещается в камеру 2, в которую подводится измеряемое давление. Изменение величины этого давления вызывает упругую деформацию сильфона и находящейся в нем винтовой пружины 3. Перемещение дна сильфона передается регистрирующему устройству прибора С.

Манометры с упругим чувствительным элементом (деформационные)

Рис. 12. Манометры с упругим чувствительным элементом (деформационные):

а — трубчато-пружинный; б — мембранный; в — сильфонный

Принципиальные схемы деформационных манометров представлены на рис. 13. У мембранного дифманометра ДМ упругим чувствительным элементом является мембранный блок (рис. 13, а), состоящий из двух заполненных дистиллированной водой мембранных коробок 1 и 3, закрепленных с обеих сторон в основании 2, которое с верхней и нижней крышками корпуса образует две камеры: нижнюю — плюсовую и верхнюю — минусовую. Внутренние полости мембранных коробок сообщаются через отверстие в перегородке. Большее давление подводится к нижней камере, а меньшее — к верхней. Под действием разности давлений Ар ~Р-р2 нижняя мембранная коробка сжимается, вытесняя находящуюся в ней воду в верхнюю коробку 3. Последняя расширяется, что воспринимается передающим преобразователем Пр.

Чувствительным элементом дифманометра, представленного на рис. 13, б, является вялая (мягкая) неметаллическая мембрана 4 с жестким центром 5, работающая совместно с винтовой цилиндрической пружиной 7. Мембрана, укрепленная между двумя крышками корпуса прибора, образует две камеры, в которые подводятся давления /?, и р2. Под действием разности давлений Ар = Pi — р2 жесткий центр мембраны и связанный с ним шток 6 сердечника преобразователя Пр перемещаются до тех пор, пока сила, вызываемая разностью давлений, не уравновесится силой упругости винтовой пружины 7. Преобразователь Пр вырабатывает сигнал измерительной информации, пропорциональный измеряемой разности давлений.

У сильфонного дифманометра типа ДСС (рис. 13, в) чувствительный элемент состоит из расположенных на общем основании двух сильфонов 8 и 10, донышки которых жестко связаны штоком 9, а внутренние полости заполнены кремнийорганической жидкостью. Под действием разности давлений Ар = рх - р2 сильфоны начи-

Дифференциальные манометры с упругим чувствительным элементом (деформационные)

Рис. 13. Дифференциальные манометры с упругим чувствительным элементом (деформационные):

a — мембранный; б — с вялой мембраной; в — сильфонный нают деформироваться, вызывая перемещение штока, кинематически связанного с компенсационным преобразователем Пр.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >