ИЗМЕРЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ
Общие сведения
Давлением называют отношение силы, действующей перпендикулярно поверхности, к площади этой поверхности. Давление — одна из основных величин, определяющих термодинамическое состояние веществ. Давлением во многом определяется ход технологического процесса, состояние технологических аппаратов и режимы их функционирования. С задачей измерения давления приходится сталкиваться при измерениях некоторых технологических параметров, например расхода газа или пара, при изменяющихся термодинамических параметрах, уровня жидкости, и др.
Различают следующие виды давления: атмосферное, абсолютное, избыточное и вакуум (разрежение).
Атмосферное (барометрическое) давление — давление, создаваемое массой воздушного столба земной атмосферы.
Абсолютное давление — давление, отсчитанное от абсолютного нуля. За начало отсчета абсолютного давления принимают давление внутри сосуда, из которого полностью откачан воздух.
Избыточное давление — разность между абсолютным и барометрическим давлениями.
Вакуум (разрежение) —разность между барометрическим и абсолютным давлениями.
В Международной системе единиц (СИ) за единицу давления принят паскаль (Па) — давление, создаваемое силой в 1 ньютон (Н), равномерно распределенной по поверхности площадью 1 м2 и направленной нормально к ней.
Разнообразие видов измеряемых давлений, а также областей их применения в технологии и научных исследованиях обусловило использование наряду с системной единицей давления и внесистемных единиц. К их числу относятся бар, миллиметр ртутного столба, килограмм-сила на квадратный сантиметр, килограмм-сила на квадратный метр, миллиметр водного столба. Соотношения единиц Давления, допущенных к применению, приведены в приложении 3.
Средства измерений давления классифицируют по виду измеряемого давления и принципу действия. По виду измеряемого давления средства измерений подразделяют на:
манометры избыточного давления — для измерения избыточного давления;
манометры абсолютного давления — для измерения давления, отсчитанного от абсолютного нуля;
барометры — для измерения атмосферного давления;
вакуумметры — для измерения вакуума (разрежения);
мановакуумметры — для измерения избыточного давления и вакуума (разрежения).
Кроме перечисленных средств измерений в практике измерений получили распространение:
напоромеры — манометры малых избыточных давлений (до 40 кПа);
тягомеры — вакуумметры с верхним пределом измерения не более— 40 кПа;
тягонапоромеры — мановакуумметры с диапазоном измерений + 204—20 кПа;
вакуумметры остаточного давления- —вакуумметры, предназначенные для измерения глубокого вакуума или остаточного давления, т. е. абсолютных давлений менее 200 Па;
дифференциальные манометры — средства измерений разности давлений.
Рис.4.1. Диапазон давлений (в Па), охватываемый существующими средствами измерений давления
По принципу действия средства измерений давления подразделяют на: жидкостные, поршневые, деформационные (пружинные), ионизационные, тепловые, электрические. Такое подразделение не является исчерпывающим и может, быть дополнено средствами измерений, основанными на иных физических явлениях.
В настоящее время существует большой парк средств измерений давления, позволяющий осуществить измерение давления в диапазоне 10~12— 10й Па (рис. 4.1) [13].
Далее рассмотрены средства измерений давления, широко применяемые в качестве рабочих при технологических измерениях. Средства измерений, применяемые в качестве образцовых, рассмотрены в гл. 15.
Жидкостные средства измерений давления с гидростатическим уравновешиванием
В жидкостных приборах с гидростатическим уравновешиванием мерой измеряемого давления является высота столба рабочей жидкости. В качестве рабочей жидкости, называемой затворной или манометрической, применяются дистиллированная вода, ртуть, этиловый спирт, трансформаторное масло. Выбор рода рабочей жидкости определяется диапазоном измеряемого давления, условиями эксплуатации и требуемой точностью измерений.
В настоящее время номенклатура жидкостных средств измерений давления с гидростатическим уравновешиванием существенно ограничена. В большинстве случаев они заменены более совершенными деформационными средствами измерений. К числу жидкостных средств измерений давления (разности давлений и разрежения) с гидростатическим уравновешиванием, которые еще применяются на технологических потоках, относятся поплавковые и колокольные дифманометры.
Поплавковые дифманометры. Принцип действия поплавковых дифманометров основан на уравновешивании измеряемого перепада давления гидростатическим давлением, создаваемым столбом рабочей жидкости, заполняющей дифманометр. Поплавковый дифманометр (рис. 4.2, а) представляет собой два сообщающихся сосуда.
Рис. 4.2. Схемы жидкостных приборов для измерений давления
Площадь сечения F широкого сосуда 1 значительно больше площади сечения f узкого сосуда 7. Внутренняя полость сообщающихся сосудов заполняется рабочей жидкостью (ртутью или трансформаторным маслом) до нулевой отметки. О значении измеряемой разности давлений в этих приборах судят по отсчетному устройству, указатель 3 которого связан с поплавком 2, расположенным во внутренней полости широкого сосуда. При подключении прибора к объекту измерения большее давление подается в сосуд I, а меньшее — в сосуд 7. Подача давления осуществляется через вентили 5 и 6. Вентиль 4 служит для того, чтобы исключить возможность выброса рабочей жидкости при односторонней подаче давления. С этой целью перед подключением прибора к объекту вентиль 4 открывают, - а после стабилизации давления в обоих сосудах закрывают. При отключении прибора от объекта необходимо предварительно открыть вентиль 4, а затем закрыть вентили 5 и 6.
В процессе измерения, жидкость в широком сосуде перемещается вниз, а вместе с ним перемещается поплавок 2, который через механическую передачу перемещает указатель 3 отсчетного устройства. Перемещение поплавка будет происходить до тех пор, пока измеряемая разность давлений Pi— Р2 не уравновесится давлением столба жидкости высотой hi + h2, т. е.
где g — местное ускорение свободного падения; пи п2 — перемещение уровня жидкости в правом и левом коленах; рж—плотность рабочей жидкости; рс — плотность измеряемой среды.
Принимая во внимание равенство объема жидкости, вытесненного из широкого сосуда, объему жидкости, поступившему в узкий сосуд:
преобразуем уравнение (4.1):
Уравнение (4.3) представляет собой статическую характеристику поплавкового дифманометра, из которой следует: чтобы получать одинаковое перемещение h2 поплавка при измерении разности давлений в различных диапазонах, необходимо изменять отношение F/f. Практически это достигается заменой узкого сосуда одного диаметра на сосуд другого диаметра. Поплавковые дифманометры имеют несколько сменных сосудов (стаканов), замена которых позволяет изменять предельные номинальные перепады давления.
Для поплавковых дифманометров предельный номинальный перепад АРном связан с максимальным измеряемым перепадом АР— — Р\ —Рг соотношением
где рж, рс — плотности рабочей жидкости и среды при температуре 20°С и атмосферном давлении.
Поплавковые дифманометры рассчитаны на номинальные перепады давления, верхние пределы которых ограничены значениями от 6,3 кПа до 0,10 МПа. Поплавковые дифманометры используются при статических давлениях измеряемой среды не более 25 МПа. Класс точности поплавковых дифманометров 1,0 и 1,5. Для передачи на расстояние информации о значении измеряемого перепада давления, рассматриваемые дифманометры оснащаются преобразователями П перемещения указателя 3 в унифицированный сигнал измерительной информации. Принцип действия и устройство преобразователей перемещения рассмотрен в гл. 5.
Передаточные механизмы поплавковых дифманометров, применяемых для измерения расхода веществ, оснащаются лекалами, профиль которых рассчитывают по квадратичной корневой зависимости. Показания этих поплавковых дифманометров пропорциональны измеряемому расходу.
Высокая точность измерений и возможность регистрации показаний без применения специальных источников энергии являются преимуществами дифманометров данного типа. Основным их статном является наличие токсичной жидкости — ртути, которая при резких изменениях давления может загрязнять объект измерения' или окружающую среду.
Колокольные дифманометры. Дифманометры этого типа представляют собой колокол, погруженный в рабочую жидкость и перемещающийся под влиянием разности давлений. Противодействующая сила создается за счет утяжеления колокола при его подъеме и уменьшении тяжести колокола при его погружении. Достигается это за счет изменения гидростатической подъемной силы, действующей на колокол согласно закону Архимеда.
Принцип действия колокольного дифманометра поясняет рис. 4.2, б, в. Если давления в измерительных камерах 2 и 3 равны между собой, то колокол 1 находится в положении, показанном на рис. 4.2, б.
Если перепад давлений на колоколе получает некоторое приращение d{P\ —Рг), то колокол всплывает. Всплытие происходит до тех пор, пока изменение подъемной силы от перепада давления на колокол и изменение гидростатической подъемной силы не уравновесятся..
Для состояния равновесия, иллюстрируемого рис. 4.2, в, справедливы равенства [14]:
где F — площадь внешнего поперечного сечения колокола; an — перемещение колокола; dy — перемещение жидкости под колоколом; Af — площадь поперечного сечения стенок колокола; рш, рс — плотность рабочей жидкости и измеряемой среды; dh — разность уровней жидкости снаружи и внутри колокола; dx — перемещение жидкости в широком сосуде; Ф — площадь поперечного сечения широкого сосуда; / — внутренняя площадь поперечного сечения колокола.
Решая совместно уравнения (4.5) — (4.8), получим зависимость
Уравнение (4.10) представляет собой статическую характеристику колокольного дифманометра с гидростатическим уравновешиванием. Для обеспечения измерения перепада давления в широком диапазоне значение отношения f/Af должно быть по возможности уменьшено.
Колокольные дифманометры с гидростатическим уравновешиванием обладают высокой чувствительностью и могут быть использованы для измерения малых давлений, перепадов давлений и разрежений.
Некоторые модификации колокольных дифманометров с гидростатическим уравновешиванием оснащаются преобразователями П, посредством которых перемещение поплавка преобразуется в унифицированный сигнал измерительной информации, передаваемый по к.шалу связи.