Деформационные манометры

Лабораторная работа № 2

Измерение давления

Цель работы: Ознакомиться с приборами для измерения давления, освоение методов измерения давления на различных приборах, выявление определённых зависимостей, основываясь на практике.

Оборудование и инструменты: Установки различных видов для измерения давления.

 

Давление, как и температура, является одним из основных параметров состояния вещества, которое характеризует нормально распределенную силу, действующую со стороны одного тела на единицу поверхности другого. Единицей измерения давления принят Паскаль.

Различают абсолютное давление – это полное давление, равное сумме барометрического (атмосферного) и избыточного (больше атмосферного) давлений; вакуумметрическое давление (разрежение), определяемое разностью барометрического и абсолютного давлений.

Средства измерения, предназначенные для измерения давления, называются манометрами. Жидкостные манометры основаны на гидростатическом принципе – измеряемое давление уравновешивается давлением высоты столба манометрической жидкости. В грузопоршневых манометрах сила, действующая на поршень с известной площадью, уравновешивается гирями. В деформационных манометрах измеряемое давление определяется по деформации упругого (чувствительного) элемента. Действие электрических манометров основано на зависимости электрических параметров манометрического преобразователя от измеряемого давления.Манометры, предназначенные для измерения разности давлений, называются дифманометрами.

 

Жидкостные манометры.

В жидкостных манометрах используется принцип сообщающихся сосудов, в которых уровни рабочей жидкости совпадают при равенстве давлений над ними, а при неравенстве занимают такое положение, когда избыточное давление в одном из сосудов уравновешивается гидростатистическим давлением избыточного столба жидкости в другом. Такие манометры выполняются двухтрубными (или U - образными) и однотрубными (или чашечными) (рис. 1).

В двухтрубных манометрах (рис.1, а) разность давлений Р определяется по высоте столба жидкости h, уравновешивающей эту разность

Р = Р₁ – Р₂ = h r q,

где r - плотность рабочей жидкости, кг/м³; q – ускорение свободного падения, м/с².

 

Рис. 1. Жидкостные манометры

В чашечных манометрах (рис. 1, б) одна из трубок заменена широким сосудом, в который подается большее из измеряемых давлений. Рабочая жидкость доливается в манометр до нулевой отметки. При измерении объем жидкости, вытесненный из широкого сосуда, равен объему жидкости, поступившей в измерительную трубку. Разность давлений Р определяется по уравнению:

Р = Р₁ – Р₂ = r q (h₁ +h₂) = r q h₂ (1 + ¦/F),

где ¦, F – площади поперечного сечения измерительной трубки и широкого сосуда.

Если F/¦ = 400, то изменением уровня жидкости в широком сосуде пренебрегают (h₂ = 0) и при измерении учитывают только уровень в измерительной трубке. В качестве жидкостей используется вода, ртуть, трансформаторное масло. Для исключения влияния капиллярных сил в манометрах рекомендуется использовать стеклянные трубки с внутренним диаметром 8-10 мм.

Пределы измерения жидкостных манометров не превышают 10⁵ Па и зависят от геометрических размеров системы и от плотности рабочей жидкости. Для двухтрубных манометров погрешность измерения составляет 62 мм, а для чашечных 61 мм. Для уменьшения погрешности измерения используют чашечные манометры с наклонной трубкой (микроманометры).

Жидкостные манометры применяются для измерения избыточного давления больше атмосферного и для измерения давления меньше атмосферного (вакуумметрического). Для жидкостных манометров кроме погрешности измерения высоты столба жидкости, необходимо учитывать погрешности, обусловленные отклонением от расчетных значений местного ускорения свободного падения, плотности рабочей жидкости, расхождение температурных коэффициентов шкалы, стекла и рабочего вещества. Местное ускорение свободного падения рассчитывается по уравнению:

q = q_н 1 – 0,0026 соs (2 j) –2 · 10^-7 Н],

где q_н – нормальное ускорение свободного падения, равное 9,80665 м/с²; j - отклонение географической широты от широты 45 ºС, соответствующей нормальному ускорению свободного падения; Н – высота над уровнем моря, м.

Высота столба рабочей жидкости, измеренная при температуре t, ºС (h_t), приводится к 0 ⁰С (h₀) по формуле:

h₀ = h_t [1-(b- a) · t ],

где b – коэффициент видимого расширения рабочего вещества в стекле (для ртути b = 0,99918, воды b = 0,0002, этилового спирта b = 0,0011) 1/°С; a - температурный коэффициент линейного расширения материала шкалы (для стекла a = 0,000009, латуни a = 0,000019; стали a = 0,000011), .

Рис.2. Колокольный дифференциальный манометр

К жидкостным манометрам относятся также колокольные дифференциальные манометры (рис. 9), которые применяются для измерения разности давлений от 100 до 1000 Па. Измеряемая разность давлений в колокольных дифманометрах определяется по положению колокола. Такие дифманометры бывают с гидростатистическим или с пружинным уравновешиванием. При гидростатическом уравновешивании в результате перемещения толстостенного колокола изменяется архимедова сила, что приводит к уравновешиванию колокола в различных положениях при соответствующих разностях давлений. При пружинном уравновешивании перемещение тонкостенного колокола вызывает деформацию соединенной с ним пружины, в результате чего происходит уравновешивание. Предельно допускаемое рабочее избыточное давление измеряемой среды 0,25 МПа. В качестве заполнителя поплавкового сосуда используются различные масла, ртуть, спирты.

Достоинством жидкостных манометров и дифманометров являются их простота и надежность при высокой точности измерений. К недостаткам следует отнести возможность выплескивания рабочей жидкости при резких изменениях давления в мерительную линию или атмосферу.

 

 

Деформационные манометры

Деформационные манометры содержат упругие чувствительные элементы, осуществляющие преобразование давления в пропорциональное перемещение рабочей точки этого элемента. Рабочий диапазон выбирается в области упругих деформаций с обеспечением запаса на случай перегрузки чувствительного элемента. В зависимости от типа применяемого чувствительного элемента деформационные манометры разделяются на трубчато-пружинные, сильфонные и мембранные.

Рис. 3 Трубчато-пру­жинный манометр.

Пружинные манометры.

В трубчато-пружинных манометрах в качестве чувствительного элемента применяется трубчатая пружина, которая может быть выполнена одновитковой или многовитковой. На рис. 3. показан одновитковый манометр, который посредством ниппеля 1 соединяется с объемом измеряемой среды, к внутренней стороне ниппеля прикреплена изогнутая по определенному радиусу пустотелая трубка 2 овального сечения. Свободный конец трубки 2 запаян и соединен с показывающим механизмом 3. Под действием сил давления трубка 2 раскручивается на величину, пропорциональную давлению. Такие манометры градуируются по контрольно-образцовым приборам.

Деформационные манометры могут быть использованы для измерения как избыточного давления (манометры), так и вакуумметрического (вакуумметры). Верхний предел измерения избыточного давления составляет до 10³ МПа, а предел измерения пружинных вакуумметров находится в диапазоне от 0,1 до 0 МПа. Для повышения чувствительности манометров применяют многовитковые трубчатые пружины.

 

 

Рис. 4. Многовитковые манометры.

Трубчатая пружина 1 (рис.4, а) припаяна к неподвижному держателю 2, заканчивающимся ниппелем 3. Запаянный конец трубки соединен с тягой 4, передающей перемещение пружины на ось 5, которая посредством рычажной системы соединяется с указательной манометрической стрелкой. Угол раскручивания многовитковой пружины значительно больше по сравнению с одновитковой. Многовитковая пружина может быть выполнена как из металла, так и из других материалов. На (рис. 2, б) изображен стеклянный деформационный манометр, где стеклянная трубчатая спираль 1 размещена в стеклянном чехле 2, давление в котором может быть равно атмосферному, быть больше или меньше него. Отсчет показания прибора производится по отклонению зеркала 3 при помощи метода зеркала и шкалы. Такой прибор позволяет измерять давление с точностью до 1 мм рт. ст. при сравнительно малых разностях давления внутри и снаружи спирали.

Мембранные манометры.

Принцип действия мембранных манометров основан на измерении деформации гофрированной мембраны, односторонне нагружаемой контролируемым давлением. Максимальный прогиб мембран (1 мм) значительно меньше хода трубчатых пружин (2-3 мм), вследствие чего кинематическая передача на стрелку прибора должна иметь большее передаточное число. Мембраны обладают значительной жесткостью и потому менее восприимчивы к вибрациям. Защита от агрессивных жидкостей и газов обеспечивается нанесением на мембраны защитных покрытий или пленок. Защита мембран от перегрузок по давлению осуществляется сравнительно просто. Диапазон измерения мембранных манометров находится в пределах 63…4000 мм.вод.ст. и 0,6…25 бар. По точности измерения обычно выпускаемые промышленностью мембранные манометры соответствуют классу 1,6 (погрешность не превышает 1,6% диапазона измерения).

Сильфонные манометры.

Сильфоном называется тонкостенная цилиндрическая трубчатая оболочка с поперечной кольцевой гофрировкой. Сильфоны изготовляют в двух вариантах: бесшовные из тонкостенных цельнонатянутых трубок (рис.3, а) и сварные из плоских гофрированных кольцевых мембран (рис.3, б). Сварные сильфоны более чувствительны, чем бесшовные, т.к. могут быть изготовлены с большей глубиной гофров, более стабильны по своим упругим свойствам, а также проще в изготовлении. Однако большое количество сварных швов снижает надежность таких сильфонов.

Цельнонатянутые сильфоны применяют чаще. Сложность технологии бесшовных сильфонов ограничивает выбор материалов, пригодных для их изготовления. Бесшовные сильфоны изготавливают из нержавеющей стали, бериллиевой бронзы. Основными размерами являются: наружные диаметры D=4,5…160 мм, толщина стенок d=0,08…0,25 мм, число витков n=4…16.

Рис. 5. Сильфон: а) цельнонатянутый; б) сварной.

Вывод: Приобрели теоретические знания о работе с установками измерения давления.