Содержание

                                                                                                                    Стр.

    Содержание.                                                                                            2 

    Список  принятых сокращений              3

    Введение.                                                                                                 4  

    Основные  понятия.                                                                                  5                          

    Методы  и средства измерения давления.                                              7

    Глава 1.Методы прямых измерений давления.

    1.1.Жидкостные  манометры.                                                                  9

    1.1.1.Основные  типы, принципы их действия.                                      9

    1.1.2.Жидкостно-поршневые  манометры.                                             11

    1.2.Поршневые  манометры.                                                                  13

    1.2.1.Принцип  действия, основы теории.                                               14

    1.3.Деформационные  манометры.                                                          15

    1.3.1.Принципы  преобразования давления деформационным  

манометром.                                                                                                   16

    1.3.2.Упругие  чувствительные элементы деформационных      

 манометров.                                                                                                  17

    1.3.3.Индуктивные  и трансформаторные электромагнитные  преобразователи.                                                                                            18

    1.3.4.Резистивные  деформационные манометры.                                 19

    Глава 2.Методы косвенных измерений давления.

    2.1.Косвенные  методы, основанные на уравнении  состояния

идеального  газа.                                                                                            21

    2.2.Косвенные  методы, основанные на фазовых  переходах.               23

    2.3.Косвенные  методы, основанные на изменении  физических      

свойств измеряемой среды.                                                                          24

       Заключение.                                                                                             25

       Список используемых источников и литературы.                                    27

   Список  принятых сокращений

СИ –  система измерений;

ЧЭ –  чувствительный элемент;

ИПД - измерительный преобразователь давления;

ЭДС – электродвижущая сила;

УЧЭ – упругий  чувствительный элемент 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

    Введение.

    Вопросами теории измерений, средствами обеспечения  их единства и способов достижения необходимой точности занимается специальная  наука – метрология. В задачу метрологии входит установление единиц измерения, определение способов передачи размера единицы от эталонов до измеряемого  объекта через ряд промежуточных  звеньев.

          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 лопасти турбин, под действием давления по каналам и трубопроводам на тысячи километров транспортируется вода, нефть и газ. Давление приводит в движение автомобили и самолеты, геодезические ракеты и космические корабли, открывает и закрывает двери лифта, вагонов метропоездов, троллейбусов и автобусов, подает воду и газ в квартиры наших домов.

    Посредством давления осуществляется работа разнообразных  станков, механизмов и установок в различных отраслях производства.

    По  давлению контролируют состояние рабочих  сред в различных технологических процессах нефтехимической промышленности, при производстве искусственных волокон и пр. 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.

    Целью данного исследования является рассмотрение давления как физической величины, методов прямого и косвенного измерения, а также тенденций в развитии приборов для измерения давления.

    Достижение  обозначенной цели предполагает решения  следующего комплекса задач:

    - изучение основ теории по физической величине давление;

    - изучение методов определения  давления;

    - изучение приборов для измерения  давления;

    - сравнительный анализ приборов  для измерения давления.

           Объектом исследования  является давление как физическая величина и методы определения давления.

      Для достижения поставленных  целей были использованы такие  общенаучные методы исследования как анализ, сравнение, системный и функциональные подходы.

      Методология данного исследования теоретическая. 

    Основные  понятия.

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

 (1)     , 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.

    Понятие давления как физической величины во всех его проявлениях едино. Вместе с тем, во многих естественных природных явлениях и в различных технических устройствах и процессах определяющим является не само давление, а его значение относительно другого. При сравнении значений двух давлений одно из них принимается за начало отсчета их разности. По этому признаку различают следующие виды давлений.

    Абсолютное  давление — давление, значение которого при измерении отсчитывается  от давления, равного нулю. Абсолютное давление воздушной оболочки Земли на ее поверхность называется атмосферным давлением.

  С учетом специфики каждого из видов  давления при измерениях применяются  специальные средства измерений - манометры  и измерительные преобразователи давления.

    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.

Единицы измерения давления

    Когерентной единицей Международной системы  СИ является паскаль (Па). По определению единица давления паскаль представляет собой отношение единицы силы Ньютона к единице площади квадратному метру:

    1 Па= 1 Н/м² = 1 кг/(м•с²)

    Наиболее  близка к СИ единица давления бар (бар), размер, которой очень удобен для практики (1 бар = 1•10⁵ Па).

    В применяемых до настоящего времени  жидкостных манометрах мерой измеряемого  давления является высота столба жидкости. Поэтому естественно применение единиц давления, определяемых высотой  столба жидкости, т. е. основанных на единицах длины. В странах с метрическими системами мер получили распространение единицы давления миллиметр и метр водяного столба (мм вод. ст. и м вод. ст.) и миллиметр ртутного столба (мм рт. ст.).

    Размеры этих единиц давления пересчитываются  в единицы СИ на основании формулы

     (2), где Н - высота столба жидкости, м, р - плотность жидкости, кг/м³, g -ускорение свободного падения, м/с².

Методы  и средства измерения  давления.

    Методы  измерения давления во многом предопределяют как принципы действия, так и конструктивные особенности средств измерений. В этой связи в первую очередь следует остановиться на наиболее общих методологических вопросах техники измерения давления.

    Давление, исходя из самых общих позиций, может  быть определено как путем его  непосредственного измерения, так  и посредством измерения другой физической величины, функционально связанной с измеряемым давлением.

    В первом случае измеряемое давление воздействует непосредственно на чувствительный элемент прибора, который передает информацию о значении давления последующим звеньям измерительной цепи, преобразующим ее в требуемую форму. Этот метод определения давления является методом прямых измерений, и получил наибольшее распространение в технике измерения давления. На нем основаны принципы действия большинства манометров и измерительных преобразователей давления.

    Во  втором случае непосредственно измеряются другие физические величины или параметры, характеризующие физические свойства измеряемой среды, значения которых закономерно связаны с давлением (температура кипения жидкости, скорость распространения ультразвука, теплопроводность газа и т. д.). Этот метод является методом косвенных измерений давления и применяется, как правило, в тех случаях, когда прямой метод по тем или иным причинам неприменим, например, при измерении сверхнизкого давления (вакуумная техника) или при измерении высоких и сверхвысоких давлений.

    Относительный метод измерений, в отличие от абсолютного, основан на предварительном  исследовании зависимости от давления физических свойств и параметров чувствительных элементов средств  измерения давления при методах прямых, измерений или других физических величин и свойств измеряемой среды — при методах косвенных измерений. Например, деформационные манометры перед их применением для измерения давления должны быть сначала отградуированы по образцовым средствам измерений соответствующей точности.

    Помимо  классификации по основным методам  измерений и видам давления, средства измерений давления классифицируют по принципу действия, функциональному  назначению, диапазону и точности измерений. 
 
 

Глава 1. Методы прямых измерений давления.

1.1. Жидкостные манометры

    Вопросы водоснабжения для человечества всегда были очень важными, а особую актуальность приобрели с развитием  городов и появлением в них  различного вида производств. При этом все более актуальной становилась  проблема измерения давления воды, т. е. напора, необходимого не только для  обеспечения подачи воды через систему  водоснабжения, но и для приведения в действие различных механизмов. Честь первооткрывателя принадлежит крупнейшему итальянскому художнику и ученому Леонардо да Винчи, который впервые применил пьезометрическую трубку для измерения давления воды в трубопроводах.

    Дальнейшее  развитие науки и техники привело  к появлению большого количества жидкостных манометров различных типов, применяемых до настоящего времени во многих отраслях: метеорологии, авиационной и электровакуумной технике, геодезии и геологоразведке, физике и метрологии и пр. Однако, в силу ряда специфических особенностей принципа действия жидкостных манометров их удельный вес по сравнению с манометрами других типов относительно невелик и, вероятно, будет уменьшаться и в дальнейшем. Тем не менее при измерениях особо высокой точности в области давлений, близких к атмосферному давлению, они пока незаменимы. Не потеряли своего значения жидкостные манометры и в ряде других областей (микроманометрии, барометрии, метеорологии, при физико-технических исследованиях). 

    1.1.1. Основные типы  жидкостных манометров  и принципы их  действия

    Принцип действия жидкостных манометров можно  проиллюстрировать на примере U-образного жидкостного манометра (рис. 1, а), состоящего из двух соединенных между собой вертикальных трубок 1 и 2, наполовину заполненных жидкостью.

    Рис. 1. Основные типы жидкостных манометров

    В соответствии с законами гидростатики при равенстве давлений р₁ и р₂ свободные поверхности жидкости (мениски) в обеих трубках установятся на уровне I-I. Если одно из давлений превышает другое (р₁ >р₂), то разность давлений вызовет опускание уровня жидкости в трубке 1 и, соответственно, подъем в трубке 2, вплоть до достижения состояния равновесия. При этом на уровне II-II уравнение равновесия примет вид:

    Δр=р₁ -р₂ = Н - р • g , (3), т. е. разность давлений определяется давлением столба жидкости высотой Н с плотностью р.

    Уравнение (2) с точки зрения измерения давления является фундаментальным, так как  давление, в конечном итоге, определяется основными физическими величинами - массой, длиной и временем. Это уравнение справедливо для всех без исключения типов жидкостных манометров. Отсюда следует определение, что жидкостный манометр - манометр, в котором измеряемое давление уравновешивается давлением столба жидкости, образующегося под действием этого давления. Важно подчеркнуть, что мерой давления в жидкостных манометрах является высота столба жидкости. Именно это обстоятельство привело к появлению единиц измерений давления мм вод. ст., мм рт. ст. и других которые естественным образом вытекают из принципа действия жидкостных манометров.

    Чашечный  жидкостный манометр (рис. 1, б) состоит из соединенных между собой чашки 1 и вертикальной трубки 2, причем площадь поперечного сечения чашки существенно больше, чем трубки. Поэтому под воздействием разности давлений Δр изменение уровня жидкости в чашке гораздо меньше, чем подъем уровня жидкости в трубке: Н₁ = Н₂ • f/F, гае Н₁ - изменение уровня жидкости в чашке.; Н₂ - изменение уровня жидкости в трубке;  f - площадь сечения трубки; F - площадь сечения чашки.

    Отсюда  высота столба жидкости, уравновешивающей измеряемое давление

    Н = Н₁ + Н₂ = Н₂ (1 + f/F), (4)

 а  измеряемая разность давлений

    р₁-p₂=Н₂•g(1+f/ F),  (5)

    Поэтому при известном коэффициенте k = 1 + f/F разность давлений может быть определена по изменению уровня жидкости в одной трубке, что упрощает процесс измерений.

    Единство  принципа действия жидкостных манометров всех типов обусловливает их универсальность  с точки зрения возможности измерения давления любого вида — абсолютного и избыточного и разности давлений.

    К важной метрологической характеристике средств измерения давления относится чувствительность измерительной системы, которая во многом определяет точность отсчета при измерениях и инерционность. Для манометрических приборов под чувствительностью понимается отношение изменения показаний прибора к вызвавшему его изменению давления (п =ΔН/Δр).  

    1.1.2. Жидкостно-поршневые  манометры

    Очень часто к жидкостным манометрам относят  приборы, измерительная система которых хотя и содержит в качестве одного из элементов жидкость, но по принципу действия в корне отличается от жидкостных манометров. К таким приборам относится дифференциальный манометр типа „кольцевые весы", состоящий из тороидального корпуса, внутренняя полость которого в верхней части разделена перегородкой, а нижняя часть до половины заполнена жидкостью. Таким образом, корпус имеет две измерительные камеры А и Б, в которые через гибкие шланги подаются измеряемые давления p_l и р₂. Корпус может поворачиваться относительно опоры, расположенной в его геометрическом центре. К нижней части корпуса прикреплен противовес.

    Таким образом, давление определяется массой противовеса, геометрическими параметрами прибора и углом поворота корпуса, а роль заполняющей измерительную систему жидкости сводится к созданию жидкостного затвора между камерами А и Б. Поэтому по виду первичного преобразования - давления в силу, действующую на перегородку, - прибор аналогичен поршневым манометрам.

    Еще в большей мере сказанное относится  к колокольным манометрам, применяемым  в качестве образцовых и эталонных  приборов. Основные элементы измерительной системы манометра (рис. 2): наполовину заполненный водой сосуд 5, цилиндрический колокол 3, подвеска 2 с чашкой 6 для наложения грузов 7, рычаг 1 весового компаратора с указателем положения равновесия 8 и подвески 9 с тарировочным грузом 10. Измеряемое давление подводится под колокол трубкой 4.

    Измерительной камерой прибора является внутренняя полость колокола, ограниченная дном и внутренней поверхностью цилиндрической части колокола и свободной поверхностью жидкости в его нижней части. При проведении измерений камера предварительно сообщается с атмосферным давлением и вес частично погруженного в жидкость колокола уравновешивается тарировочным грузом 10.

    Рис. 2. Измерительная система манометра 

      Тогда при подаче в камеру измеряемого  давления для сохранения положения  равновесия на чашку 6 необходимо наложить грузы  7, вес которых и является мерой измеряемого давления. При этом давление в камере будет уравновешиваться противодавлением столба жидкости в кольцевом зазоре между наружной поверхностью колокола и внутренней поверхностью сосуда 5. Таким образом, роль жидкости так же, как и в вышеописанном приборе, ограничивается созданием жидкостного затвора для удержания давления в измерительной камере, так как составляющими сил давления на боковую поверхность колокола в вертикальном направлении при условии соблюдения технологии его изготовления можно пренебречь.  

    1.2.  Поршневые манометры

    Поршневые манометры появились позже жидкостных. Впервые поршневой манометр был  применен для измерения давления в 1833 г. Парротом и Ленцем при изучении сжимаемости воздуха и других свойств газов, причем значение давления для того времени было очень большим (10 МПа). Дальнейшее развитие поршневой манометрии шло, в основном, в сторону увеличения точности и верхних пределов измерений, а, начиная с тридцатых годов текущего столетия поршневые манометры стали вытеснять жидкостные и при точных измерениях давлений, близких к атмосферному давлению.

    В настоящее время в нашей стране и за рубежом поршневые манометры  играют ведущую роль при поверке и испытаниях манометрических приборов в широком диапазоне давлений от 1 кПа до десятков тысяч МПа и находят все большее применение в качестве национальных государственных эталонов давления. 

    1.2.1. Принцип действия, основы теории  и типы поршневых  манометров

    На  рис.3 изображен простейший поршневой манометр, который состоит из цилиндрического поршня 1, притертого к цилиндру 2 с минимально возможным зазором. Если на нижний торец поршня действует измеряемое давление р, то для его уравновешивания к поршню должна быть приложена сила Р. Уравнение равновесия с учетом силы трения на боковую поверхность поршня, возникшей при протекании жидкости или газа через зазор между поршнем и цилиндром под действием измеряемого давления, имеет вид

    рF = P-T, (7), где F — геометрическая площадь поперечного сечения поршня; Т — сила жидкостного трения на боковую поверхность поршня.

    Рис.  3. Простейший поршневой манометр 

    Наиболее  часто измеряемое давление уравновешивают весом грузов, что явно предпочтительно  с точки зрения достижения высокой  точности измерений, хотя и представляет известные неудобства в эксплуатации.

    Наиболее  существенное достоинство поршневых  манометров состоит в том. что они непосредственно воспроизводят давление по определению: давление равно силе, деленной на площадь поршня. Этот метод так же, как и метод уравновешивания давления столбом жидкости, является фундаментальным, т. е. измерение давления в конечном итоге сводится к измерению массы, длины и времени. Вышеизложенное позволяет сформулировать следующее определение.

    Одно  из обязательных условий, обеспечивающих возможность выполнения измерения — сохранение постоянства измеряемого давления при его измерении. В жидкостно-поршневых манометрах это достигается уравновешиванием измеряемого давления гидростатическим давлением столба жидкости.

    Повышение качества изготовления поршневых пар  — одна из важнейших задач в развитии поршневой манометрии. Применение в качестве материалов поршневых пар сверхтвердых сплавов на основе карбида вольфрама, прочностные характеристики которых (твердость, модуль упругости) существенно выше, чем у обычно применяемых легированных сталей, а температурный коэффициент линейного расширения ниже, позволяет соответственно снизить влияние измеряемого давления и температуры на постоянство эффективной площади поршня и ее стабильность в период эксплуатации манометра.  

    1.3. Деформационные манометры

    По  мере развития промышленности, особенно в связи с появлением паровых  машин и железных дорог, потребовались  более удобные, чем жидкостные манометры приборы.

    Первый  деформационный манометр с трубчатым  чувствительным элементом был изобретен  случайно. Рабочий, при изготовлении змеевика для дистилляционного аппарата, сплющил поперечное сечение цилиндрической трубки, изогнутой по спирали. Тогда, чтобы восстановить форму трубки, один конец ее заглушили, а в другой конец насосом дали давление воды. При этом часть трубки с деформированным сечением приняла цилиндрическую форму, а спираль на этом участке разогнулась. Этот эффект был использован немецким инженером Шинцем, который в 1845 г. применил трубчатый чувствительный элемент для измерения давления.

    Простота  и компактность деформационных манометров, возможность их применения в различных  условиях эксплуатации очень быстро поставили их на первое место в  технике измерения давления практически  во всех отраслях народного хозяйства.

    Диапазон  измерений деформационных манометров охватывает почти 10 порядков, простираясь  от 10 Па (1 мм вод.ст.) до 1-2 ГПа (более 10000 кгс/см²). При этом достигается высокая точность измерений, в отдельных случаях погрешности измерений не превышают 0,02-0,05 %. 

    1.3.1. Основные принципы  преобразования давления  деформационным манометром

    Принципиальное  отличие деформационных манометров от жидкостных и поршневых состоит в применении упругого чувствительного элемента (УЧЭ) в качестве первичного преобразователя давления. Чувствительный элемент, воспринимающий измеряемое давление, представляет собой упругую оболочку, которая обычно выполняется в форме тела вращения, причем толщина стенки оболочки существенно меньше ее внешних размеров. Под действием измеряемого давления упругая оболочка деформируется так, что в любой точке оболочки возникают напряжения, уравновешивающие действующее на нее давление.

    Понятие „деформационный манометр" в  общем виде может быть сформулировано следующим образом. Деформационный манометр - манометр, в котором измеряемое давление, действующее на упругую оболочку УЧЭ, уравновешивается напряжениями, которые возникают в материале упругой оболочки. Таким образом УЧЭ преобразует давление, являющееся входной величиной, в выходную величину, несущую измерительную информацию о значении давления. Для УЧЭ естественно выбрать в качестве выходной величины в зависимости от принципа действия деформационного манометра: перемещение заданной точки УЧЭ; напряжение в материале заданной точки и усилие, развиваемое УЧЭ под действием давления.