Методы и средства измерения давления

Содержание

                                                                                                                Стр.

Содержание.                                                                                             2 

Введение.                                                                                                  3  

Методы и средства измерения давления.                                              5

Глава 1.Методы прямых измерений давления.

1.1.Жидкостные манометры.                                                                  8

1.1.1.Основные типы, принципы их действия.                                    8

1.1.2.Жидкостно-поршневые манометры.                                           10

1.2.Поршневые манометры.                                                                  12

1.2.1.Принцип действия, основы теории.                                            13

1.3.Деформационные манометры.                                                        16

1.3.1.Принципы преобразования давления деформационным  

манометром.                                                                                                   17

1.3.2.Упругие чувствительные элементы деформационных        манометров.                                                                                                    19

1.3.3.Индуктивные и трансформаторные электромагнитные преобразователи.                                                                                            20

1.3.4.Резистивные деформационные манометры.                               21

1.3.5.Перспективы развития деформационных манометров.            27

Глава 2.Методы косвенных измерений давления.

2.1.Косвенные методы, основанные на уравнении состояния

идеального газа.                                                                                             28

2.2.Косвенные методы, основанные на фазовых переходах.            30

2.3.Косвенные методы, основанные на изменении физических      

свойств измеряемой среды.                                                                          32

       Глава 3. Датчик для измерения избыточного давления                           Метран-43-ДИ (Модель 3163).                                                                     34

      Заключение.                                                                                              37

      Литература.                                                                                               38

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 [1].

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 [2].

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. Например, под действием разности двух давлений по магистральным трубопроводам транспортируются нефть и газ из Сибири.

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 [2].

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; вакуумметр1) - 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 единиц (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.

1) Вакуумметрами часто называют манометры, предназначенные для измерения низких абсолютных давлений, существенно меньших, чем атмосферное давление (в вакуумной технике).

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 [1].

Давление является производной физической величиной, определяе­мой тремя основными физическими величинами — массой, длиной и вре­менем. Конкретная реализация значения давления зависит от способа воспроизведения единицы давления. При измерении по формуле (1) давление определяется силой и площадью, а по формуле (2) — длиной, плотностью и ускорением. Методы определения давления, основанные на измерении указанных величин, являются абсолютными (фундамен­тальными) методами и применяются при воспроизведении единицы дав­ления эталонами грузопоршневого и жидкостного типа, а также позволя­ют, при необходимости, производить аттестацию образцовых средств измерений.

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.

Наиболее существенный классификационный признак — принцип действия средства измерения давления, в соответствии с ним и построе­но дальнейшее изложение.

Современные   средства   измерений  давления   представляют   собой измерительные системы, звенья которых имеют различное функциональное назначение. Обобщенные блок-схемы манометров и измерительных преобразователей давления приведены соответственно на рис. 1, а и б. Важнейшим   звеном любого средства измерения давления является его чувствительный элемент (ЧЭ), который воспринимает измеряемое давление и преобразует его в первичный сигнал, поступающий в измеритель­ную цепь прибора. С помощью промежуточных преобразователей сигнал от ЧЭ преобразуется в показания манометра или регистрируется им, а в  измерительных преобразователях  (ИНД)  - в унифицированный выходкой сигнал, поступающий в системы измерения, контроля, регулирования и управления. При этом промежуточные преобразователи и вто­ричные  приборы   во  многих  случаях унифицированы и могут приме­няться  в  сочетании с ЧЭ различных типов. Поэтому принципиальные особенности манометров и ИПД зависят, в первую очередь, от типа ЧЭ [1].

Рис. 1. Структурные блок-схемы:

а — манометра; б — измерительного преобразователя давле­ния; р — измеряемое давление; 1 — чувствительный эле­мент (первичный преобразователь) ; 2 — промежуточные преобразователи; 3 — показания; 4 — регистрация; 5 — выходной сигнал; → к системам: I — измерения и контроль; II - регистрации; III — регулирования; IV – управления

По принципу действия ЧЭ средства измерения давления можно разделить на следующие основные группы.

1. Средства измерения давления, основанные на прямых абсолютных методах: поршневые манометры и ИПД, в том числе и грузопоршневые манометры, манометры с нецилиндрическим неуплотненным поршнем, колокольные, кольцевые и жидкостные манометры.

В первых трех манометрах метод измерений реализуется уравнением (1), основанным на определении величины давления по отношению си­лы к площади; в жидкостных манометрах - уравнением (2) , основан­ным на уравновешивании давления столбом жидкости.

2. Средства измерения давления, основанные на прямых относитель­ных методах: деформационные манометры и ИПД, в том числе и с силовой компенсацией; полупроводниковые манометры и ИПД; манометры других типов, основанные на изменении физических свойств ЧЭ под дей­ствием давления.

3. Средства измерения давления, основанные на методах косвенных измерений: установки и приборы для определения давления по результа­там измерения других физических величин; установки и приборы для определения давления по результатам измерения параметров физических свойств измеряемой среды (термопарные и ионизационные вакууммет­ры, ультразвуковые манометры, вязкостные вакуумметры и др.).

Следует отметить, что абсолютные методы измерений, заложенные в поршневых и жидкостных манометрах, во многих случаях на практике не реализуются. Например, жидкостные манометры, исключая первичные эталоны, градуируются и поверяются не абсолютным, а относительным методом, путем их сличения с образцовыми средствами измерений соот­ветствующей точности.

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 (1452-1519 гг.), 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. 2, а), состоя­щего из двух соединенных между собой вертикальных трубок 1 и 2, наполовину заполненных жидкостью.

Рис. 2. 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. 2, 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.

Двухчашечный манометр (рис. 2, в) состоит из двух соединенных при помощи гибкого шланга чашек 1 и 2, одна из которых жестко за­креплена, а вторая может перемещаться в вертикальном направлении. При равенстве давлений pl и р2 чашки, а следовательно, свободные по­верхности жидкости находятся на одном уровне I-I. Если р1 > р2, то чашка 2 поднимается вплоть до достижения равновесия в соответствии с уравнением (3).

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).

Диапазоны измерений жидкостных манометров в соответствии с (2) определяются высотой столба жидкости, т. е. размерами маномет­ра и плотностью жидкости. Наиболее тяжелой жидкостью в настоящее время является ртуть, плотность, которой р = 1,35951 • 104 кг/м . Столб ртути высотой 1 м развивает давление около 136 кПа, т. е. давле­ние, не из много превышающее атмосферное давление. Поэтому при из­мерении давлений порядка 1 МПа размеры манометра по высоте соизме­римы с высотой трехэтажного дома, что представляет существенные экс­плуатационные неудобства, не говоря о чрезмерной громоздкости кон­струкции. Тем не менее, попытки создания сверхвысоких ртутных ма­нометров предпринимались. Мировой рекорд был установлен в Париже, где на базе конструкций знаменитой Эйфелевой башни был смонтирован манометр высотой ртутного столба около 250 м, что соответствует 34 МПа. В настоящее время этот манометр разобран в связи с его бес­перспективностью.

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" (рис. 3), состоящий из тороидального кор­пуса 1, внутренняя полость которого в верхней части разделена перего­родкой 2, а нижняя часть до половины заполнена жидкостью 4. Таким образом, корпус имеет две измерительные камеры А и Б, в которые че­рез гибкие шланги подаются измеряемые давления pl и р2. Корпус мо­жет поворачиваться относительно опоры 3, расположенной в его геомет­рическом центре. К нижней части корпуса прикреплен противовес 5.

При равенстве давлений в камерах А и Б корпус прибора располага­ется в соответствии с рис. 4, а. Если одно из давлений больше другого, например, р1 > р2 то под действием разности давлений Δр = p1 – р2, воздействующей на перегородку, корпус повернется на определенный угол α, а уровни жидкости внутри корпуса займут положения, соответствующие рис. 4, б. При этом уравнения равновесия измерительной сис­темы принимают вид

, (6)

Рис. 3. Дифференциальный манометр типа „Кольцевые весы"

где F — площадь перегородки (внутренняя площадь поперечного сечения тороида); r1 — средний радиус тороида; R2 — расстояние от оси враще­ния до центра тяжести противовеса; т — масса противовеса; g — ускоре­ние свободного падения; α — угол поворота корпуса.

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. 4) : 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. 4. 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 (Российская Академия наук) 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.

Большой вклад в развитие поршневой манометрии внесли проф. М.К. Жохов-ский, который впервые разработал целостную теорию приборов с неуплотненным поршнем, П.В. Индрик, В.Н. Граменицкий и многие другие их последователи.

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.5 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.  5. 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.

Благодаря высокой стабильности эффективной площади, которая определяется в основном геометрическими размерами пары поршень - цилиндр, а также возможности учета внешних влияний расчетными методами, поршневые манометры являются идеальными преобразова­телями давления в силу.

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.

Поршневой манометр — манометр, в котором действующее на пор­шень измеряемое давление преобразуется в силу и определяется по зна­чению силы, необходимой для ее уравновешивания. В наиболее распрос­траненных поршневых манометрах давление уравновешивается весом грузов. Такие манометры называются грузопоршневыми.