Студопедия КАТЕГОРИИ: АвтоАвтоматизацияАрхитектураАстрономияАудитБиологияБухгалтерияВоенное делоГенетикаГеографияГеологияГосударствоДомЖурналистика и СМИИзобретательствоИностранные языкиИнформатикаИскусствоИсторияКомпьютерыКулинарияКультураЛексикологияЛитератураЛогикаМаркетингМатематикаМашиностроениеМедицинаМенеджментМеталлы и СваркаМеханикаМузыкаНаселениеОбразованиеОхрана безопасности жизниОхрана ТрудаПедагогикаПолитикаПравоПриборостроениеПрограммированиеПроизводствоПромышленностьПсихологияРадиоРегилияСвязьСоциологияСпортСтандартизацияСтроительствоТехнологииТорговляТуризмФизикаФизиологияФилософияФинансыХимияХозяйствоЦеннообразованиеЧерчениеЭкологияЭконометрикаЭкономикаЭлектроникаЮриспунденкция |
Жидкостно-поршневые манометры.Стр 1 из 7Следующая ⇒
ЛЕКЦИЯ № 10 Дисциплина: Тема: «Измерение и контроль физических величин, свойств веществ и материалов». Вопросы: Измерение давления. Единицы измерения. Основные методы и средства измерений, их классификация и виды. Измерение перемещений. Единицы измерения. Основные методы и средства измерений, их классификация и виды. Год Измерение давления. Единицы измерения. Основные методы и средства измерений, их классификация и виды. Давление как физическая величина определяется в виде энергии вещества (жидкость или газ), отнесенной к единице объема, и является наряду с температурой основным параметром его физического состояния. Воздействие давления вещества на внешний объект проявляется в виде силы F, действующей на единицу площадиS, т.е. P = F/S [Н/м2]. Различают следующие виды давления: - атмосферное; - абсолютное; - избыточное; - вакуум (разрежение). Атмосферное(барометрическое) давление Ратм– давление, создаваемое массой воздушного столба земной атмосферы. Абсолютное давление Рабс– давление, отсчитанное от абсолютного нуля. За начало отсчета абсолютного давления принимают давление внутри сосуда, из которого полностью откачан воздух. Также под абсолютным давлением понимается полное давление, которое равно сумме атмосферного и избыточного Рабс = Ри +Ратм. Избыточное давление – разность между абсолютным и атмосферным давлениями Ри = Рабс - Ратм(избыточное давление всегда выше атмосферного). Вакуум (разрежение) – разность между атмосферным и абсолютным давлениями Рв = Ратм - Рабс(вакуумметрическое давление всегда ниже атмосферного). Единицей измерения давления в Международной системе единиц (СИ) является паскаль [Па]. Соотношение между единицами измерения давления. 1 Па = 1 Н/м2 = 1,01972·10-5 кгс/см2 = 10-5 бар = 0,98692·10-5атм 1 ат = 1 кгс/см2 = 0,980665·105 Па = 0,980665 бар = 0,96784 атм 1 бар = 106 дин/см2 = 105 Па = 1,01972 кгс/см2 = 0,98692 атм 1 атм = 760 мм рт. ст. = 1,01325·105 Па = 1,0332 кгс/см2 = 1,01325 бар Приборы давленияв зависимости от измеряемой величины разделяются на: - манометры (для измерения избыточного или абсолютного давления); - барометры (для измерения атмосферного давления); - вакуумметры (для измерения вакуумметрического давления). Манометры предназначенные для измерения малых давлений, имеют свои специфические названия: - напоромеры, для измерения избыточных давлений до 40 кПа; - тягомеры, для измерения малых вакуумметрических давлений до 40 кПа; - тягонапоромеры, приборы давления, имеющие двустороннюю шкалу с пределами измерения ± 20 кПа (значение нуль на шкале соответствует атмосферному давлению). Для измерения разности давлений используют дифференциальные манометры (дифманометры). По принципу действия чувствительного элемента приборы для измерения давления разделяют на: - жидкостные; - деформационные; - грузопоршневые. В качестве эталонных, по которым осуществляется поверка рабочих приборов, применяют грузопоршневые манометры. Передача сигнала, получаемого от чувствительного элемента первичного преобразователя к вторичным приборам, осуществляется либо механически в показывающих приборах, либо с помощью преобразователей дифференциально-трансформаторных, ферродинамических, тензопреобразователей и др.
Жидкостные манометры. 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 - ρ·g ,(1) т. е. разность давлений определяется давлением столба жидкости высотой Н с плотностью ρ.
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, где 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), (2) а измеряемая разность давлений Р1-Р2 =Н2·g(1+f/ F), (3) 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.1, 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 Р1 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. 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 определяются высотой столба жидкости, т. е. размерами манометра и плотностью жидкости. Наиболее тяжелой жидкостью в настоящее время является ртуть, плотность, которой ρ = 1,35951 · 104 кг/м3 . Столб ртути высотой 1 м развивает давление около 136 кПа, т. е. давление, не 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. 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. 2), 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 Р1 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. 2, а. Если одно из давлений больше другого, например, Р1>Р2 то под действием разности давлений ΔР = Р1 – Р2, воздействующей на перегородку, корпус повернется на определенный угол α, а уровни жидкости внутри корпуса займут положения, соответствующие рис. 2, б. При этом уравнения равновесия измерительной системы принимают вид , (4) Рис. 2. 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; m — 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. Поршневые манометры. 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, (5) 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. 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. 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. 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. Например, в манометре столб образуется в кольцевом пространстве между боковыми поверхностями колокола и сосуда, в которой залита разделительная жидкость (гидростатический затвор). В отличие от этого в поршневых манометрах постоянство давления в измерительной камере поддерживается благодаря гидравлическому сопротивлению протекания жидкости через зазор между поршнем и цилиндром (гидродинамический затвор). При этом ввиду малости зазора (1-2 мкм) гидравлическое сопротивление позволяет поддерживать постоянство давления с допускаемыми отклонениями. Не обеспечивая полную герметичность, гидродинамический затвор обладает очень важным преимуществом - измеряемое давление практически не влияет на размеры прибора, в то время как во всех жидкостных манометрах высота столба жидкости, необходимая для уравновешивания, прямо пропорциональна измеряемому давлению. Деформационные манометры 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. Выбор того или иного выходного сигнала УЧЭ определяет способы его дальнейшего преобразования для получения результатов измерения давления, а, следовательно, и принцип действия деформационного манометра. В технике измерения давления нашли применение два основных метода: метод прямого преобразования и метод уравновешивающего преобразования (рис. 4). По методу прямого преобразования (рис. 4, а) все преобразования информации о значении давления проводятся в направлении от УЧЭ через посредство промежуточных преобразователей П1, П2, . . ., Пn к устройству И, представляющему результаты измерений давления в требуемой форме. При этом суммарная погрешность преобразования определяется погрешностями всех преобразователей, входящих в измерительный канал. Рис. 4. Методы измерения давления Метод уравновешивающего преобразования (рис. 4, б) характеризуется тем, что используются две цепи преобразователей: цепь прямого преобразования, состоящая из цепи промежуточных преобразователи П1, П2, . . ., Пn, выходной сигнал которой Увых поступает на указатель результата измерений Ии одновременно на цепь обратного преобразования, состоящей из преобразователя ОП. Метод уравновешивания состоит в том, что усилие N, развиваемое УЧЭ, уравновешивается усилием Nоп, создаваемым обратным преобразователем ОП выходного сигнала Iвых цепи прямого преобразования. Поэтому на вход последней поступает лишь отклонение заданной точки УЧЭ от положения равновесия. В отличие от предыдущего метода суммарная погрешность преобразования в данном случае почти полностью определяется погрешностью обратного преобразователя. Однако применение метода уравновешивания приводит к усложнению конструкции деформационного манометра В зависимости от назначения и принципа действия отдельные звенья измерительных цепей деформационных манометров могут конструктивно выполняться в виде самостоятельных блоков. Во многих случаях, например, при жестких эксплуатационных условиях на объекте измерения (повышенная или пониженная температура, высокий уровень вибрации труднодоступность места подключения и пр.) целесообразно свести к минимуму количество звеньев, находящихся непосредственно на объекте Конструктивная совокупность этих измерительных элементов с обязательным включением в нее УЧЭ называется датчиком. В то же время указатель результата измерений должен находиться в месте, с более благоприятными условиями, удобном для наблюдателя. Это же касается и остальной части измерительной цепи. Блочный принцип построения целесообразен также и с точки зрения изготовления манометров на разных предприятиях при массовом производстве. В этой связи следует остановиться на часто применяемом понятии "измерительный преобразователь давления" (ИПД). В принципе, ИПД — это составная часть измерительной цепи многих современных деформационных манометров, включающая промежуточный преобразователь с унифицированным выходным сигналом. Поэтому выделение ИПД в самостоятельный раздел нецелесообразно из-за неизбежности повторов при их описании. В то же время ИПД по функциональным возможностям имеет более широкое применение, чем манометры. |
|||
Последнее изменение этой страницы: 2018-04-12; просмотров: 222. stydopedya.ru не претендует на авторское право материалов, которые вылажены, но предоставляет бесплатный доступ к ним. В случае нарушения авторского права или персональных данных напишите сюда... |