Вимірювання тиску. Основні визначення. Одиниці тиску.

Додаткові похибки.

Це похибки, які виникають при роботі приладів в умовах відмінних від нормальних.

Для приладів зараз нормують межі або границі допустимої основної зведеної похибки.

Залежність для додаткових похибок вказують в документах на прилади (наприклад, 0.1% на кожні 10°С). При перевірці їх не завжди визначають.

Є ще параметр “клас точності”, але зараз ним користуються значно менше.

Клас точності – це узагальнена характеристика засобу вимірювальної техніки (засобу вимірювань), що визначається границями його допустимих основної та додаткових похибок, а також іншими характеристиками, що впливають на його точність, значення яких регламентуються.

 

Вимірювання тиску. Основні визначення. Одиниці тиску.

Тиск – один з основних параметрів протікання хіміко-технологічного процесу. Від тиску залежать інтенсивність протікання хімічних реакцій, а також рівноважний стан обернених реакцій.

Одиниці вимірювання тиску

Основна системна одиниця (в СІ):

1Па=1Н/м²

Похідні від неї: 1 кПа; 1 МПа.

Також зараз широко застосовують зручні технічні одиниці, які є більш популярними.

1 мм.вод.ст. = 1 кгс/м² = 9.81 Па (≈10 Па)

1 мм.рт.ст. = 13.6 мм.вод.ст. =133 Па (≈136 Па)

1 ат (технічна атмосфера) = 1 кгс/см² = 10⁴ кгс/м²_­ = 10^4­­­ мм.вод.ст. = 10 м. вод.ст.

1 атм (фізична атмосфера) = тиск на березі моря = 760 мм.рт.ст. при густині ртуті ρ_рт =13.6 г/см³ і g=9.81 м/с²

1 бар = 750 мм.рт.ст.

1 ат = 0.1 МПа = 735.6 мм.рт.ст.

1 атм = 1.0336 ат = 10336 мм.вод.ст. =101325 Па

1. По роду вимірюваної величини:

- Манометри, в тому числі і вимірювачі (манометри абсолютного тиску) – це прилади для вимірювання надлишкового і абсолютного тисків.

- Вакуумметри – прилади для вимірювання розрідження.

- Мановакуумметри - для вимірювання надлишкового тиску і розрідження (до -1 атм!!!).

- Напороміри (мікроманометри) – прилади для вимірювання малих надлишкових тисків.

- Тягоміри (мікроманометри) – прилади для вимірювання малих розріджень.

- Тягонапороміри (мікроманометри) – прилади для вимірювання малих розріджень і напорів.

- Диференційні манометри (дифманометри) – це прилади для вимірювання різниці тисків, але жоден з тисків не тиском оточуючого середовища.

- Барометри – це прилади для вимірювання атмосферного тиску.

1. По принципу дії:

- Рідинні – принцип дії базується на зрівноваженні тиску тиском стовпчика рідини.

- Деформаційні – міряють тиск по деформації пружного елементу.

- Поршневі – міряють тиск по силі, яка діє на поршень з чітко визначеною площею.

- Електричні – принцип дії базується на зміні електричних параметрів під дією тиску (зміна опору, зміна електричної ємності, індуктивності або взаємоіндуктивності).

 

Рідинні прилади для вимірювання тиску в свою чергу поділяються на:

a) U – подібні манометри;

b) Чашкові манометри;

c) Мікроманометри з похилою трубкою;

d) Компенсаційні мікроманометри;

e) Поплавцеві мікроманометри;

f) Кільцеві манометри (дифманометри);

g) Ковпакові або дзвонові манометри.

 

 

U – подібні рідинні манометри (двотрубні манометри).

Прилад являє собою скляну трубку, зігнуту у формі букви U (1). Між трубками розміщена шкала на дерев’яній площині (2). Трубка наповнена рідиною (вода, ртуть, спирт).

Перевага: Прилад широко застосовується у лабораторній практиці, похибка при мм, Δ = 1 мм при d = 7-10 мм, δ = 0.1%.

Недоліки: прилад незручний у користуванні, жодного перетворювача в електричний (дистанційно) немає, треба робити два відліки.

 

 

Однотрубні або чашкові рідинні прилади.

Це модифікація двотрубного приладу, в якому одне з колін замінене широкою посудиною (чашкою). Перевага: потрібно один відлік.

Мікроманометри з похилою трубкою.

Це різновид чашкового манометра. Для підвищення точності вимірювання малих тисків трубку розміщують похило.

Прилад застосовується для вимірювань малих тисків і розріджень.

Компенсаційні рідинні прилади.

Вони застосовуються виключно як зразкові прилади. Вони складаються з двох посудин, що з’єднані гнучкою трубкою, і пристроїв відліку, в тому числі оптичних. Значення вимірюваного тиску компенсують підніманням однієї з посудин на певну висоту. При цьому на результат вимірювання не будуть впливати похибки від відхилень геометричних розмірів конструкції приладу.

 

Поршневі манометри.

Принцип дії базується на зрівноваженні сили, яка виникає під дією тиску на не ущільненому поршні, силою ваги вантажів на цьому поршні. Це найточніші на сьогодні прилади для вимірювання і відтворювання тиску. В основу покладені два найточніші механічні вимірювання: вимірювання лінійних розмірів – діаметру (перерізу поршня) і вимірювання ваги.

Не ущільнений поршень (основний елемент) являє собою притертий циліндр правильної форми, який переміщується із зазором 1-5 мікрон у каналі циліндричної форми. Вся конструкція заповнена робочою рідиною (трансформаторне, приладне, силіконове масло, при роботі на кисні - вода).

Вся конструкція називається колонкою. Поршні бувають різної конструкції: простий, диференційний, поршень-мультиплікатор для високих тисків.

Найбільш поширеною конструкцією є вантажно-поршневий манометр або прес (або прес Рухгольца).

 

Деформаційні прилади.

Це дуже поширений клас приладів. Переваги – проста конструкція, не потребують живлення, висока надійність, може бути вібро- і ударостійкість, великий діапазон вимірювання, висока точність вимірювання.

Принцип дії базується на деформації різних пружних елементів, які сприймають тиск і перетворюють його в переміщення.

Манометри з трубкоподібною пружиною (трубкою Бурдона).

Прилад складається із скрученої по колу трубки овального перерізу. Під тиском трубка розгинається і переріз округлюється. До заглушеного кінця трубки під’єднаний механізм для збільшення переміщення. Матеріал трубки – різні сплави латуні і бронзи, нержавіюча сталь (для великих тисків), сплави срібла.

Перерізи:

Це найпоширеніші прилади для вимірювання тиску.

Переваги: широкий діапазон вимірювання, проста конструкція, не потребує живлення, висока точність вимірювання. Виготовляються як технічні, так і зразкові прилади.

Недолік: прилади “бояться” перевантажень. Це єдині прилади, для яких треба вводити коефіцієнт запасу 0.65-0.75 по діапазону вимірювання (крім зразкових).

Такі прилади виготовляються для вимірювання тиску пульсуючих потоків. На газоподібних потоках у штуцер вкручують дросель (гвинт з маленьким отвором), він чинить опір і разом з об’ємом пружини утворює фільтр, який згладжує пульсації. Для рідин весь механізм заливають в’язким прозорим маслом, який захищає деталі від вібрацій.

На агресивних середовищах такі прилади мають мембранні розділювачі. Завжди перевіряють комплект: прилад + розділювач для всіх приладів. Для систем захисту і блокування застосовують електроконтактні манометри – це трубка і два регульовані контакти: мінімум і максимум. Це звичайний пружинний механізм.

Мембранні прилади.

Найпоширеніші – тягонапороміри, які застосовуються для вимірювання малих напорів і розріджень в різних технологічних апаратах. Це всі процеси спалювання, на вході має бути невеликий напір, а на виході – розрідження; різні апарати для спалювання і випалювання (в них процеси проходять під невеликим розрідженням).

Дуже часто їх виконують з дистанційною електричною подачею, найчастіше диференційно-трансформаторною. По цьому принципу можна виготовити прилади на дуже малі значення тисків і перепадів тиску.

 

При дії різниці тисків в одній половині мембранної коробки мембрани починають сходитись, в іншій розходитись. При цьому силіконова рідина перетікає з однієї половини мембранної коробки в іншу. При цьому переміщується магнітне осердя і на виході диференційного трансформатора з’являється напруга пропорційна до різниці тисків.

При перевантаженні мембрани спряженими поверхнями лягають одна на одну (в камері, яку перевантажили) і витісняють всю силіконову рідину в другу половину мембранної коробки. Після зняття перевантаження відновлюється нормальна робота.

Більш прості конструкції вимірювачів тиску, перепадів тиску або розрідження мають еластичну мембрану. Їх параметри гірші, але вони дешевші.

Вимірювання температури.

Манометричні термометри.

Принцип дії базується на зміні тиску внаслідок об’ємного розширення робочого тіла при зміні температури. В залежності від наповнення діляться на:

1. Газові.

2. Рідинні.

3. Паро-рідинні (конденсаційні).

Переваги: проста конструкція, висока механічна міцність, надійність, практично не потребують обслуговування, розвивають великі зусилля та придатні для побудови регуляторів прямої дії і записуючих пристроїв.

Недолік: при стикуванні з електричними сигналами потрібні додаткові перетворювачі, в результаті падає точність; дискретно електрично стикуються краще.

1. Газові. Вся система заповнена газом під початковим надлишковим тиском від 0.98 до 4.9 МПа для зменшення впливу зміни барометричного тиску. Мають найбільші розміри термобалону (діаметр – 20 мм, довжина – 400 мм) і найбільшу інерційність; шкала рівномірна.

Діапазони: 0 – 100 °С; 0 – 150 °С; 0 – 200 °С; 0 – 250 °С; 0 – 300 °С; 0 – 400 °С; 0 – 600 °С.

Різне розміщення по висоті термобалону і манометричного механізму не впливає на покази.

2. Рідинні. Вся система заповнена рідиною при початковому надлишковому тиску до 2 МПа, для зменшення впливу зміни барометричного тиску. Шкала лінійна, розміри термобалону менші, інерційність менша, на покази впливає різне розміщення по висоті термобалону і манометричного механізму. Найчастіше застосовують поліметилсиліксанову рідину ПМС – 5. Капіляр має довжину до 10 м. Похибка більша ніж в газових. Діапазони вимірювання промислових: 0 – 25 °С; 0 – 50 °С; 0 – 100 °С; 0 – 150 °С; 0 – 200 °С; 0 – 250 °С.

3. Конденсаційні. Термобалон на 2/3 заповнений легкокиплячою рідиною, яка при збільшенні температури переходить в пару. В даному типі манометричних термометрів найменші розміри термобалону і найвища чутливість; шкала нелінійна, різко зростає чутливість при збільшенні температури; бояться перевантажень (перевищення температури). Для зменшення впливу барометричного тиску система заповнюється надлишковим тиском, різне розміщення термобалона і манометричного механізму впливає на покази на початку діапазону вимірювання і не впливає в кінці діапазону вимірювання. Це найпоширеніший тип приладу в різноманітних реле.

Конструкція ТО.

Основний елемент – захисна гільза, яка найчастіше виконується з нержавіючої сталі. Для неагресивних середовищ може бути латунь, мідь.

 

Всередині захисної оболонки поміщують чутливий елемент. Чутливий елемент в ряді конструкцій може вийматися, в тих, в яких він не виймається – він засипаний порошком Al₂O₃ для високої теплопровідності. Посередині захисної оболонки є гайка для кріплення.

ТО відрізняються довжиною зануреної частини, діаметром захисної оболонки, довжиною частини, що виступає, і конструкцією під’єднання (з’єднувальна коробка або головка, різна ступінь захисту або кабельний ввід).

ТО може мати 2, 3 або 4 виводи від чутливого елементу. 3 і 4 виводи застосовують для компенсації зміни опору з’єднувальних ліній від температури.

 

Перевірка ТО.

Є декілька методів перевірки ТО.

1-ий метод: перевірка по опорних точках танення льоду і кипіння води. При цьому методі ТО перевіряється по двох точках: 0 °С і 100 °С, знаходять значення R₀ і R₁₀₀, розраховують W₁₀₀ і по таблицях допустимих відхилень для класів А, В, С встановлюють клас термометра. Цей метод дозволяє оцінити загальний стан ТО.

2-ий метод: по зразковому ТО. Перевірку проводять з допомогою термостата не менше ніж в 5 точках діапазону, одна з них максимальне значення діапазону вимірювання.

Для цих точок розраховують допустимі абсолютні відхилення і присвоюють клас точності.

Термометри з вбудованим перетворювачем в уніфікований сигнал перевіряють лише по 2-ому методу і клас точності присвоюють комплекту – термометр + перетворювач.

 

Типи приладів (ТО).

Тип ТО	Градуювання	Діапазон вимірювання	Клас допуску
ТСП – 0879 ТСП – 0979*	50П або 100П	-200 ÷ +600 °С	А, В
ТСМ – 0879 ТСМ – 0979*	50М або 100М	-50 ÷ +200 °С	В, С
ТСП – 1088	50П або 100П	-200 ÷ +600 °С	А, В
ТСМ – 1088	50М або 100М	-50 ÷ +150 °С	В, С

* - тиск до 16 МПа.

 

В промислових умовах ТО застосовуються до +300 ÷ +400 °С, на більші температури беремо термоелектричні термометри.

Видовжувальні провідники.

Вихідним сигналом термопари є е.р.с., значення якої залежить від різниці температур гарячого спаю і вільних кінців. Значення температури вільних кінців враховується у вторинному приладі.

Для підведення е.р.с. до вторинного приладу використовуються спеціальні видовжувальні провідники, які мають таку саму ж характеристику, як і термопара в діапазоні температур 0 – 100 °С і виготовляються з дешевих сплавів міді і нікелю (це для дорогоцінних матеріалів). Іноді такі провідники називають компенсаційними, хоча вони нічого не компенсують.

1 – термопара; 2 – видовжувальні провідники; 3 – вторинні прилади.

Конструкція термопари.

Діляться на дві групи: ті, які занурюються в середовище і поверхневі, для вимірювання температури поверхні. Довжина найрізноманітніша: від кількох см до 16 м (спеціальні – до 32 м).

Термопара складається із захисного кожуха, чутливого елементу (може бути 2) і клемної колодки для з’єднання або з’єднувального кабелю з тих же провідників. Є кабельні термопари. Чутливі елементи зроблені так, що їх можна замінювати. Ізоляція для високих температур – різні сорти кераміки (керамічна соломка, буси з каналами). Захисний кожух виготовляються з жаростійких сортів сталі і для високих температур – з кераміки.

 

Типи термопар:

ТХА-151 -50 – +1000 °С

ТХК-151 -50 – +600 °С

ТХА-0515 -50 – +900 °С

ТХК-0515 -50 – +600 °С

ТХА-0806

ТХК-0806

ТХА-0179

ТХК-0179

ТХА-0279

ТХК-0279

ТПП-0555 0 – 1300 °С

ТПР-0555 300 – 1600 °С

ТПП-0679 300 – 1600 °С

ТПР-0679 300 – 1600 °С

ТПП-0779 300 – 1600 °С

ТПР-0779 300 – 1600 °С

ТВР-0687 0 – 1800 °С

 

Метод змінного рівня.

Базується на залежності рівня рідини від витрати при вільному її витіканні через отвір у дні або боковій стінці. Метод придатний лише для рідин і застосовується для вимірювання витрати особливо хімічно-активних рідин, пульп, пульсуючих потоків, шламів, змішаних рідин із газом без надлишкового тиску. Прилад складається із приймальної ємності з отвором для витікання і рівнеміра. Отвір може бути круглий в дні, або боковій стінці, або профільований отвір у боковій стінці.

 

Ультразвукові витратоміри.

Метод базується на зміщенні ультразвукових коливань під дією рухомого середовища, час проходження ультразвукових коливань за і проти потоку буде різним і різниця цих часів буде пропорційною до швидкості потоку. Застосовуються ультразвукові коливання в діапазоні частот від 20 кГц до 10 МГц.

Переваги методу: повна без контактність вимірювання; висока точність вимірювання об’ємної витрати за рахунок усереднення швидкості потоку; широкий діапазон діаметрів трубопроводу, можуть мати діаметр до 4 м; велике відношення Q_max/Q_min (100:1), малі втрати тиску (практично не має).

Недолік: погано працюють з рідинами, в яких є дисперсні частинки (забруднення), якщо є газова фаза; якщо розмір частинок співпадають з довжиною хвилі – витратомір не придатний.

 

Лічильники.

Це прилади для вимірювання кількості, якщо з допомогою сумуючих методів міряти швидкість за короткий час – будемо мати миттєву витрату. Діляться на 2 групи: об’ємні і швидкісні. І перші, і другі застосовуються для рідин і для газів. Принцип дії об’ємних лічильників базується на вимірюванні об’єму рідини, яка витісняється з вимірюваної камери під дією різниці тисків і зсумовуванні результатів цих вимірювань з допомогою лічильного механізму. Вони придатні для вимірювання чистих рідин без домішок. Це чисті нафтопродукти, бензин, дизельне паливо, оливи і т. д.. Для рідин застосовують еліпсоподібні шестерні.

 

На гази застосовують ротори спеціальної форми, діапазон – 40-1000 м³/год.

 

Коріолісові витратоміри.

Це витратоміри для вимірювання масової витрати, одночасно вимірюють густину і витрату. Витратомір являє собою резонатор, який приводиться в коливання з допомогою електронної схеми (підсилювач з перетворювачем). Частота коливань залежить від густини, а зсув фаз між окремими ділянками – від витрати.

Поплавцеві рівнеміри.

Ділять на дві групи (принципи):

1. з плаваючим поплавцем і слідкуючою системою;
2. зі змінним зануренням поплавця.

 

Гідростатичні рівнеміри.

Вимірювання рівня зводиться до вимірювання тиску стовпчика рідини.

при , можна при , якщо внести певний перетворювач.

Діляться на дві групи:

1. з безпосереднім вимірюванням тиску стовпчика рідини. В них можна застосовувати будь який прилад для вимірювання тиску, для чистих рідин; спеціальне виконання для забруднених рідин (“Сапфір – 22 ДГ”). В кожної фірми є прилад зі спеціальним розділювачами для вимірювання гідростатичного тиску забруднених речовин.
2. .

 

Електричні рівнеміри.

Ємнісні рівнеміри.

Є два варіанти: вимірювання у провідній рідині і у непровідній, в залежності від цього по-різному виконана електродна система; в провідній рідині точність вимірювання завжди вища. Для провідних рідин – електрод захищений полімерним матеріалом, наприклад, фторопластом. Точність вимірювання ємнісних рівнемірів вважають не високою, краща для рідин (похибка 2.5 %), гірша для сипких (похибка до 30 %). Ємнісний метод найчастіше застосовують для побудови сигналізаторів.

Кондуктометричні рівнеміри.

Міряють зміну провідності електродної системи при зміні рівня. Найчастіше застосовують як сигналізатори рівня. Для неперервного вимірювання застосовують дуже рідко.

Ультразвукові рівнеміри.

Застосовується принцип ультразвукової локації, тобто вимірювання часу проходження ультразвукових коливань від перетворювача до поверхні розділу фаз і назад. Придатні для використання у важких умовах, бояться забруднення поверхні (наприклад, якщо є піна). Висока точність вимірювання, абсолютна похибка вимірювання складає 5 мм при вимірюванні до 16 м і 1 мм при вимірюванні до 2 м. Недолік: висока вартість.

 

Додаткові похибки.

Це похибки, які виникають при роботі приладів в умовах відмінних від нормальних.

Для приладів зараз нормують межі або границі допустимої основної зведеної похибки.

Залежність для додаткових похибок вказують в документах на прилади (наприклад, 0.1% на кожні 10°С). При перевірці їх не завжди визначають.

Є ще параметр “клас точності”, але зараз ним користуються значно менше.

Клас точності – це узагальнена характеристика засобу вимірювальної техніки (засобу вимірювань), що визначається границями його допустимих основної та додаткових похибок, а також іншими характеристиками, що впливають на його точність, значення яких регламентуються.

 

Вимірювання тиску. Основні визначення. Одиниці тиску.

Тиск – один з основних параметрів протікання хіміко-технологічного процесу. Від тиску залежать інтенсивність протікання хімічних реакцій, а також рівноважний стан обернених реакцій.

Одиниці вимірювання тиску

Основна системна одиниця (в СІ):

1Па=1Н/м²

Похідні від неї: 1 кПа; 1 МПа.

Також зараз широко застосовують зручні технічні одиниці, які є більш популярними.

1 мм.вод.ст. = 1 кгс/м² = 9.81 Па (≈10 Па)

1 мм.рт.ст. = 13.6 мм.вод.ст. =133 Па (≈136 Па)

1 ат (технічна атмосфера) = 1 кгс/см² = 10⁴ кгс/м²_­ = 10^4­­­ мм.вод.ст. = 10 м. вод.ст.

1 атм (фізична атмосфера) = тиск на березі моря = 760 мм.рт.ст. при густині ртуті ρ_рт =13.6 г/см³ і g=9.81 м/с²

1 бар = 750 мм.рт.ст.

1 ат = 0.1 МПа = 735.6 мм.рт.ст.

1 атм = 1.0336 ат = 10336 мм.вод.ст. =101325 Па

1. По роду вимірюваної величини:

- Манометри, в тому числі і вимірювачі (манометри абсолютного тиску) – це прилади для вимірювання надлишкового і абсолютного тисків.

- Вакуумметри – прилади для вимірювання розрідження.

- Мановакуумметри - для вимірювання надлишкового тиску і розрідження (до -1 атм!!!).

- Напороміри (мікроманометри) – прилади для вимірювання малих надлишкових тисків.

- Тягоміри (мікроманометри) – прилади для вимірювання малих розріджень.

- Тягонапороміри (мікроманометри) – прилади для вимірювання малих розріджень і напорів.

- Диференційні манометри (дифманометри) – це прилади для вимірювання різниці тисків, але жоден з тисків не тиском оточуючого середовища.

- Барометри – це прилади для вимірювання атмосферного тиску.

1. По принципу дії:

- Рідинні – принцип дії базується на зрівноваженні тиску тиском стовпчика рідини.

- Деформаційні – міряють тиск по деформації пружного елементу.

- Поршневі – міряють тиск по силі, яка діє на поршень з чітко визначеною площею.

- Електричні – принцип дії базується на зміні електричних параметрів під дією тиску (зміна опору, зміна електричної ємності, індуктивності або взаємоіндуктивності).

 

Рідинні прилади для вимірювання тиску в свою чергу поділяються на:

a) U – подібні манометри;

b) Чашкові манометри;

c) Мікроманометри з похилою трубкою;

d) Компенсаційні мікроманометри;

e) Поплавцеві мікроманометри;

f) Кільцеві манометри (дифманометри);

g) Ковпакові або дзвонові манометри.