Измерение давления и разности давлений

Единицей измерения давления в системе СИ является паскаль (Па). Паскаль — это давление силы в 1 Н на площадь в 1 м² (Н/м²). При применении этой единицы могут использо­ваться приставки для образования кратных и дольных единиц (табл. 2.1), в первую очередь с целью сокращения числа значащих цифр в записываемом значении (например, 5, 28 МПа вместо 5 280 ООО Па).

Измерение давления отечественными приборами производится в кгс/см (килограмм-сила на сантиметр квадратный) и кгс/м² (килограмм-сила на метр квадратный). При использовании для измерения давления жидкостных приборов с видимым мениском применяют в качестве единицы давления миллиметр водяного или ртутного столба. Кроме перечисленных единиц измерения приме­няют физическую атмосферу, равную нормальному давлению атмо­сферного воздуха 760 мм. рт. ст. при 0 "С и нормальном ускорении свободного падения (760 мм. рт. ст. = 101, 325 кПа = 1, 0332 кгс/ см²). Соотношения между применяемыми единицами измерения давления приведены в табл. 2.1.

 

При измерении давления различают абсолютное, избыточное и вакуумметрическое давление. Под термином абсолютное давле­ние подразумевается полное давление р, под которым находится жидкость или газ. Оно равно сумме давлений избыточного р_И и атмосферного р_а:

р = р_И + р_а (2.1)

 

или

р_И = р - р_а, (2.2)

т. е. избыточное давление равно разности между абсолютным дав­лением, большим атмосферного, и атмосферным давлением.

Под термином вакуумметрическое давление (разрежение или вакуум) р_В понимается разность между атмосферным давлением и абсолютным давлением, меньшим атмосферного:

Р_В = р_а - р_, (2.3)

Устройства для измерения давления и разности (перепада) дав­лений получили общее название манометры. Их классифицируют следующим образом:

барометры — для измерения атмосферного (или барометри­ческого) давления;

манометры абсолютного давления — для измерения абсолют­ного давления;

манометры избыточного давления — для измерения избыточ­ного давления (в практике называют манометрами);

вакуумметры — для измерения вакуумметрического давления, т. е. давления ниже атмосферного (в практике применяют термин «разрежение»);

напорометры и тягометры — для измерения малых (до 40 кПа) избыточного давления и вакуумметрического давления (разреже­ния) газовых сред;

мановакуумметры — для измерения избыточного и вакууммет­рического давлений одновременно;

тягонапорометры — для измерения малых (до 40 кПа) давлений и разрежений газовых сред одновременно;

дифференциальные манометры (дифманометры) — для измере­ния разности (перепада) давлений;

микроманометры — для измерения очень малых давлений (ниже и выше барометрического) и незначительной разности давлений.

Чувствительные элементы всех манометров воспринимают два давления р₁ и р₂ и вырабатывают сигнал, пропорциональный их разности. У манометров избыточного давления, вакуумметров, тягометров и напорометров давление р₂ обычно равно атмосфер­ному. Дифманометры также могут использоваться для измерения как избыточного, так и вакуумметрического давления, если один из двух штуцеров для подвода давления соединить с атмосферой.

По принципу действия манометры делят на две основные груп­пы: жидкостные и деформационные (с упругими чувствительными элементами).

Жидкостные манометры (рис 2.1) всех систем заполняются жидкостью таким образом, чтобы над жидкостью были образованы две полости, воспринимающие давления р₁ и р₂. В этих маномет­рах величина измеряемого давления определяется по высоте столба жидкости h или по силе, образующейся за счет действия давления на поверхность сосудов. К приборам первой группы относятся U-образные (двухтрубные), чашечные (однотрубные) и поплав­ковые манометры, к приборам второй группы — колокольные.

U-образный (двухтрубный) манометр (рис. 2.1, а) состоит из одной прозрачной трубки, согнутой в виде латинской буквы U (или двух трубок, соединенных в нижней части). Трубки верти­кально укреплены на основании, и по всей их высоте нанесена двухсторонняя шкала с нулем посередине. Трубки заливают жид­костью (обычно водой или ртутью, а иногда спиртом или транс­форматорным маслом) до нулевой отметки. При применении U-образный манометр должен устанавливаться вертикально по отвесу. Отсчет производят по разности уровней жидкости h в обеих трубках, что не всегда удобно.

Обычно с помощью U-образного манометра давление, разре­жение или разность давлений измеряют в миллиметрах водяного или ртутного столба. Если отсчет высоты столба жидкости h по U-образному манометру производят невооруженным глазом, то при цене деления шкалы прибора в 1 мм при отсчете в двух

коленах пределы допускаемой основной погрешности измерения давления, разрежения или разности давлений не превышают +2 мм столба рабочей жидкости. Для увеличения точности отсчета высоты столба рабочей жидкости U-образные приборы снабжают зеркальной шкалой. В этом случае пределы допускаемой основной погрешности показаний не превышают + 1 мм столба рабочей жидкости. Отечественная промышленность выпускает двухтруб­ные манометры типа ДТ-5 и ДТ-6.

Чашечный (однотрубный) манометр (рис. 2.1, б) состоит из цилиндрического сосуда и сообщающейся с ним измерительной стеклянной трубки. При этом диаметр сосуда D значительно больше диаметра трубки d (обычно отношение d²/D² ≥ 1/400). При измерении давления в объекте его соединяют с атмосферой. При изменении разрежения с объектом соединяют измеритель­ную трубку, а с атмосферой — сосуд. При измерении разности (перепада) давлений большее давление подается в сосуд, а мень­шее — в измерительную трубку.

Когда под действием давления или разрежения жидкость в измерительной трубке поднимется на высоту h₁, а в широком сосуде опустится на высоту h₂, то высота столба h, соответству­ющая значению измеряемой величины, будет равна:

h = h₁ + h₂. (2.4)

Если F₁ — площадь сечения измерительной трубки, a F₂ — широкого сосуда, то

F₁h₁ = F₂ h₂, (2.5)

поскольку объем жидкости F₁h₁ в измерительной трубке равен объему F₂ h₂ жидкости, вытесненной из широкого сосуда.

Решив уравнения (2.4) и (2.5) относительно h, получим:

h = h₁ (1 + F₁/F₂) = h (1+ d²/D²). (2.6)

Величиной d²/D² ≥ 1/400 ввиду ее малости на практике пре­небрегают, и отсчет ведут по столбу жидкости h₁ только в одной измерительной трубке, что упрощает измерение по сравнению с U-образным манометром. При цене деления шкалы в 1 мм отсчет высоты столба в измерительной трубке может быть произ­веден с погрешностью, не превышающей ±1 мм столба рабочей жидкости. Промышленностью нашей страны выпускаются одно­трубные манометры типа ДТЖ и ММН-240. Поплавковые манометры (рис. 2.1, в) работают по принципу рассмотренных выше чашечных манометров. В поплавковом манометре имеется два U-образных сосуда 1 и 2, соединенных трубкой 3. Большее давление подводится к широкому сосуду, в котором на поверхности рабочей жидкости (ртути или транс­форматорного масла) находится поплавок 4. Перемещение по­плавка, зависящее от величины разности (перепада) давлений Δp=p₁ – p₂, передается стрелке отсчетного П или регистриру­ющего С устройства прибора. Поплавковые манометры сегодня уже не выпускаются, хотя в эксплуатации еще имеются.

В колокольных манометрах (рис. 2.1, г) чувствительным эле­ментом является тонкостенный стальной колокол 5, подвешенный на винтовой пружине 6. Колокол свободно плавает в раздели­тельной жидкости (трансформаторное масло), будучи частично погруженным в нее. Разделительная жидкость отделяет камеру большого давления («плюсовую») под колоколом от камеры мень­шего давления («минусовой») над колоколом. Под действием разности давлений (p₁ – p₂) колокол и кинематически связанная с ним подвижная часть передающего преобразователя Пр пере­мещаются до тех пор, пока усилие от приложенной к колоколу разности давлений не уравновесится упругими силами винтовой пружины. Перемещение подвижной части передающего преобра­зователя приводит к изменению выходного сигнала. В настоящее время выпускаются колокольные манометры типа ДКО.

Действие деформационных манометров основано на использо­вании деформации или изгибающего момента упругих чувстви­тельных элементов, воспринимающих измеряемое давление и пре­образующих его в перемещение или усилие. Манометры этого типа широко применяют в диапазоне измерений от 50 Па (5 кгс/м²) до 1000 МПа (10 000 кгс/м²). Они выпускаются в виде тягомеров, напоромеров, манометров, вакуумметров. В качестве упругих чув­ствительных элементов в них используются трубчатые пружины, мембраны, сильфоны и вялые мембраны.

Одними из наиболее распространенных являются трубчато- пружинные манометры с одновитковой трубчатой пружиной (рис. 2.2, а). Трубчатая пружина (трубка Бурдона) представляет собой изогнутую трубку, имеющую эллиптическое или плоско­овальное поперечное сечение. Один конец трубчатой пружины, сообщающийся с измеряемой средой, закрепляют неподвижно, а другой — свободный, закрытый пробкой и запаянный — соеди­няют с механизмом показаний прибора, передающим преобра­зователем или другим устройством. Под действием внутреннего давления пружина стремится уменьшить свою кривизну, вслед­ствие чего ее свободный (запаянный) конец перемещается. Это

перемещение передается на отсчетное или регистрирующее уст­ройство манометра либо воспринимается передающим преоб­разователем (на рис. 2.2 изображен показывающий прибор П, имеющий передающий преобразователь Пр).

Некоторые модификации манометров снабжаются контактным устройством, срабатывающим при достижении измеряемой вели­чиной заданного значения. Такие приборы называются электро­контактными манометрами. Промышленностью выпускаются трубчато-пружинные манометры типа ОБМ, МТП, ЭКМ.

В мембранных манометрах упругий чувствительный элемент выполняется в виде мембранной коробки (рис. 2.2, б), состоящей из двух спаянных по периметру дисковых металлических гофри­рованных мембран. Внутренняя полость коробки сообщается со средой с большим давлением. Под воздействием разности атмо­сферного и измеряемого давлений мембранная коробка сжимается или разжимается, что передается стрелке отсчетного устройства манометра П.

В сильфонных манометрах (рис. 2.2, в) упругий чувствитель­ный элемент выполнен в виде сильфона 1, представляющего собой гофрированную тонкостенную металлическую трубку, открытую с одной стороны. Сильфон помещается в камеру 2, в которую подводится измеряемое давление. Изменение величины этого дав­ления вызывает упругую деформацию сильфона и находящейся в нем винтовой пружины 3. Перемещение дна сильфона пере­дается регистрирующему устройству прибора С. Сильфонные манометры в настоящее время уже не выпускаются, хотя в эксп­луатации они еще встречаются (типа МСС).

Принципиальные схемы деформационных манометров пред­ставлены на рис. 2.3. У мембранного дифманометра (типа ДМ)

упругим чувствительным элементом является мембранный блок (рис. 2.3, а), состоящий из двух заполненных дистиллированной, водой мембранных коробок 1 и 3, закрепленных с обеих сторон в основании 2. Основание с верхней и нижней крышками корпуса образуют две камеры: нижнюю — плюсовую и верхнюю — минусо­вую. Внутренние полости мембранных коробок сообщаются через отверстие в перегородке. Большее давление подводится к нижней камере, а меньшее — к верхней. Под действием разности давле­ний Δp=p₁ – p₂ нижняя мембранная коробка сжимается, вытесняя находящуюся в ней воду в верхнюю коробку 2. Последняя рас­ширяется, что воспринимается передающим преобразователем Пр.

Чувствительным элементом дифманометра (типа ДМИ, ДМЭ), представленного на рис. 2.3, б, является вялая (мягкая) неметал­лическая мембрана 4 с жестким центром 5, работающая совместно с винтовой цилиндрической пружиной 7. Мембрана, укрепленная между двумя крышками корпуса прибора, образует две камеры, в которые подводятся давления р₁ и р₂. Под действием разности давлений Δp=p₁ – p₂ жесткий центр мембраны и связанный с ним шток 6сердечника преобразователя Пр перемещаются до тех пор, пока сила, вызываемая разностью давлений, не уравновесится силой упругости винтовой пружины 7. Преобразователь Пр выра­батывает сигнал измерительной информации, пропорциональный измеряемой разности давлений.

У сильфонного дифманометра типа ДСС (рис. 2.3, в) чувстви­тельный элемент состоит из расположенных на общем основании двух сильфонов 8 и 10, донышки которых жестко связаны што­ком 9, а внутренние полости заполнены кремнийорганической жидкостью. Под действием разности давлений Δр = р₁—р₂ сильфоны начинают деформироваться, вызывая перемещение штока, ки­нематически связанного с компенсационным преобразователем Пр.