РАЗДЕЛ II. приборы и методы ИЗМЕРЕНИЯ параметров теплотехнических систем.

ГЛАВА 1. Приборы и измерения давлений и сил. Классификация.

Единицы измерения давлений.

Давление – величина, характеризующая интенсивность сил, действующая на какую – либо часть поверхности тела по направлениям, перпендикулярным этой поверхности.

Р=F/S

В системе СИ единица давления Паскаль Па=Н/м².

Барометр - прибор, измеряющий атмосферное давление.

Манометр – прибор, измеряющий избыточное давление. Показывает разность между абсолютным и атмосферным давлением.

Вакуумметр – прибор, измеряющий разряжение (давление ниже атмосферного).

С физической точки зрения давление идеального газа на твердую стенку есть результат столкновения молекул газа со стенкой. Связь между давлением Р, температурой Т и плотностью ρ идеального газа определяется уравнением состояния

Р=ρgRT,

Где R – газовая постоянная.

Давление и температура полностью определяют термодинамическое состояние газа. Зная их можно определить плотность, вязкость, теплопроводность и другие физические величины, прямое измерение которых затруднено или невозможно.

1.2. Классификация приборов измерения давления.

По принципам действия все приборы, предназначенные для измерения давления можно разделить на пять основных групп: жидкостные, пружинные, комбинированные, поршневые и электрические. К группе комбинированных приборов относятся поплавковые, кольцевые, колокольные, т.е. все те приборы, у которых принцип действия носит смешанный характер.

Приборы пружинные и комбинированные выпускаются как механические, так и с электрической передачей показаний на расстояние.

В зависимости от их назначения они все по точности показаний разделяются на классы. Класс точности обозначают числом, которое соответствует величине допустимой погрешности, выражаемой обычно в процентах предельного значения класса прибора.

В зависимости от назначения приборы для измерения давления и разряжения разделяются на эталонные, образцовые и рабочие.

Некоторые возможные схемы манометров показаны в приложении.

1.2.1. Жидкостные приборы.

Жидкостные приборы, основанные на гидростатическом принципе действия, широко применяют для измерения давления, разряжения и разности давлений. Они просты, дешевы, обладают относительно высокой точностью.

А). U – образный манометр.

Принцип действия этого прибора основан на непосредственном наблюдении разности уровней h рабочей жидкости (применяются ртуть и вода). При использовании стеклянных трубок малого диаметра вода из-за ее капиллярных свойств не применяется, а рабочим телом служит толуол или спирт.

Если одна из трубок манометра соединена с сосудом, где необходимо измерить давление, а другая остается соединенной с атмосферой, то величина измеряемого давления Р может быть определена по формуле

Р=hρ

Где Р – избыточное давление, h – разность уровней рабочей жидкости, ρ – плотность рабочей жидкости.

Если отсчет высоты столба по U – образному манометру проводят невооруженным глазом, то абсолютная погрешность оценивается в 1 мм при измерении высоты столба. Т.к. в U – образном манометре необходимо делать два отсчета, то в этом случае наибольшая абсолютная погрешность может достигать 2 мм. Для увеличения точности отсчета U – образные манометры снабжаются зеркальной шкалой, в этом случае при цене деления 1 мм отсчет высоты столба может быть произведен с погрешностью 0,25 мм. Если учесть, что измерений надо два, то общая погрешность будет не менее 0,5 мм.

Б). Чашечный манометр.

Рис. 2. Чашечный манометр.

Он представляет собой U – образный манометр, у которого одно колено трубки выполнено в виде сосуда с сечением большим, чем у второго колена. Измеряемое давление, действуя на поверхность рабочей жидкости в широком сосуде, заставляет ее подниматься вверх по стеклянной измерительной трубке.

Пусть под действием измеряемого давления жидкость в трубке поднимется на высоту h₁, а в широком сосуде опустится на высоту h₂. Тогда высота столба, соответствующая действительному давлению равна h = h₁+h₂. F₁ и F₂ – площади измерительной и широкой трубок соответственно. F₁h₁=F₂h₂. Сопоставив два равенства получим

h=h₁(1+F₁/F₂)=h₁(1=d²/D²)

где d и D– внутренние диаметры измерительной трубки и широкого сосуда.

Если ρ – плотность рабочей жидкости, то

Р=hρ=h₁ρ(1+d²/D²).

Основным достоинством чашечного манометра является то, что он позволяет проводить только один отсчет, т.к. разностью высот в широком сосуде можно пренебречь, или учесть с помощью введения поправки. Это уменьшит погрешность наполовину. При d=4мм и D=80мм 4²/80²=0,25%. Следовательно, если желательно учесть изменение уровня жидкости в широком сосуде, то измеренную высоту столба жидкости в измерительной трубке надо увеличить на 25%.

В). Грузопоршневой манометр.

Рис. 3. Поршневые манометры.

Поршневые манометры (рис.3) относятся к группе приборов с уравновешиванием силы измеряемого давления силой тяжести. Они обеспечивают высокую точность измерения, широко применяются для поверки и градуировки всех остальных типов манометров.

Давление под поршнем будет равно

,

где Gr – вес грузов; Gn – вес поршня с тарелью; Fв – вертикальная составляющая сил трения; Sn – поперечное сечение поршня.

Поршень и канал подгоняются друг к другу с зазором в несколько микрон. Утечка рабочей жидкости через зазор ничтожно мала. Силы жидкостного трения в зазоре поршневых систем также малы, в большинстве случаев они не зависят от вязкости жидкости, а определяются только давлением, поэтому можно записать:

,

где Sэф – эффективная площадь, SΔ – площадь кольцевого зазора между поршнем и цилиндром. Образцовые грузопоршневые манометры в нормальных условиях эксплуатации обеспечивают измерение давлений с основной допустимой погрешностью от ±0,05 до ±0,2%.

1.2.2. Манометры с упругим элементом.

Общим принципом для этой группы манометров является уравновешивание сил давления среды силой упругости чувствительного элемента прибора. Линейность рабочей характеристики давление – прогиб элемента этих приборов обеспечивается только в пределах упругих деформаций.

А). Манометры с трубчатой пружиной.

Рис. 4. Манометр с трубчатой пружиной.

Трубчатая пружина представляет собой полую трубку овального или эллиптического сечения, согнутую по дуге окружности. Свободный конец пружины запаян и соединен через систему поводков со стрелкой, второй конец пружины впаян в основание манометра с ниппелем. Из измеряемого объема среда попадает в полость пружины, и она под действием давления этой среды раскручивается и через систему поводков поворачивает стрелку. Перемещение свободного конца пружины а, следовательно, и угол поворота стрелки, практически будут пропорциональны созданному в ней давлению.

Явление раскручивания трубчатой пружины можно объяснить, если принять во внимание, что с ростом избыточного давления в трубчатой пружине малая ось эллипса пружины увеличивается в размерах, и если допустить, что длина пружины после деформации не меняется, т.е. длины дуг bа=b₁a₁ и a’b’=a₁’b₁'. Тогда R=ob’, r’=ob, j=b'oa'. Малая ось эллипса х=R – r. После деформации R’=ob’, r’=ob, j’=b₁’oa₁’, x’=R’ – r’, если мы положили, что длина пружины неизменна, то тогда: Rj=R’j’ и rj=r’j’. Вычтем одно из другого (R-r)j=(R’-r’)j’. Т.к. после деформации x’>x, то тогда xj>x’j’ и, следовательно, если x’>x, то j>j’, т.е. с ростом внутреннего избыточного давления в трубчатой пружине она будет раскручиваться: x’=x+Δx и j’=j – Δj.

Xj=(x+Δx)(j - Δj) или Δj=Δxj/(x+Δx)

Изменение угла Δj будет тем больше, чем больше первоначальный угол закрутки пружины j и чем меньше малая ось эллипса пружины х. Трубчатая пружина может использоваться для измерения давления от 0,03 до 10³МПа, сами пружины изготавливают из латуни и стали. Недостаток – в упругом последействии. Конец пружины после снятия нагрузки приходит в начальное положение лишь по прошествии некоторого промежутка времени, а не сразу.

Б). Мембранные манометры.

В качестве упругого элемента используется гофрированная стальная мембрана, зажатая между фланцами. Верхний фланец является частью корпуса манометра, а нижний представляет собой единое целое с ниппелем. Стрелка посредством передаточного механизма соединена с мембраной. Прогиб мембраны мод действием давления очень мал и достигает максимум 1,5-2мм, что делает прибор малочувствительным. Пределы давлений мембранных манометров ограничены в пределах 0,02 – 3 МПа.

Мембранные манометры удобны к применению в тех случаях, когда необходимо измерять давление вязких или агрессивных сред. В последнем случае мембрана изолируется от агрессивной среды за счет покрытия ее нижней стороны фольгой из коррозионностойкого материала.

В). Сильфонные манометры.

В этих приборах в качестве упругого элемента применяется гармошковая пружина (сильфон). Последняя представляет собой гофрированный цилиндр, выдавленный из тонкой металлической трубки. Ход гармошковой пружины практически пропорционален приложенному давлению. Для увеличения силы такой пружины внутрь нее помещают противодействующую винтовую пружину. Вследствие этого измеряемое давление уравновешивается силой упругой деформации гармошковой и винтовой пружин.

Манометры сильфонного типа применяют для измерения давлений от 0,05 до 0,5 МПа.

1.2.3. Электрические манометры.

Основные отличия приборов в этой группе связаны с конструкциями датчиков, в основу принципа работы которых положены различные физические явления. Основные достоинства электрических манометров в том, что они позволяют измерять быстропеременные давления, высокие и сверхвысокие давления, проводить измерения в агрессивных средах, передавать выходной сигнал прибора на значительные расстояния и выдавать измерительную информацию в форме, удобной для хранения и обработки.

А). Пьезоэлектрические датчики.

Рис. 5. Пьезоэлектрический датчик давления.

Действие основано на использовании пьезоэлектрического эффекта, наблюдаемого у ряда кристаллов (в основном используется SiO₂). Эффект заключается в том, что под действием давления кристалл поляризуется, т.е. на его поверхности появляются электростатические заряды, равные по величине и противоположные по знаку. При переходе от сжатия к растяжению и обратно знаки зарядов меняются в соответствии с изменением знака силы.

Схема датчика такова: в корпусе установлены две кварцевые пластины 1, которые обращены друг к другу сторонами с одинаковой полярностью. Они прилегают к контактной металлической пластине 2. Вторые стороны кварцевых пластин прилегают к металлическим опорам 3 и через них замыкаются на корпус. Металлические опоры вместе со столбиком кварца зажимаются между металлической мембраной 4 и гайкой 5. Шарик между опорой и гайкой способствует равномерному распределению давления на поверхности кварца. В нижней гайке имеется канал для подачи давления.

При изменении давления положительный заряд, появляющийся на границах кварцевых пластин, отводится на корпус, а отрицательный заряд снимается контактной пластиной 2 и с помощью провода 6 подается на измерительное устройство.

Пьезокварцевые датчики позволяют измерять давление до 100МПа и выше, широко применяются для измерения быстропеременных давлений. При этом, чем быстрее протекает исследуемый процесс, тем достовернее измерение. Недостатком является малая стойкость к ударным воздействиям и перегрузкам по давлению.

Б). Емкостные датчики давления.

Рис. 6. Емкостной датчик давления.

Здесь давление воспринимается закрепленной мембраной 1 и через соединительный шток 2 передается к рабочей мембране 3. Рабочая мембрана является подвижным электродом емкостного преобразователя малых возмущений. Неподвижный электрод конденсатора 4 закреплен в корпусе датчика.

Емкость плоского конденсатора с воздушным зазором

,

где S – площадь электродов, ε – диэлектрическая проницаемость.

При изменении воздушного зазора на величину Δℓ_В, изменение емкости

Если изменение зазора (прогиб мембраны) много меньше зазора ℓ_В, то , т.е. малые изменения емкости пропорциональны прогибу мембраны. Датчики типа ЕМD предназначены для измерения давлений 0-4*10⁵Па.

В). Индуктивные датчики.

Принцип действия основан на изменении индукции рабочей катушки за счет движения сердечника, связанного с мембраной. Датчики типа DD обеспечивают измерение давления в диапазоне от (5-10)*10⁵ до (2-3)*10⁷ Па, при частоте питания 10 кГц регистрируются без искажения колебания давления до 300 Гц.

Г). Потенциометрические датчики.

Принцип действия основан на изменении выходного сигнала датчика (напряжения), которое меняется за счет подвижных потенциометров. Чувствительным элементом датчика типа MDD является мембранная (анероидная) коробка, образованная двумя мембранами. Избыточное давление подается внутрь мембранных коробок, перемещение жестких центров которых с помощью рычажных систем передается движкам потенциометрических преобразователей, включаемых в мостовую схему. Датчики предназначены для измерения давлений и перепадов неагрессивных газовых сред.

1.2.4. Измерители высоких давлений и разрежений.

Для измерения давлений от 5*10⁷ до (3-4)*10⁹ Па применяются датчики, в основе действия которых лежит изменение омического сопротивления некоторых проводников и полупроводников при их объемном сжатии.

R=R₀(1+jP),

где R₀ – начальное сопротивление; Р – Давление; j – коэффициент, характеризующий чувствительность сопротивления проводника к изменению давления. Постоянное значение j в диапазоне от 0 до 3*10⁹Па имеют манганин (сплав Сu, 13% Mn, 3%Ni), j=2,5*10^-11Па^-1, вольфрам j=1,3*10^-11Па^-1.

Для измерения малых абсолютных давлений могут быть использованы различные явления. Известны вакуумметры, действие которых основаны на изменении вязкости, теплопроводности, степени ионизации и других свойств газа в связи с изменением его давления.

В вязкостных датчиках регистрируются параметры движения твердого тела, подверженного взаимодействию с газом, давление которого меняется (оценка затухания колебаний кварцевой нити или упругой пластины оптическими методами измеряет 10^-3 - 10^-7 мм рт. ст.).

При снижении давления газа увеличивается длина свободного пробега молекул. При соизмеримости длины пробега с геометрическими размерами системы коэффициент конвективной теплопередачи зависит от давления. Этот эффект позволяет измерять давление от 10^-3 до 10 мм рт. ст.

Кроме рассмотренных датчиков и схем, существуют и другие. Часть из них представлены на рисунках в таблице 2.

1.2.5. Особенности измерения давлений в сложных условиях.

Что вызывает тренды на фондовых и товарных рынках Объяснение теории грузового поезда Первые 17 лет моих рыночных исследований сводились к попыткам вычис­лить, когда этот...

Что делает отдел по эксплуатации и сопровождению ИС? Отвечает за сохранность данных (расписания копирования, копирование и пр.)...

Что способствует осуществлению желаний? Стопроцентная, непоколебимая уверенность в своем...

Что делать, если нет взаимности? А теперь спустимся с небес на землю. Приземлились? Продолжаем разговор...

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте: