Курс лекций для студентов специальности 092108 Теплогазоснабжение и вентиляция
 Скачать 4.93 Mb.
|
|
3. ИЗМЕРЕНИЕДАВЛЕНИЯИЕГОПЕРЕПАДОВ 3.1. Общиесведенияиединицыизмерениядавления Давление является одним из важнейш их физических параметров, и его измерение необходимо как в расчетных целях, например для определения расхода, количества и тепловой энергии среды, так и в технологических целях, например для контроля и прогнозирования безопасных и эффективных гидравлических режимов напорных трубопроводов, резервуаров и другого оборудования, используемого на различных предприятиях. Для этих целей применяется большое разнообразие средств измерения давления и его перепадов, различающихся по принципу действия, устройству и точности. Давлением Р называют отношение Р =F/S абсолютной величины нормального, то есть действующего перпендикулярно к поверхности тела, вектора силы F к площади S этой поверхнос ти. Если сила равномерно распределена по площади, то указанное отношение задает точное значение давления в каждой ее точке, в противном же случае только его среднее значение. Точное значение давления меняется от точки к точке на поверхности и определяется следующим пределом dS dF S F S = ∆ ∆ → ∆ 0 lim - отношения силы ∆F, приложенной на бесконечно малом участке поверхности, к его площади ∆S. В отличие от силы, величина которой может зависеть от размеров поверхности ее приложения, давление позволяет при рассмотрении взаимодействия физических тел исключить фактор площади, поскольку оно является удельной, т.е., приведенной к единице площади, силой. При измерении давлений, действующ их в различных средах, можно выделить различные его виды. Так, жидкие и газообразные среды характеризуются упругими свойствами, т.е. обратимым изменением объема (уменьшение объема среды при ее сжатии под давлением и восстановления исходного объема после снятия 119 Рис.3.1 - Силы давления в жидкой и газообразной средах: F - внешняя сила; S - свободная поверхность ( площадь) среды; ∆F - сила давления на внутреннюю площадку ∆S. этого давления), а также текучестью – обратимым изменением формы. В этих средах различают давление внешнее ( поверхностное) - на границе поверхности сред и внутреннее - внутри объема или в массе среды. Внешнее давление Р на поверхность S жидкой или газообразной среды, равное отношению нормальной составляющей суммы сил F, приложенной извне, к площади поверхности S, передается внутрь среды, как показано на рис.3.1, без изменений и равномерно во все стороны. Таким образом, возникающее при этом внутреннее давление направлено перпендикулярно к любой внутренней площадке среды ∆S, независимо от ее формы и положения в среде, а величина давления в среде в соответс твии с законом Паскаля пропорциональна величине выделенной площадки. Очевидно, что Р =F/S= ∆F/∆S для любой точки среды. Внутреннее давление покоящихся жидких и газообразных сред зависит не только от внеш него давления, но и от веса самой среды. Эта зависимость наиболее существенна для жидкостей, обладающ их большей плотнос тью, чем газы. Положение точки измерения относительно горизонтальных поверхностей равного давления определяе т весовую составляющую внутреннего давления - гидростатическое давление Закон Паскаля справедлив не только для покоящихся, но и для движущихся сред, если их считать идеальными (отсутствует трение между слоями среды - вязкость ). В вязких движущихся средах величина внутреннего давления зависит от направления, и поэтому под внутренним давлением среды 120 следует понимать его усредненное значение по трем взаимно перпендикулярным направлениям в точке измерения. Полное внутреннее давление в движущейся среде, например, горизонтального напорного трубопровода определяется суммой внешнего, гидростатического и гидродинамического давления - скоростного напора , а также потерями давления на трение по всей длине трубы и вихревыми потерями при изменениях величины и направления потока в гидравлических сопротивлениях ( колена, задвижки, диафрагмы и др.). В напорных трубопроводах, как правило, измеряется статическое давление , которое является разностью полного и динамического давлений. Статическое давление измеряется также для большинс тва технических объектов. Динамическое давление учитывается только при определении скоростных характерис тик потоков в расходомерах и счетчиках количества среды. Рис.3.2 - Виды давлений в физических точках 1,2,3 различных процессов: ДБ - давление барометрическое, ДА - давление абсолютное, ДИ - давление избыточное, ДВ - давление вакуумметрическое, ДД - давление дифференциальное На практике давление газов и жидкостей обычно измеряется относительно двух различных уровней (см. рис.3.2): 1- уровня абсолютного вакуума, или абсолютного нуля давления (состояние среды в замкнутом 121 объеме, если бы оттуда были удалены все молекулы); 2 - уровня атмосферного, или барометрического, давления. Давление, измеряемое относительно вакуума, называют давлением абсолютным (ДА) Барометрическое давление (ДБ) - это абсолютное давление земной атмосферы. Оно зависит от конкретных условий измерения: температуры воздуха и высоты над уровнем моря. Давление, которое больше или меньше атмосферного, но измеряется относительно атмосферного, называют соответственно избыточным (ДИ) или давлением разрежения, вакуумметрическим (ДВ) Очевидно, что ДА=ДБ+ДИ или ДА=ДБ–ДВ. Разность давлений сред в двух различных процессах или двух точках одного процесса, при котором ни одно из давлений не является атмосферным, называют дифференциальным давлением (ДД). В настоящее время при измерении давления часто пользуются как системными, так и внесистемными единицами давления. В соответствии со стандартом (СТ СЭВ 1052-89) единицы давления определяются одним из двух способов: − через высоту столба жидкости, уравновешивающей измеряемое давление в конкретном физическом процессе в единицах водяного столба при 4°С ( мм вод . ст . или м вод . ст .) или ртутного столба при 0°С ( мм рт . ст . , или Торр ) при нормальном ускорении свободного падения. В англоязычных странах используются соответствующие единицы in H 2 O - дюйм вод . ст . или , ft H 2 O - фут вод . ст , а также in Hg - дюйм рт . ст .; (1 дюйм=25,4 мм, 1 фут=30,48 см); − через единицы силы и площади. В Международной системе единиц (СИ), принятой в 1960 году, единицей давления является Па ( Паскаль ), определяемая действием силы в 1 Н ( ньютон) на единицу поверхности 1 м 2 Отсюда 1 Па = 1 Н / м 2 , а ее производные соответственно - килопаскаль (1 кПа = 10 3 Па), мегапаскаль (1 МПа = 103 кПа = 106 Па) и т.д. Наряду с системой СИ в области измерения давления продолжают использоваться единицы и других, более ранних систем, а также внесистемные 122 единицы. В технической системе единиц МКГСС (метр, килограмм-сила, секунда) сила измеряется в килограммах силы (1 кгс ≈ 9,8 Н). Единицы давления в МКГСС - кгс / м 2 и кгс / см 2 Единица кгс / см 2 получила название технической , или метрическойатмосферы ( ат ) В случае измерения в единицах технической атмосферы избыточного давления используется обозначение ( ати ) В физической системе единиц СГС (сантиметр, грамм, секунда) единицей силы является дин а (1 дин = 10 – 5 Н). В рамках СГС введена единица давления бар (1 бар=1 дин/см 2 ). Существует одноименная внесистемная, метеорологическая единица бар , или стандартная атмосфера (1 бар=106 дин/см 2 ; 1 мбар = 10 – 3 бар = 103 дин/см 2 ). Кроме указанных единиц на практике используется такая внесистемная единица, как физическая , или нормальная атмосфера ( атм ) , которая эквивалентна уравновешивающему столбу 760 мм рт. ст. В англоязычных с транах широко распространена единица давления пси ( psi = 1lbf/in 2 ) - фунт силынаквадратныйдюйм (1 фунт= 0,4536 кг). При измерении абсолютного и избыточного давления используются соответс твенно обозначения psia (absolute - абсолютный) и psig (gage - избыточный). Соотношения между применяемыми единицами давления приведены в таблице 3.1. Таблица 3.1 - Соотношение между единицами давления Единицы Па кгс/м 2 кгс/см 2 мм вод.ст. мм рт.ст. атм бар 1 Па 1 0,10197 1,0197 · 10 -5 0,101197 7,50 · 10 -3 0,987 ⋅ 10 –5 10 -5 1 кгс/м 2 9,8066 1 10 -4 1 73,56 · 10 -3 9,678 ⋅ 10 –5 9,8 10 –5 1 кгс/см 2 98,06 · 10 -3 10 4 1 10 4 735,56 0,96784 0,98066 1 мм вод.ст. 9,8066 1 10 -4 1 73,5610 -3 9,678 ⋅ 10 –5 9,806 ⋅ 10 –5 1 мм рт.ст. 133,322 13,595 13,595 · 10 -4 13,595 1 1,3158 · 10 –3 1,333 · 10 – 3 1 атм 1,0133·10 -5 10332 1,0332 10332 760 1 1,01325 1 бар 10 5 10197,2 1,0197 10197,2 750,06 0,98692 1 Исходя из приведенной таблицы, например, определяем, что одной технической атмосфере соответс твует давление 0,980665 в барах (здесь бар 123 является внесистемной единицей). Однако, в действительности не всегда требуется столь высокая точность перевода единиц. Для приблизительных оценок и расчетов давления с относительной погрешнос тью не более 0,5% используются следующие соотношения: 1 ат = 1 кгс/см 2 = 10 4 кгс/м 2 = 0,97 атм = 0, 98×10 3 мбар = 0,98 бар = 10 4 мм вод.ст. = 10 м вод.ст = 735 мм рт.ст. = 0,98×10 5 Па = 98 кПа = 0,098 МПа. При оценке величины давления с точностью в 2% допускается, что 1 ат = 1 бар = 0,1 МПа, а с ошибкой в 3% - 1 ат = 1 атм. Диапазон давлений, измеряемых в технике, достаточно ш ирок: от 10 – 8 Па в электровакуумном оборудовании до 103 МПа при обработке металлов давлением. Для воспроизведения единиц давления используются первичные ( национальные) и в торичные (рабочие) эталоны давления. Для поддиапазона 1- 100 кПа избыточных, абсолютных и разностных давлений в качестве первичного эталона используется, как правило, ртутный двухтрубный (U- образный) манометр с лазерным считыванием высоты мениска. Погрешнос ть считывания для данного эталона не более 10 – 3 мм, а абсолютная суммарная погрешность прибора, учитывающая в том числе влияние температуры, не превышает 0,0005% от верхней границы диапазона. Для поддиапазона 100 кПа - 100 МПа применяются газовые грузопоршневые манометры с точностью 0,0035-0,004% от показаний. Газовые и ж идкостные грузопоршневые манометры используются и как рабочие эталоны для передачи единиц давления промышленным образцовым приборам, их точность составляет 0,01-0,1%. 3.2. Классификациясредствизмерениядавления Для прямого измерения давления жидкой или газообразной среды с отображением его значения непосредственно на шкале, табло или индикаторе первичного измерительного прибора применяются манометры ( ГОСТ 8.271- 77). Если отображение значения давления на самом первичном приборе не производится, но он позволяет получать и дистанционно передавать соответс твующий измеряемому параметру сигнал, то такой прибор называют измерительным преобразователемдавления (ИПД), или датчиком 124 давления Однако возможно и объединение этих двух свойств в одном приборе, который называется манометром-датчиком. Манометры классифицируют по принципу действия и конструкции, по виду измеряемого давления, по применению и назначению, по типу отображения данных и другим признакам. На рис. 3.3 приведена схема классификации приборов для измерения различных видов давления. Рис. 3.3 - Классификация приборов измерения давления По принципу действия манометры можно подразделить на следующие: • жидкостные - измеряемое давление уравновешивается гидростатически столбом воды, ртути или другой жидкости соответс твующей высоты; Манометры Манометры Манометры Манометры По По По По виду виду виду виду давления давления давления давления По По По По применению применению применению применению По По По По отображению отображению отображению отображению информации информации информации информации По По По По принципу принципу принципу принципу действия действия действия действия жидкостные деформационные электрические грузопоршневые однотрубные U-образные двухчашечные трубчатые мембранные сильфонные резистивные емкостные пьезоэлектр. избыточного давления баровакуумметры абсолютного давления барометры вакууметры мановакуумметры д и ф м а н о м е тр ы промышленные лабораторные образцовые специальные эталонные регистрирующие сигнализирующие показывающие 125 • деформационные - давление определяется по величине деформации и перемещения упругого чувствительного элемента (УЧЭ), представляющего собой мембрану, трубчатую пружину или сильфон; • грузопоршневые - измеряемое или воспроизводимое давление гидростатически уравновешивается через жидкую или газообразную среду прибора давлением веса поршня, нагружаемого образцовыми гирями; • электрические - давление определяется на основании зависимости электрических параметров : сопротивления, емкости, заряда, частоты колебаний чувствительного элемента (ЧЭ) от измеряемого давления; В промышленности при локальных измерениях давлений энергоносителей и других сред в большинстве случаев используются деформационные манометры, использующие одновитковую трубчатую пружину, называемую трубкой Бурдона - для непосредственно показывающих стрелочных приборов или с многовитковыми пружинами для самопишущих манометров. В настоящее время на смену этим манометрам всё больше приходят электрические манометры с цифровым табло и развитой системой интерфейсов для связи с вычислительно-управляющей техникой. По виду измеряемого давления манометры подразделяют на приборы измерения избыточного и абсолютного давления - собственно манометры, разрежения - вакуумметры , давления и разрежения - мановакуумметры , атмосферного давления - барометры и разностного давления - дифференциальные манометры ( дифманометры). Манометры, вакуумметры и мановакуумметры для измерения небольших (до 20-40 кПа) давлений газовых сред называют соответственно напоромерами , тягомерами и тягонапоромерами , а дифманометры с таким же диапазоном измерения - микроманометрами ( ГОСТ 8.271-77). Технические характеристики всех этих средств измерения давления определяются соответствующ ими общ ими техническими условиями (ГОСТ 2405-88, ГОСТ 18140-81 и другими). По области применения манометры подразделяют на следующие: 126 • общепромышленные ( технические), работающие в промышленных условиях (при перепадах температур и влажнос ти окружающей среды, вибрациях, загрязнениях внеш ней среды и т.п.); • лабораторные ( приборы повышенной точнос ти) для использования в стабильных условиях лабораторий); • специальные , которые применяют в экстремальных условиях: на транспорте, котельных установках, при работе с агрессивными средами и т.п.; • образцовые , служащие для поверки рабочих манометров; • эталонные - хранители единиц давления с целью передачи их образцовым приборам. По способу отображения значений измеряемого давления существуют следующие типы манометров: • показывающие , у которых считывание данных производится непосредственно по аналоговой (стрелочной) или цифровой шкале прибора; • сигнализирующие ( электроконтактные) - с выдачей управляющего электрического сигнала путем замыкания или размыкания контактов при достижении измеряемым давлением заранее установленного контрольного значения; • регистрирующие ( самопишущие) - с записью в память значений давления как функции времени и их отображением на электронном табло или диаграммной бумаге. Манометры выполняют функцию локального контроля и в большинстве случаев из-за отсутствия возможности дистанционного доступа к их показаниям, за исключением манометров с унифицированным выходным электрическим сигналом, не могут быть использованы для целей современной автоматизации. 127 3.3. Жидкостныеприборыдавления 3.3.1. Манометры U- образныеичашечные Жидкостные приборы, основанные на гидростатическом принципе действия, широко применяют для измерения давления и разрежения, а также разности давлений. Несмотря на то, что, кроме жидкостных приборов, имеется достаточное количес тво современных приборов, основанных на других способах измерения давления, все же они до сих пор широко применяются как в лабораторной практике, так и в различных отраслях промышленности. Причина этого - простота обращения, относительно высокая точнос ть измерения и их дешевизна. Рис. 3.4 - U- образный манометр U-образныйманометр - простейший и вместе с тем точный прибор для измерения давления, разрежения, а также разности давлений, схема и внешний вид которого показаны на рис. 3.4. Основными элементами U-образного манометра являются U– образная стеклянная (либо из другого прозрачного материала) трубка, заполненная до половины своей высоты рабочей ж идкостью, и миллиметровая шкала, нанесенная на плоскость основания прибора. Принцип измерения давления с помощью этого прибора основан на непосредственном наблюдении разности 128 уровней h рабочей жидкости. В качестве рабочей жидкости обычно применяют ртуть и воду. Однако при точных измерениях давления капиллярные свойства воды не позволяют применять ее в качестве рабочей жидкости в U-образных манометрах со стеклянными трубками малого диаметра. В этом случае в качестве рабочей жидкости следует применять спирт или толуол. Если одна из трубок прибора соединена с объектом, где необходимо измерить давление, а другая остается открытой, т.е. соединенной с атмосферой, то величина измеряемого давления р может быть определена по общеизвестной формуле: h g p ⋅ ⋅ = ρ , (3.1) где р - избыточное давление, Па; h- разность уровней рабочей жидкости, м; ρ – плотность рабочей жидкости кг/м 3 ; g – ускорение свободного падения, м/с 2 Если с помощью U-образного манометра давление измеряют в миллиметрах столба данной жидкости, то р = h . U- образный манометр, как было сказано выше, может быть использован и для измерения разрежения, т.е. как вакуумметр, а также и как дифференциальный манометр для измерения разности давлений. Если отсчет высоты с толба по U-образному манометру производят невооруженным глазом, то абсолютная погрешнос ть в измерении высоты столба может быть оценена в 1 мм. При этом погрешностью определения плотности рабочей жидкости можно пренебречь, т.к. она очень мала по сравнению с погрешностью отсчета. Поскольку в U-образном приборе необходимо делать два отсчета (отдельно в каждом колене прибора), то в этом случае наибольшая абсолютная погрешность может достигнуть 2 мм. Отсюда следует, что относительная погрешность при измерении давления, разрежения или разнос ти давлений U- 129 образным манометром зависит в основном от высоты с толба рабочей жидкости и точности его отсчета. Для увеличения точности отсчета столба рабочей жидкости образцовые U- образные манометры снабжаются зеркальной шкалой, в этом случае при цене деления шкалы в 1 ммотсчет высоты столба может быть произведен с погрешностью 0,25 мм.Если учесть, что необходимо производить два отсчета, то общая погрешнос ть будет не менее 0,5 мм. При измерении очень малых давлений, выражающихся высотой столба жидкости всего лишь в несколько миллиметров, U-образный манометр становится весьма грубым и его заменяют прибором, который называется микроманометром. При измерении относительно больш их давлений U- образный манометр неудобен, т.к. для этого требуется значительная длина его колен, что вызывает определенные труднос ти, особенно в промышленной эксплуатации. Чашечный м анометр представляет собой разновиднос ть U-образного манометра, у которого одно колено трубки выполнено в виде сосуда с сечением, значительно большим, чем второе. Измеряемое давление, действуя на поверхность рабочей жидкости в широком сосуде, заставляет ее подниматься вверх по стеклянной измерительной трубке. На рис. 3.5 представлена схема чашечного манометра. Пусть под дейс твием измеряемого давления жидкость в измерительной трубке поднимется на высоту h 1 , а в широком сосуде опустится на h 2 , тогда высота столба, соответствующая действ ительному давлению, будет равна: h = h 1 + h 2 (3.2) Если F 1 - площадь сечения измерительной трубки, a F 2 - широкого сосуда, то объем вытесненной жидкости в обеих трубках будет равен в соответс твии с выражением: F 1 · h 1 = F 2 · h 2 (3.3) 130 Рис. 3.5 - Схема чашечного манометра Решая уравнения (3.2) и (3.3) относительно h , получим: + ⋅ = 2 1 1 1 F F h h , (3.4) На рис.3.6 приведен вид лабораторного чашечного манометра. Рис. 3.6 - Общий вид чашечного манометра: 1- сосуд; 2-заливная пробка; 3-установка нуля; 4-трубка со шкалой; 5-переточная трубка; 6-многоходовой кран; 7-спускной кран; 8-уровень; 9-винтовая ножка т. е. действ ительная высота столба h больше отсчитываемой на величину h 1 · 2 1 F F или h 1 · 2 2 2 1 D d , где d – внутренний диаметр измерительной трубки, a D - широкого сосуда. Для получения результата измерения в системных единицах давления выражение (3.4) с учетом плотности рабочей жидкости примет вид: + ⋅ ⋅ ⋅ = 2 2 1 1 D d h g p ρ . (3.5) |