Измерение давления (90

Министерство образования и науки России Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Казанский национальный исследовательский технологический университет»

ИЗМЕРЕНИЕ ДАВЛЕНИЯ

Методические указания к лабораторной работе

Казань

КНИТУ

2012

Составители: доц. М.Ю. Перухин доц. В.П. Ившин

Измерение давления: методические указания к лабораторной работе / М.Ю. Перухин, В.П. Ившин; М-во образ. и науки России, Казан. нац. исслед. технол. ун-т. – Казань: КНИТУ , 2012 – 20 с .

Изложен материал по выполнению лабораторной работы «Из- мерение давления». Приведено описание экспериментальной установ- ки, даны краткие теоретические положения по изучаемой теме и мето- дика проведения работы.

Предназначены для студентов всех форм обучения механиче- ских и технологических специальностей при изучении ими курса ав- томатизации технологических процессов.

Подготовлены на кафедре автоматизированных систем сбора и обработки информации.

Печатаются по решению методической комиссии института управления, автоматизации и информационных технологий Казанско- го национального исследовательского технологического университе- та.

Рецензенты: зав. каф. АТПП КГЭУ д-р. техн. наук,

проф., К.Х. Гильфанов

доц. каф. АиУ КНИТУ (им. А.Н. Туполева), канд. техн. наук, С.А. Терентьев

2

Рис .1. Действие

силы к площади

Лабораторная работа №1

ПРИБОРЫ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ

Цель работы: изучить принцип действия и устройство прибо- ров давления с упругими чувствительными элементами; ознакомиться с методами и средствами их поверки.

Под давлением в общем случае понимают предел отношения нормальной составляющей силы к площади, на которую действует сила (рис. 1). При равномерном распределении сил давление равно частному от деления нормальной составляющей силы давления на площадь, на которую эта сила действует.

Давление является одним из важней- ших параметров химико-технологических процессов. От величины давления зависит протекание технологического процесса. Вели- чина единицы давления зависит от выбранной системы единиц (табл. 1).

Различают абсолютное и избыточное давление. Абсолютное давление Pа – давле- ние, отсчитанное от абсолютного нуля. Избы- точное давление Ри представляет собой раз-

ность между абсолютным давлением Pа и барометрическим давлени- ем Рб (т.е. давлением воздушного столба земной атмосферы) [1]:

Ри = Ра – Р б

Если абсолютное давление ниже барометрического, то

РВ = Рб – Ра,

где Pв – разрежение.

Единицы измерения давления приведены в табл. 1.

3

					Таблица 1
Соотношение между единицами давления
	кгс / м2	кгс/ см2	атм.
Единицы	или	или
		атм.(техн.	(физичеcкая		Н/м2
давления	мм вод.			мм рт. ст.
	ст.	атмосфера)	атмосфера)
1 кгс/м2
или	1	10-4	0,0968·10-3	73,556·10-3	9,80665
1 мм вод. ст.
1 кгс/см2
или	104
1 атм. (техн.		1	0,9678	735,56	98066,5
атмосфера)
1 атм. (фи-
зическая	10332	1,0332	1	760,00	101 325
атмосфера)
1 мм рт. ст.	13,6	1,36·10-3	1, 316·10-3	1	133,322
1 Н /м2	0,102	10,2·10-6	10,13·10-6	7,50·10-3	1

Приборы для измерения давления по виду измеряемого давления подразделяются на:

а) манометры – для измерения абсолютного и избыточного давления;

б) вакуумметры – для измерения разряжения (вакуума); в) мановакуумметры – для измерения избыточного давления

и вакуума; г) напоромеры – для измерения малых избыточных давлений

(до 40 кПа);

д) тягомеры – для измерения малых разряжений (до минус 40

кПа);

4

е) тягонапорометры – для измерения разряжений и малых из- быточных давлений;

ж) дифференциальные манометры – для измерения разности давлений;

з) барометры – для измерения барометрического давления атмосферного воздуха [1].

По принципу действия приборы для измерения давления делятся:

а) на жидкостные, основанные на уравновешивании измеряе- мого давления гидростатическим давлением столба жидкости;

б) на деформационные (пружинные), измеряющие давление по величине деформации различных упругих элементов или по раз- виваемой ими силе;

в) на поршневые манометры; г) на электрические, основанные либо на преобразовании

давления в какую-нибудь электрическую величину, либо на измене- нии электрических свойств материала под действием давления [1].

Жидкостные манометры

Жидкостные манометры отличаются простотой конструкции и сравнительно высокой точностью измерения. Их широко при- меняют как в качестве переносных (лабораторных), так и тех- нических приборов для измерения давления.

Переносной U-образный манометр, представляющий собой согнутую в виде буквы U стеклянную трубку 1, показан на рис.2. Трубка закреплена на доске 2 со шкалой 3, расположенной между коленами трубки, и заполнена жидкостью (спиртом, водой, ртутью). Один конец трубки соединен с полостью, в которой измеряется дав- ление, другой конец трубки сообщается с атмосферой.

Под действием измеряемого давления жидкость в трубке пе- ремещается из одного колена в другое до тех пор, пока измеряемое давление не уравновесится гидростатическим давлением столба жидкости в открытом колене. Если давление в полости, с которой соединен прибор, ниже атмосферного, то жидкость в коленах пере- местится в обратном направлении, и высота ее столба будет соответ- ствовать вакууму.

5

Присоединив оба колена трубки к полостям с различными давлениями Р1 и Р2, можно определить разность давлений. Манометр заполняют жидкостью до нулевой отметки шкалы. Для определения высоты столба жидкости необходимо сделать два отсчета (снижение в одном колене и подъем в другом) и суммировать их величины, т. е.

H = h1 + h2 [1].

Рис.2. U – образный манометр

Деформационные манометры

Классификация пружинных приборов для измерения давления по типу чувствительного элемента

По виду упругого чувствительного элемента (рис.3) пружин- ные приборы делятся на следующие группы [1]:

6

1)приборы с трубчатой пружиной, или собственно пружин- ные (рис. 3а, б);

2)мембранные приборы, у которых упругим элементом слу- жит мембрана (рис. 3в), анероидная или мембранная коробка (рис. 3г, д), блок анероидных или мембранных коробок (рис. 3е, ж);

3)пружинно-мембранные с гибкой мембраной (рис. 3з);

4)приборы с упругой гармониковой мембраной (сильфоном)

(рис. 3к);

5)пружинно-сильфонные (рис. 3и).

Рис. 3. Виды упругих чувствительных элементов

Манометры с одновитковой трубчатой пружиной

Действие пружинных приборов основано на измерении вели- чины деформации различного вида упругих элементов. Деформация упругого чувствительного элемента преобразуется передаточными механизмами того или иного вида в угловое или линейное переме- щение указателя по шкале прибора.

Наиболее широко применяются приборы (манометры, ваку- умметры, мановакуумметры и дифманометры) с одновитковой труб- чатой пружиной. Основная деталь прибора с одновитковой трубча-

7

той пружиной – согнутая по дуге окружности трубка эллиптического или плоскоовального сечения (рис. 4). Одним концом трубка задела- на в держатель, оканчивающийся ниппелем с резьбой для присоеди- нения к полости, в которой измеряется давление. Внутри держателя есть канал, соединяющийся с внутренней полостью трубки (рис. 4).

Рис .4. Схема трубчатой пружины (а) и ее эллиптическое (б), плоскоовальное (в) поперечные сечения: 1 – трубка; 2 – держатель

Если в трубку подать жидкость, газ или пар под избыточным давлением, то кривизна трубки уменьшится, и она распрямляется; при создании разрежения внутри трубки кривизна ее возрастает, и трубка скручивается. Так как один конец трубки закреплен, то при изменении кривизны трубки ее свободный конец перемещается по траектории, близкой к прямой, и при этом воздействует на переда- точный механизм, который поворачивает стрелку показывающего прибора. Свойство изогнутой трубки некруглого сечения изменять величину изгиба при изменении давления в ее полости, является следствием изменения формы сечения. Под действием измеряемого давления внутри трубки эллиптическое или плоскоовальное сечение, деформируясь под действием силы

F = P·S,

8

где S – площадь воздействия давления, приближается к круговому сечению (малая ось эллипса или овала увеличивается, а большая – уменьшается) [1].

Грузопоршневые манометры

Принцип действия грузопоршневых манометров основан на уравновешивании измеряемого давления силой веса положенных на поршень грузов. Грузопоршневые манометры обладают высокой точностью воспроизведения давления и широким диапазоном изме- рений – от 0,098 до 980 МН/м2 (от 1 до 10000 кгс/см2), поэтому они применяются в основном для градуировки и поверки средств изме- рения давления [2].

Образцовый грузопоршневой манометр (рис. 5) состоит из колонки, укрепленной на станине прибора, в которой имеется верти- кальный цилиндрический канал, в нем движется пришлифованный поршень, несущий на верхнем конце тарелку для установки грузов. Верхняя часть колонки снабжена воронкой для сбора масла, проса- чивающегося через зазор между поршнем и цилиндром. В станине высверлен горизонтальный канал, в расширенной части которого движется посредством винтового штока поршень 7, уплотненный манжетами. Канал в станине соединяется с каналом колонки и кана- лами двух бобышек, предназначенных для укрепления поверяемых манометров. Кроме того, с каналом станины соединен канал воронки 8, которая служит для заполнения системы маслом. Каналы для от- соединения их от канала станины снабжены игольчатыми вентилями 9-12. Назначение вентиля 13 – спуск масла из прибора. Максималь- ное давление, создаваемое грузами, 4,90 МН/м2 (50 кгс/см2). Рассчи- тывается по формуле:

где fэф – эффективная площадь сечения штока поршня. Для поверки манометров на большее давление пользуются поршневым прессом, отсоединив от прибора поршневую колонку 1 вентилем 10. В качест- ве прибора сравнения применяют образцовый пружинный манометр: его присоединяют к одной из бобышек 4, а поверяемый прибор – к другой бобышке [3].

9

Рис. 5 . Схема образцового грузопоршневого манометра: 1 – колонка; 2 – поршень; 3 и 8– воронки; 4– бобышки; 5 – канал; 6 – тарелка; 7 – поршень; 9 – 13 – вентили

Электрические манометры

Принцип действия приборов основан на измерении электри- ческих величин, связанных с измерением давления [2]. Чувствитель- ные элементы электрических манометров производят непосредст- венное преобразование давления в какую-либо электрическую вели- чину, функционально связанную с давлением. Различают емкостные датчики давления, пьезоэлектрические и др.

Емкостный манометр

Емкостные преобразователи используют метод изменения емкости конденсатора при изменении расстояния между обкладками. Известны керамические или кремниевые емкостные первичные пре- образователи давления и преобразователи, выполненные с использо- ванием упругой металлической мембраны. При изменении давления мембрана с электродом деформируется и происходит изменение ем- кости.

10