Лекция 6. Измерение давления и вакуума. Измерение скорости и расхода жидкости и газа.

6.1. Измерение давления и вакуума.

Измерение давлений широко используется в теплоэнергетике. Давление характеризует работоспособность отдельных агрегатов. а также ход термо и газодинамических процессов в энергетических установках. С помощью измерения давления определяется скорость и расход жидкости и газа в различных процессах.

По своему назначению приборы для измерения давления и вакуума делятся на:

- манометры избыточного или абсолютного давления;

- барометры - для измерения абсолютного давления атмосферного воздуха;

- вакуумметры - для измерения разности между барометрическим и абсолютным давлениями, когда значение абсолютного давления меньше

1кПа;

- мановакууметры - для измерения как избыточного давления, так и вакууметрического давления;

- дифференциальные манометры - для измерения разности давле­ний, когда ни одно из них не равно атмосферному;

- микроманометры - для измерения малых разностей давлений.

По принципу действия средства измерения давления делят на сле­дующие группы:

- жидкостные приборы давления, у которых измеряемое давление уравновешивается давлением столба жидкости;

- грузопоршневые приборы, у которых измеряемое давление урав­новешивается массой груза и поршня;

- деформационные приборы, действие которых основано на исполь­зовании зависимости упругой деформации и усилия, создаваемого чувстви­тельным элементом, от давления;

- электрические приборы, действие которых основано на свойствах отдельных веществ изменять свои электрические параметры под действием давления;

-электроразрядные приборы, у которых используется зависимость ионного тока от давления;

- теплоэлектрические приборы, действие которых основано на за­висимости теплопроводности газового слоя от давления.

Для целей автоматизации экспериментальных исследований про­мышленностью выпускаются соответствующие измерительные средства и устройства на базе унифицированных электрических преобразователей давления и упругих чувствительных элементов.

За единицу давления в СИ принят 1 Па=1 Н/м².

1мм рт. ст. = 133,32 Па; 1кг/м = 1мм вод. ст.= 9,81 Па.

6.1.1 Жидкостные и деформационные приборы давления.

По конструктивному признаку жидкостные манометры подразделяются на:

-U- образные манометры;

-чашечные манометры.

Эти манометры используются для определения избыточного давления воздуха и неагрессивных газов до 0,1 МПа, для измерения разности давлений неагрессивных газов в пределах от 0,1 МПа до 7 кПа, а также неагрессивных жидкостей и паров в пределах от 0,1 МПа до 0,4 кПа.

Жидкостные U-образные манометры изготавливаются из стеклянных трубок диаметром 6... 10 мм, заполненных наполовину рабочей жидкостью - ртутью, водой, спиртом, маслом.

Разность давлений DР в манометре определяется выражением

где р - плотность жидкости; g -ускорение свободного падения; h - высота

столба жидкости.

Погрешность отсчета давления по шкале U-образного и чашечного

манометров составляет 2 мм и 1 мм, соответственно.

Действие деформационных приборов давленияосновано на зависимости

деформации или изгибающего момента упругих чувствительных элементов от давления. Давление определяется в основном линейным перемещением

чувствительного элемента.

Деформационные приборы давления используют для измерения давления

в очень широком диапазоне измерений - от 50 Па до 1000 МПа. Их изготавливают в виде манометров избыточного давления, манометров абсолютного давления, вакуумметров, дифференциальных манометров.

Деформационные приборы давления можно разделить на две

группы:

1. Приборы давления прямого действия, у которых перемещение

упругого элемента, обусловленное воздействием измеряемого давления или

разности давлений, преобразуется в перемещение отсчетного устройства

для показания или показания и записи измеряемой величины, или измерения

и сигнализации, или только сигнализации об отклонении измеряемого

давления от заданного значения.

Эти приборы обладают простотой устройства и эксплуатации, имеют

невысокую стоимость и поэтому нашли широкое распространение в различных

областях техники.

Манометры и вакуумметры имеют чувствительные элементы, выполненные в форме сильфонов и одновитковых трубчатых пружин.

2. Приборы давления, имеющие передающие преобразователи с

унифицированным выходным сигналом. Выходными сигналами могут

быть сигналы переменного тока, постоянного тока или пневматические

сигналы. Эти приборы, именуемые датчиками,выпускаются как с отсчет-

ным устройством, так и без него. Датчики предназначены для работы с

взаимозаменяемыми вторичными показывающими приборами, самопишущими

приборами, регуляторами и информационно-измерительными системами.

Чувствительными элементами датчиков давления являются пластины,

мембраны, сильфоны и трубчатые пружины.

Приборы давления с сильфонамипредназначены для измерения и

записи вакуумметрических и небольших избыточных давлений до 0,4 МПа.

Выпускаются приборы классов точности 1,5 и 2,5.

Приборы давления с трубчатой пружинойиспользуются для измерения

вакуумметрического давления, а также избыточного давления от 0,1

до 1000 МПа. Они выпускаются в виде рабочих и образцовых приборов. В

свою очередь рабочие приборы бывают повышенной точности, контрольные

и технические.

Приборы повышенной точностиизготавливаются классами точности

0,6 и 0,1.

Контрольные приборыизготавливаются классом точности 0,6.

Технические приборыизготавливаются классами точности 1; 1,6;

2,5; 4,0.

Образцовые приборыимеют классы точности 0,16; 0,25 и 0,4.

6.1.2 Приборы для измерения вакуума.

Измерение вакуума, т.е. измерение давления разреженного газа, про­изводится с помощью вакуумметров. По принципу действия вакууммет­ры разделяются на следующие типы:

1. Жидкостные вакуумметры, включающие:

- U-образные приборы давления;

- компрессионные приборы давления.

2. Деформационные вакуумметры, включающие:

- пружинные вакуумметры;

- мембранные вакуумметры;

- сильфонные вакуумметры.

3. Теплоэлектрические вакуумметры, включающие:

- термопарные вакуумметры;

- вакуумметры сопротивления.

4. Электроразрядные вакуумметры, включающие:

- ионизационные вакуумметры;

- магнетронные ионизационные вакуумметры;

- магнитные электроразрядные вакуумметры.

Жидкостные U-образные приборы давления используются для изме­рения давления от 0,1 МПа до 500 Па.

Теплоэлектрические вакуумметры применяются для измерения дав­ления в диапазоне от 70 до 0,13 Па. Их действие основано на зависимости теплопроводности ограниченного слоя разреженного газа от давления. Чувствительным элементом теплоэлектрического вакуумметра является тонкая металлическая нить накала, размещаемая в стеклянном баллоне, ку­да подводится измеряемое давление. Нить нагревается электрическим то­ком и охлаждается разреженной средой. Выделяемая нитью джоулева теп­лота частично отводится в результате теплопроводности материала через концы нити, частично рассеивается ее поверхностью в результа­те радиационного теплообмена, частично отводится газом. Тепловой поток отводимый газом прямо пропор­ционален давлению С уменьшением давления Р тепловой поток, отводимый газом, уменьшается и при Р<0,13 Па достигает столь малого значения, что им можно пренебречь. Значение Р=0,13 Па является нижним пределом измерения прибора. Различают 2 метода работы теплового вакуумметра: метод постоян­ной температуры нити и метод постоянного тока. Измеряемое давление определяется в первом методе по току накала, во втором методе - по темпе­ратуре нити.

Ионизационные электроразрядные вакуумметры позволяют произво­дить измерение давления от 0,1 до 7*10⁶ Па. Их действие основано на ис­пользовании зависимости ионного тока от давления. Достоинством электроразрядного вакуумметра является простая электрическая схема включения вакуумметрической лампы. Недостатками магнитного электроразрядного вакуумметра являются сравнительно узкий диапазон измеряемого давления и линейность разрядного тока и давления не во всем диапазоне измеряемо­го давления.

6.2. Измерение скорости и расхода жидкости и газа.

Для измерения скорости наиболее распространены два метода:

- пневмометрический;

- термоанемометрический.

Пневмометрический метод измерения скоростей широко распро­странен в исследовательской практике ввиду своей простоты и доступно­сти.

Если скорости течения потока газа или жидкости достаточно малы, т.е. число Маха М<0,3 , то поток можно считать несжимаемым. В этом случае уравнение Бернулли для идеальной жидкости (несжимаемой и невязкой) имеет вид

где Рп - полное давление или давление торможения; Р - статическое давление;

р - плотность потока.

Уравнение Бернулли для идеальной жидкости лежит в основе пневмометрического метода определения скорости несжимаемого потока. Из

этого уравнения следует, что

Следовательно, для определения скорости потока в рассматриваемой точке необходимо знать полное давление Рп, статическое давление Р и плотность потока р.

Для измерения полного давления Рп используется насадок Пито, представляющий собой круглую трубку, ось которой совпадает с направлением потока, а открытый конец направлен против потока. Для измерения статического давления Р используют устройство другой конструкции, называемое насадком Прандтля. В нем для отбора потока предусмотрены отверстия или щели на боковой поверхности, расположенные на значительном расстоянии от носка насадка. В этом случае, как показала практика, давление, воспринимаемое в щелях и отверстиях равно статическому давлению невозмущенного потока. Для определения скорости потока w применяют зонды, представляющие собой комбинацию насадков статического и полного давлений. Одним из таких зондов является достаточно широко используемый насадок Пито-Прандтля, в котором имеется 2 трубки: внутренняя, через продольное отверстие которой воспринимается полное давление и наружная, через боковые отверстия которой воспринимается статическое давление.

Термоанемометрический метод прибор,основан на зависимости между электрическим сопротивлением или температурой нагретого проводника, помещенного в поток, и скоростью его обтекания.

Чувствительным элементом термоанемометра является проволочный

или пленочный датчик, нагреваемый электрическим током. В проволочном датчике чувствительным элементом является нагреваемая тонкая проволока (нить), соединенная через поддерживающие стойки и корпус датчика с его выводами. Проволочный датчик используется при измерениях в изотермических условиях, а также при температурах потока до 500С. Пленочные датчики применяются в газовых потоках, имеющих температуру более 500С, и, как правило, являются охлаждаемыми. Материалом нити в проволочном датчике является вольфрам, платина или платиновые сплавы (платинородий, платиноиридий). Диаметр нити составляет 1-15 мкм, а длина между стойками 0,5-5 мм. Для обеспечения разности температур между потоком и нитью производится ее нагрев за счет пропускания электрического тока.

Существуют 2 основных режима работы термоанемометра:

- режим постоянного тока;

- режим постоянной температуры.

Режим постоянного тока характеризуется постоянным значением силы тока, протекающего через нить. При воздействии потока на нить происходит изменение температуры нити, вследствие изменения коэффициента теплоотдачи, что приводит к изменению ее сопротивления.

Режим постоянной температуры характеризуется постоянным значением температуры нити, обеспечиваемым изменением силы тока. В этом случае тепловая инерция нити очень мала, что обеспечивает более точные измерения по сравнению с режимом постоянного тока.

Для измерения расхода вещества, т.е. количества вещества, протекающего через сечение канала в единицу времени, служат следующие приборы:

- расходомеры;

- счетчики количества текучей среды.

Для измерения расхода жидкости или газа бразователя на­зывают наибольшую разность в показаниях прибора или наибольшую раз­ность между выходными сигналами преобразователя, соответствующими одному и тому же значению входного сигнала, но полученными в одном случае при плавном увеличении, а в другом - при плавном уменьшении значения измеряемой величины.

В исследовательской практике очень часто возникает необходимость в измерении величин, меняющихся во времени, т.е.в динамических усло­виях. Результаты таких измерений искажаются дополнительной погрешно­стью, обусловленной динамичностью условий. Эта составляющая погреш­ности называется динамической погрешностью и представляет собой разность между погрешностью средств измерений в динамических услови­ях и соответствующей погрешностью в статических условиях. Причиной появления динамической погрешности является инертность средств изме­рения. Вследствие этой инертности происходит запаздывание в показаниях при регистрации мгновенных значений измеряемой величины.

Литература.

1. Гортышев Ю.Ф. Теория и техника теплофизического эксперимента. – М., «Энергоатомиздат», 1985.

2. Тепло- и массообмен. Теплотехнический эксперимент. Справочник под ред. Григорьева В.А. – М., «Энергоатомиздат», 1982.

3. Иванова Г.М. Теплотехнические измерения и приборы.- М., «Энергоатомиздат», 1984.

4. http://www.kobold.com/

5. http://www.owen.ru/