Общие сведения об измерении давления.
Классификация СИ давления
Давлением называется отношение силы, действующей перпенди-
кулярно поверхности, к площади этой поверхности. Давление — одна
из основных величин, определяющих термодинамическое состояние
веществ и ход технологических процессов. Различают следующие
виды давления: атмосферное, абсолютное, избыточное и вакуум (раз-
режение). Атмосферное (барометрическое) давление — это давле-
ние, создаваемое массой воздушного столба земной атмосферы.
Абсолютное давление отсчитывается от абсолютного нуля, за который
принимается давление внутри сосуда, из которого полностью откачан
воздух. Избыточное давление представляет собой разность между
абсолютным и барометрическим давлениями, а вакуум {разреже-
ние) — разность между барометрическим и абсолютным давлением.
В Международной системе единиц (SI) за единицу давления принят
паскаль (Па) — давление, создаваемое силой в 1 ньютон (Н), равно-
мерно распределенной по поверхности площадью 1 м2 и направленной
нормально к ней. В технической системе единиц (МКГСС) давление
выражается в килограммах силы на квадратный сантиметр (кгс/см2)
и килограммах силы на квадратный метр (кгс/м2). Единица кгс/см2
получила название техническая, или метрическая атмосфера (ат).
Помимо указанных существуют также такие внесистемные единицы
измерения давления, как бар, миллиметр ртутного столба (мм рт. ст.),
миллиметр водного столба (мм вод. ст.), а также физическая, или
нормальная, атмосфера (атм), которая эквивалентна 760 мм рт. ст.
В англоязычных странах широко распространена единица давления пси
(psi = Ibf/in2) — фунт силы на квадратный дюйм (1 фунт = 0,4536 кг). При
измерении абсолютного и избыточного давления используются соот-
ветственно обозначения psia (absolute — абсолютный) и psig (gage — из-
быточный). В приложении 2 указаны коэффициенты перевода одних
системных или внесистемных единиц давления в другие.
В качестве СИ давления используются как измерительные при-
боры, так и измерительные преобразователи. Приборы для измерения
давления в зависимости от измеряемого давления делятся: на мано-
метры (для измерения избыточного давления); барометры (для
измерения атмосферного давления); вакуумметры (для измерения
разрежения); мановакуумметры (для измерения избыточного дав-
ления и разрежения); напоромеры и тягомеры (для измерения малых
давлений); дифференциальные манометры, или дифманометры (для
измерения разности давлений). По принципу действия приборы для
измерения давления подразделяются на жидкостные, деформацион-
ные, электрические и грузопоршневые. Измерительные преобразо-
ватели давления в зависимости от используемого в них физического
эффекта могут быть тензорезисторными, пьезоэлектрическими, ем-
костными, резонансными, волоконно-оптическими, гальваномаг-
нитными, акустическими и др. Наибольшее распространение полу-
чили тензорезисторные и емкостные преобразователи.
Жидкостные манометры
В жидкостных манометрах измеряемое давление уравновешива-
ется гидростатическим давлением столба рабочей жидкости, высота
которого будет являться мерой измеряемого давления. В качестве
рабочей (манометрической) жидкости применяются дистиллирован-
ная вода, этиловый спирт, трансформаторное масло. Эти манометры
предназначены для измерения избыточного давления до 0,1 МПа,
разрежения и разности давлений и являются наиболее простыми СИ
давления, которые были изобретены еще в XVI в. Леонардо да Винчи.
В настоящее время удельный вес жидкостных манометров по срав-
нению с манометрами других типов относительно невелик и, веро-
ятно, будет уменьшаться и в дальнейшем. Тем не менее при измере-
ниях особо высокой точности в области давлений, близких к ат-
мосферному, они пока незаменимы. Жидкостные манометры
используются в основном в качестве образцовых приборов для лабо-
раторных и технических измерений.
В зависимости от конструкции сосуда с рабочей жидкостью жид-
костные манометры могут быть U-образные (двухтрубные) и чашечные
(однотрубные) с вертикальной или наклонной трубкой. U-образный
манометр представляет собой изогнутую в виде латинской буквы U
стеклянную трубку, заполненную до половины рабочей жидкостью.
Трубка закрепляется вертикально на твердом основании. Отсчет про-
изводится по шкале, имеющей нулевую отметку при равенстве давле-
ний в обоих коленах трубки. Измеряемая величина уравновешивается
столбом рабочей жидкости, высота которого равна сумме высот стол-
бов в обоих коленах трубки. При измерении давления или разрежения
один конец трубки оставляют открытым в атмосферу, а другой соеди-
няют с объектом измерения; при измерении разности давлений их
подводят к обоим концам трубки. Из-за того что сечения трубок не
всегда одинаковы, на практике приходится снимать показания двух
высот. Этот недостаток устранен в чашечных манометрах.
В чашечных (однотрубных) манометрах одна из трубок замене-
на широким сосудом, сообщающимся с измерительной стеклянной
трубкой (вертикальной или наклонной). Площадь сечения сосуда
значительно больше, чем площадь сечения измерительной трубки.
При измерении давления или разности давлений большее из них по-
дается в сосуд, а меньшее — в измерительную трубку. При точных
измерениях применяются чашечные манометры с наклонной трубкой,
имеющие большую чувствительность (микроманометры). Показания
манометра при измерениях определяются по длине столбика рабочей
жидкости в трубке, имеющей угол наклона а.
Деформационные манометры
Принцип действия деформационных манометров основан на
упругой деформации чувствительных элементов под действием из-
меряемого давления. Благодаря высокой точности, простоте конструк-
ции, надежности и низкой стоимости деформационные манометры
получили широкое распространение в промышленности для измере-
ния давления, разрежения и разности давлений. Они выпускаются
показывающими, регистрирующими и могут оснащаться преобразо-
вателями в унифицированный сигнал измерительной информации
для дистанционной передачи показаний.
В качестве чувствительных элементов в деформационных мано-
метрах применяют трубчатые пружины, сильфоны и мембраны.
Трубчатая пружина (манометрическая пружина, или трубка Бурдо-
на) представляет собой упругую криволинейную металлическую по-
лую трубку, один конец которой имеет возможность перемещаться,
а другой жестко закреплен (рис. 5.1, а). Трубка в свободном состоянии
в сечении имеет форму эллипса (разрезЛ—А на рис. 5.1, б). При по-
вышении давления внутри трубки она начинает раскручиваться. Это
связано с тем, что под действием давления трубка «округляется», т.е.
малая ось эллипса увеличивается, в то время как длина пружины
остается неизменной.
Под действием измеряемого давления Ртм трубка Бурдона дефор-
мируется в поперечном сечении, принимая форму, изображенную на
рис. 5.1, б пунктиром. Продольные волокна элемента пружины рас-
тягиваются наиболее значительно у малой полуоси. В продольных
волокнах наружного радиуса трубки Бурдона будет возникать рас-
тяжение, а в волокнах внутреннего радиуса — сжатие. Вследствие того
что волокна стремятся сохранить свою первоначальную длину, труб-
ка Бурдона будет разгибаться. При этом свободный конец трубки
совершит некоторое линейное перемещение λ. Кривизна трубки
уменьшится на угол ∆у = у – у1 , а малая ось эллипса увеличится на АЬ.
С учетом неизменности длины пружины можно записать
Это выражение представляет собой уравнение шкалы манометра с
трубчатой пружиной. Трубчатый манометр тем чувствительнее, чем
больше радиус кривизны R трубки и чем меньше толщина 5 ее стенок.
Чувствительность пружины Бурдона, а также ее жесткость в сильной
степени зависят от отношения а/b осей поперечного сечения и формы
сечения (массы металла) вблизи концов большой оси. Пружина круг-
лого сечения практически нечувствительна к давлению, так как ее
поперечное сечение не деформируется при воздействии давления.
Манометр с трубчатой пружиной (рис. 5.1, в) состоит из труб-
чатой пружины 1, один конец которой впаян в отверстие держателя
2, а другой конец наглухо запаян и несет на себе тягу 3. Полость
пружины связана с измеряемой средой через канал в держателе.
Перемещение свободного конца пружины передается зубчатому сек-
тору 4 и шестерне 5, на оси которой насажена стрелка 6 прибора для
отсчета показаний на шкале 7. Прибор устанавливается на техноло-
гическом объекте с помощью штуцера 8. Верхний предел измерения
таких манометров 103 МПа.
Сильфом представляет собой тонкостенную трубку с кольцевыми
гофрами на боковой поверхности. Его упругость определяется мате-
риалом и толщиной стенки, числом гофр и их кривизной. Сильфоны
изготавливают из бронзы, нержавеющей стали и т.д. Схема сильфон-
ного дифманометра показана на рис. 5.2.
Под действием разности давлений сильфон 1, расположенный в
плюсовой камере дифманометра, сжимается, и кремнийорганическая
жидкость, заполняющая внутреннюю полость сильфона 1, частично
вытесняется во внутреннюю полость сильфона 2, находящегося в
минусовой камере дифманометра. При этом перемещается шток 3,
жестко соединенный с дном сильфона 2. Со штоком соединен конец
рычага 4, на который насажена стрелка прибора 5 для отсчета по-
казаний по шкале 6. Для увеличения жесткости сильфонов внутри
них могут быть установлены винтовые пружины.
Сильфоны более чувствительны к изменению давления, чем труб-
чатые пружины. Поэтому сильфонные манометры применяют для
измерения сравнительно небольших разрежений и давлений.
В сильфонных манометрах суммарная жесткость пружины и силь-
фона Км определяется как
где К„ — жесткость пружины; Кс — жесткость одного гофра; п — чис-
ло гофр.
Противодействующее усилие Fnp, создаваемое пружиной и силь-
фоном при их сжатии на величину h, равно
Верхний предел измерений сильфонных манометров 0,4 МПа.
Сильфоны также применяются в качестве гибких соединений
трубопроводов, компенсаторов температурных удлинений, упругих
разделителей сред и т. п.
Мембраны (или пластинчатые пружины) представляют собой
гибкие плоские или гофрированные диски, способные получать
прогиб под действием давления. Статическая характеристика пло-
ских мембран изменяется нелинейно с увеличением давления, по-
этому в качестве рабочего участка используют небольшую часть
возможного хода. Гофрированные мембраны могут применяться при
больших прогибах, чем плоские, так как имеют значительно мень-
шую нелинейность характеристики. При этом чем больше глубина
гофр, тем линейность статической характеристики выше. Различают
упругие и эластичные мембраны. У п р у г и е мембраны выполняют-
ся из стали, бронзы, латуни и др. Э л а с т и ч н ы е мембраны изго-
тавливаются из прорезиненной ткани, тефлона и т. п. и предназна-
чены для измерения малых давлений и разности давлений. Для уве-
личения перестановочного усилия и уменьшения нелинейности
характеристики применяют эластичные мембраны с жестким цен-
тром, представляющим собой два металлических диска, закрепленных
с двух сторон на мембране.
В мембранном манометре (рис. 5.3) мембрана 1 зажимается или
приваривается по краю между двумя фланцами 2. Давление, действую-
щее на мембрану, вызывает ее прогиб, в результате которого изогнутый
шток 3 совершает вертикальное перемещение. Перемещение штока
передается зубчатому сектору 4 и шестерне 5, на оси которой насажена
стрелка 6 прибора для отсчета показаний по шкале 7. Прибор устанав-
ливается на технологическом объекте с помощью штуцера 8.
В результате кольцеобразного крепления мембраны менее вос-
приимчивы к вибрациям по сравнению с трубчатыми пружинами,
однако погрешность показаний при изменениях температуры у них
больше. Благодаря опорам для мембран достигается повышенная
стойкость к перегрузкам. Покрытия или фольга, наносимые на по-
верхность мембран, обеспечивают защиту от коррозийных измеряе-
мых сред. Широкие соединительные отвер-
стия или открытые соединительные фланцы,
а также возможности по промывке делают
мембраны особенно пригодными при работе
с высоковязкими, загрязненными или кри-
сталлизующимися веществами.
При необходимости получения большого
прогиба мембраны соединяются в так назы-
ваемые мембранные коробки, а также блоки,
Рис. 5.3. Мембранный манометр:
1 — гофрированная мембрана; 2 — фланцы; 3 — шток;
4 — зубчатый сектор; 5 — шестерня; 6 — стрелка; 7 —
шкала; 8— штуцер; Р — измеряемое давление__
собранные из нескольких коробок. Манометры с мембранной короб-
кой особенно пригодны для измерений давления газообразных сред.
При измерении атмосферного давления получили распространение
гофрированные мембранные коробки, из внутренней полости кото-
рых удален воздух.
Верхний предел измерений мембранных манометров 2,5 МПа.
Грузопоршневые манометры
Принцип действия грузопоршневых манометров основан на
уравновешивании измеряемого давления калиброванным грузом,
действующим на поршень. Они применяются для измерения давления
до 103 МПа, а также для градуировки и поверки манометров других
типов.
Грузопоршневой манометр (рис. 5.4) имеет грузовую и поршневую
части. Грузовая часть состоит из колонки 1, в центральной части
которой имеется полированный цилиндрический канал, в который
вставляется поршень 2. Поршень в верхней части имеет тарелку 3,
на которую накладываются контрольные грузы 4. Канал колонки со-
общается с горизонтальным каналом 5, который соединен со штуце-
рами 6 и 7, бачком с рабочей жидкостью 8 и поршневой частью ма-
нометра. Поршневая часть состоит из цилиндра 9 с поршнем 10, шток
которого выполнен в виде винта со штурвалом 11. Вентили 12... 15
служат для перекрытия соответствующих каналов. Полость системы
заполнена рабочей жидкостью (трансформаторным маслом). В шту-
цер 6 устанавливается поверяемый манометр 16. Давление в системе
изменяют, перемещая поршень 10 с помощью штурвала 11 (при этом
вентиль 15 закрыт). На поршень 2, свободно перемещающийся в
канале колонки 1, действуют две противодействующие силы: сила,
создаваемая давлением жидкости, и сила тяжести поршня и грузов.
При равенстве этих сил поршень уравновешивается и поднимается
на определенную высоту. При равновесии поршня создаваемое им
давление Р будет равно
где G — вес поршня и грузов; S — площадь поперечного сечения
поршня.
Площадь обычно составляет 1 см2, поэтому создаваемое давление
равно весу поршня и груза. Вес поршня с тарелкой равен 1 кг. Вес
отдельных грузов указывается на них. Таким образом, поверка ма-
нометров производится путем сравнения показаний поверяемого
прибора 16 с весом поршня с грузами (элементы 2, 3, 4). Поверку
манометров можно также осуществлять методом непосредственного
сличения показаний поверяемого прибора 16 и образцового при-
бора 17 при измерениях одних и тех же величин. При этом грузовая
часть грузопоршневого манометра в процессе не участвует (вентиль
13 закрыт).
Измерение внешнего давления с помощью грузопоршневого
манометра производят следующим образом. Давление в системе
доводят до атмосферного (штурвал 11 полностью выкручивают про-
тив часовой стрелки), вентили 12 и 13 открывают, 14 и 75закрыва-
ют. К штуцеру 6 с помощью импульсной трубки подводят измеряе-
мое давление. Устанавливая на тарелку 3 необходимое количество
контрольных грузов 4, добиваются равновесия поршня 2. При этом
вес контрольных грузов с тарелкой является мерой измеряемого
давления.