Способ измерения давления манометром

Манометр

О чем эта статья:

Что такое манометр

Термин «манометр» в основе имеет два греческих слова: «измерять» и «неплотный». Из этого понятны его назначение и основные функции — измерения в неких неплотных средах (жидкостях и газах).

Манометр — это прибор для измерения искусственно созданного давления газа или жидкости в замкнутой системе.

Не следует путать его с барометром, который тоже показывает давление, но только атмосферное. В то время как с помощью манометра можно измерить, с какой силой жидкость или газ давит на стенки герметично закрытой емкости. Условно говоря, он показывает плотность воздуха внутри закрытого пространства.

Если рассматривать функционал, манометр — более широкое понятие, а барометр является его частным случаем.

Единица измерения давления: паскаль (Па). Она отражает силу в 1 Н, которая равномерно действует на площадь 1 кв. м. Также давление иногда измеряют в барах, атмосферах, миллиметрах ртутного или водяного столба.

Для чего нужен манометр

В зависимости от модификации манометры могут использоваться в самых разных сферах:

при накачивании автомобильных шин;

в обслуживании систем кондиционирования и отопления;

в гидравлических узлах для передвижения железнодорожной стрелки;

для контроля давления в пневматических агрегатах на производстве;

в нефтяной и газодобывающей промышленности;

для обслуживания двигателей на морских судах и т. д.

Основное назначение манометра — проинформировать об избыточном или недостаточном давлении воды, пара, газа или иной рабочей среды. В промышленности также выделяют сигнальные приборы, которые помогают предотвратить взрывы и техногенные катастрофы из-за разрыва емкостей с опасными веществами (например, аммиаком или горячим паром).

Жидкостный манометр

Этот тип манометров появился первым еще в XVII веке. Он ведет свое начало от опытов Торричелли — одного из учеников Галилео Галилея.

Итальянский ученый погружал в емкость запаянную с одного конца и наполненную ртутью трубку. Некоторое количество ртути выливалось из трубки, и в ее верхней части получался вакуум. На ртуть в емкости действовало атмосферное давление, а на ртуть в трубке — нет. Соответственно, при повышении атмосферного давления ртутный столбик в трубке поднимался, а при понижении — опускался.

Принцип работы жидкостного манометра в целом похож на принцип работы системы из опыта Торричелли. Этот прибор представляет собой систему сообщающихся сосудов — две трубки, соединенные в U-образную конструкцию. Система наполовину заполнена жидкостью (обычно ртутью), и если на нее действует только атмосферное давление — уровень жидкости в обеих трубках будет одинаков.

Если одну из трубок подключить к накачивающему устройству или к закрытой емкости, на жидкость в ней будет действовать измеряемое давление (Р₁). В то время как на жидкость во второй трубке действует только атмосферное давление (Р₂). При изменении Р₁ уровень жидкости во второй трубке тоже будет меняться.

Измерив разность высоты столба Δh = h1 − h2, можно узнать, насколько изменилось давление ΔP = P1 − P2.

Результат измерений, полученный в сантиметрах ртутного столба, переводят в паскали из расчета:

1 см ртутного столба (при 0°C) = 1333,22 Па.

Для получения результата сразу в паскалях можно воспользоваться формулой, которая определяет давление воды на стенки емкости:

Р = ρgh, где ρ — плотность жидкости, g — ускорение свободного падения, h — высота столба.

Ускорение свободного падения (g) всегда равно 9,8 H/кг.

Другие виды манометров

Жидкостный манометр дает возможность точных измерений, но у него есть большой недостаток: конструкция боится ударов и вибраций. Поэтому сегодня такие приборы используются в основном в лабораториях. С развитием промышленности возникли другие типы манометров, которые могут измерять давление в любых условиях — на подвижных механизмах, при сильных вибрациях и т. д. По конструкции выделяют деформационные и поршневые (грузопоршневые) приборы.

Деформационные манометры

Манометр деформационного типа — это компактное механическое устройство, измеряющее давление сразу в паскалях (без перевода из других единиц). Его рабочим элементом является дугообразная или спиральная трубка Бурдона, в которую накачивается газ. Если давление внутри трубки повышается, она начинает распрямляться, и это движение через систему тяг передается на стрелку. При снятии давления она возвращается в свое первоначальное положение.

Вместо трубки может быть использована пружина, мембрана или другой чувствительный элемент, который деформируется под давлением. Принцип действия манометра остается тем же: деформация передается на стрелку, движущуюся по шкале.

Деформационные металлические манометры чаще всего используются в быту и на производстве. Они компактны, отлично переносят вибрации, не требуют строго вертикальной установки. Если нужно выбрать, к примеру, автомобильный манометр, он будет именно такого типа.

Поршневые манометры

Несмотря на то, что поршневые манометры были созданы раньше деформационных, они получили меньшее распространение. Сегодня такие приборы используются для исследования скважин в нефте- и газодобывающей промышленности, а также для сверки показаний в лабораториях.

На рисунке ниже можно увидеть, из чего состоит манометр поршневого типа. В самом простом варианте это емкость с маслом, соединенная при помощи штуцера с измеряемой средой. В емкость погружен цилиндр с тщательно притертым поршнем (зазор между стенками цилиндра и поршнем должен быть минимальным). На торце поршня закреплена тарель, на которую могут укладываться грузы.

Снизу на поршень действует измеряемое давление Р, сверху оно уравновешивается некой силой, создаваемой весом самого поршня и грузов G₁+ G₂.

Давление под поршнем рассчитывается по формуле:

где G₁— масса грузов, G₂— масса поршня с тарелью, g — ускорение свободного падения, F — площадь поршня.

Также давление можно выразить через силу согласно закону Паскаля:

P = F / S, где F — сила, действующая на поршень, S — площадь поршня.

С помощью поршневых маномеров впервые измеряли давление ученые-физики Георг Паррот и Эмиль Ленц. Но широкое распространение эти приборы получили благодаря некому Рухгольцу, который запустил их в массовое производство.

Задачи

Задача 1

В канистру налит бензин и высота столба составляет 0,6 м. Плотность бензина — 710 кг/м 2 . Определите давление бензина на дно канистры.

Решение:

Ускорение g равно 9,8 H/кг.

Согласно формуле, определяющей давление жидкости на стенки сосуда:

P = 710 × 9,8 × 0,6 = 4174,8 Па = 4,7 кПа.

Ответ: 4,7 кПа.

Задача 2

На поршень, погруженный в цилиндр с маслом, положили груз весом 3 кг. Площадь поршня составляет 2 см2, а его вес — 300 гр. Чему равна сила давления под поршнем?

Источник

Измерение давления

Давление — это физическая величина, характеризующая напряжённое состояние среды (жидкой или газообразной. Давление возникает в результате действия силы на поверхность тела. Оно определяет термодинамическое состояние веществ. Давлением во многом определяется ход технологического процесса, состояние технологических аппаратов и режимы их функционирования. С задачей измерения давления приходится сталкиваться в измерениях некоторых технологических параметров, например расхода газа или пара, при изменяющихся термодинамических параметрах, уровня жидкости, и др. Повышенное или пониженное давление (несоблюдение режима) в ходе технологического процесса в каком-либо аппарате может привести к потере качества продукта на конечной стадии процесса.

По Международной системе единиц (СИ), единицей измерения давления принят паскаль (Па) — давление, создаваемое силой в 1 ньютон (Н), равномерно распределенной по поверхности площадью 1м² и направленной нормально к ней. Для технических измерений была принята техническая атмосфера, равная давлению, которое производит сила в 1 кгс (9,80665 н) на площадь в 1 см². Разнообразие видов измеряемых давлений, а также областей их применения в технологии обусловило использование наряду с системной единицей давления и внесистемных единиц. К их числу относятся бар, миллиметр ртутного столба, килограмм-сила на квадратный сантиметр, килограмм — сила на квадратный метр, миллиметр водяного столба.

Приборы давления применяются для контроля и управления технологическими процессами. Это устройства служат для прямого или косвенного сравнения измеряемой величины с мерой. На промышленных установках наиболее распространены манометры избыточного давления, имеющие обычно нулевую точку отсчета (от атмосферного давления). Применяются и узкопредельные манометры — манометры с безнулевой шкалой.

Напоромеры — это манометры избыточного давления в газовых средах с верхним пределом измерения не более 40 кПа.

Вакуумметры — это приборы для измерения давления разреженного газа.

Тягомеры — это вакуумметры для измерения давления разреженного газа с верхним пределом измерения не более — 40 кПа.

Мановакуумметры — предназначенных для измерения избыточного давления и давления разреженного газа.

Тягонапоромеры — это мановакуумметры для газовых сред с верхним пределом измерения не более 20 кПа.

Дифманометры — это приборы измеряющие разность двух давлений.

Манометры применяют для измерения постоянных и переменных по направлению давлений.

Постоянным давлением — считают давление, не изменяющееся или плавно изменяющееся по времени со скоростью не более 1% / cек. от суммы верхних пределов измерений приборов.

Переменным давлением — считают давление, плавно и многократно возрастающее или убывающее по любому периодическому закону со скоростью от 1 до 10% /с от суммы верхних пределов измерений.

По принципу действия средства измерений давления подразделяются на следующие:

Жидкостные — основанные на уравновешивании измеряемого давления соответствующего столба жидкости.

Деформационные (пружинные) — измеряющие давление по величине деформации упругих различных элементов или по развиваемой ими силе.

Грузопоршневые — в которых измеряемое давление уравновешивается внешней силой, действующей на поршень.

Электрические — основанные или на преобразовании давления в одну из электрических величин, или на изменении электрических свойств материала под действием давления. Такое подразделение не является полным и может быть дополнено средствами измерений, основанными на других физических явлениях.

Жидкостные средства измерений давления с гидростатическим уравновешиванием.

В жидкостных приборах с гидростатическим уравновешиванием мерой измеряемого давления является высота столба рабочей жидкости. В качестве рабочей жидкости, называемой затворной или манометрической, применяются дистиллированная вода, ртуть, этиловый спирт, трансформаторное масло. Выбор рабочей жидкости определяется диапазоном измеряемого давления, условиями эксплуатации и требуемой точностью измерений.

В настоящее время номенклатура жидкостных средств измерений давления с гидростатическим уравновешиванием существенно ограничена. В большинстве случаев они заменены более совершенными деформационными средствами измерений.

К числу жидкостных средств измерений давления (разности давлений и разряжения) с гидростатическим уравновешиванием, ещё применяются на технологических потоках, относятся поплавковые и колокольные дифманометры. Принцип действия поплавковых дифманометров основан на уравновешивании измеряемого перепада давления гидростатическим давлением, создаваемым столбом рабочей жидкости, заполняющей дифманометр. Поплавковый дифманометр представляет собой два сообщающихся сосуда. Площадь одного сосуда значительно больше другого. Внутренняя полость сообщающихся сосудов заполняется рабочей жидкостью (ртутью или трансформаторным маслом) до нулевой отметки. О значение измеряемой разности давлений судят по отсчетному устройству, указатель которого механически связан с поплавком, расположенным в полости широкого сосуда.

Поплавковые дифманометры рассчитаны на номинальные перепады давления, верхние пределы которых ограничены значениями от 6,3 кПа до 0,10 кПа. Такие дифманометры используются при статических давлениях измеряемой среды не более 25 МПа. Класс точности 1,0 и 1,5.

Поплавковые дифманометры рассчитаны на номинальные перепады давления, верхние пределы которых ограничены значениями от 6,3 кПа до 0,10 кПа. Такие дифманометры используются при статических давлениях измеряемой среды не более 25 МПа. Класс точности 1,0 и 1,5.

Колокольные дифманометры этого типа представляю собой колокол, погруженный в рабочую жидкость и перемещающийся под влиянием разности давлений. Противодействующая сила создается за счет утяжеления колокола при его подъеме и уменьшении тяжести колокола при его погружении. Достигается это за счет изменения гидростатической подъемной силы, действующей на колокол согласно закона Архимеда.

Колокольные дифманометры с гидростатическим уравновешиванием обладают высокой чувствительностью и использовались для измерения малых давлений, перепадов давлений и разряжений.

Деформационные средства измерений давления.

Высокая точность, простота конструкции, надежность и низкая стоимость являются основными факторами, обуславливающими широкое распространение деформационных приборов для измерения давления в промышленности. Эти приборы предназначены для измерения избыточного давления и разряжения неагрессивных жидких и газообразных сред.

Принцип действия деформационных средств измерений давления основан на использовании упругой деформации чувствительного элемента или развиваемой им силы. Мерой измеряемого давления в средствах измерений данного типа является деформация упругого элемента или развиваемая им сила. Наибольшее распространение в практике измерений получили три основные формы чувствительных элементов: трубчатые пружины, сильфоны и мембраны.

Трубчатая пружина (пружина Бурдона) — упругая криволинейная металлическая полая трубка, один из концов которой имеет возможность перемещаться, а другой — жестко закреплен. Трубчатые пружины используются в основном для преобразования измеряемого давления, поданного во внутреннее пространство пружины, в пропорциональное перемещение ее свободного конца. Наиболее распространена одновитковая трубчатая пружина, представляющая собой изогнутую по дуге окружности трубку с обычно овальным поперечным сечением. Под влиянием поданного избыточного давления трубка раскручивается, а под действием разряжения скручивается. Для передачи перемещения свободного конца деформационного чувствительного элемента к указателю манометра используют секторные и рычажные передаточные механизмы. С помощью передаточного механизма перемещение свободного конца трубчатой пружины в несколько градусов или миллиметров преобразуется в угловое перемещение стрелки на 270 — 300 г.

Манометры имеют разные шкалы в зависимости от контролируемого параметра и градуируются в кгс/ cм2. Рабочая зона манометра находится на средине шкалы и должна быть не более 2/3 от шкалы. Для отсчета показаний во многих приборах имеются отсчетные приспособления (чаще всего шкала или указатель). Шкала — это совокупность отметок, расположенных вдоль какой — либо линии или по окружности (манометры), которые изображают ряд последовательных чисел, соответствующих значениям измеряемой среды. Значение измеряемой величины, соответствующее одному делению, называют ценой деления шкалы. Указатель шкалы представляет собой в большинстве случаев стрелку, позволяющую отсчитывать по шкале значение измеряемой величины. На шкале обычно указывают класс точности прибора.

Сильфон — тонкостенная цилиндрическая оболочка с поперечными гофрами способная получать значительные перемещения под действием давления или силы. При действии осевой нагрузки, внешнего или внутреннего давления длина сильфона изменяется, увеличиваясь или уменьшаясь в зависимости от направления приложенной силы. В значительных пределах деформация сильфона пропорциональна действующей силе, т. е. характеристика сильфона прямолинейна. В пределах линейности статической характеристики сильфона отношение действующей на него силы к вызванной ею деформации остается постоянным и называется жёсткостью сильфона. Для увеличения жесткости внутри сильфона часто помещают пружину. Сильфоны изготовляют из бронзы различных марок, углеродистой стали, нержавеющей стали, алюминиевых сплавов и др. Серийно производят бесшовные и сварные сильфоны диаметром от 8 — 10 до 80 — 100 мм и толщиной стенки 0,1 — 0,3мм.

Приборы этого типа предназначены для измерения избыточного давления, разряжения и разности давлений.

Мембраны бывают упругие и эластичные. Упругая мембрана — гибкая круглая плоская (плоская мембрана) или гофрированная (гофрированная мембрана) пластина, способная получить прогиб под действием давления. Статическая характеристика плоских мембран изменяется нелинейно с увеличением давления, поэтому здесь в качестве рабочего участка используют небольшую часть возможного хода. Гофрированные мембраны могут применяться при больших прогибах, чем плоские, так как имеют значительно меньшую нелинейность характеристики. Мембраны изготавливают, из различных марок стали, бронзы, латуни и т. д. Эластичная мембрана, предназначена для измерения малых давлений и разности давлений, представляет собой зажатые между фланцами плоские или гофрированные диски, выполненные из прорезиненной ткани, тефлона и др.

Измерительные приборы с чувствительным мембранным элементом предназначены для измерения атмосферного и избыточного давлений и разряжения. Из-за малости усилий, развиваемых чувствительным деформационным элементом, мембранные приборы выпускаются в основном показывающими. Принцип действия приборов состоит в преобразовании измеряемого давления или разряжения в перемещение жесткого центра чувствительного мембранного элемента, которое с помощью передаточного механизма преобразуется во вращательное движение указателя.

Грузопоршневые манометры.

Грузопоршневые манометры — в основном применяются в качестве эталонных и образцовых приборов для градуировки и поверки различных видов пружинных манометров, так как они отличаются от манометров других видов высокой точностью и широким диапазоном измерений.

Принцип действия состоит в уравновешивании давления, действующего на поршень с одной стороны, давлением грузов с другой стороны.

Электрические средства измерений давления.

К электрическим средствам измерения давления относятся выпускаемые в настоящее время измерительные преобразователи давления, основанные на методе прямого преобразования, различаются как видом деформационного чувствительного элемента, так и способом преобразования его перемещения или развиваемого им усилия в сигнал измерительной информации. Для преобразований применяются индуктивные, дифференциально- трансформаторные, емкостные, тензорезисторные и др. преобразовательные элементы. Преобразование усилия, развиваемого чувствительным элементом, в сигнал измерительной информации осуществляется пьезоэлектрическими элементами.

Индуктивные преобразователи давления — мембрана воспринимающая давление, является подвижным якорем электромагнита. Под действием измеряемого давления мембрана перемещается, что вызывает изменение электрического сопротивления индуктивного преобразовательного элемента.

Эта величина измеряется обычно мостами переменного тока или резонансными контурами. с последующим отображением на шкале прибора.

Дифференциально — трансформаторный преобразователь — содержит деформационный чувствительный элемент и деформационно — трансформаторный преобразователь. Дифференциально — трансформаторный преобразователь содержит каркас из диэлектрика, на котором размещены катушка с первичной обмоткой, состоящей из двух секций и двух секций вторичной обмотки. Внутри канала катушки расположен подвижный сердечник из магнитомягкого материала, связанный с пружиной тягой. К выходу вторичной обмотки подключен делитель, состоящий из регулируемого и постоянного резисторов. Принцип действия основан на возникновении магнитного потока, пронизывающего обе секции вторичной обмотки и индуцирующие в них ЭДС, при протекании по первичной обмотке токового сигнала. Выходной сигнал определяется взаимной индуктивностью между первичной обмоткой и выходной цепью и может быть представлен в виде сигнала напряжения переменного тока. Преобразование измеряемого давления осуществляется путем преобразования давления в деформацию (перемещение) чувствительного элемента и последующего преобразования в электрический сигнал, приходящий на показывающий прибор в операторной.

Емкостной преобразователь — измерение давления основано на зависимости емкости преобразовательного элемента от перемещения мембраны под действием измеряемого давления. Преобразователь состоит из металлической мембраны, являющейся подвижным электродом емкостного преобразовательного элемента и неподвижного электрода изолированного от корпуса с помощью кварцевых изоляторов.

Тензорезисторные преобразователи — это приборы оснащенные преобразовательными элементами тензорезисторного типа и получили название тензорезисторных измерительных преобразователей давления. Преобразователи давления этого вида представляют собой чувствительный деформационный элемент, чаше всего мембрану, на которую наклеиваются или напыляются тензорезисторы (тензодатчик). В основе принципа лежит явление тензоэффекта, суть которого состоит в изменении сопротивления проводников и полупроводников при их деформации. Под воздействием измеряемого давления деформируемый упругий элемент вызывает пропорциональное изменение электрического сопротивления тензорезисторов, собранных по мостовой схеме, которое в дальнейшем преобразуется и усиливается для формирования унифицированного аналогового выходного сигнала (4 – 20 мА).

Системы измерения давления сред на современных автоматизированных производствах используют в качестве первичных преобразователей измерительные преобразователи (датчики) давления с выходными электрическими токовыми сигналами.

Эти датчики по сравнению с показывающими манометрами имеют значительно более высокий класс точности, более трудоемки в наладке, при проверке требуют применения образцовых высокоточных средств измерения на входе и выходе.

На рисунке представлена схема электрического соединения оборудования КИП, обеспечивающего контроль давления на технологической установке.

Преобразователь давления устанавливается во взрывоопасном помещении или в специальном шкафу на территории технологической установки. Они как правило, не имеют шкалы, позволяющей непосредственно оценить давление, а преобразуют его в электрический сигнал. Измеряемое давление воздействующее на тензодатчик, преобразуется электронным блоком в токовый сигнал, который передается по искробезопасной двухпроводной линии передачи к терминальному оборудованию и блоку питания, находящимся во невзрывоопасном (операторная или машинный зал) помещении.

Блок питания обеспечивает по той же линии питание первичного преобразователя (датчика давления) и терминального оборудования.

Источник