Средства измерения давления и вакуума

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Общие сведения

2. Приборы с одновитковой трубчатой пружиной

3. Самопишущие деформационные (мембранные) напоромеры и тягомеры

4. Грузопоршневые электрические манометры и вакуумметры

Заключение

Список литературы

Введение

Современная измерительная аппаратура предназначается не только для воздействия на органы чувств человека, как, например, в случае сигнализации или отсчёта результатов измерения наблюдателем, но всё чаще для автоматической регистрации и математической обработки результатов измерения и передачи их на расстояние или для автоматического управления какими-либо процессами.

В современном мире измерения давления и вакуума играют большую и важную роль. Промышленная революция в значительной степени была вызвана давлением, полученным в результате преобразования воды в пар и именно с тех самых пор возникла необходимость измерять давление в более широких диапазонах и с большей точностью. Кроме того, этот параметр используется при косвенных измерениях других технологических параметров: уровня, расхода, температуры, плотности и т. д. В системе СИ за единицу давления принят паскаль (Па).

Именно о средствах измерения давления и вакуума пойдет речь в данной работе.

измерение давление вакуум

1. Общие понятия

Вакуум -- пространство, свободное от вещества. В технике и прикладной физике под вакуумом понимают среду, содержащую газ при давлениях значительно ниже атмосферного. Он не измеряется в специальных единицах, и мы не говорим, что «вакуум равен силе на единицу площади».

Давление -- физическая величина, равная силе F, действующей на единицу площади поверхности S перпендикулярно этой поверхности. В данной точке давление определяется как отношение нормальной составляющей силы, действующей на малый элемент поверхности, к его площади.

В общем смысле давление является результатом столкновений молекул газа или жидкости с их окружением - обычно стенками содержащего сосуда. Его величина зависит от силы ударов на определенную площадь. Соотношение между давлением (р ), силой (F), и площадью (S) выражается формулой: р = F/ S.

Вообще говоря, если сила, действующая на стенки сосуда, имеет достаточную величину для того, чтобы ее можно было непосредственно измерить, то мы имеем дело с технологией измерения давления. Но если сила слишком мала для непосредственного измерения и должна быть определена посредством дополнительных средств, значит, мы имеем дело с вакуумными технологиями.

За единицу давления в СИ принят 1 Па=1 Н/м2. Откуда, 1мм рт. ст. = 133,32 Па; 1кг/м = 1мм вод. ст.= 9,81 Па.

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.

2. Приборы с одновитковой трубчатой пружиной

Пружинные манометры, вакуумметры, мановакуумметры, тягомеры, напоромеры, дифференциальные манометры и барометры составляют обширную группу приборов для технических измерений.

Действие этих приборов основано на измерении величины деформации различного вида упругих элементов. Деформация упругого чувствительного элемента преобразуется передаточными механизмами того или иного вида в угловое или линейное перемещение указателя по шкале прибора.

Преимущества пружинных приборов - простота устройства, надежность в эксплуатации, универсальность, портативность и большой диапазон измеряемых величин. Пружинные приборы изготовляются различных классов точности: от 0,5 до 4.

По виду упругого чувствительного элемента пружинные приборы делятся на следующие группы:

1) приборы с трубчатой пружиной;

2) мембранные приборы, упругим элементом является мембрана мембранные приборы, упругим элементом является мембрана, анероидная или мембранная коробка, блок анероидных или мембранных коробок;

3) пружинно-мембранные с гибкой мембраной и пружинно-сильфонные;

4) приборы с упругой гармониковой мембраной (сильфоном).

Рассмотрим более подробно приборы с трубчатой пружиной.

Наиболее широко применяются приборы (манометры, вакуумметры, мановакуумметры и дифманометры) с одновитковой трубчатой пружиной, изогнутой в виде дуги окружности, с центральным углом 180-270°.

Рисунок 1. Приборы с одновитковой трубчатой пружиной

а - схема трубчатой пружины (1 - трубка, 2 - держатель); б - эллиптическое поперечное сечение; в - плоскоовальное поперечное сечение.

По назначению приборы с одновитковой трубчатой пружиной делятся на рабочие, контрольные и образцовые.

Пределы измерения, классы точности, допустимая температурная погрешность и некоторые другие параметры на отдельные виды приборов устанавливаются стандартами. Основной деталью прибора с одновитковой трубчатой пружиной является согнутая по дуге окружности трубка эллиптического или плоскоовального сечения (рис.1). Одним концом трубка заделана в держатель, оканчивающийся ниппелем с резьбой для присоединения к полости, в которой измеряется давление. Внутри держателя имеется канал, который соединяется с внутренней полостью трубки.

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 она скручивается.

Один конец трубки закреплен, поэтому при изменении кривизны трубки ее свободный конец перемещается по траектории, близкой к прямой. Свободный конец трубки воздействует на передаточный механизм, который поворачивает стрелку показывающего прибора или перемещает сердечник индукционного телепередаточного датчика.

Свойство изогнутой трубки некруглого сечения изменять величину изгиба при изменении давления в ее полости является следствием изменения формы сечения.

Под действием давления внутри трубки эллиптическое или плоскоовальное сечение, деформируясь, приближается к круговому сечению (малая ось эллипса или овала увеличивается, а большая уменьшается).

Устройство вакуумметра и мановакуумметра с одновитковой трубчатой пружиной ничем не отличается от устройства манометра.

Рабочие приборы с круговой шкалой изготовляются показывающими, без дополнительных устройств, а также с контактным устройством, электрическим или пневматическим датчиком для телепередачи.

Показывающие приборы применяются чаще всего в качестве местных приборов. Электроконтактные манометры применяются для сигнализации о достижении минимального или максимального рабочего давления или для двухпозиционного регулирования.

Электроконтактный манометр по принципу действия аналогичен указывающему манометру с одновитковой трубчатой пружиной. Для сигнализации служит контактный механизм, электрическая схема которого аналогична применяемой в манометрических термометрах.

Контактный манометр может работать только при плавном (без пульсации) изменении давления.

3. Самопишущие деформационные (мембранные) напоромеры и тягомеры

Приборы с чувствительным элементом в виде гофрированных мембран, мембранных коробок и мембранных блоков применяются для измерения небольших избыточных давлений и разрежений (манометры, напоромеры и тягомеры), а также перепадов давления (дифманометры-расходомеры).

Величина прогиба мембраны является функцией давления, действующего на нее. Зависимость прогиба от давления в общем случае нелинейна.

Число, форма и размеры гофра различны в зависимости от назначения, предела измерения и других факторов. Гофрировка мембраны увеличивает ее жесткость, т.е. уменьшает прогиб при одинаковом давлении.

Величина прогиба мембраны является сложной функцией давления, ее геометрических параметров (диаметра, толщины, числа гофров, их формы), а также модуля упругости материала мембраны.

Ввиду сложности расчета в большинстве случаев характеристика мембраны подбирается опытным путем.

Для увеличения прогиба в приборах для малых давлений (разрежение) мембраны попарно соединяют (сваркой или пайкой) в мембранные коробки, а коробки - в мембранные блоки. Мембранные коробки могут быть анероидными и манометрическими. Анероидные коробки, применяющиеся в барометрах и барографах, герметизированы и заполнены воздухом или каким-либо газом при очень малом давлении, обычно около 1,33 Па. Деформация анероидной коробки происходит под действием разности давления окружающей ее среды и давления в полости коробки. Так как давление в полости коробки очень мало, то можно считать, что ее деформация определяется атмосферным давлением. Деформация анероидной или манометрической коробки равна сумме деформаций составляющих ее мембран.

Для измерения небольших давлений и разрежений до 15680 Па применяют мембранные тяго- и напоромеры. В этих приборах упругим элементом является коробка из двух гофрированных мембран. Внутренняя полость коробки соединяется с полостью, в которой измеряется давление или разрежение.

Выпускаются несколько типов мембранных тяго- и напоромеров: с концентрической шкалой, с горизонтально-профильной шкалой и с вертикально-профильной шкалой. Каждый из этих типов изготовляется в трех модификациях: напоромеры, тягомеры и тягонапоромеры с нулем посредине шкалы для измерения давлений и разрежений. Все эти виды приборов имеют принципиально одинаковые устройства и отличаются один от другого лишь элементами передаточного механизма и формой корпуса. На рисунке 2 показано устройство тягомера с горизонтально-профильной шкалой.

Трубка 14 соединяет полость мембранной коробки 1 с полостью, в которой измеряется давление. При повышении давления в коробке центр верхней мембраны перемещается вверх; через систему рычагов и тяг это движение передается на вертикальную ось 6, укрепленную в опоре 7. На вертикальной оси закреплена стрелка 8.Перемещение центра мембранной коробки не пропорционально давлению. Для линеаризации характеристики коробки применяется устройство, состоящее из плоской пружины 9, нагружающей мембранную коробку, и кронштейна 10 с установочными винтами 11.

При изгибе пружина 9 опирается на установочные винты 11, вследствие чего изменяется ее рабочая длина, а следовательно, и жесткость. Регулируя при градуировке прибора положение установочных винтов, можно добиться линейной характеристики упругой системы, т.е. равномерности шкалы прибора.

Стрелка на ноль устанавливается при помощи винта 12. Вращая винт 12 в ту или другую сторону, поднимают или опускают рычаг 13, прижимаемый к коническому концу винта пружиной 15. Рычаг 13 перемещает передаточный рычажный механизм прибора, передвигая стрелку прибора вправо или влево до совмещения ее с нулем шкалы.

Рисунок 2. Мембранный тягомер с профильной шкалой

Основная допустимая погрешность прибора ±2% от верхнего предела шкалы.

4. Грузопоршневые электрические манометры и вакуумметры

Грузопоршневые манометры применяются как устройства для поверки механических контрольных и образцовых манометров среднего и высокого давления. Давление в них определяется по калиброванным грузам, помещаемым на поршне. В качестве рабочей жидкости применяют керосин, трансформаторное или касторовое масло. Класс точности грузопоршневых манометров 0,05 и 0,02%.

Принцип работы грузопоршневого манометра основан на удержании цилиндра в поршне в определенном положении, когда с разных сторон на этот поршень воздействуют измеряемое давление и калиброванные грузы. По массе данных грузов судят о величине измеряемого давления.

Если принять площадь поперечного сечения - торца поршня как S, а масса груза, действующего на этот поршень, как G, то измеряемое давление р может быть определено по следующей формуле: р =G/S

Основным рабочим элементом грузопоршневого манометра является измерительная колонка (рис.3). От качества ее изготовления, точности и чистоты соприкасающихся поверхностей зависит погрешность измерения. Зазор пары поршень-цилиндр не должен превышать 3…5 Ч 10-6 м.

Главная рабочая пара измерительной колонки - калиброванный поршень 1 с притертым цилиндром 2. Точность подгонки проходного отверстия цилиндра к калиброванному диаметру поршня обеспечивает соответствующий класс измерений всего прибора. Грузоприемная тарелка 3, являющаяся неотъемлемой частью поршня, и цилиндр имеют собственные номера, обеспечивающие учет и исключающие замену в процессе поверки и обслуживания прибора.

Калиброванный цилиндр размещается в корпусе 4. Герметичность такой установки достигается с помощью резинового кольца 5 и уплотнения цилиндра прижимной гайкой 6. Поршень имеет в цилиндре и соответственно в корпусе свободный вертикальный ход, который ограничивается упором 7, выполненным в виде винта в прижимной гайке.

При работе измерительной колонки возможно просачивание рабочей жидкости между поршнем и цилиндром. Излишки этой жидкости через отверстие 8 удаляются в маслосборник 9, установленный с помощью резьбы на корпусе 4 и уплотненный кольцом 10.

Рисунок 3. Измерительная колонка

Измерительная колонка работает следующим образом. Измеряемая среда поступает снизу и давление воздействует на поршень, вызывая его подъем - вертикальное перемещение вверх. Для уравновешивания его и возврата в начальное положение на тарелку накладывают калиброванные грузы. Обязательным является положение поршня, в котором специальная кольцевая метка, нанесенная на верхней его части, находится на одной плоскости с верхней образующей прижимной гайки. При этом для уменьшения трения между поршнем и цилиндром поршню придают, обычно по часовой стрелке, вращательное движение. Цель такого вращения - исключение сухого трения, снижающего точность измерения, а во многих случаях приводящего к невозможности дальнейшего использования прибора. Сухое трение устраняется рабочей жидкостью, проникающей в зазор между цилиндром и поршнем при вращении тарелки.

Круговое вращение поршня-тарелки может осуществляться как вручную, так и автоматически с помощью специального устройства. Рекомендуемая скорость вращения поршня-тарелки - 30…120 об/мин.

Рабочая жидкость заливается в масляный бачок 1 и ручным скальчатым насосом 2 закачивается в гидросистему прибора. Ручной насос с помощью обратных шариковых клапанов 3 забирает рабочую жидкость из масляного бачка и закачивает ее в гидросистему. При достижении определенного давления в системе прибора перекрывается запорный вентиль подвода 4. При этом вентиль слива 5 находится в закрытом состоянии и открывается при необходимости снижения давления. В состоянии, когда в системе создано давление, открывается вентиль 6 измерительной колонки 7, что обеспечивает ее ввод в работу. С помощью зажимов 8 и 9 подключаются поверяемые манометры и открываются вентили 10 и 11. Таким образом, измерительная колонка и поверяемые манометры, устанавливаемые в зажимах, находятся под одинаковым давлением. Измерительная колонка 7 отслеживает с высокой точностью давление, создаваемое в гидросистеме прибора, и индуцирует его в нормированных грузах. По массе грузов определяется задаваемое давление, по которому определяют погрешность поверяемых манометров. Пресс 12 обеспечивает «тонкую» регулировку давления в системе грузопоршневого манометра.

Рисунок 4. Принципиальная схема грузопоршневого манометра

Порядок запуска в работу грузопоршневого манометра следующий. На основании прибора монтируется измерительная колонка со снятым поршнем. В масляный бочок при открытом вентиле подвода заливается рабочая жидкость (трансформаторное масло и др.), которая ручным скальчатым насосом закачивается в систему. Индикатором заполнения системы и исключения нахождения в ней воздуха служит переток масла из цилиндра измерительной головки в маслосборную чашку. После этого устанавливается поршень измерительной колонки. Открываются вентили поверяемых манометров. Вытеснение воздуха из участка зажимов достигается вращением маховика пресса до появления рабочей жидкости в зажимах. (Воздушные пузырьки должны отсутствовать.) Проверка функционирования грузопоршневого манометра достигается вращением тарелки с поршнем измерительной колонки. Поршень с тарелкой должны свободно вращаться и иметь свободный ход вдоль оси цилиндра.

В грузопоршневых манометрах с рабочим давлением выше 250 МПа для исключения деформации поршня под воздействием больших грузов применяется мультипликатор, схема которого показана на рис. 5.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 5. Схема мультипликатора.

В корпусе 1 установлен трансформирующий поршень 2. Измеряемое максимальное давление р1 воздействует на торец с малой площадью S1 поршня 2. Создаваемое давлением р1 усилие через площадь S1передается на другой торец этого поршня с большей площадью S2. Усилие, развиваемое этим торцом, приводит к появлению по другую сторону поршня давления р2.

Класс точности грузопоршневого манометра с мультипликатором в зависимости от качества изготовления может составлять 0,2…0,05.

При отсутствии избыточного давления в резервуаре и грузов на грузоприемной тарелке поддержание поршня, отсчитываемое оптическим комплексом, в нулевом положении обеспечивается поддержанием соответствующего уровня в цилиндрическом вертикальном резервуаре сильфонным прессом. Если после установления равновесия к выходу 14 через вентиль 15 подвести среду измеряемого избыточного давления, то для приведения поршня измерительной колонки в первоначальное положение на грузоприемной тарелке необходимо разместить определенное количество грузов. Количество установленных нормированных грузов свидетельствует о значении измеряемого давления.

Отличительной особенностью грузопоршневого мановакуумметра является система двух взаимно уравновешиваемых поршней (рис.6). Дифференциальная измерительная колонка 1 состоит из двух рабочих камер, в которые подводится измеряемая среда. Поршень в такой колонке имеет два торца воздействия давления: первый - традиционный торец цилиндра, второй - торец кольца, меньший диаметр которого равен большему диаметру первого торца.

При отсутствии давления в системе, когда объем разделительного сосуда 8 через клапан воздушной среды 9 сообщается с атмосферой, масса грузоприемных тарелок измерительных колонок 1 и 7 подогнана таким образом, что уровневые метки на их поршнях располагаются в одной горизонтальной плоскости. При этом рабочая жидкость - трансформаторное масло через воронку 10 заполняет гидросистему грузопоршневого мановакуумметра до оптимального уровня, который расположен между рисками уровнемерного стекла 11 разделительного сосуда 8. Уровень масла устанавливается с помощью соответствующего манипулирования запорными клапанами 12, 13 и 14 и регулируется сильфонным прессом 15. Воздушный пресс 16 через запорные клапаны 17, 18 и 19 устанавливает давление воздуха, подаваемого к зажимам поверяемых манометров 20 и 21.

Рисунок 6. Схема грузопоршневого мановакуумметра

В схеме работы грузопоршневого мановакуумметра как измерителя контролируемое давление через клапан воздушной среды подается в верхнюю часть разделительного сосуда. Если это давление избыточное, то поршень дифференциальной колонки поднимается, а поршень моноколонки опускается. Для восстановления равновесия, возвращения поршней в исходное положение на тарелке 6 дифколонки размещают грузы.

При появлении в разделительном сосуде вакуумметрического давления поршень дифколонки опускается, а поршень моноколонки поднимается. Соответственно для возвращения поршней в исходное положение загружается тарелка моноколонки, по массе грузов на которой рассчитывается значение измеряемого вакуумметрического давления.

К самопишущим 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.

На рисунке 7 представлена схема электрического соединения оборудования КИП, обеспечивающего контроль давления на технологической установке.

Рисунок 7. Схема электрического измерения давления

Преобразователь давления устанавливается в помещении или в специальном шкафу на территории технологической установки. Он как правило, не имеет шкалы, позволяющей непосредственно оценить давление, а преобразует его в электрический сигнал. Измеряемое давление воздействующее на тензодатчик, преобразуется электронным блоком в токовый сигнал, который передается по двухпроводной линии передачи к терминальному оборудованию, в которое входит контроллер выводящий значение на монитор оператора, и блоку питания, который обеспечивает питание первичного преобразователя (датчика давления) и терминального оборудования.

Заключение

В современном мире измерения давления и вакуума играют большую и важную роль. Для целей автоматизации экспериментальных исследований давления и вакуума промышленностью выпускаются соответствующие измерительные средства и устройства на базе унифицированных электрических преобразователей давления и упругих чувствительных элементов. Основные средства измерения указанных физических величин были рассмотрены в данной работе. Именно их применение лежит в основе разработки новых усовершенствованных автоматизированных систем измерений.

Список литературы

1. Марусина М.Я. и др. Основы метрологии, стандартизации и сертификации: Учебное пособие -- СПб.: СПбГУ ИТМО, 2009 - 210с.

2. Назаров Н.Г. Метрология. Основные понятия и математические модели: Учебное пособие для вузов/ Назаров Н.Г.-М.: Высш. шк., 2002-348с.

3. Пронкин Н.С. Основы метрологии. Практикум по метрологии и измерениям / Пронкин Н.С.- М.: Логос; Университетская книга, 2007 - 395 с.

4. Измерение давления [Электронный ресурс] -- Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/Измерение_давления

Размещено на Allbest.ru