Давление газа каким прибором измеряется избыточное давление и разрежение

Согласно молекулярно-кинетической теории под давлением понимают силу, с которой молекулы вещества воздействуют на единицу ограничивающей поверхности.

Различают давление абсолютное, атмосферное, избыточное и вакуумметрическое.

Абсолютное давление — это давление внутри системы (под которым находится газ), отсчитываемое от абсолютного нуля.

Атмосферное давление — давление в газообразной оболочке (воздухе) земного шара (Земли). Измеряется силой, равной давлению атмосферного воздуха на единицу площади поверхности, находящейся на нем (земном шаре — Земле).

Атмосферное давление создается массой воздушного слоя земной атмосферы и имеет переменную величину, зависящую от высоты местности над уровнем моря, географической широты и метеорологических условий.

Избыточное давление создается разностью между абсолютным и атмосферным давлением:

Вакуумметрическое давление. Под вакуумом (разрежением) понимают такое состояние (разреженное) газа, при котором его давление меньше атмосферного. Вакуумметрическое давление определяется разностью между атмосферным и абсолютным давлением внутри системы:

За единицу давления в Международной системе единиц СИ принято давление, называемое паскалем (Па). Паскаль связан с широко применяющимися единицами следующими соотношениями:

Для измерения средних и высоких давлений применяются кратные единицы: килопаскаль (кПа), мегапаскаль (МПа).

При измерении давления в движущихся средах под понятием «давление» понимают статическое и динамическое давление.

Статическое давление — это давление, зависящее от запаса потенциальной энергии газовой среды, определяется статическим напором. Давление может быть избыточным и вакуумметри- ческим.

Динамическое давление — это давление, вызванное скоростью движения потока газа. Определяется давление через скоростной (динамический) напор по следующей формуле:

где Ра — динамическое давление;

р — плотность движущегося газа; v — скорость движущегося газа.

Полное давление движущегося газа слагается из статического и динамического давлений.

Методы измерения давления основаны на сравнении сил измеряемого давления с силами:

• • давления столба жидкости (ртути, воды) соответствующей высоты;
• • развиваемыми при деформации упругих элементов (пружин, мембран, манометрических и анероидных коробок, сильфонов и манометрических трубок);
• • тяжести грузов;
• • упругими силами, возникающими при деформации некоторых материалов и вызывающими электрические эффекты.

Средства измерения давления подразделяются на барометры (для

измерения атмосферного давления), манометры (для измерения избыточного давления), вакуумметры (для измерения вакуумметри- ческого давления), мановакуумметры (для измерения избыточного и вакуумметрического давления), манометры абсолютного давления (для измерения давления, отсчитываемого от абсолютного нуля), дифференциальные манометры (для измерения разности — перепада давления).

Средства измерения давления разделяют на жидкостные, деформационные, грузопоршневые и электрические.

Действие жидкостных манометров основано на гидростатическом принципе, при котором измеряемое давление уравновешивается давлением столба затворной жидкости. Разница уровней в зависимости от плотности жидкости является мерой давления.

Простейшим прибором для измерения давления или разности давлений является двухтрубный манометр (рис. 2.14, а), представляющий собой согнутую стеклянную трубку, заполненную рабочей жидкостью (ртутью или водой) и прикрепленную к панели со шкалой.

Рис. 2.14. Жидкостные манометры: а — Ообразный; б — чашечный; в — микроманометр;

Р — измеряемое давление; h — разность уровней жидкости; ф — изменение уровня жидкости в трубке; h2 — изменение уровня жидкости в сосуде

Один конец трубки соединен с атмосферой, другой подключается к объекту, где изменяется давление. Значение давления определяется из выражения:

где Р — измеряемое давление, Па;

h — разность уровней жидкости, м; р — плотность жидкости, кг/м3; g — ускорение силы тяжести, м/с2.

На рис. 2.14, б показан однотрубный (чашечный) манометр, в котором одна из трубок заменена сосудом, диаметр которого в 20 раз больше диаметра трубки. Принцип действия манометра аналогичен рассмотренному выше, однако давление или разрежение будет определятся по формуле:

где d, D — диаметры трубки и широкого сосуда соответственно, м;

/, F — площадь сечения трубки и широкого сосуда соответственно, м2.

Так как соотношение диаметров или сечений трубки и сосуда значительно, понижением уровня h2 при изменении давления можно пренебречь и отсчет вести только по стеклянной трубке hv

На рис. 2.14, в показан однотрубный микроманометр, который применяется для измерения малых величин давления (до 2 кПа). В этом манометре стеклянная трубка расположена под углом а к горизонту, и при этом точность измерения увеличивается в несколько раз.

Учитывая, что hx = / sin а и пренебрегая малостью величины f/F, измеряемое давление можно определить из выражения:

Деформационные средства измерения давления основаны на уравновешивании силы, создаваемой давлением контролируемой среды на чувствительный элемент, силами упругих деформаций различного рода упругих элементов. Эта деформация в виде линейных или угловых перемещений передается регистрирующему устройству или преобразуется в электрический сигнал для дистанционной передачи.

В качестве чувствительных элементов используют одновитковые трубчатые пружины (рис. 2.15, а), многовитковые трубчатые пружины (рис. 2.15, б), упругие мембраны (рис. 2.15, в), упругие мембранные коробки (рис. 2.15 г, д), двойные упругие мембранные коробки (рис. 2.15, е, ж), пружинно-мембранные с гибкой мембраной (рис. 2.15, з), сильфонные (рис. 2.15, и) и пружинно-сильфонные (рис. 2.15, к).

На рис. 2.16 показана конструкция мембранного вакуумметра. Чувствительным элементом служит мембранная коробка 6, соединенная с измеряемой средой трубкой 12. Мембрана прикреплена к корпусу с помощью штуцера 13. Изменение давления измеряемой среды вызывает изменение прогиба мембранной коробки 6. При этом поводок 9, приклеенный к верхней части мембранной коробки 6, поворачивает рычаг 7, установленный на оси 8. Для увеличения жесткости упругой системы ось 8 закреплена на плоской пружине 10. Поворот рычага 7 вызывает перемещение тяги 14 и рычага 1, установленного на оси 4. На этой же оси с помощью стопорного винта 2 закреплена указательная стрелка 5 с противовесом 3. Конец указательной стрелки 5 перемещается вдоль горизонтальной шкалы. Спиральная пружина 15 служит для устранения влияния зазоров в сочленениях рычажного механизма. Для установки стрелки на начальную отметку шкалы служит винт 11 корректора нулевого положения.

На рис. 2.17 показана конструкция сильфонного самопишущего манометра. Газ измеряемого давления через штуцер 7 подается в

Рис. 2.15. Деформационные чувствительные элементы средств измерения давления: а — одновитковые трубчатые пружины; б — многовитковые трубчатые пружины; в — упругие мембраны; г, д — упругие мембранные коробки; е, ж — двойные упругие мембранные коробки; з — пружинно-мембранные с гибкой мембраной; и — сильфонные; к — пружинно-сильфонные

Рис. 2.16. Конструкция мембранного вакуумметра с профильной шкалой: 7 и 7 — рычаг; 2 — стопорный винт; 3 — противовес;

• 4 и 8 — ось; 5 — указательная стрелка; 6 — мембранная коробка;
• 9 — поводок; 10 — плоская пружина; 11 — винт корректора нуля;
• 72 -трубка; 73 -штуцер; 74 -тяга; 75 — спиральная пружина

Рис. 2.17. Конструкция сильфонного самопишущего манометра: 7, 2 и 9 — рычаги; 3 — штифт; 4 — сильфон;

5 — пружина; 6 — камера; 7 — штуцер; 8 — стрелка; 10 — тяга камеру 6, где размещается сильфон 4. Внутренняя область сильфона 4 сообщается с атмосферой. Внутри сильфона 4 установлена пружина 5, противодействующая его сжатию. В донышко сильфона 4 упирается штифт 3, соединенный с рычагом 2, передающим перемещение от сильфона 4 рычагу 1. Этот рычаг 1 тягой 10 соединен с рычагом 9, передающим перемещение стрелке 8 с укрепленным на ней пером. След движения стрелки с пером записывается на диаграмме.

На рис. 2.18 представлено устройство пружинного манометра. Манометр состоит из корпуса 1 и полой трубки 2. Трубка выполнена в форме согнутой по кругу с поперечным овальным сечением, с одной стороны свободна и закрыта, а с другой — впаяна в держатель, который присоединен к источнику измеряемого давления при помощи штуцера 8. Закрытый конец трубки поводком 7 соединен с зубчатым сектором 6, который зацеплен с шестерней 5, установленной на одной оси с показывающей стрелкой 4. Под действием избыточного давления трубка 2 разгибается, ее свободный конец перемещается и тянет поводок 7, который поворачивает связанный с ним зубчатый сектор 6. Зубчатый сектор вращает шестерню 5 и стрелку 4, указывающую по шкале 3 измеряемое давление. Для устранения мертвого хода между зубьями сектора и шестерни установлена спиральная пружина 9.

Существуют дистанционные манометры, в которых сигнал деформации упругого элемента (мембраны, сильфона, пружинной трубки) используется для перемещения элемента преобразователя (электрического, индуктивного), сигнал которого регистрируется на показывающем устройстве (рис. 2.19).

На рис. 2.19, а сигнал деформации упругого элемента (мембраны) используется для перемещения потенциометра. Потенциометр образует два плеча (Rx и R2) моста, а два других плеча составлены из резисторов R3 и R4. В качестве указателя в манометре применен двухкатушечный логометр 1 с неподвижными рамками и подвижным магнитом 2.

В целях устранения контактного трения щетки о потенциометр применяются бесконтактные преобразователи: индуктивный или емкостный. В манометре с индуктивным дифференциальным преобразователем (рис. 2.19, б) якорь связан с жестким центром мембраны. Снимаемые с индуктивного преобразователя 1 сигналы переменного тока, промодулированные по амплитуде сигналом деформации, выпрямляются диодом D, и на двухкатушечный лого-

Рис. 2.18. Устройство пружинного манометра:

1 — корпус; 2 — полая трубка; 3 — шкала; 4 — стрелка; 5 — шестерня; 6 — зубчатый сектор; 7 — поводок; 8 — штуцер; 9 — пружина

Рис. 2.19. Схемы дистанционного включения деформационных средств измерения давления:

а — включение манометра с потенциометрическим преобразователем: 1 — двухкатушечный логометр; 2 — подвижный магнит; б — включение манометра с индуктивным преобразователем: 1 — индуктивный преобразователь; 2 — подвижный винт; в — включение манометра с силовой компенсацией: 1 — рычаг; 2 — преобразователь сигналов; 3 — электромагнит; 4 — усилитель; ОУ — отсчетное устройство метр с подвижным магнитом 2 указателя поступают детектированные сигналы, пропорциональные измеряемому давлению.

В схеме статического уравновешивания (рис. 2.19, в) деформация сильфона преобразуется в перемещение рычага 7, на конце которого установлен преобразователь сигналов 2. Сигналы с преобразователя после усиления в усилителе У поступают на отсчетное устройство ОУ и на катушку силового магнита 3, якорь которого связан с рычагом 7. При взаимодействии токов в катушке с магнитным полем постоянного магнита возникает сила, уравновешивающая силу, создаваемую сильфоном, и препятствующая перемещению рычага 7. При этом чем больше измеряемое давление, тем больше сила тока в катушках.

Дифференциальные манометры применяются для измерения разности давления газов и жидкостей. Манометры могут быть использованы для измерения расхода газов и жидкостей, уровня жидкости, а также для измерения малых избыточных и вакуумметрических давлений.

Наиболее широкое распространение получили мембранные и сильфонные дифференциальные манометры.

Мембранные дифференциальные манометры являются бес- шкальными измерительными приборами, предназначенными для измерения давления, преобразующими измеряемую величину в унифицированный аналоговый сигнал постоянного тока 0…5 мА, переменного тока взаимной индукции 0…10 мГн или в пневматический сигнал давлением 20… 100 кПа.

Схема мембранного дифференциального манометра типа DM с дифференциально-трансформаторным преобразователем представлена на рис. 2.20, а. Чувствительным элементом является мембранный блок, состоящий из двух мембранных коробок 7 и 3, закрепленных в корпусе 2. Мембранные коробки изготовлены из гофрированных мембран, выполненных из немагнитного хромоникелевого сплава.

Внутренние полости мембранных коробок заполнены дистиллированной водой и через отверстие в перегородке сообщаются между собой. С центром верхней мембраны связан сердечник 6 дифференциально-трансформаторного преобразователя 7. Сердечник 6 перемещается внутри разделительной трубки 8, выполненной из немагнитной стали. Давление Р, и Р2 в камеры дифференциального манометра подводится трубками через запорные клапаны, причем давление Р, больше давления Р2.

Под действием измеряемой разности давлений (Р{ — Р2) нижняя мембранная коробка 1 сжимается и жидкость из нее перетекает в верхнюю мембранную коробку 3, вызывая перемещение центра мембраны верхней коробки, а вместе с ней и сердечника 6 преобразователя до тех пор, пока усилие от приложенной к мембранному блоку разности давлений не уравновесится упругими силами мембранных коробок. Перемещение сердечника 6 приводит к изменению напряжения выходного сигнала пропорционально измеряемому перепаду давления.

На рис. 2.20, 6 показана конструкция сильфонного дифференциального манометра с магнитным преобразователем. Измерительный блок дифференциального манометра состоит из сильфона 7, в который встроена пружина 2, и жесткость пружины определяет диапазон измеряемого перепада давления. Сильфон 1 соединен с плоской пружинной подвеской 3, с которой связан магнитный сердечник 4. Магнитный сердечник 4 находится внутри раздели

Рис. 2.20. Дифференциальные манометры: а — мембранный типа ДМ: 1 и 3 — мембранная коробка; 2 — корпус;

• 4 — перегородка; 5 — соединительная трубка; 6 — сердечник;
• 7 — магнитный преобразователь; 8 — разделительная коробка; б — сильфонный: 1 — сильфон; 2 — пружина; 3 — пружинная подвеска; 4 — магнитный сердечник; 5 — разделительная трубка;
• 6 — преобразователь; 7 — транзисторный усилитель тельной трубки 5 из немагнитной стали, на которой установлен преобразователь 6 с магнитной компенсацией. Рядом с преобразователем 6 расположен транзисторный усилитель 7. Подвод давления Р1 и Р2 в камеры дифференциального манометра осуществляется через импульсные трубки. Под действием разности давлений (Pj — Р2) сильфон 1 сжимается, вызывая перемещение его дна. При этом перемещается магнитный сердечник 4 преобразователя 6, воздействующий на магнитный усилитель, выходной сигнал которого усиливается и в виде унифицированного сигнала поступает к внутреннему прибору.