Устройство и калибровка средств измерений давлений

Давление относится к числу широко распространенных физических величин. В гидравлике, теплотехнике, метеорологии, в других областях науки и техники широко используются измерения давления, разрежения или разности давлений газовых и жидких сред.

Давление, как измеряемая величина, играет важную роль во многих промышленных процессах. Качество измерений и контроля давления процесса напрямую влияет на качество продукта, эксплуатационную надежность, количество издержек производства и т.п. Средства измерений давления, находящиеся в постоянном процессе измерений, подвергаются влиянию физического процесса и для определения их метрологических характеристик и соответствующей пригодности для конкретных измерений нуждаются в периодических калибровках и поверках.

Давление характеризует интенсивность нормальных составляющих сил, действующих со стороны одного тела на поверхность другого (рис.1)

В общем случае давление определяется как предел отношения нормальной составляющей силы dFn к площади dS, на которую действует сила

P = dFn/dS

Если сила перпендикулярна к поверхности (рис.1, б) и ее действие равномерно распределено по ней, то давление определяется соотношением

P = F/S

При неравномерном распределении сил это равенство определяет среднее давление на данную площадь S.

Это соотношение является определяющим уравнением для единицы давления. В Международной системе единиц (СИ), где единицей силы является ньютон (Н) и единицей площади – квадратный метр (м²), единица давления

[P] = 1H/1м² = 1 Н/м²

Единица давления в СИ имеет название «паскаль», присвоенное ей по имени французского ученого В.Паскаля (1623 – 1662) XIY Генеральной конференцией по мерам и весам в 1971 г.

Паскаль (Па), международное обозначение – Pa, равен давлению, вызываемому силой 1 Н, равномерно распределенной по нормальной к ней поверхности площадью 1м². Наравне с этой единицей широко используются кратные единицы «килопаскаль» (1кПа = 10³Па), «мегапаскаль» (1МПа = 10⁶Па), «гигапаскаль» (1ГПа = 10⁹Па). В технически обоснованных случаях допускается применение других кратных единиц, например, «декапаскаль» (1даПа = 10Па) и «гектопаскаль» (1гПа = 10²Па).

Рис. 1. Действие сил со стороны одного тела на поверхность другого.

Это соотношение является определяющим уравнением для единицы давления. В Международной системе единиц (СИ), где единицей силы является ньютон (Н) и единицей площади – квадратный метр (м²), единица давления

[P] = 1H/1м² = 1 Н/м²

Единица давления в СИ имеет название «паскаль», присвоенное ей по имени французского ученого В.Паскаля (1623 – 1662) XIY Генеральной конференцией по мерам и весам в 1971 г. Паскаль (Па), международное обозначение – Pa, равен давлению, вызываемому силой 1 Н, равномерно распределенной по нормальной к ней поверхности площадью 1м². Наравне с этой единицей широко используются кратные единицы «килопаскаль» (1кПа = 10³Па), «мегапаскаль» (1МПа = 10⁶Па), «гигапаскаль» (1ГПа = 10⁹Па). В технически обоснованных случаях допускается применение других кратных единиц, например, «декапаскаль» (1даПа = 10Па) и «гектопаскаль» (1гПа = 10²Па). Для принятых единиц СИ в качестве единиц измерения давления использовались различные единицы. Соотношения между единицами давления, используемыми в различных системах единиц, представлены в табл.1. В технике измерения давления использовалась единица системы МКГСС «килограмм-сила на квадратный метр» - 1 кгс/м². Однако наибольшее применение нашла кратная единица «килограмм-сила на квадратный сантиметр» (1кгс/см² = 10⁴ кгс/м²). В системе МКГСС килограмм-сила – это сила, сообщающая массе международного прототипа килограмма ускорение, равное 9,80665 м/с².

Виды измеряемых давлений. При измерении давления различают атмосферное (барометрическое), абсолютное и относительное давления. Относительное давление может быть избыточным и вакуумметрическим.

Давление, производимое весом столба земной атмосферы, называется атмосферным давлением.

Абсолютное и относительное давления. Абсолютным называется давление, отсчитываемое от абсолютного нуля давления. Относительным называется давление, измеренное относительно атмосферного (барометрического) давления. Абсолютное и относительное давления отличаются друг от друга выбором начала отсчета давления.

При измерении абсолютного давления (Pa) за начало отсчета принимается абсолютный нуль давлений. За начало (нуль) абсолютного давления принимается давление внутри сосуда после полной откачки из него газов. Давление в космосе, например, близко к абсолютному нулю и не превосходит 10^-12 атмосферного. Примером абсолютного давления может служить атмосферное давление. В основном это давление обусловлено весом слоев атмосферы, находящихся над точкой измерения. Между давлением и высотой над уровнем моря существует зависимость, которая выражается барометрической формулой. В упрощенном виде:

P = e ^{- h / 8}, где

h – высота над уровнем моря, км;

e = 2,718 - основание натурального логарифма.

При измерении относительного давления за начало отсчета берется атмосферное (барометрическое) давление, величина которого принимается за условный нуль. Величина относительного давления показывает, насколько давление данной среды больше или меньше атмосферного. В связи с этим различают избыточное (превышающее атмосферное) давление и вакуумметрическое (недостающее до атмосферного) давления.

Избыточным давлением Р называют разность между абсолютным давлением Ра, большим атмосферного и атмосферным давлением Рб:

Р = Ра – Рб

Вакуумметрическим давлением Рв называют разность между атмосферным (барометрическим) давлением Рб и абсолютным давлением Ра меньшим атмосферного:

Рв = Рб – Ра

Вакуумметрическое давление является следствием разрежения (вакуума), созданного в каком-либо замкнутом объеме. Разрежение создается либо за счет откачки воздуха из замкнутого объема, напролненого воздухом при атмосферном давлении, либо за счет предоставления этому воздуху возможности расширятся без сообщения с атмосферой.

Зависимости между абсолютным, атмосферным, избыточным и вакуумметрическим давлениями графически представлены на рис. 2

На рисунке отсчет давлений ведется от абсолютного нуля вверх по вертикальной шкале.

Классификация приборов для измерения давления и разрежения. По виду измеряемого давления различают приборы избыточного и абсолютного давления. Приборы избыточного давления используются для измерения давления, большего или меньшего по сравнению с давлением окружающего атмосферного воздуха. К числу таких приборов относятся:манометры; вакуумметры; мановакуумметры; напоромеры; тягомеры; тягонапоромеры.

К манометрам относят приборы, служащие для измерения избыточного давления, обычно с верхним пределом измерения от 60 кПа (0,6 кгс/см²) до 1000 МПа (10 000 кгс/см²).

По принципу действия, т.е. в зависимости от принципа, используемого для преобразования силового воздействия давления на чувствительный элемент в показания или пропорциональные измерения другой физической величины, средства измерения давления и разрежения подразделяют (ГОСТ 8.271–77) на: жидкостные; грузопоршневые; деформационные; электрические; тепловые; вязкостные; кольцевые.

Наибольшее распространение получили пружинные приборы.

Принцип действия пружинных приборов основан на том, что измеряемое давление уравновешивается силами упругости пружинных чувствительных элементов, величина деформации которых находится в известной устойчивой зависимости от величины измеряемого давления.

Пружинные манометры обладают свойствами: портативность, простота устройства и применения, надежность действия, удобство при использовании, широкий диапазон измерения, невысокая стоимость.

В качестве пружинных чувствительных элементов применяют:

- трубчатые пружины;

- пластинчатые пружины (мембраны);

Плоские мембраны. Статическая характеристика нелинейная, может обладать гистерезисом.

Достоинство: они практически безынерционны, поэтому можно измерять быстро изменяющиеся давления.

Гофрированные мембраны.

За счет гофров они могут растягиваться. На основе мембранных коробок выпускают дифференциальные манометры.

- сильфонные пружины (сильфоны).

Сильфоны – тонкостенные гофрированные трубки с поперечной гофрировкой. Сильфоны работают на растяжение или сжатие, в зависимости от того, подается давление внутрь или снаружи.

Недостаток – гистерезис. Для устранения внутрь сильфона вводят пружину

Основные типы элементов представлены на рисунке «Типы пружинных чувствительных элементов»

Трубчатые пружины бывают одновитковые (рис. 3, а) и винтовые (многовинтовые) (рис. 3, б). Винтовые трубчатые пружины называют еще геликоидальными. Пластинчатые пружины применяются либо в виде упругой мембраны (рис. 3, в), либо в виде манометрической мембранной коробки (рис. 3, г), либо в виде блока мембранных коробок (рис. д). Разновидностью мембран является неупругая мембрана (рис. 3, е), работающая совместно с дополнительной пружиной. Сильфоном называют цилиндрическую гармоникообразную пружину (рис. 3, ж). Иногда сильфоны для повышения жесткости снабжаются винтовой пружиной (рис. 3, з).

Пружинные чувствительные элементы являются основным узлом прибора, так как при работе они осуществляют преобразование измеряемого давления в перемещение указателя, подвижной части датчика. От их свойств зависят такие важные характеристики приборов, как величина погрешности, чувствительность и стабильность показаний.

Полая одновитковая или многовитковая трубчатая пружина некруглого симметричного сечения изогнута по дуге окружности с центральным углом закрутки γ = 180 - 270º у одновитковых или по винтовой линии у многовитковых пружин (рис. 3, б), так что большая ось поперечного сечения располагалась перпендикулярно к плоскости изгиба трубки.

Неподвижный конец трубки впаивается в полый держатель, который оканчивается резьбовым штуцером для присоединения к источнику измеряемого давления, а свободный конец трубки через передаточный механизм связывается с указателем или с подвижной частью датчика прибора (рис. 4, а и б).

Сечения трубчатых пружин могут быть эллиптической (рис. 4, в), овальной (рис. 4, г), плоско – овальной (рис. 4, д) и фигурной (рис. 4, б) формы. Для измерения высоких давлений (от 1000 кгс/см² и выше)применяются толстостенные трубчатые пружины круглого поперечного сечения (рис.4,е). Они имеют канал, ось которого смещена относительно оси пружины в сторону центра ее кривизны.

Рис. 3. Типы пружинных чувствительных элементов:

а – одновинтовая трубчатая пружина; б – многовинтовая (винтовая) трубчатая пружина; в – упругая мембрана; г – манометрическая мембранная коробка; д - блок манометрических мембранных коробок; е – неупругая (мягкая) мембрана; ж – сильфон; з – сильфон с пружиной.

Рис. 4 Схема и формы сечения одновитковых трубчатых пружин:

а – схема одновитковой трубчатой пружины; б – сечение фигурной формы; в – сечение эллиптической формы; г – сечение овальной формы; д – сечение плоско – овальной формы; е – трубчатая пружина круглого поперечного сечения

Показать разобранный манометр, последовательность показа по тексту:

Если через заделанный конец трубки некруглого поперечного сечения в ее полость подать избыточное давление или создать в ней разрежение, то трубка будет изменять свою кривизну, т.е. раскручиваться или закручиваться. Причиной раскручивания или закручивания трубчатой пружины является изменение формы поперечного сечения трубки под действием измеряемого давления. Если в трубке некруглого сечения создать избыточное давление или разрежение, то в первом случае трубка начнет раздуваться, округляться, а во втором случае – сплющиваться. При этом размеры большой и малой осей поперечного сечения будут изменяться. Это и вызывает появление усилий, которые заставляют изогнутую трубку или закручиваться или раскручиваться.

2. Показать рисунок с последующим текстом

Рис 5 Схема одновитковой трубчатой пружины

Рис 5 Схема одновитковой трубчатой пружины

Полагаем, что при наличии избыточного давления внутри трубки малая ось ее сечения увеличивается, а при разрежении – уменьшается. Полагаем также, что при деформации длина трубки остается неизменной. Обозначим:

γ – центральный угол трубки (первоначальный угол закрутки);

r – внутренний радиус трубки;

R – внешний радиус трубки;

а – большая ось сечения трубки (рис.1);

в – малая ось сечения трубки.

После деформации эти величины примут значения: γ’, r’, R’, а’, в’.

Для случая нагружения трубки избыточным давлением из условия неизменности длины трубки до и после деформации следует, что ее наружная часть так же, как и внутренняя, сохраняет первоначальную длину. Тогда:

R γ = R' γ' и r γ = r' γ'.

Вычитая из первого равенства второе, получим:

(R – r) γ = (R' - r') γ'.

Заменив разности радиусов значениями малой оси сечения до и после деформации будем иметь: R – r = в, а R' - r' = в', то в γ = в 'γ' (1) Так как в рассматриваемом случае согласно условию в' > в, то γ' < γ. Из этого выражения следует, что если поперечный размер трубки увеличивается, то для сохранения длины трубки ее центральный угол γ должен уменьшиться, т.е. трубка должна разогнуться

Если принять, что малая ось сечения и угол закрутки после деформации соответственно равны:

в' = в + ∆в

γ' = γ - ∆ γ то, подставив эти значения в уравнение (1) получим:

в γ = (в + ∆ в) (γ - ∆)γ Решая это равенство относительно ∆γ, получим, что . (2)

Полученное соотношение устанавливает качественную сторону работы трубки. Из выражения (2) видно, что изменение угла закрутки прямо пропорционально увеличению малой оси сечения и первоначальному углу закрутки трубки и обратно пропорционально величине малой оси сечения трубки. Выражение (2) получено в предположении, что длина трубки сохраняется неизменной при наличии и отсутствии давления, что является упрощением. На самом деле на стенки трубки действуют силы, растягивающие внешнюю стенку и сжимающие внутреннюю, а силы упругости будут уменьшать полученную без учета их действия величину деформации ∆ в, т.е. реально необходимо учитывать свойства материала, из которого изготовлена трубка.

Для случая, когда в трубке создано разрежение, то малая ось сечения трубки будет уменьшаться, т.е. величина ∆ в будет отрицательной, тогда величина ∆ γ тоже будет отрицательной:

Из этого следует, что угол закрутки после деформации будет больше первоначального, кривизна трубки увеличится и, следовательно, трубка под действием вакуумметрического давления будет закручиваться.

Получение теоретических зависимостей деформаций и внутренних напряжений от давления Р, от свойств материала и от размеров трубчатых пружин является сложной задачей. Трубки манометров изготовляют из медных сплавов для сравнительно небольших давлений (до 50 кгс/см²) или из стали – для большого давления.

3. Показать разобранный манометр, сопровождая текстом показ деталей манометра и рисунок по тексту

Перемещение свободного конца трубки под влиянием максимального давления невелико и обычно составляет единицы миллиметров. Для повышения чувствительности прибора манометры снабжают передаточными механизмами.

В деформационных манометрах используется два вида передаточного механизма: секторный и рычажный.

Рис. 6. Секторный передаточный механизм деформационного манометра

В секторном передаточном механизме деформационного манометра с одновитковой пружиной свободный конец трубчатой пружины 1 шарнирно связан с тягой 2. Другой конец этой тяги шарнирно связан с хвостовиком 3 зубчатого сектора. Зубцы сектора входят в сцепление с трибкой (зубчатым колесом с малым количеством зубцов) 4. Размеры хвостовика и тяги подбираются такими, чтобы зубчатый сектор поворачивался вокруг оси на 10 ÷ 15° в обе стороны от среднего положения. При этом сцепленная с секторомтрибка 4 поворачивается на угол 270 ÷300°.

На этот же угол поворачивается и стрелка 5 манометра, закрепленная на оси трибки. Тяга 2 закрепляется в прорези хвостовика 3 винтом 6, благодаря чему имеется возможность регулировки отношения плеч сектора R/ r, а значит и установки постоянной прибора.

4. Показать манометры с градуировкой кгс/см², Па и в усл. единицах. с текстом:

Градуировка шкал приборов может осуществляться в единицах давления (кгс/см² или Па) или в условных единицах.

5. Показать манометр и корректор нуля (МО) с текстом:

Некоторые манометры снабжаются механизмом установки нулевого положения стрелки (корректором нуля). Коррекция может достигаться принудительным вращением свободного конца пружины в нулевое исходное состояние под действием приложенной к нему силы.

Дата добавления: 2015-12-08