Тема 2.2. Измерение давления, разности давлений, разряжения

Давление. Единица давления. Виды давления

Давление – это сила, действующая равномерно на площадь. Давление или разность давлений очень часто применяют для характеристики тепловых процессов.

Единица измерения давления в системе Си – Па, равная давлению, создаваемому силой в 1 Н, действующей на 1 м² (Н/м²). Используются также единицы измерения кгс/см² и кгс/м², кгс/м²=1мм.вод.ст. Соотношение основных единиц давления приведено в табл. 4.

Табл. 4

При измерении давления различают следующие его виды:

• Атмосферное (барометрическое)р_ат – создается массой воздушного столба земной атмосферы. Зависит от высота местности над уровнем моря, метеоусловий и географического местоположения.

• Избыточное р– выражает превышение давления среды над атмосферным давлением.

• Вакуумметрическое р_в– выражает давление, недостающее до атмосферного (вакуум).

• Абсолютное р_а– может быть больше или меньше атмосферного.

• Полное давление – определяется для движущейся среды как сумма статического и динамического давлений

Статическое давление может быть избыточным или вакуумметрическим. Динамическое давление зависит от скорости потока

,

где – скорость потока, – плотность вещества.

Классификация приборов для измерения давления

Приборы для измерения давления называются манометрами. Приборы для измерения разности давлений – дифференциальными манометрами. Все манометры делят на группы:

• Барометры – служат для измерения атмосферного давления.

• Манометры избыточного давления – служат для измерения давления выше атмосферного.

• Вакуумметры – служат для измерения вакуумметрического давления.

• Манометры абсолютного давления – служат для измерения абсолютного давления.

• Мановакуумметры – для измерения разряжения и избыточного давления.

• Напоромеры и тягомеры – для измерения небольшого избыточного или вакуумметрического давления (до 40кПа=0,4кгс/см²). Приборы для измерения вакуумметрического и избыточного давления в указанном диапазоне называются тягонапоромерами.

В зависимости от принципа работы приборы для измерения давления делят на группы:

• Жидкостные

• Деформационные

• Грузопоршневые

• Электрические

• Ионизационные

• Тепловые

Жидкостные манометры

Жидкостные манометры являются простыми и точными приборами для определения небольшого избыточного давления (не более 0,2 МПа). Они применяются при наладочных и исследовательских работах.

Измеряемое давление в жидкостных манометрах характеризуется видимой величиной столба уравновешивающей жидкости в стеклянной измерительной трубке. В приборе используется принцип сообщающихся сосудов, в которых уровни жидкости совпадают при равном давлении над ними. При нарушении равновесного состояния положение уровней изменяется. В качестве уравновешивающей жидкости применяют ртуть, дистиллированную воду, трансформаторное масло или этиловый спирт.

Большинство жидкостных манометров имеют видимый уровень, но существуют и такие, у которых уровень визуально не наблюдается. Его изменение вызывает перемещение поплавка или изменение характеристик другого устройства, показывающего значение измеряемой величины.

Манометры бывают двухтрубные (U-образные) и однотрубные (чашечные). Наиболее распространены двухтрубные манометры.

Он состоит (рис.32) из стеклянных измерительных трубок 1 и 2, соединенных внизу и укрепленных на вертикальном основании 3. Между трубками помещена миллиметровая шкала 4 с нулевой отметкой посередине.

Трубки заполнены жидкостью до 0 отметки. Трубка 1 сообщается резиновой трубкой с измеряемой средой, находящейся под абсолютным давлением Р₁. Она обычно обозначается +. Трубка 2 сообщается с атмосферой, имеющей давление Р₂, обозначается -.

При включении манометра избыточное давление уравновешивается столбом жидкости высотой h, которая складывается из высот h₁ и h₂. Удваивать высоту h₁ или h₂ нельзя, так как эти высоты могут отличаться из-за непостоянного внутреннего сечения трубок.

Если уравновешивающей жидкостью будет вода или спирт, то уровень определяют по нижней границе мениска, если ртуть – по верхней.

Д ля удобства отсчета и условий прочности манометра, высота трубок не должна быть более 1,5 м. Поэтому для измерения давления 0,015-0,2 МПа используют ртуть, которая обладает большей плотностью. При более низких давлениях - воду и спирт.

П ри значительных колебаниях давления усложняется точность измерения, так как отсчет уровней ведется в двух направлениях. В этом случае применяют однотрубный манометр (рис.33). У него вместо второй измерительной трубки установлен широкий сосуд, соединенный с измерительной трубкой. Рядом с трубкой закреплена шкала. Сосуд сообщается с измеряемой средой трубкой с давлением Р₁ и соединен с атмосферой с давлением Р₂. Уравновешивающая жидкость заполняет сосуд и трубку до 0 отметки. При измерении уровень жидкости в стеклянной трубке поднимется на высоту h₂, а в чашке опустится на высоту h₁. В большинстве случаев понижением уровня в чашке можно пренебречь (при отношении площадей сосуда к площади чашки более 400). При точных измерениях понижение уровня учитывают.

Основной погрешностью рассмотренных манометров является погрешность считывания разности уровней.

Для измерения небольших давлений до 3кПа применяют микроманометры (так как двух- и однотрубные манометры при небольшом давлении имеют значительную погрешность) (рис.34). Они являются разновидностью однотрубных манометров и снабжены приспособлениями для уменьшения цены деления шкалы или оптическими устройствами для повышения точности считывания уровня.

Этот прибор имеет металлический сосуд, соединенный со стеклянной измерительной трубкой, закрепленной на шкале. Уравновешивающая жидкость – спирт. Сосуд сообщается с измерительной средой. В сосуде находится поршень, перемещая который, устанавливают нулевое положение уровня. Измерительная трубка находится под наклоном, угол которого можно изменять, устанавливая трубку на секторе 4. Уменьшая угол наклона, шкала удлиняется, что повышает точность отсчета. Для каждого угла наклона установлена шкала деления (2,3,4,6,8Па)

Поправка к показаниям жидкостных манометров

На точность измерения влияют правильность установки, правильность отсчета высоты столба и определение плотности уравновешивающей жидкости.

Жидкостные манометры закрепляют вертикально по отвесу, в местах, где нет вибрации и нагрева, вблизи места отбора давления.

Если манометр установлен выше или ниже места отбора, а соединительная линия и пространство над жидкостью заполнены другой, более легкой жидкостью, чем уравновешивающая, то вводится поправка, учитывающая давление столба этой жидкости (если заполнены газом – поправка не вводится). При расположении манометра выше эта поправка положительная, ниже – отрицательная.

Абсолютная погрешность измерения зависит от правильности отсчета и значительно уменьшается при использовании оптических приспособлений (визиров).

Определение плотности уравновешивающей жидкости производится по таблицам в зависимости от температуры.

При эксплуатации жидкостных манометров нельзя допускать резких скачков давления и перегрузок, так как это приводит к выплескиванию рабочей жидкости в линию или в атмосферу.