Міністерство освіти, науки, МОЛОДІ ТА СПОРТУ України

Національний університет “Львівська політехніка”

Вимірювання тиску Методичні вказівки

для самостійної підготовки та інструкція

до лабораторної роботи № 01

з основ автоматики і автоматизації

для студентів технологічних спеціальностей ІЕСК, ІХХТ, ІБІД

Затверджено

на засіданні кафедри

автоматизації теплових та

хімічних процесів

Протокол № 1 від 30.08.2012 р.

Львів – 2012

Вимірювання тиску. Інструкція до лабораторної роботи № 01 з дисципліни “Контроль та керування хіміко-технологічними процесами” для студентів технологічних спеціальностей/ Укл. В.П.Кореньков, Г.Б.Крих, Львів: Видавництво Львівської політехніки, 2012. - 13 с.

Укладачі В.А. Кореньков, ст.викл.

Г.Б. Крих, к.т.н, доц.

Відповідальний за випуск Є.П. Пістун, д.т.н., проф.

Рецензенти В.К. Савицький, к.т.н., доц.

Мета роботи: ознайомлення з конструкціями, застосуванням і перевіркою приладів для вимірювання тиску.

Необхідна підготовка: знання одиниць і методів вимірю­вання тиску; знання основних метрологічних характеристик вимірювальних приладів.

Основні відомості

Т и с к рідини, пари і газу - це сила, що діє на одиниці поверхні. В системі СІ за одиницю тиску прийнято Паскаль, рівний тиску, що створюється силою 1Н на площі 1 м, тобто 1 Па -1 Н/м. Використовують також позасистемні одиниці: кгс/см, атм (фізична атмосфера), ат (технічна атмосфера), мм рт. ст. (міліметр ртутного стовпа), мм вод. ст. (міліметр водного стовпа), бар.

1 кг/см = 98066,5 Па; 1 атм = 101325 Па;

1 мм рт.ст. = 133322 Па; 1 мм вод. Ст. = 9,80655 Па;

1бар = 10 Па.

Розрізняють абсолютний Р_а і надлишковий Р_н тиск. Абсолютний тиск P_a – параметр термодинамічного стану речовини (рідини, газу, пари). Різницю абсолютного P_a і атмосферного (барометричного) Р_б тисків при Р_а > Р_б, називають надлишковим тиском Р_н = Р_а - Р_б. Якщо Р_а < Р_б, то різницю Р_В = Р_б - Р_а називають розрідженням (вакуумом).

Прилади для вимірювання тиску за своїм призначенням поділяються на: манометри, які вимірюють абсолютний та надлишковий тиск; вакууметри, які вимірюють вакуум; мановакууметри, які вимірюють надлишковий тиск і вакуум; мікроманометри – лабораторні прилади, призначені для вимірювання малих тисків і розріджень; тяго- і напороміри – робочі прилади для вимірювання малих тисків і розріджень; барометри, які вимірюють атмосферний (барометричний) тиск; диференційні манометри, які вимірюють різницю двох абсолютних тисків.

За принципом дії прилади для вимірювання тиску поділяються на:

рідинні, побудовані на зрівноваженні вимірюваного тиску гідростатичним тиском стовпа рідини;

деформаційні, побудовані на використанні деформації різних пружних елементів під дією вимірюваного тиску для перетворення його в переміщення або зусилля;

вантажопоршневі: побудовані на зрівноваженні вимірюваного тиску зовнішньою силою, що створюється каліброваними вантажами і діє на плунжер визначеної площі;

електричні, побудовані або на перетворенні вимірюваного тиску в одну з електричних величин, або на зміні електричних властивостей матеріалу під дією тиску.

Нижче наведені конструкції деяких приладів для вимірювання тисків та розріджень.

1. Рідинні прилади

В приладах такого типу для зрівноваження вимірюваного тиску або розрідження використовують, як робочіі рідини ртуть, воду, спирт або органічні речовини.

Існує кілька конструктивно різних рідинних приладів: двохтрубний U-подібний або однотрубний (чашковий) диференційний манометр та манометр з похилою трубкою. Ці прилади використовуються для перевірки в науково-дослідних роботах, в лабораторній практиці.

Крім наведених, існують рідинні прилади без видимого рівня рідини. До таких слід віднести поплавкові та ковпакові манометри (дзвони), які можуть реєструвати або передаавати сигнал про тиск на відстань.

М і к р о м а н о м е т р и з п о х и л о ю т р у б к о ю (рис. 1) тиму ММН використовуються для вимірювання малих тисків або розріджень в діапазоні до 2,5 кПа.

Прилад складається з циліднричної посудини 1, з’єднаної з вимірювальною скляною трубкою 2. На трубці нанесена шкала довжиною 250 або 300 мм. Рівень робочої рідини мікроманометра перед початком всьановлюють на нульову відмітку шкали. Для цього призначений гвинт 3 коректора нуля, який переміщує поршень 4, частково занурений в робочу рідину. Дугоподібна стойка дозволяє встановлювати трубку 2 під різними кутами нахилу. Для точності встановлення приладу в горизонтальній площині по рівню використовуєтся гвинтова ніжка 6.

При вимірюваннях тиск подається в посудину 1, а розрідження – в трубку 2. Величина тиску або розрідження Р визначається величиною переміщення L меніску рідини в трубці 2 за формулою

Р = L  sin (1 + f / F) ( - ₁) g. (1)

де f, F – площа перерізу відповідно трубки 2 і посудини1;  - кут нахилу трубки;  -густина робочої рідини в мікроманометрі; ₁ – питома вагасередовища над робочою рідиною в мікроманометрі; g – прискорення вільного падіння.

Враховуючи, що відношення f / F площ трубки і посудини незначне (1:500), а густина ₁ повітря над робочою рідиною значно менша за , ними нехтують для визначення Р користуються формулою

Р =   g L sin = K L, мм вод. ст. (2)

де К =   g  sin - стала мікроманометра, яка залежить від кута нахилу трубки  і густини  робочої рідини.

Чутливість приладу S (границю відношення приростів вихідної величини мікроманометра L до вхідної Р)

(3)

можна змінювати, змінюючи сталу К. Чим більша чутливість S, тим меншу долю контрольованого тиску можна вимірювати.

В мікроманометрі типу ММН величина К має ряд стандартних значень 0,2; 0,3; 0,4; 0,6; 0,8. Робочою рідиною в мікроманометрі є спирт, паспортне значення густини  якого при температурі 20 С дорівнює 0,8095 кг/м. Якщо мікроманометр заповнений рідиною з густиною _р, то значення тиску, розраховане за формулою (2), необхідно помножити на відношення  / _р. Вода не використовується для заповнення мікроманометра, внаслідок її накипання до внутрішньої стінки вимірювальної трубки. Мікроманометри типу ММН виготовляються з класом точності 0,5 і 1,0.

2. Деформаційні прилади

Деформаційні прилади широко застосовуються в сучасній техніці. Основні їх переваги – простота, надійність, компактність, великий діапазон вимірюваних тисків при достатній точності вимірювання.

За видом пружинного чутливого елементу деформаційні прилади поділяються на прилади: з трубчастою пружиною (трубка Бурдона) (рис. 2а); з трубчастою багатовитковою (гелікоїдальною) пружиною (рис. 2б); мембранні, чутливим елементом яких може бути плоска або гофрована мембрана (рис. 2 в); мембранна коробка (рис. 2г); блок мембранних коробок (рис. 2д); пружинно-мембранні (рис. 2е); сильфонні, чутливим еелментом яких є сильфон – гофрована тонкостінна циліндрична трубка (рис. 2ж), пружинно-сильфонні (рис. 2з).

Найбільшого поширення набули прилади з одновитковою трубчастою пружиною (рис. 3). Остання являє собою трубку 1 овального або еліптичного перерізу попередньо зігнуту по дузі кола на 270. При цьому велика вісь еліпса розміщена перпендикулярно до площини рисунка, а мала вісь паралельно. Один кінець трубчастої пружини жорстко з’єднується з джерелом 2, який прикріплений до корпусу манометра 3.

Держак 2, має різьбовий ніпель 4 і призначений для під’єднання приладу до об’єкту вимірювання. Вільний кінець трубчастої пружини 1 наглухо заварений і зв’заний повідцем 5 з передавальним механізмом 6, який складається з зубчастого сектора і шестерні, на вісь якої насалжена стрілка 7.

Для виключення люфта в передавальному механізмі 6 використовується спіральна пружина (волосок) 8. Внутрішній кінець волоска закріплюється на осі стрілки 7, а зовнішній – на нерухомій платі механізму.

Під дією тиску вимірювального середовища трубчаста пружина розкручується. Це обумовлюється тим, що під дією тиску її еліптичний переріз наближається до круглої форми. Оскільки довжина пружини залишається незмінною, а адин її кінець жорстко закріплений, в пружині виникають внутрішні напруження, які приводять до розкручування і відповідно переміщення її вільного кінця. Воно пропорційне до вимірювального тиску  = к  Р і перетворюється в кут повороту стрілки 7 відносно шкали 9 за допомогою повідця 5 і передавального механізму 6.

Чутливість пружинних манометрів і, відповідно, діапазон вимірювання залежить ід відношення а/в осей перерізу трубки, модуля пружності матеріалу трубчастої пружини, товщини її стінок і радіуса дуги згину трубки. Збільшення а/в підвищує чутливість приладу. Для тисків менших 10 МПа використовуються трубки виготовлені з мідних сплавів (латунь, бронза). Для більш високих тисків, а також для вимірювання тисків речовин, які хімічно реагують із сплавами міді (аміак), використовують манометри із сталевими пружинами. Чим вище верхня границя вимірювань, тим більша товщина стінок трубки, а форма перерізу її ближча до кола.

Манометри з трубчастими пружинами виготовляються з діапазонами вимірювань від 0 … 0,06 МПа до 0 … 10 МПа, а вакууметри від -0,1 до 0 Мпа.

Манометри і вакууметри з одновитковою трубчастою пружиною за призначенням поділяються на робочі, контрольні і взірцеві.

Р о б о ч і прилади використовуються для вимірювання тисків рідин, газів і парів у виробничих умовах. Класи точності робочих манометрів – 1,5; 2,5.

К о н т р о л ь н і прилади класу точності 0,5 або 1,0 призначені для перевірки робочих манометрів і вакууметрів на місцях їх встановлення.

В з і р ц е в і манометри і вакууметри призначені для перевірки робочих і контрольних приладів та для високоточних вимірювань тисків в лабораторних умовах. Класи точності таких приладів – 0,16; 0,25; 0,4.

Манометри з багатовитковою пружиною (рис. 2б) мають більш високу чутливість. Кількість витків в трубчастій пружині дорівнює 6 … 9. Максимальний тиск вимірюваний такими приладами – 160 Мпа.

В мембранних манометрах (рис. 2в, г, д, е) чутливим елементом є плоска гофрована мембрана. Гофрування мембран робиться для одержання лінійної залежності переміщення мембрани і тиском, який діє на неї. При цьому збільшується її жорсткість і зменшується чутливість. Для збільшення чутливості мембрани з’єднують попарно в мембранні коробки (рис. 2г), а коробки – в мембранні блоки (рис. 2д).

В модифікації (рис. 2е) вимірюваний тиск зрівноважується пружньою силою звичайної, наприклад, плоскої пружини. При цьому мембрана виконується в’ялою, тобто виготовляється з непружного матеріалу. Така конструкція дозволяє майже усунути нелінійність залежності  = f (P), яка характерна для пружних мембранних чутливих елементів. Діапазон вимірювань таких мембранних тяго- і напоромірів – (-0,08…+40) кПа.

В сильфонних манометрах чутливим елементом служить гофрована циліндрична трубка – сильфон (рис. 2ж). Під дією тиску змінюється довжина сильфона. Для зниження нелінійності і гістерезису, а також збільшеннядіапазону вимірювання сильфон підсилюють пружиною (рис. 2з). Сильфонні манометри мають високу чутливість. Верхня границя діапазону вимірювань – 60 Мпа. Сильфони виготовляють з бронзи, нержавіючої сталі, алюмінійових сплавів діаметром від 8 … 10 до 80 … 100 мм і товщиною стінки 0,1…0,3 мм.

Пружні манометри виготовляють показуючими без додаткових пристроїв, а також з контактними пристроями, електричними або пневматичними перетворювачами для дистанційної передачі уніфікованого сигналу.

3. Вантажопоршневі манометри

Вантажопоршневі манометри використовуються як взірцеві прилади. Границя допустимої похибки цих приладів становить 0,02%, 0,05% від вимірюваного тиску. Основним елементом такого манометра (рис. 4) є вертикальний циліндр з рухомим плунжером. Останній навантажується взірцевими вагами G, які, з врахування ваги плунжера, створюють в рідині тиск

(4)

де F – ефективна площа попетечного перерізу плунжера.

Тиск через трансформаторне масло, яким заповнюється манометр, передається на встановлений на ньому перевірюваний прилад 4. Для перевірки певної оцифрованої відмітки шкали манометра 4 розраховують необхідну взірцеву вагу G, якою навантажують плунжер. Поршень 2 гвинтового пресу служить для підйому та опускання плунжера 1 так, щоби він при різних навантаженнях знаходився в середньому положенні. Вантажопоршневий манометр заповнюється трансформаторним маслом через воронку 5. В процесі вимірювання для усунення сил тертя, що діють на стінки циліндра, плунжер 1 кілька разів ручно обертають навколо осі. Вантажопоршневий манометр можна використовувати для перевірки манометра, як з допомогою взірцевих ваг, так і взірцевого манометра 3.

4. Електричні манометри

До електричних манометрів відносяться:

іонізаційні, побудовані на іонізації молекул газу і вимірюванні іонного струму, величина якого залежить від вимірюваного тиску;

тензорезисторні, побудовані на зміні електричного опору провідника під дією зовнішнього надлишкового тиску. Провідником можуть бути будь-які метали або сплави та напівпровідники.

До тензорезисторних манометрів слід віднести комплекс тензорезисторних датчиків «Сапфір-22». Комплекс об’єднує перетворювачі:

абсолютного тиску – «Сапфір-22ДА»;

надлишкового тиску – «Сапфір-22ДВ»;

тиску-розрідження – «Сапфір-22ИВ»;

різниці тисків – «Сапфір-22ДД»;

гідростатичного тиску (рівня) – «Сапфір-22ДГ».

Перетворювачі дозволяють здійснювати неперервне перетворення вказаних величин в уніфікований вихідний сигнал постійного струму (0…5 або 4…20 мА).

На рис. 5 показаний перетворювач надлишкового тиску «Сапфір-22ДИ». Перетворювач зібраний на основі 9. Між основою 9 та фланцем 5 розміщена гофрована мембрана 6 приварена до основи. Фланці 5 ущільнюються прокладкою 8. Надмембранна порожнина 4 і внутрішня порожнина надмемранного тензоперетворювача 3 заповнені кремнійорганічною рідиною. Порожнина 10 над тензоперетворювачем з’єднана з атмосферою.

Вимірювальний тиск Р подається в камеру 7 і через гофровану мембрану 6 і рідину діє на мембрану тензоперетворювача 3. Прогин останньої, який лінійно залежить від вимірюваного тиску, перетворюється тензорезисторами, напиленими на мембрану тензоперетворювача в відповідну зміну електричного опору. Через герметизованівиводи 2 зміна опору сприймається електронним пристроєм 1 і перетворюється в уніфікований струмовий сигнал.

Перетворювачі «Сапфір-22» інших модифікацій виконані аналогічно.

Границі вимірювань таких перетворювачів – 100 Мпа.

5. Допоміжні пристрої вимірювання тиску

Якщо сеердовище хімічно активне до матеріалу вимірюваного приладу, його захищають за допомогою розділювальниз посудин або мембранних розділювачів. Р о з д і л ю в а л ь н і посудини заповнюються рідиною, яка хемічно не взаємодіє з вимірювальним середовищем, не зміщується і не взаємодіє з матеріалом чутливого елементу приладу. На практиці використовуються розчин гліцерину, етиленгліколю, мінеральні масла.

В м е м б р а н н о м у розділювачі виміряне середовище відокремлюється мембраною з малою жорсткістю з нержавіючої сталі або фторопласту.

Для захисту манометрів від дії високої температури середовища використовуються с и ф о н н і трубки.

6. Перевірка приладів для вимірювання тиску

Робочі прилади для вимірювання невеликих тисків або розріджень перевіряють методом порівняння. Як контрольні прилади використовуються мікроманометри або водяні, або ртутні двохтрубні U-подібні дифманометри.

Робочий і контрольний прилади під’єднують до джерела тиску (розрідження) і встанолюють значення тиску, які відповідають оцифрованим відміткам шкали. Як джерела тиску використовуються ручні насоси, сильфонні пристрої тощо. Контрольним приладом для перевірки манометрів служить вантажопоршневий манометр.

Порівняння показів приладів дозволяє при оптимальних похибках визначити відповідність робочого манометра його класу точності. При цьому покази контрольного приладу приймаються за дійсні значення тиску і абсолютна похибка визначається як різниця відповідних показів робочого та контрольного приладів.

Для визначення гістерезису вимірювального елементу 1 «мертвого» ходу в передавальному механізмі робочого приладу перевірка проводиться при збільшенні тиску до максимального значення (хід вгору), а після витримки при його зменшенні (хід вниз(.

7. Порядок роботи

Під час роботи проводиться перевірка трубчастого, пружинного манометра з допомогою вантажопоршневого манометра; перевірка методом порівняння мембранного тягонапороміра, а також перевірка тензорезисторного первинного вимірювального перетворювача «Сапфір – 22».