Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Средства измерений давления. Поверка и калибровка. Учебное пособие
.pdf
АКАДЕМИЯ СТАНДАРТИЗАЦИИ, МЕТРОЛОГИИ И СЕРТИФИКАЦИИ
А.А. Зосен, А.П. Лепявко, Д.Е. Москалев
СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЙ ДАВЛЕНИЯ.
ПОВЕРКА И КАЛИБРОВКА
Учебное пособие
Москва
2024
1
УДК 531. 7.87
Зосен А.А., Лепявко А.П., Москалев Д.Е. Средства измерений
давления. Поверка и калибровка: Учебное пособие. – М.:
АСМС, 2024. – 84 с.
Рассматривается классификация и средства измерений давления
и основные принципы принятых за рубежом методов калибровки
средств измерений давления.
Описаны жидкостные средства измерений давления. Приведены
различные типы конструкций деформационных манометров,
приведены их метрологические характеристики
и методики поверки.
Рассмотрены принципы действия различных преобразователей
давления, их метрологические характеристики и методики поверки, а
также общие принципы работы грузопоршневых манометров
(калибраторов давления).
Учебное пособие предназначено для слушателей Академии
стандартизации, метрологии и сертификации по специализации
«Поверка и калибровка средств теплотехнических измерений».
Учебное пособие может быть полезно также специалистам
в области поверки и калибровки средств измерений температуры.
Авторы:
Лепявко Александр Петрович, заведующий кафедрой «Теплотехнические
измерения» ФГАОУ ДПО АСМС, кандидат технических наук.
Зосен Анна Александровна, старший преподаватель, зав. лабораторией
кафедры «Теплотехнические измерения» ФГАОУ ДПО АСМС.
Москалев Дмитрий Евгеньевич, старший преподаватель, зав. лабораторией
кафедры «Теплотехнические измерения» ФГАОУ ДПО АСМС
2
© АСМС, 2024
1.ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ
F
рS
S
22
см
кг
м
Н
1Па1
2
с
мкгН
1.1. Давление
Давлением называют силу, действующую на единицу
поверхности, направленную перпендикулярно к поверхности
и равномерно распределенную на ней.
Давление жидкого и газообразного вещества, с одной стороны,
определяет силовое воздействие на устройства,
в которых оно находится, и, следовательно, требования к их
конструкции. С другой стороны давление – это один из основных
параметров, характеризующих термодинамическое состояние
вещества.
Давление – величина, определяемая отношением направленной
по нормали и равномерно распределенной на поверхности силы на
единицу площади этой поверхности. Давление обычно обозначается
cтрочной (маленькой) буквой латинского алфавита p (от латинского
слова pressure ‒ давление).
Уравнение измерения давления
,
где 𝑝 – давление,
F – сила,
S – площадь, на которую воздействует сила.
Единицей давления является Паскаль в международной системе
единиц (СИ), которая начала действовать в СССР соответствии
с ГОСТ 8.417–81 с 01.01.1982 года. Паскаль – давление, вызываемое
силой
в один Ньютон равномерно распределенной по поверхности
площадью в один квадратный метр
Мегапаскаль (МПа) = 106 Па. Во всем мире – бар. Отличие бара от
кгс/см2 заметили только метрологи. В мире этот переход пошел
безболезненно, у нас не закончился и сейчас. Причина – неудобство
работы с МПа.
.
.
Основной кратной единицей, принятой в СССР, стал
3
В настоящее время в приборах для измерения давления
используются следующие единицы:
1 МПа = 106 Па = 10 бар = 10,1972 кг/см2
1 бар =105 Па =100 кПа = 1,01972 кг/см2
1 кгс/см2 = 0,980665 бар
1 кгс/м2 (мм вод. ст.) = 9,80655 Па
1 мм рт. ст. (торр) = 133,322 Па = 13,595·10-4 кг/см2
В англоязычных странах распространена единица измерения
давления фунт-сила на квадратный дюйм (psi).
1psi =6,89476·103 Па=6,89476·10
-2
бар=7,03070·10-2кг/см
2
Различают следующие виды давления:
Абсолютное давление р
– полное давление среды, отсчитанное
а
от абсолютного вакуума (ДА).
Избыточное давление р
– разность между абсолютным ра
и
и атмосферным (барометрическим) давлением рб (ДИ).
Вакуумметрическое давление или вакуум (ДВ).
Барометрическое давление (ДБ).
Дифференциальное давление (ДД).
Если оценивается силовое воздействие измеряемой среды,
интерес представляет избыточное давление ри. Если
термодинамическое состояние и свойства измеряемой среды –
абсолютное давление ра.
Большинство средств измерений давления измеряют избыточное
давления.
4
Рис. 1. Виды давления: ДА – абсолютное давление, ДИ – избыточное
давление, ДВ – вакуумметрическое давление, ДБ – барометрическое
давление, дифференциальное давление ДД (разность давлений)
Для определения абсолютного давления необходимо
дополнительно измерить барометрическое давление и вычислить
абсолютное
р
= ри + рб.
а
Если оценивается силовое воздействие измеряемой среды,
интерес представляет избыточное давление ри. Если
термодинамическое состояние и свойства измеряемой среды –
абсолютное давление ра.
Под термином вакуум часто понимаются весьма разные
понятия.
1) Разрежение – это отрицательное избыточное давление.
2) Состояние разрежения газа.
В этом случае вместо «вакуума» можно было бы применить
термин «низкое абсолютное давление».
Различают:
– высокий вакуум, соответствующий разрежениям, при
которых длина свободного пробега молекул существенно превышает
размер сосуда.
При размере сосуда 0,1 м область высокого вакуума охватывает
область абсолютных давлений менее 10-3…10-4 мм. рт. ст.
(< 10-6…10-7 бар).
– средний вакуум (форвакуум), когда длина свободного пробега
молекул сравнима с размером сосуда.
Средний вакуум соответствует области давлений, переходной
между высоким вакуумом и разреженным газом, от 1 до 10-4 мм рт.
ст. (10 -3… 10
-7
бар).
– низкий вакуум, когда длина свободного пробега значительно
меньше размеров сосуда. В этом случае обычно используют термин
«разреженный газ». Абсолютное давление более 1 мм рт. ст.
(10-3…1,0 бар)
3) Вакуум (от лат. Vacuum – пустота) – пространство, не
содержащее вещества.
1.2. Классификация средств измерения давления
СИ давления подразделяются и классифицируются по
различным признакам:
а) По виду измеряемого давления средства измерения:
– манометры избыточного давления или просто манометры.
5
Примечание. Манометр от греч. манос – неплотный (т.е. газ или
жидкость) и «метр» – измерение.
Примечание. Если нет дополнительной информации об
измеряемой величине, под манометрами обычно понимаются
манометры избыточного давления.
Манометры избыточного давления фактически всегда измеряют
разность абсолютного и барометрического давления.
– манометры абсолютного давления;
– барометры для измерения атмосферного давления;
– вакуумметры для измерения разрежения;
– мановакуумметры для измерения положительного
и отрицательного избыточного давления;
– напоромеры для измерения малых значений избыточного
давления газовых сред (до 40 кПа);
– тягомеры для измерения разряжения газа до 40 кПа;
– тягонапоромеры – мановакуумметры с пределами измерений
±20 кПа;
– микроманометры для измерения малых значений давления,
разряжения и разности давлений в лабораторных условиях;
– дифференциальные манометры (дифманометры) для
измерения разности давлений.
б) По принципу действия средства измерения давления
подразделяются на жидкостные, деформационные
и грузопоршневые.
Жидкостные манометры и дифманометры в настоящее время
используются в большей степени в лабораторных условиях, в том
числе как эталонные для малых давлений.
Наиболее широкое применение нашли деформационные СИ.
Они используются как рабочие, так и как эталонные.
Грузопоршневые манометры обладают высокой точностью
и широким диапазоном измерения. Строго говоря, они не являются
измерительными приборами, т.е. манометрами, обеспечивают,
а воспроизведение давлений при поверке и калибровке. Фактически
это многозначные меры давления. Применяются в качестве
калибраторов – эталонных вакуумметров, мановакуумметров,
манометров избыточного и абсолютного давления.
6
в) По форме представления результата измерения:
– приборы (собственно манометры);
– измерительные преобразователи (датчики давления).
За рубежом средства измерений давления разделяются на
механические и электромеханические.
В свою очередь электромеханические средства измерений
подразделяются.
– преобразователи (trasdusers);
– датчики (trusmitters);
– манометры с цифровой и аналоговой индикацией.
Преобразователи (trasdusers).
Преобразователи преобразуют измеряемое давление
в электрический аналоговый сигнал, пропорциональный давлению.
Выходные сигналы могут быть в виде:
– напряжения;
– тока;
– частоты.
Для функционирования преобразователи нуждаются
в непрерывном стабилизированном электропитании питании
в зависимости от ожидаемой неопределенности калибруемого
преобразователя.
Датчики (trusmitters).
Датчики включают в себя преобразователи (trasdusers) давления,
модули кондиционирования и усиления сигнала преобразователя.
Для функционирования преобразователи нуждаются
в непрерывном электропитании при отсутствии жестких требований
к стабилизации напряжения питания.
В зависимости от модели выходная информация может быть
представлена в виде:
– напряжения (5 В; 10 В; …);
– тока (4–20 мА; …);
– частоты;
– в цифровом формате (RS 232; …).
Манометры с цифровой и аналоговой индикацией.
Этот тип манометров является комплексным средством
измерений, показания которого выражены в единицах давления.
7
Состав манометров с цифровой индикацией:
– преобразователь (trasdusers) давления;
– нормирующий аналоговый преобразователь;
– аналого-цифровой преобразователь;
– микропроцессорное устройство;
– цифровое отсчетное устройство (индикатор);
– источник питания.
Состав манометров с аналоговой индикацией:
– преобразователь (trasdusers) давления;
– нормирующий аналоговый преобразователь;
– аналоговое отсчетное устройства (индикатор);
– источник питания.
Эти элементы могут быть размещены в одном корпусе или
составлять отдельные устройства, один из которых преобразователь
(trasduser).
Манометры могут также иметь аналоговые и/или цифровые
порты.
Примечание. Содержание термина «преобразователь»
в РМГ 29–13 и международном словаре по метрологии различно.
Из Международного словаря по метрологии (VIM3):
Измерительный преобразователь – устройство, используемое
при измерении, которое обеспечивает на выходе величину,
находящуюся в определенном соотношении с входной величиной
(measuring transduser).
Из РМГ 29–13:
Измерительный преобразователь – средство измерений или его
часть, служащее для получения и преобразования информации об
измеряемой величине в форму, удобную для обработки, хранения,
дальнейших преобразований, индикации или передачи (measuring
transduser).
Пример – термопара, трансформатор, тензодатчик, электрод
для измерения рН, трубка бурдона, биметаллическая пластина.
Контрольные вопросы к подразделу 1
1. Перечислите единицы измерения давления.
2. Дайте определение термина «вакуум».
3. Каким образом проводится классификация средств измерений
давления?
4. Что такое trusmitters и trasdusers?
8
2. ЖИДКОСТНЫЕ МАНОМЕТРЫ
Принцип действия жидкостных манометров основан на
компенсации измеряемого давления давлением столба жидкости. В
приборах используется принцип сообщающихся сосудов: при
равенстве давлений в сосудах уровни рабочих жидкостей совпадают;
при неравенстве – избыточное давление в одном сосуде
уравновешивается гидростатическим давлением столба жидкости
в другом. Большинство жидкостных манометров имеют видимый
уровень рабочей жидкости, по положению которого определяется
значение измеряемого давления.
Жидкостные приборы используют для измерений избыточного
давления, разряжения, дифференциального (разности) давления.
Двухтрубный мановакуумметр
Двухтрубный (U-образный) мановакуумметр (рис. 2)
представляет собой стеклянную трубку, изогнутую в виде прописной
латинской буквы U, заполненную до середины рабочей жидкостью
и закрепленную на основании 1. Между трубками (коленами) 2 и 3
установлена пластина с нанесенной шкалой 4, градуированной
в паскалях (Па), либо в миллиметрах (мм).
Рис. 2. Двухтрубный (U-образный)
мановакуумметр: 1 – основание,
2, 3 – сообщающиеся стеклянные трубки
(колена), 4 – шкальная пластина
В качестве рабочей жидкости используют дистиллированную
воду или ртуть, соответственно единицы измерения давления
миллиметры водяного столба (мм вод. ст.), которые равны
9
килограмм-силе на квадратный метр (кгс/м2) или миллиметры
ртутного столба (мм рт. ст., за рубежом называется torr (торр). В
настоящее время приборы градуируют паскалях (Па) или
килопаскалях (кПа), ртуть использовать на разрешается.
В старых приборах иногда использовали не одну изогнутую
трубку, а две прямые трубки, соединенные между собой резиновой
или другой трубкой. Диаметр трубок не имеет значения, но
обязательное требование, чтобы он был одинаков в обеих трубках.
При отсутствии давления уровень жидкости в обеих трубках
одинаковый и должен соответствовать отметке 0.
h = h1+h
2.
Измеряемое избыточное давление ри определяют по формуле
р
= hρg,
и
где h – высота столба жидкости, компенсирующего измеряемое
давление;
ρ – плотность рабочей жидкости;
g – ускорение свободного падения тела.
Любая жидкость, находясь в тонкой трубке, образует мениск.
Жидкости, смачивающие стекло, создают вогнутый мениск.
Показания необходимо снимать по нижней точке мениска. Если
жидкость не смачивает стекло, образуется выпуклый мениск.
Показания снимают по верхней точке мениска.
Погрешность измерения двухтрубных манометров обусловлена
погрешностью отсчета h1 и h2 и цены деления шкалы. При цене
деления 1 мм и отсутствии дополнительных оптических устройств
она не превышает ±2 мм с учетом погрешности нанесения шкалы.
Однотрубный мановакуумметр
В однотрубном (чашечном) мановакуумметре (рис. 3)
представлены те же сообщающиеся сосуды, что и в двухтрубном
мановакуумметре, только одну трубку заменили широкой чашей для
уменьшения погрешности и времени снятия показаний.
Однотрубный мановакуумметр позволяет измерять малое
избыточное давление, разряжение и дифференциальное (разность)
давление воздуха.
Шкала прибора может быть нанесена непосредственно на трубке
или на приложенной пластине.
10
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]