Измерение давления

    Наиболее  существенный классификационный признак  — принцип действия средства измерения  давления, в соответствии с ним  и построено дальнейшее изложение.

    Современные   средства   измерений  давления   представляют   собой измерительные  системы, звенья которых имеют различное  функциональное назначение. Обобщенные блок-схемы манометров и измерительных  преобразователей давления приведены соответственно на рис. 1, а и б. Важнейшим   звеном любого средства измерения давления является его чувствительный элемент (ЧЭ), который воспринимает измеряемое давление и преобразует его в первичный сигнал, поступающий в измерительную цепь прибора. С помощью промежуточных преобразователей сигнал от ЧЭ преобразуется в показания манометра или регистрируется им, а в  измерительных преобразователях  (ИНД)  - в унифицированный выходкой сигнал, поступающий в системы измерения, контроля, регулирования и управления. При этом промежуточные преобразователи и вторичные  приборы   во  многих  случаях унифицированы и могут применяться  в  сочетании с ЧЭ различных типов. Поэтому принципиальные особенности манометров и ИПД зависят, в первую очередь, от типа ЧЭ [1].

    

 

    Рис. 1. Структурные блок-схемы:

    а — манометра; б — измерительного преобразователя давления; р — измеряемое давление; 1 — чувствительный элемент (первичный преобразователь) ; 2 — промежуточные преобразователи; 3 — показания; 4 — регистрация; 5 — выходной сигнал; → к системам: I — измерения и контроль; II - регистрации; III — регулирования; IV – управления 

    По  принципу действия ЧЭ средства измерения  давления можно разделить на следующие  основные группы.

    1. Средства измерения давления, основанные  на прямых абсолютных методах: поршневые манометры и ИПД, в том числе и грузопоршневые манометры, манометры с нецилиндрическим неуплотненным поршнем, колокольные, кольцевые и жидкостные манометры.

    В первых трех манометрах метод измерений  реализуется уравнением (1), основанным на определении величины давления по отношению силы к площади; в жидкостных манометрах - уравнением (2) , основанным на уравновешивании давления столбом жидкости.

    2. Средства измерения давления, основанные  на прямых относительных методах: деформационные манометры и ИПД, в том числе и с силовой компенсацией; полупроводниковые манометры и ИПД; манометры других типов, основанные на изменении физических свойств ЧЭ под действием давления.

    3. Средства измерения давления, основанные  на методах косвенных измерений: установки и приборы для определения давления по результатам измерения других физических величин; установки и приборы для определения давления по результатам измерения параметров физических свойств измеряемой среды (термопарные и ионизационные вакуумметры, ультразвуковые манометры, вязкостные вакуумметры и др.).

    Следует отметить, что абсолютные методы измерений, заложенные в поршневых и жидкостных манометрах, во многих случаях на практике не реализуются. Например, жидкостные манометры, исключая первичные эталоны, градуируются и поверяются не абсолютным, а относительным методом, путем их сличения с образцовыми средствами измерений соответствующей точности.

    Глава 1. Методы прямых измерений давления

 

1.1. Жидкостные манометры 

    Вопросы водоснабжения для человечества всегда были очень важными, а особую актуальность приобрели с развитием городов и появлением в них различного вида производств. При этом все более актуальной становилась проблема измерения давления воды, т. е. напора, необходимого не только для обеспечения подачи воды через систему водоснабжения, но и для приведения в действие различных механизмов. Честь первооткрывателя принадлежит крупнейшему итальянскому художнику и ученому Леонардо да Винчи (1452-1519 гг.), который впервые применил пьезометрическую трубку для измерения давления воды в трубопроводах.

    Дальнейшее  развитие науки и техники привело  к появлению большого количества жидкостных манометров различных типов, применяемых до настоящего времени во многих отраслях: метеорологии, авиационной и электровакуумной технике, геодезии и геологоразведке, физике и метрологии и пр. Однако, в силу ряда специфических особенностей принципа действия жидкостных манометров их удельный вес по сравнению с манометрами других типов относительно невелик и, вероятно, будет уменьшаться и в дальнейшем. Тем не менее при измерениях особо высокой точности в области давлений, близких к атмосферному давлению, они пока незаменимы. Не потеряли своего значения жидкостные манометры и в ряде других областей (микроманометрии, барометрии, метеорологии, при физико-технических исследованиях). 

    1.1.1. Основные типы жидкостных манометров  и принципы их действия 

    Принцип действия жидкостных манометров можно  проиллюстрировать на примере U-образного жидкостного манометра (рис. 2, а), состоящего из двух соединенных между собой вертикальных трубок 1 и 2, наполовину заполненных жидкостью.

    

 

    Рис. 2. Основные типы жидкостных манометров 

    В соответствии с законами гидростатики при равенстве давлений р₁ и р₂ свободные поверхности жидкости (мениски) в обеих трубках установятся на уровне I-I. Если одно из давлений превышает другое (р₁ >р₂), то разность давлений вызовет опускание уровня жидкости в трубке 1 и, соответственно, подъем в трубке 2, вплоть до достижения состояния равновесия. При этом на уровне II-II уравнение равновесия примет вид:

    Δр=р₁ -р₂ = Н - р • g , (3) 

т. е. разность давлений определяется давлением столба жидкости высотой Н с плотностью р.

    Уравнение (2) с точки зрения измерения давления является фундаментальным, так как давление, в конечном итоге, определяется основными физическими величинами - массой, длиной и временем. Это уравнение справедливо для всех без исключения типов жидкостных манометров. Отсюда следует определение, что жидкостный манометр - манометр, в котором измеряемое давление уравновешивается давлением столба жидкости, образующегося под действием этого давления. Важно подчеркнуть, что мерой давления в жидкостных манометрах является высота столба жидкости. Именно это обстоятельство привело к появлению единиц измерений давления мм вод. ст., мм рт. ст. и других которые естественным образом вытекают из принципа действия жидкостных манометров.

    Чашечный  жидкостный манометр (рис. 2, б) состоит из соединенных между собой чашки 1 и вертикальной трубки 2, причем площадь поперечного сечения чашки существенно больше, чем трубки. Поэтому под воздействием разности давлений Δр изменение уровня жидкости в чашке гораздо меньше, чем подъем уровня жидкости в трубке: Н₁ = Н₂ • f/F, гае Н₁ - изменение уровня жидкости в чашке.; Н₂ - изменение уровня жидкости в трубке; f - площадь сечения трубки; F - площадь сечения чашки.

    Отсюда  высота столба жидкости, уравновешивающей измеряемое давление

    Н = Н₁ + Н₂ = Н₂ (1 + f/F), (4)

  а измеряемая разность давлений

    р₁-p₂=Н₂•g(1+f/ F),  (5)

    Поэтому при известном коэффициенте k = 1 + f/F разность давлений может быть определена по изменению уровня жидкости в одной трубке, что упрощает процесс измерений.

    Двухчашечный  манометр (рис. 2, в) состоит из двух соединенных при помощи гибкого шланга чашек 1 и 2, одна из которых жестко закреплена, а вторая может перемещаться в вертикальном направлении. При равенстве давлений p_l и р₂ чашки, а следовательно, свободные поверхности жидкости находятся на одном уровне I-I. Если р₁ > р₂, то чашка 2 поднимается вплоть до достижения равновесия в соответствии с уравнением (3).

    Единство  принципа действия жидкостных манометров всех типов обусловливает их универсальность  с точки зрения возможности измерения давления любого вида — абсолютного и избыточного и разности давлений.

    К важной метрологической характеристике средств измерения давления относится чувствительность измерительной системы, которая во многом определяет точность отсчета при измерениях и инерционность. Для манометрических приборов под чувствительностью понимается отношение изменения показаний прибора к вызвавшему его изменению давления (п =ΔН/Δр).

    Диапазоны измерений жидкостных манометров в  соответствии с (2) определяются высотой  столба жидкости, т. е. размерами манометра и плотностью жидкости. Наиболее тяжелой жидкостью в настоящее время является ртуть, плотность, которой р = 1,35951 • 10⁴ кг/м . Столб ртути высотой 1 м развивает давление около 136 кПа, т. е. давление, не из много превышающее атмосферное давление. Поэтому при измерении давлений порядка 1 МПа размеры манометра по высоте соизмеримы с высотой трехэтажного дома, что представляет существенные эксплуатационные неудобства, не говоря о чрезмерной громоздкости конструкции. Тем не менее, попытки создания сверхвысоких ртутных манометров предпринимались. Мировой рекорд был установлен в Париже, где на базе конструкций знаменитой Эйфелевой башни был смонтирован манометр высотой ртутного столба около 250 м, что соответствует 34 МПа. В настоящее время этот манометр разобран в связи с его бесперспективностью.  

    1.1.2. Жидкостно-поршневые манометры 

    Очень часто к жидкостным манометрам относят  приборы, измерительная система которых хотя и содержит в качестве одного из элементов жидкость, но по принципу действия в корне отличается от жидкостных манометров. К таким приборам относится дифференциальный манометр типа „кольцевые весы" (рис. 3), состоящий из тороидального корпуса 1, внутренняя полость которого в верхней части разделена перегородкой 2, а нижняя часть до половины заполнена жидкостью 4. Таким образом, корпус имеет две измерительные камеры А и Б, в которые через гибкие шланги подаются измеряемые давления p_l и р₂. Корпус может поворачиваться относительно опоры 3, расположенной в его геометрическом центре. К нижней части корпуса прикреплен противовес 5.

    При равенстве давлений в камерах  А и Б корпус прибора располагается в соответствии с рис. 4, а. Если одно из давлений больше другого, например, р₁ > р₂ то под действием разности давлений Δр = p₁ – р₂, воздействующей на перегородку, корпус повернется на определенный угол α, а уровни жидкости внутри корпуса займут положения, соответствующие рис. 4, б. При этом уравнения равновесия измерительной системы принимают вид  

    

, (6) 
 

    

 

    Рис. 3. Дифференциальный манометр типа „Кольцевые весы"

    где F — площадь перегородки (внутренняя площадь поперечного сечения тороида); r₁ — средний радиус тороида; R₂ — расстояние от оси вращения до центра тяжести противовеса; т — масса противовеса; g — ускорение свободного падения; α — угол поворота корпуса. 

    Таким образом, давление определяется массой противовеса, геометрическими параметрами прибора и углом поворота корпуса, а роль заполняющей измерительную систему жидкости сводится к созданию жидкостного затвора между камерами А и Б. Поэтому по виду первичного преобразования - давления в силу, действующую на перегородку, - прибор аналогичен поршневым манометрам.

    Еще в большей мере сказанное относится  к колокольным манометрам, применяемым  в качестве образцовых и эталонных приборов. Основные элементы измерительной системы манометра (рис. 4) : наполовину заполненный водой сосуд 5, цилиндрический колокол 3, подвеска 2 с чашкой 6 для наложения грузов 7, рычаг 1 весового компаратора с указателем положения равновесия 8 и подвески 9 с тарировочным грузом 10. Измеряемое давление подводится под колокол трубкой 4.

    Измерительной камерой прибора является внутренняя полость колокола, ограниченная дном и внутренней поверхностью цилиндрической части колокола и свободной поверхностью жидкости в его нижней части. При проведении измерений камера предварительно сообщается с атмосферным давлением и вес частично погруженного в жидкость колокола уравновешивается тарировочным грузом 10.

    

 

    Рис. 4. Измерительная система манометра 

    Тогда при подаче в камеру измеряемого  давления для сохранения положения  равновесия на чашку 6 необходимо наложить грузы 7, вес которых и является мерой измеряемого давления. При этом давление в камере будет уравновешиваться противодавлением столба жидкости в кольцевом зазоре между наружной поверхностью колокола и внутренней поверхностью сосуда 5. Таким образом, роль жидкости так же, как и в вышеописанном приборе, ограничивается созданием жидкостного затвора для удержания давления в измерительной камере, так как составляющими сил давления на боковую поверхность колокола в вертикальном направлении при условии соблюдения технологии его изготовления можно пренебречь.