Приборы измерения давления

Введение

        Давление  является одним из важнейших параметров химико-технологических процессов. От величины давления часто зависит правильность протекания процесса химического производства. Под давлением в общем случае понимают предел отношения нормальной составляющей силы к площади, на которую действует сила. При равномерном распределении сил давление равно частному от деления нормальной составляющей силы давления на площадь, на которую эта сила действует. Величина единицы давления зависит от выбранной системы единиц.

           Различают абсолютное и избыточное давление. Абсолютное давление Pа — параметр состояния вещества (жидкостей, газов и паров). Избыточное давление ри представляет собой разность между абсолютным давлением Pа и барометрическим давлением Рб (т. е. давлением окружающей среды):

         Ри = Ра — Рб.

Если  абсолютное давление ниже барометрического, то

         РВ = Рб — Ра,

где Pв — разрежение.

     Единицы измерения  давления: Па (Н/м2); кгс/см2; мм вод. ст.;

мм рт.ст.

Целью моей работы является изучение приборов для измерения давлений. Задача – рассмотреть основные характеристики и виды барометров, манометров и вакуумметров.

 

Глава 1. Барометры

Основные характеристики

Барометр (от греческих слов «тяжесть» и «измеряю») – это прибор для измерения атмосферного давления, а поскольку погода на улице связана с атмосферным давлением, то можно смело говорить о барометре, как о предсказателе погоды. Изобретен барометр был еще в 1644 году итальянцем, учеником Галилея, Эванджелистом Торричелли. И вот уже несколько веков барометр с успехом используется в различных отраслях науки и техники, а также в быту.

Принцип работы барометра заключается в измерении давления земной атмосферы (Хотя почему же только земной? Если на другой планете есть атмосфера, которая давит на поверхность планеты, то почему бы это давление тоже не измерить с помощью барометра? Но это, как говорится, совсем другая тема…). Толща атмосферы, а это десятки километров, давит на все тела, и это давление как раз и измеряет барометр. А по изменению барометрического давления можно судить о предстоящем изменении погоды. Как правило эти изменения происходят несколько раньше, чем меняется погода, поэтому можно заранее предсказать, будет ли завтра моросить дождик (преобладание областей низкого давления – циклоны) или светить яркое солнце (области высокого давления – антициклоны).

Барометры бывают жидкостные и анероиды (т.е. безжидкостные). И принцип их работы в целом одинаков. Только в первом случае барометрическое давление фиксируется по изменению в сосуде уровня жидкости, на которую давит атмосфера, а во втором – по деформации герметичного металлического гофрированного контейнера, в котором создано разряжение. При повышении атмосферного давления контейнер немного сжимается, а при понижении – распрямляется. Изменение геометрии контейнера через рычажную систему передается на стрелку.

В быту в основном используют барометр анероид, т.к. он более компактен. Но более точными считаются жидкостные, а именно, ртутные барометры. Недаром измерение атмосферного давления проводится в эквиваленте высоты столбика ртути в ртутном барометре. Вы, наверное, не раз слышали в прогнозе погоды, что атмосферное давление составляет столько-то миллиметров ртутного столба. Даже если измерения проводились с помощью барометра-анероида, то его показания все равно указываются в эквиваленте столбика ртутного барометра. Несмотря на введение международной метрической системы измерений, гектопаскали так и не смогли прижиться для определения значений атмосферного давления, как, впрочем, и бары, и старые добрые миллиметры ртутного столба используются по настоящий день.

С помощью показаний барометра можно не только предсказывать погоду, но и определять высоту над поверхностью земли. Поскольку с ростом высоты уменьшается давление атмосферы, то, зная величину падения барометрического давления на разных высотах, с помощью барометра можно определять высоту над поверхностью земли.

Ртутный барометр

Ртутный барометр показывает атмосферное давление как высоту ртутного столба, которую можно измерить по прикрепленной рядом шкале. В простейшем виде (рис. 1) он представляет собой наполненную ртутью стеклянную трубку длиной ок. 80 см, запаянную на одном конце и открытую с другого, погруженную открытым концом в чашку (иногда называемую цистерной) со ртутью. В барометрической трубке нет воздуха, и пространство в ее верхней части называется торричеллиевой пустотой.

Рис.1. Ртутный барометр.

Чтобы сделать ртутный барометр, нужно сначала наполнить трубку ртутью. Затем, закрыв открытый конец трубки, погрузить его в ртуть, находящуюся в чашке. Стоит отнять преграду с погруженного конца трубки, как ртуть в трубке опустится настолько, что давление ее столба уравновесится атмосферным давлением, действующим на поверхность ртути в чашке. После этого атмосферное давление можно измерить как высоту h столба ртути, который оно уравновешивает. При изменении атмосферного давления высота столба будет изменяться. Среднее атмосферное давление равно 760 мм рт.ст. (1 мм рт.ст. = 133,3 Па).

Барометр-анероид

В анероиде (рис. 2) жидкости нет (греч. «анероид» – «безводный»). Он показывает атмосферное давление, действующее на гофрированную тонкостенную металлическую коробку, в которой создано разрежение. При понижении атмосферного давления коробка слегка расширяется, а при повышении – сжимается и воздействует на прикрепленную к ней пружину. На практике часто используется несколько (до десяти) анероидных коробок, соединенных последовательно, и имеется рычажная передаточная система, которая поворачивает стрелку, движущуюся по круговой шкале, проградуированной по ртутному барометру. Как и у сифонного ртутного барометра (рис. 1), на шкале анероида могут быть сделаны надписи («дождь», «переменно», «ясно», «очень сухо»), указывающие на погодные условия.

Рис.2. Барометр-анероид.

Анероид меньше ртутного барометра, и его показания легче снимать. Им можно пользоваться в экспедиционных условиях, на морских судах, самолетах и пр. Если к его стрелке прикрепить перо, то он будет записывать показания. Такие барографы, т.е. анероиды, регистрирующие барометрическое давление, имеются на всех метеостанциях.

Глава 2. Манометры

Основные характеристики

При проектировании и эксплуатации систем отопления наиболее важным показателем и параметром является давление теплоносителя. При нормальном давлении, находящемся в пределах гидравлического графика, рабочий процесс идет без нарушений, теплоноситель доходит до самых отдаленных точек системы отопления. При превышении давления выше критической точки возникает опасность разрыва трубопроводов. При понижении давления ниже допустимого возникает угроза кавитации – образования пузырьков воздуха, приводящих к коррозии и разрушению трубопроводов. Для того, чтобы удерживать показатели давления на требуемом уровне, нужно постоянно за ними наблюдать. Именно для этого и применяются манометры – приборы, которые это самое давление измеряют.

Основная классификация манометров ведется по критерию принципа измерения давления. Применение какого-либо конкретного из видов манометров обуславливается особенностями технологического процесса, сферой использования, а также возможностью применения в тех или иных условиях. Всего имеется пять видов данных приборов:

- жидкостные манометры;

- пружинные манометры;

- мембранные манометры;

- электроконтактные манометры (ЭКМ);

- дифференциальные манометры.

Жидкостные манометры

Из всех приведенных выше видов приборов для измерения давления самыми простыми являются жидкостные манометры. Они представляют собой U-образную стеклянную трубку, заполненную до половины жидкостью и снабженной шкалой обычно в миллиметрах и паскалях. Уровень жидкости в трубке обязательно должен находиться напротив нулевой отметки шкалы. Если один конец трубки соединить с местом измерения давления газа, а второй конец трубки оставить открытым, то жидкость в первой трубке опустится, а во второй – поднимется. Разность уровней жидкостей относительно нуля будет величиной, определяющей давление в миллиметрах столба жидкости. Причем площадь сечения трубки никоим образом не будет влиять на показания прибора. Жидкостные U-образные манометры применяются для измерения низкого давления с диапазонами показаний 100, 160, 250, 400, 600 и 1000 миллиметров столба жидкости. При заполнении трубки водой отсчет ведется в миллиметрах водяного столба (мм в.ст.), ртутью – в миллиметрах ртутного столба (мм рт.ст.). При заполнении жидкостных U-образных ртутных манометров необходимо поверх ртути в обе трубки налить 8-10 мм воды или технического масла во избежание попадания паров ртути в помещение.

Рис. 3. Жидкостный манометр

 

Пружинные манометры

Наиболее широкое применение среди приборов для измерения давления нашли пружинные манометры. Их достоинства в том, что они просты по конструкции, надежны и пригодны для измерения давления среды в широком диапазоне от 0,01 до 400 МПа (от 0,1 до 4000 бар).

Чувствительным элементом пружинного манометра является полая изогнутая трубка эллипсоидного или овального сечения, деформирующаяся под действием давления. Один конец трубки запаян, а второй соединен со штуцером, через который соединяется со средой, в которой измеряется давление. Закрытый конец трубки соединен с передаточным механизмом, смонтированным на стойке, который состоит из поводка, зубчатого сектора, шестеренки с осью и стрелки манометра. Для устранения мертвого хода между зубцами сектора и шестеренки служит спиральная пружина. Шкала проградуирована в единицах давления (паскаль или бар) и стрелка показывает непосредственную величину избыточного давления измеряемой среды. Механизм манометра помещен в корпус. Измеряемое давление поступает внутрь трубки, которая под действием этого давления стремится распрямиться, так как площадь наружной поверхности больше площади поверхности внутренней. Перемещение свободного конца трубки через передаточный механизм передается стрелке, которая поворачивается на определенный угол. Между измеряемым давлением и деформацией трубки существует прямолинейная зависимость и стрелка, отклоняясь относительно шкалы манометра, показывает величину давления.

 

Рис.4. Пружинный манометр.

 

К пружинным манометрам для обеспечения их нормального функционирования предъявляются следующие требования:

- ежегодно манометр должен  подвергаться государственной или  ведомственной поверке;

- на стекле или корпусе  манометра обязательно должно  быть клеймо с указанием даты  прохождения поверки. Просрочка  клейма не допускается;

- корпус манометра не  должен иметь видимых механических  повреждений, стекло манометра должно  быть без трещин, препятствующих  обзору показаний прибора;

- на шкале манометра  или на его корпусе красной  краской либо лентой должно  быть указано значение шкалы, соответствующее максимальному  рабочему давлению;

- стрелка манометра при  посадке на «0» должна показывать  нулевое значение, не отклоняясь  более чем на половину погрешности  прибора;

- работающий манометр  должен проходить периодическую  проверку с помощью контрольного  манометра (1 раз в 6 месяцев) и ежедневную  проверку посадкой на «0».

Пружинные манометры выбирают таким образом, чтобы показание рабочего давления находилось во второй трети шкалы. Класс точности манометров должен быть 2,5 для рабочего давления до 25 бар, 1,5 – для давления более 25 бар.

 

Мембранные манометры

Как измерить давление жидкости на поверхность твердого тела, например давление воды на дно стакана? Конечно, дно стакана деформируется под действием сил давления, и, зная деформацию, мы могли бы определить вызвавшую ее силу и рассчитать давление; но эта деформация настолько мала, что измерить ее непосредственно практически невозможно. Так как судить по деформации данного тела о давлении, оказываемом на него жидкостью, удобно лишь в том случае, когда деформации достаточно велики, то для практического определения давления жидкости пользуются специальными приборами — манометрами, у которых деформации сравнительно велики и легко измеримы.

Простейший мембранный манометр устроен следующим образом (рис.5). Тонкая упругая пластинка 1 — мембрана — герметически закрывает пустую коробку 2. К мембране присоединен указатель 3, вращающийся около оси . При погружении прибора в жидкость мембрана прогибается под действием сил давления, и ее прогиб передается в увеличенном виде указателю, передвигающемуся по шкале. Каждому положению указателя соответствует определенный прогиб мембраны, а следовательно, и определенная сила давления на мембрану. Зная площадь мембраны, можно от сил давления перейти к самим давлениям. Можно непосредственно измерять давление, если заранее проградуировать манометр, т. е. определить, какому давлению соответствует то или иное положение указателя на шкале. Для этого нужно подвергнуть манометр действию известных давлений и, замечая положение стрелки указателя, проставить соответственные цифры на шкале прибора. В дальнейшем мы познакомимся и с другими типами манометров.

Рис5. Схема устройства мембранного манометра

 

Электроконтактные манометры

Электроконтактный манометр  – это прибор, который применяется для замеров избыточного давления различных рабочих сред (жидкости и газы), при этом главным критерием к рабочей среде является исключение ее кристаллизации.  Электроконтактные манометры обеспечивают срабатывание группы контактов для нижнего или верхнего построечного предела, в случае перехода давления среды через метки (стрелки пределов), установленных на манометре.  В итоге, в зависимости от типа манометра контакты размыкаются или замыкаются. В результате данные коммутационные режимы можно использовать для управления. В зависимости от типа манометры могут быть использованы следующие контактные группы, перечисленные в абзаце далее.