СИ давления. Единицы измерения. Виды давлений. Гидростатический манометр.

Давление – физическая величина, определяемая как отношение нормальной составляющей силы, действующей на поверхность, к единице этой поверхности.

От давления зависят многие характеристики веществ (например, плотность, энтальпия) и интенсивность протекания процессов.

Различают абсолютное, избыточное и барометрическое давление.

В системе СИ давление измеряется в [Па]=[Н/м²].

[Па] очень маленькая величина поэтому чаще пользуются производными - бар=100 кПа, или внесистемными – ата, ати,мм.рт.ст.

Средства измерений давления классифицируют по виду измеряемого давления и принципу действия. По виду измеряемого давления средства измерений подразделяют на:

· манометры – для измерения избыточного давления;

· барометры – для измерения атмосферного давления;

· вакуумметры – для измерения вакуума (разрежения);

· напоромеры – для измерений малых избыточных давлений (до 40 кПа);

· тягомеры – для измерений малых разряжений до—40 кПа;

· дифференциальные манометры – для измерений разности давлений.

По принципу действия средства измерений давления подразделяют на: жидкостные,

· деформационные (пружинные),

Гидростатические манометры относятся к приборам абсолютного типа, так как измеряют непосредственно давление. Манометр представляет собой U-образную трубку с жидкостью. Один конец трубки соединен с измеряемым давлением Pизм, другой — с эталонным давлением Рк, равным атмосфере или условному нулю (высокий вакуум) в зависимости от того, открыт или закрыт этот конец.

При открытом конце условие равновесия ртути в двух коленах имеет вид Pизм=h+Pк, где h -столба ртути. Отсюда

Неудобство манометра с открытым концом — обратная зависимость Ратм от h и связь показаний с переменным атмосферным давлением. При закрытом конце условие равновесия имеет вид Ратм = h +Рупр, где Рупр — упругость паров ртути; следовательно,

Ратм ≈ h

Деформационные манометры

Принцип действия деформационных СИ давления основан на использовании упругой деформации чувствительного элемента (ЧЭ). В зависимости от конструкции ЧЭ различают мембранные, сильфонные и пружинные (трубчатые) манометры.

Трубчатые пружины. Трубчатая пружина (манометрическая трубка, пружина Бурдона) – представляет собой изогнутую по дуге трубку с овальным поперечным сечением.Один конец трубки открыт и закреплен, а другой запаян и имеет возможность свободно перемещаться. Под влиянием поданного избыточного давления трубка раскручивается.

Основной недостаток рассмотренных пружин – малый угол поворота, что требует применения передаточных механизмов. Иногда используют многовитковые пружины.

Трубчатые пружины для давлений до 5 МПа изготавливают из латуни, томпака, бронзы.Для изготовления пружин, рассчитанных на давления свыше 5 МПа, применяют легированные сплавы, стали различных составов.

Технические манометры (серии МТ) изготавливаются с диаметрами шкалы 63, 100, или 160 мм и предназначены для измерений давления до 2,4 МПа с классом точности 1,5. Класс точности манометров задается, как правило, приведенной погрешностью.

Трубчатые манометры выбирают так, чтобы измеряемая величина находилась в пределах (0,6 – 0,75)Р_max.

Сильфон — тонкостенный (0,1—0,3 мм) гофрированный металлический стакан. В пределах линейности статической характеристики сильфона отношение действующей на него силы к вызванной ею деформации остается постоянным и называется жесткостью сильфона. Для увеличения жесткости внутри сильфона часто помещают пружину. Сильфоны изготовляют из бронзы различных марок, нержавеющей стали, алюминиевых сплавов и др.

Мембрана -гибкая круглая плоская или гофрированная пластина, способная деформироваться под действием давления. Статическая характеристика плоских мембран изменяется нелинейно с увеличением давления, поэтому в качестве рабочего участка используют небольшую часть возможного хода. Гофрированные мембраны могут применяться при больших прогибах, чем плоские, так как имеют значительно меньшую нелинейность характеристики. Чем больше глубина гофр, тем выше линейность статической характеристики. Мембраны изготовляют из различных марок стали, бронзы, латуни и т. д.

19.Измерение разности давлений и требование к установке манометров.

Требования к установке СИ давления и перепада давлений.

При установке СИ давления необходимо выполнять следующие требования:

· отсутствие воздействия на ЧЭ вибраций и ударов,

· отсутствие влияния на ЧЭ температуры,

· отбор давления должен производиться таким образом, чтобы на ЧЭ не действовал скоростной напор,

· отсутствие контакта ЧЭ с агрессивной средой,

· при подключении дифманометра должна отсутствовать возможность разрушения ЧЭ, для чего используется специальная схема подключения.

· Дифманометры. В дифманометрах на ЧЭ действуют два давления в противоположных направлениях. Особенностью работы является то, что измеряемый перепад давлений может быть значительно меньше подводимых давлений Р1 и Р2. Поэтому в характеристиках ДМ кроме диапазона измерений ополнительно указывают рабочее давление – давление, на которое рассчитан корпус прибора. Кроме того, большее давление всегда подают в одну и ту же камеру, которая называется «плюсовой».

· Жидкостный ДМ представляет собой U – образную трубку.

· Преимущества – простота конструкции, наглядность показаний.

· Недостатки – только для газов, малые рабочие давления, невозможность передачи информации на расстояние.

· Метрологическое обеспечение СИ давления.

· Основу метрологического обеспечения составляют государственные эталоны, в качестве которых используют жидкостные и грузопоршневые манометры. В жидкостных в качестве рабочей среды используют воду или ртуть. Погрешность составляет 0,3%.

· Принцип действия грузопоршневых манометров основан на уравновешивании усилия, создаваемого измеряемым давлением, силой тяжести груза, нагружающего поршень. Между поршнем и корпусом имеется зазор 1 – 3 мкм, заполненный рабочей средой (маслом). Диапазон измерений до 500 МПа (без мультипликатора). Классы точности от 0,02 до 0,2.

· В качестве образцовых используют также манометры с трубкой Бурдона. Но в них увеличено отношение предела пропорциональности к пределу измерений до 2 – 4 (в рабочих это отношение – 1,5 - 2). Классы точности от 0,15 до 0,4.

· 20.Измерения температуры. Теоретические основы. Классификация СИТ, МТШ.

Температурой называют физическую величину, характеризующую степень нагретости тела. Практически все технологические процессы (интенсивность протекания) и свойства веществ зависят от температуры.

В отличие от таких физических величин, как длина, масса и др. температура является интенсивной (активной) величиной и не обладает свойством аддитивности. Поэтому не представляется возможным создание эталона температуры, подобно тому, как создаются эталоны экстенсивных величин.

Измерять температуру можно только косвенным путем, основываясь на зависимости от температуры таких физических свойств тел, которые поддаются непосредственному измерению. Эти свойства тел называют термометрическими. К ним относят длину, объем, плотность, термоЭДС, электрическое сопротивление и т. д. Вещества, характеризующиеся термометрическими свойствами, называют термометрическими. Средство измерений температуры называют термометром.

Температурные шкалы

Температурной шкалой называют конкретную функциональную числовую связь температуры со значениями измеряемого термометрического свойства. Построение температурной шкалы возможно на основе выбора любого термометрического свойства. В то же время нет ни одного термометрического свойства, которое линейно изменяется с изменением температуры и не зависит от других факторов в широком интервале измерения температур.

Первые шкалы появились в XVIII в. Для их построения выбирались две опорные, или реперные точки t ₁и t ₂, представляющие собой температуры фазового равновесия чистых веществ. Разность температур t ₁– t ₂ называют основным температурным интервалом.

Фаренгейт (1715 г.), Реомюр (1776 г.) и Цельсий (1742 г.) при построении шкал основывались на допущении линейной связи между температурой t и термометрическим свойством, в качестве которого использовалось расширение объема жидкости V.

В шкалах Фаренгейта, Реомюра и Цельсия точке плавления льда t ₁ соответствовали +32, 0 и 0, а точке кипения воды t ₂ – 212, 80 и 100. Основной интервал t ₁ - t ₂ в этих шкалах делится соответственно на N= 180, 80 и 100 равных частей, и 1/N часть каждого из интервалов называют градусом Фаренгейта –⁰F, градусом Реомюра –⁰Rи градусом Цельсия –⁰C. Таким образом, для шкал, построенных по указанному принципу, градус не является единицей измерения, а представляет собой единичный промежуток – масштаб шкалы.

Термодинамическая шкала температур основана на использовании второго закона термодинамики. В соответствии с этим законом коэффициент полезного действия тепловой машины, работающей по обратимому циклу Карно, определяется только температурами нагревателя Т_Н и холодильника Т_Х и не зависит от свойств рабочего вещества, т. е.

где Q _H и Q _x– соответственно количество теплоты, полученное рабочим веществом от нагревателя и отданное холодильнику.

Следовательно, используя один объект в качестве нагревателя, а другой – в качестве холодильника и проводя между ними цикл Карно, можно определить отношение температур объектов путем измерения отношения теплоты, взятой от одного объекта и отданной другому. Полученная шкала температур не зависит от свойств рабочего (термометрического) вещества и называется абсолютной шкалой температур. Чтобы абсолютная температура (а не только отношение) имела определенное значение, было предложено принять разность термодинамических температур между точками кипения воды Т_кв и таяния льда Т_ТЛ, равной 100°. Принятие такого значения разности преследовало цель сохранения преемственности числового выражения термодинамической температурной шкалы от стоградусной температурной шкалой Цельсия.

Если в выражение, описывающее газовый закон Гей-Люссака:

P_t = P₀(1+at) = P₀ (a^-1+t)

где Р₀– давление при t=0°C;

α – температурный коэффициент давления,

подставить значение температуры, равное – α^-1, то давление газа P_t станет равным нулю. Естественно предположить, что температура t= α^-1, при которой обеспечивается предельное минимальное давление газа, сама является минимально возможной, и по абсолютной шкале Кельвина принята за нуль.

Из закона Бойля – Мариотта известно, что для газов температурный коэффициент давления α численно равен температурному коэффициенту объемного расширения β. Экспериментально было найдено, что для всех газов при давлениях, стремящихся к нулю, в интервале температур 0 – 100°С температурный коэффициент объемного расширения β = 1/273,15.

Таким образом, нулевое значение абсолютной температуры соответствует – 273,15°С. Температура таяния льда по абсолютной шкале составит Т₀=273,15 К.

Термодинамическая шкала температур, основанная на двух реперных точках (температура таяния льда и кипения воды), обладала недостаточной точностью измерения. Практически трудно воспроизвести температуры указанных точек, так как они зависят от изменения давления, а также от незначительных примесей в воде. Кельвин и независимо от него Д. И. Менделеев высказали соображения о целесообразности построения термодинамической шкалы температур по одной реперной точке.

В 1948, 1960, 1968 и 1990 гг. в положения о международной температурной шкале был внесен ряд уточнений и дополнений, так как на основе усовершенствованных методов измерений были обнаружены отличия этой шкалы от термодинамической, особенно в области высоких температур, а также в связи с необходимостью продлить температурную шкалу до более низких температур. В настоящее время действует усовершенствованная шкала под названием «международная температурная шкала 1990» (МТШ—90), которая была принята Международным комитетом мер и весов на сессии в 1989 г.

МТШ - 90 охватывает область от 0,65 К до наивысшей, практически доступной измерению в соответствии с законом Планка. В качестве реперных точек приняты:

· тройная точка водорода (13,8 К),

· тройная точка кислорода (54,36 К),

· тройная точка воды (273,16)

· точка затвердевания индия (429,75 К)

· точка затвердевания цинка (692,67 К)

· точка затвердевания серебра (1234,9 К),

· точка затвердевания золота (1337,3 К) и другие.

По сравнению с МПТШ₆₈новая шкала в среднем уточнена от 0,01 (при температуре от 20К до 500 С) до 2 К (при температуре долее 2000 С)

Классификация средств измерений температуры. В зависимости от используемого термометрического свойства СИ температуры делят на:

· Термометры расширения,

· Манометрические термометры,

· Термоэлектрические преобразователи,

· Термопреобразователи сопротивлений,

· Пирометры.

Манометрические термометры.

Манометрические термометры. Принцип действия манометрических термометров основан на зависимости давления рабочего (термометрического) вещества в замкнутом объеме (термосистеме) от температуры. В соответствии с агрегатным состоянием рабочего вещества в термосистеме манометрические термометры подразделяют на газовые, жидкостные и конденсационные (парожидкостные).

Манометрические термометры применяют для измерения температур от минус 150 до +600°С.

Термосистема термометра состоит из термобаллона 1, капилляра 2 и манометрической пружины 3. Чувствительный элемент термометра (термобаллон) погружается в объект измерения, и термометрическое вещество в термобаллоне достигает температуры измеряемой среды. При изменении температуры рабочего вещества в термобаллоне изменяется давление, которое через капиллярную трубку передается на пружинный манометр, являющийся измерительным прибором манометрического термометра.

Термобаллон представляет собой цилиндр, изготовленный из латуни или специальных сталей, стойких к химическому воздействию измеряемой среды. Геометрические размеры термобаллона зависят от типа термометров и от задач измерения. Так, диаметр термобаллона находится в пределах 5—30 мм, а его длина 60—500 мм. Капилляр, соединяющий термобаллон с манометрической пружиной, представляет собой медную или стальную трубку с внутренним диаметром 0,1—0,5 мм. Длина капиллярной трубки в зависимости от эксплуатационных требований может быть от нескольких сантиметров до 60 м.

Газовые манометрические термометры. Предназначены для измерения температуры от минус 150 С до плюс 600 ⁰С. Термометрическим веществом здесь служат гелий или азот. Принцип работы этих термометров основан на использовании закона Гей-Люссака:

Теоретически линейная связь между P_t и t строго не сохраняется для реальных систем. Эго связано с тем, что с изменением температуры изменяется объем термобаллона и с изменением давления изменяется объем манометрической пружины. В то же время эти изменения незначительны, и практически можно считать, что шкалы газовых манометрических термометров равномерны.

Объем термобаллонаV_т в газовых манометрических термометрах не зависит ни от рабочего давления, ни от пределов измерения температуры. Однако если при измерении температура, окружающая капилляр и манометрическую пружину, отличается от температуры при градуировке, то возникает дополнительная погрешность. Для уменьшения этой погрешности стремятся уменьшить отношение (У_П +V_K)/V_T (где V_п и V_к – внутренние объемы пружины и капилляра), увеличивая размер термобаллона. Поэтому для газовых манометрических термометров характерны большие размеры термобаллоиов (диаметр 20 – 30 мм, а длина 250 – 500 мм) и их значительная инерционность.

Погрешность от температуры окружающей среды часто компенсируют путем установки биметаллической пластины 4, расположенной между манометрической пружиной и указателем.

Жидкостные манометрические термометры. В качестве термометрического вещества здесь используется ртуть под давлением 10—15 МПа при комнатной температуре или толуол, ксилол, пропиловый спирт, силиконовые жидкости при давлении 0,5 ÷ 5 МПа. При ртутном заполнении диапазон измерений лежит в пределах от минус 30 до +600°С, а для органических жидкостей 150 ÷ 300°С.

Ввиду того, что жидкость практически несжимаема, объем термобаллона в жидкостных манометрических термометрах, в отличие от газовых, должен быть согласован со свойствами используемой манометрической пружины.

При изменении температуры в диапазоне от начальной t_H до конечной t_K из термобаллона объемом V_T вытесняется жидкость объемом ΔV_T:

 

где β_ж – температурный коэффициент объемного расширения жидкости; α – коэффициент линейного расширения материала термобаллона.

В жидкостных манометрических термометрах, как и в газовых, имеет место погрешность от изменения температуры окружающей среды. Для компенсации указанной погрешности, как для жидкостных, так и для газовых манометрических термометров, используют инварный компенсатор. Действие этого компенсатора основано на том, что в капиллярную трубку помещается проволока из инвара и рабочее вещество оказывается в кольцевом зазоре между проволокой и стенкой капилляра. Диаметр проволоки выбирают таким, чтобы при повышении температуры в капилляре приращение кольцевого зазора было тем же, что и приращение объема жидкости в зазоре.

Манометрическим жидкостным термометрам свойственна гидростатическая погрешность, вызванная различным расположением манометра относительно термобаллона по высоте. Эта погрешность может быть устранена после монтажа прибора путем смещения указателя прибора на нужное значение по шкале.

Конденсационные манометрические термометры. В качестве термометрического вещества в этих термометрах используются легкокипящие жидкости, в частности пропан, этиловый эфир, ацетон, толуол, хлористый метил и т. п. В зависимости от используемого рабочего вещества диапазон измерений лежит в интервале от минус 50 до 350 ⁰С. Термобаллон термометра заполнен конденсатом примерно на 0,7 – 0,75 объема, а над конденсатом находится насыщенный пар этой же жидкости. Капилляр в этих термометрах опущен в термобаллон так, чтобы его открытый конец находился в жидкости. Капилляр и манометрическая пружина заполняются обычно высококипящей жидкостью, которая сложит для передачи давления от термобаллона к манометрической пружине.

Принцип работы конденсационных термометров основан на зависимости давления Р насыщенного пара низкокипящих жидкостей от температуры Т:

где L – скрытая теплота испарения; V_п и V_ж – удельные объемы соответственно пара и жидкости.

Зависимость давления насыщенного пара от температуры однозначна (до критической температуры), но нелинейна, вследствие чего шкалы конденсационных термометров имеют значительную неравномерность. Для получения равномерной шкалы конденсационные термометры снабжают специальным линеаризующим устройством. Рабочее давление в конденсационных термометрах зависит только от пределов измерения и закона изменения давления насыщенного пара от температуры.

В связи с тем, что давление в термосистеме зависит только от измеряемой температуры, изменение температуры окружающей среды не оказывает влияния на показания прибора. Конденсационным термометрам присущи гидростатическая погрешность и погрешность от изменения барометрического давления. Первая из этих погрешностей компенсируется аналогично жидкостным манометрическим термометрам, а вторая имеет место лишь на начальном участке шкалы, когда давление в термосистеме невелико.

Манометрические термометры достаточно простые устройства, позволяющие осуществлять автоматическую регистрацию измерений и передачу показаний на расстояние. Важное достоинство этих термометров – возможность использования их на взрывоопасных объектах.

К их недостаткам относят необходимость частой поверки из-за возможной разгерметизации прибора и сложность ремонта, а также большие во многих случаях размеры термобаллона для газовых манометрических термометров.

Манометрические термометры, используемые в промышленности, имеют классы точности 1 – 4.