Технические основы метрологического обеспечения

     где Рg – динамическое давление (напор), Па;

     r - плотность движущегося газа (жидкости), кг/м3;

     v – скорость движущегося потока, м/с.

     Полное  давление движущейся среды слагается  из статического Рст и динамического Рд давлений:

     Р = Рст + Рд

     Давление  является важнейшим параметром, характеризующим  протекание процессов при эксплуатации ВВТ. Использование давления в широком  диапазоне вызывает необходимость  применения разнообразных средств  измерения.

     Для измерения давления и разрежения используются приборы:

     1.  барометры – приборы, измеряющие атмосферное давление;

     2.  манометры – приборы, измеряющие избыточное давление;

     3.  вакуумметры – приборы, измеряющие разрежение;

     4.  напоромеры – приборы, измеряющие малые избыточные давления;

     5.  тягомеры – приборы, измеряющие малые разрежения (до 40кПа);

     6.  тягонапоромеры – приборы, измеряющие малые давления и разрежения (+20 ¸ - 20 кПа);

     7.  дифференциальные манометры – приборы, измеряющие разность давлений в двух точках.

     По  принципу действия приборы для измерения  давления подразделяются на:

     жидкостные  – измеряемое давление уравновешивается давлением столба жидкости;

     деформационные  – измеряемое давление определяется значением деформации различных  упругих элементов или значением  развиваемой ими силы. Деформационные приборы широко применяются для  измерения давления и его перепадов  благодаря своей портативности, простоте и большому диапазону измерения  – от нескольких Па до ГПа. В качестве упругих элементов используют трубчатые  пружины, мембраны, сильфоны и др. устройства.

     грузопоршневые – измеряемое давление уравновешивается давлением, создаваемым массой поршня или дополнительного груза;

     электрические – измеряемое давление определяется по изменению электрических свойств  некоторых материалов при воздействии  на них давления.

     компрессионные;

     термокондуктометрические.

     А. Жидкостные средства измерения давления.

     Жидкостные  приборы отличаются простотой устройства при относительно высокой точности измерения. Их действие основано на уравновешивании  внешнего давления столбом затворной (рабочей) жидкости, в качестве которой  используют воду, ртуть, спирты, масла.

     а) – U-образный; б) – U-образный двухжидкостный; в) – с наклонной трубкой (микроманометр); г) колокольный.

     Простейшим  прибором для измерения давления или разности давлений является двухтрубный U-образный манометр. По разности столбов  жидкости в двух трубках манометра  – h определяют давление по формуле

     Р = r . g . h (1)

     где Р –измеряемое давление, Па;

     r - плотность жидкости, кг/м3;

     g – ускорение силы тяжести, м/с2;

     h – разность уровней жидкости, м.

     Верхний предел измерения таких манометров составляет 1 – 10 кПа. При этом погрешность  не превышает 2%.

     U – образные манометры могут  быть и двухжидкостными. При этом используются близкие по плотности две несмешивающиеся жидкости, например вода и толуол. Плотность легкой жидкости (толуол, r1=884 кгс/м3), а более тяжелой (воды) r2=1000 кгс/м3. Разность между менисками более тяжелой жидкости, находящейся внизу, при оказании давления (разрежения) на одну из трубок манометра - h, замеряется и выражается в метрах. Тогда давление определяется по формуле:

     Р = gh(r2-r1) (2)

     Подбирая  плотности двух несмешивающихся  жидкостей, можно измерять большие  давления и делать меньшие ошибки в отсчете.

     Для более точного определения малых  давлений используют жидкостной манометр с наклонной трубкой (микроманометр) под различными углами a. При этом определяется по шкале наклонной  трубки длина L, заполненная жидкостью, от нулевой точки и переводится  в высоту h по вертикали

     h = L.sina   (3)

     Точность  отсчетов наклонных манометров повышается по сравнению с вертикальными в 1/sina раз. Так, если a=5040’, то sin 5040’@ 0,1, тогда h = L/10, т.е. в этом случае представляется возможность произвести отсчет в 10 раз точнее, чем в обычном одножидкостном манометре.

     Все вышеописанные манометры широко используются в основном в лабораторной практике.

     Б. Деформационные средства измерения  давления

     Работа  деформационных манометров основана на уравновешивании давления среды  силами, возникающими при упругой  деформации различного рода упругих  элементов. Эта деформация в виде линейных или угловых перемещений  передается показывающей или самопишущей  части манометра. Одновременно она  может быть преобразована в электрический  или пневматический сигнал для дистанционной  его передачи на вторичные средства контроля.

     В деформационных приборах в качестве чувствительных элементов используются трубчатые пружины, упругие мембраны, сильфоны.

     Трубчатые (пружинные) приборы относятся к  наиболее распространенным приборам измерения  давления.

     Основной  деталью их является согнутая по дуге трубка (пружина). Один конец ее соединен с пространством, где измеряется давление, другой конец трубки запаян. В сечении трубка имеет элипсовидную форму (U), которая под действием измеряемого давления газа или жидкости стремиться к окружности. В металле возникают механические напряжения, приводящие к деформации пружины (трубки). При подаче на вход прибора избыточного давления трубка разжимается, а при подаче разряжения - сжимается. При этом свободный конец трубки, изменяя свое положение, через передаточный механизм перемещает стрелку по шкале.

     Перемещения свободного конца незначительны (до 8-100). Стрелка же прибора вращается  при этом за счет передаточного механизма  от 0 до 2700. Наиболее распространенными  приборами такого типа являются манометры  ОБМ, МОШ и МТ, которые применяются  для измерения избыточных давлений жидких и газообразных сред. Специальные манометры: АМ (аммиачный), МК (кислородный).

     Трубчатые приборы изготавливаются и используются для измерения вакуума. Трубчатый  вакуумметр конструктивно аналогичен манометру. Отличие состоит только в шкале и направлении перемещения  стрелки. В вакуумметрах оно может  происходить как по часовой стрелке, так и против. Мановакууметры имеют шкалу с нулем в средней части. Шкала, расположенная слева от нуля, служит для измерения вакуума, а шкала, расположенная справа, - для измерения избыточного давления.

     Диапазон  измерений манометров от 100 кПа до 1000 МПа, вакуумметров от минус 0,1 МПа до 0 МПа.

     Сильфон представляет собой тонкостенный металлический  стакан с гофрированными стенками. Иногда внутри сильфона помещают пружину (многовитковая трубчатая пружина) для усиления его жесткости. Тогда  эти приборы называются трубчато-сильфонные.

     Сильфоны  изготовляют из бронзы различных  марок, углеродистой стали, нержавеющей  стали, алюминиевых сплавов и  др. Серийно производят бесшовные  и сварные сильфоны диаметром  от 8-10 до 80-100 мм и толщиной стенки 0,1-0,3 мм.

     Под действием давления сильфон деформируется и дно его поднимает шток, жестко связанный с рычагом, который через передаточный механизм воздействует на стрелку. Сильфонные манометры изготовляются для измерения избыточного давления от 0,025 до 0,4 МПа (@0,25-4,0 атм).

     Мембранные  приборы имеют в качестве чувствительного  элемента мембрану. Мембраны могут  быть упругими и эластичными (вялыми).

     Упругая мембрана - круглая, плоская или гофрированная  пластина, изготовленная из различных  марок стали, бронзы, латуни. Прогиб под действием избыточного давления плоских мембран изменяется не линейно  с увеличением давления, поэтому  у манометров с такими мембранами используется небольшая часть возможного прогиба мембраны. Гофрированные  мембраны могут применяться при  больших прогибах, чем плоские, так  как имеют значительно меньшую  нелинейность характеристики. На линейность характеристики оказывает существенное влияние глубина гофр. Чем больше глубина гофр, тем линейность статической  характеристики выше. При необходимости  получения большего прогиба с  линейной характеристикой используют соединения мембран в виде мембранных коробок или блоки, собранные  из нескольких мембранных коробок.

     Эластичная  мембрана - зажатый между фланцами плоский или гофрированный диск, выполненный из прорезиненной ткани, тефлона и др. Эластичные мембраны также имеют небольшой ход (до 10 %), на котором характеристика их линейна.

     Мембранные  приборы, у которых мембраны покрыты  слоем из химически стойкого материала, могут использоваться для измерения  давления и разряжения в агрессивных  средах.

     Мембранные  приборы применяются в основном для измерения небольших давлений и разрежений в качестве напоромеров, тягомеров и тягонапоромеров. Максимальный диапазон измерения напоромеров 0…2,5 МПа, тягомеров от -0,1 до 0 МПа.

     В. Электрические средства измерения  давления

     Все электрические средства измерения  давления и разрежения являются преобразователями  давления в какую-либо электрическую  величину и изменение ее при изменении  давления. Например: изменение сопротивления, электродвижущей силы, индуктивности  и др. Таким образом, измерительный  преобразователь вырабатывает сигнал измерительной информации в форме, удобной для передачи, дальнейшего  преобразования, но не поддающийся  непосредственному восприятию наблюдателем. Чтобы наблюдатель получил сигнал для непосредственного восприятия, необходимо иметь прибор для замера сопротивления (логометр, электрический  мост), электродвижущей силы (потенциометр, милливольтметр) и др.

     К числу электрических средств  измерения давления можно отнести пьезометрические (пьезоэлектрические), индукционные и тензометрические. В пьезометрических приборах используется пьезометрический эффект, под которым понимают появление электрических зарядов на поверхности ряда кристаллических диэлектриков при их деформации.

     В индукционных приборах используется упругий  элемент (например трубчатая пружина), соединенный с индукционной катушкой, с реостатом и др.

     Тензометрические  приборы имеют в качестве чувствительного  элемента мембрану с наклеенными на нее тензорезисторами. Их принцип действия заключается в непосредственном преобразовании деформации упругой мембраны под действием давления в изменение электрического сопротивления резисторов.

     Г. Грузопоршневые средства измерения давления

     Грузопоршневые манометры используются для поверки пружинных манометров. Это образцовые манометры классов точности 0,05 и 0,2 с верхними пределами измерения от 250 кПа до 250 МПа (2,5 - 2500 атм). Принцип действия их заключается в том, что измеряемое давление создается в результате нагружения поршня образцовыми грузами и его давления на жидкость 

     P=G/F, (4)

     где P - давление, Па;

     G - вес поршня с грузом, находящимся на нем, Н;

     F - площадь поршня, м2.

     К грузопоршневому манометру через соответствующие штуцера подсоединяются два трубчатых (пружинных) манометра, один из которых образцовый, а второй - поверяемый, Класс точности образцового манометра должен быть в 3-4 раза выше класса точности поверяемого. Нагружая поршень грузопоршневого манометра образцовыми грузами создают различные давления на жидкость, которая передает эти давления на образцовый и поверяемый трубчатые манометры.