Жидкостный термометр - это прибор для измерения температуры технологических процессов при помощи жидкости, которая реагирует на изменение температуры. Жидкостные термометры хорошо всем известны в быту: для измерения комнатной температуры или температуры человеческого тела.
Жидкостные термометры состоят из пяти принципиальных частей, это: шарик термометра, жидкость, капиллярная трубка, перепускная камера, и шкала.
Шарик термометра - это часть, где помещается жидкость. Жидкость реагирует на изменение температуры поднимаясь или опускаясь по капиллярной трубке. Капиллярная трубка представляет собой узкий цилиндр по которому перемещается жидкость. Часто капиллярная трубка снабжена перепускной камерой, которая представляет собой полость, куда поступает избыток жидкости. Если не будет перепускной камеры, то после того, как капиллярная трубка наполнится, создастся достаточное давление для того, чтобы разрушить трубку, если температура будет и дальше повышаться. Шкала - это часть жидкостного термометра, с помощью которой снимаются показания. Шкала откалибрована в градусах. Шкала может быть закреплена на капиллярной трубке, либо она может быть подвижной. Подвижная шкала дает возможность ее регулировать.
Принцип работы жидкостного термометра
Принцип работы жидкостных термометров основан на свойстве жидкостей сжиматься и расширяться. Когда жидкость нагревается, то обычно она расширяется; жидкость в шарике термометра расширяется и двигается вверх по капиллярной трубке, тем самым показывая повышение температуры. И, наоборот, когда жидкость охлаждается, она обычно сжимается; жидкость в капиллярной трубке жидкостного термометра понижается и тем самым показывает понижение температуры. В случае, когда имеется изменение измеряемой температуры вещества, то происходит перенос теплоты: сначала от вещества, чья температура измеряется, к шарику термометра, а затем от шарика к жидкости. Жидкость реагирует на изменение температуры двигаясь вверх или вниз по капиллярной трубке.
Тип используемой жидкости в жидкостном термометре зависит от диапазона измеряемых термометром температур.
Ртуть
, -39-600 °C (-38-1100 °F);
Сплавы ртути
, -60-120 °C (-76-250 °F);
Спирт
, -80-100 °C (-112-212 °F).
Жидкостные термометры с частичным погружением
Конструкция многих жидкостных термометров предполагает, что они будут висеть на стене, и вся поверхность термометра входит в соприкосновение с веществом, температура которого измеряется. Однако, некоторые виды промышленных и лабораторных жидкостных термометров сконструированы и откалиброваны таким образом, что предполагают их погружение в жидкость.
Из термометров, используемых таким образом наиболее широко применяются термометры с частичным погружением. Для того, чтобы получить точные показания с помощью термометра с частичным погружением, погружают его шарик и капиллярную трубку только до этой линии.
Термометры с частичным погружением погружаются до отметки для того, чтобы компенсировать изменения температуры окружающего воздуха, которые могут на жидкость, находящуюся внутри капиллярной трубки. Если изменения температуры окружающего воздуха (изменения температуры воздуха вокруг термометра) вероятны, то они могут вызвать расширение или сжатие жидкости внутри капиллярной трубки. В результате на показания будет влиять не только температура вещества, которая измеряется, но и температура окружающего воздуха. Погружение капиллярной трубки до отмеченной линии снимает воздействие температуры окружающего воздуха на точность показаний.
В условиях промышленного производства часто необходимо измерять температуры веществ, проходящих по трубам или находящихся в емкостях. Измерение температуры в этих условиях создает две проблемы для прибористов: как измерить температуру вещества, если нет непосредственного доступа к этому веществу или жидкости, и как вынимать жидкостный термометр для осмотра, проверки или замены не останавливая технологического процесса. Обе эти проблемы устраняются, если применять измерительные каналы для ввода термометров.
Измерительный канал для ввода термометра представляет собой канал в виде трубы, который закрыт с одного конца и открыт с другого. Измерительный канал предназначен для того, чтобы в него помещать шарик жидкостного термометра и таким образом оградить его от веществ, которые могут вызывать коррозию, отравляющих веществ, или под высоким давлением. Когда применяются измерительные каналы для ввода термометров, то теплообмен происходит в форме непрямого контакта (через измерительный канал) вещества, чья температура измеряется, и шариком термометра. Измерительные каналы представляют собой уплотнение для повышенного давления и предотвращают выход наружу жидкости, температура, которой измеряется.
Измерительные каналы делаются стандартных размеров, так что они могут использоваться с различными типами термометров. Когда термометр устанавливается в измерительный канал, то его шарик вставляется в канал, а поверх термометра накручивается гайка, чтобы закрепить термометр.
В жидкостных манометрах измеряемое давление или разность давлений уравновешивается гидростатическим давлением столба жидкости. В приборах используется принцип сообщающихся сосудов, в которых уровни рабочей жидкости совпадают при равенстве давлений над ними, а при неравенстве занимают такое положение, когда избыточное давление в одном из сосудов уравновешивается гидростатическим давлением избыточного столба жидкости в другом. Большинство жидкостных манометров имеют видимый уровень рабочей жидкости, по положению которого определяется значение измеряемого давления. Эти приборы используются в лабораторной практике и в некоторых отраслях промышленности.
Существует группа жидкостных дифманометров , в которых уровень рабочей жидкости непосредственно не наблюдается. Изменение последнего вызывает перемещение поплавка или изменение характеристик другого устройства, обеспечивающих либо непосредственное показание измеряемой величины с помощью отсчетного устройства, либо преобразование и передачу ее значения на расстояние.
Двухтрубные жидкостные манометры . Для измерения давления и разности давлений используют двухтрубные манометры и дифманометры с видимым уровнем, часто называемыми U -образными. Принципиальная схема такого манометра представлена на рис. 1, а. Две вертикальные сообщающиеся стеклянные трубки 1, 2 закреплены на металлическом или деревянном основании 3, к которому прикреплена шкальная пластинка 4. Трубки заполняются рабочей жидкостью до нулевой отметки. В трубку 1 подается измеряемое давление, трубка 2 сообщается с атмосферой. При измерении разности давлений к обеим трубкам подводятся измеряемые давления.
Рис. 1. Схемы двухтрубного (в) и однотрубного (б) манометра :
1, 2 - вертикальные сообщающиеся стеклянные трубки; 3 - основание; 4 - шкальная пластина
В качестве рабочей жидкости используются вода, ртуть, спирт, трансформаторное масло. Таким образом, в жидкостных манометрах функции чувствительного элемента, воспринимающего изменения измеряемой величины, выполняет рабочая жидкость, выходной величиной является разность уровней, входной - давление или разность давлений. Крутизна статической характеристики зависит от плотности рабочей жидкости.
Для исключения влияния капиллярных сил в манометрах используются стеклянные трубки с внутренним диаметром 8... 10 мм. Если рабочей жидкостью служит спирт, то внутренний диаметр трубок может быть снижен.
Двухтрубные манометры с водяным заполнением применяются для измерения давления, разрежения, разности давлений воздуха и неагрессивных газов в диапазоне до ±10 кПа. Заполнение манометра ртутью измерения расширяет пределы до 0,1 МПа, при этом измеряемой средой может быть вода, неагрессивные жидкости и газы.
При использовании жидкостных манометров для измерения разности давлений сред, находящихся под статическим давлением до 5 МПа, в конструкцию приборов вводятся дополнительные элементы, предназначенные для защиты прибора от одностороннего статического давления и проверки начального положения уровня рабочей жидкости.
Источниками погрешностей двухтрубных манометров являются отклонения от расчетных значений местного ускорения свободного падения, плотностей рабочей жидкости и среды над ней, ошибки в считывании высот h1 и h2.
Плотности рабочей жидкости и среды даются в таблицах теплофизических свойств веществ в зависимости от температуры и давления. Погрешность считывания разности высот уровней рабочей жидкости зависит от цены деления шкалы. Без дополнительных оптических устройств при цене деления 1 мм погрешность считывания разности уровней составляет ±2 мм с учетом погрешности нанесения шкалы. При использовании дополнительных устройств для повышения точности считывания h1, h2 необходимо учитывать расхождение температурных коэффициентов расширения шкалы, стекла и рабочего вещества.
Однотрубные манометры . Для повышения точности отсчета разности высот уровней используются однотрубные (чашечные) манометры (см. рис. 1, б). У однотрубного манометра одна трубка заменена широким сосудом, в который подается большее из измеряемых давлений. Трубка, прикрепленная к шкальной пластинке, является измерительной и сообщается с атмосферой, при измерении разности давлений к ней подводится меньшее из давлений. Рабочая жидкость заливается в манометр до нулевой отметки.
Под действием давления часть рабочей жидкости из широкого сосуда перетекает в измерительную трубку. Поскольку объем жидкости, вытесненный из широкого сосуда, равен объему жидкости, поступившему в измерительную трубку,
Измерение в однотрубных манометрах высоты только одного столба рабочей жидкости приводит к снижению погрешности считывания, которая с учетом погрешности градуировки шкалы не превышает ± 1 мм при цене деления 1 мм. Другие составляющие погрешности, обусловленные отклонениями от расчетного значения ускорения свободного падения, плотности рабочей жидкости и среды над нею, температурными расширениями элементов прибора, являются общими для всех жидкостных манометров.
У двухтрубных и однотрубных манометров основной погрешностью является погрешность считывания разности уровней. При одной и той же абсолютной погрешности приведенная погрешность измерения давления снижается при увеличении верхнего предела измерения манометров. Минимальный диапазон измерения однотрубных манометров с водяным заполнением составляет 1,6 кПа (160 мм вод. ст.), при этом приведенная погрешность измерения не превышает ±1 %. Конструктивное выполнение манометров зависит от статического давления, на которое они рассчитаны.
Микроманометры . Для измерения давления и разности давлений до 3 кПа (300 кгс/м2) используются микроманометры, которые являются разновидностью однотрубных манометров и снабжены специальными приспособлениями либо для уменьшения цены деления шкалы, либо для повышения точности считывания высоты уровня за счет использования оптических или других устройств. Наиболее распространенные лабораторные микроманометры - это микроманометры типа ММН с наклонной измерительной трубкой (рис. 2). Показания микроманометра определяются по длине столбика рабочей жидкости п в измерительной трубке 1, имеющей угол наклона а.
Рис. 2. :
1 - измерительная трубка; 2 - сосуд; 3 - кронштейн; 4 - сектор
На рис. 2 кронштейн 3 с измерительной трубкой 1 крепится на секторе 4 в одном из пяти фиксированных положений, которым соответствуют к = 0,2; 0,3; 0,4; 0,6; 0,8 и пять диапазонов измерения прибора от 0,6 кПа (60 кгс/м2) до 2,4 кПа (240 кгс/м2). Приведенная погрешность измерений не превышает 0,5 %. Минимальная цена деления при к = 0,2 составляет 2 Па (0,2 кгс/м2), дальнейшее снижение цены деления, связанное с уменьшением угла наклона измерительной трубки, ограничено снижением точности считывания положения уровня рабочей жидкости из-за растягивания мениска.
Более точными приборами являются микроманометры типа ММ, называемые компенсационными. Погрешность считывания высоты уровня в этих приборах не превышает ±0,05 мм в результате использования оптической системы для установления начального уровня и микрометрического винта для измерения высоты столба рабочей жидкости, уравновешивающего измеряемое давление или разность давлений.
Барометры применяются для измерения атмосферного давления. Наиболее распространенными являются чашечные барометры с ртутным заполнением, отградуированные в мм рт. ст. (рис. 3).
Рис. 3. : 1 - нониус; 2 - термометр
Погрешность считывания высоты столба не превышает 0,1 мм, что достигается использованием нониуса 1, совмещаемого с верхней частью мениска ртути. При более точном измерении атмосферного давления необходимо вводить поправки на отклонение ускорения свободного падения от нормального и значение температуры барометра, измеряемой термометром 2. При диаметре трубки менее 8... 10 мм учитывается капиллярная депрессия, обусловленная поверхностным натяжением ртути.
Компрессионные манометры (манометры Мак-Леода), схема которых представлена на рис. 4, содержат резервуар 1 с ртутью и погруженной в нее трубкой 2. Последняя сообщается с измерительным баллоном 3 и трубкой 5. Баллон 3 заканчивается глухим измерительным капилляром 4, к трубке 5 подключен капилляр сравнения 6. Оба капилляра имеют одинаковые диаметры, чтобы на результатах измерения не сказывалось влияние капиллярных сил. Давление в резервуар 1 подается через трехходовой кран 7, который в процессе измерения может находиться в положениях, указанных на схеме.
Рис. 4. :
1 - резервуар; 2, 5 - трубки; 3 - измерительный баллон; 4 - глухой измерительный капилляр; 6 - капилляр сравнения; 7 - трехходовой кран; 8 - устье баллона
Принцип действия манометра основан на использовании закона Бойля-Мариотта, согласно которому для фиксированной массы газа произведение объема на давление при неизменной температуре представляет постоянную величину. При измерении давления выполняются следующие операции. При установке крана 7 в положение а измеряемое давление подается в резервуар 1, трубку 5, капилляр 6, и ртуть сливается в резервуар. Затем кран 7 плавно переводится в положение с. Поскольку атмосферное давление значительно превышает измеряемое р, ртуть вытесняется в трубку 2. При достижении ртутью устья баллона 8, отмеченного на схеме точкой О, от измеряемой среды отсекается объем газа V, находящийся в баллоне 3 и измерительном капилляре 4. Дальнейшее повышение уровня ртути сжимает отсеченный объем. При достижении ртутью в измерительном капилляре высоты hи впуск воздуха в резервуар 1 прекращается и кран 7 устанавливается в положение b. Изображенное на схеме положение крана 7 и ртути соответствует моменту снятия показаний манометра.
Нижний предел измерения компрессионных манометров составляет 10 -3 Па (10 -5 мм рт. ст.), погрешность не превышает ±1 %. У приборов пять диапазонов измерения и они охватывают давления до 10 3 Па. Чем ниже измеряемое давление, тем больше баллон 1, максимальный объем которого составляет 1000 см3, а минимальный 20 см3, диаметр капилляров равен соответственно 0,5 и 2,5 мм. Нижний предел измерения манометра в основном ограничен погрешностью определения объема газа после сжатия, зависящей от точности изготовления капиллярных трубок.
Набор компрессионных манометров совместно с мембранно- емкостным манометром входит в состав государственного специального эталона единицы давления в области 1010 -3 ... 1010 3 Па.
Достоинствами рассмотренных жидкостных манометров и дифманометров являются их простота и надежность при высокой точности измерений. При работе с жидкостными приборами необходимо исключать возможность перегрузок и резких изменений давления, так как в этом случае может происходить выплескивание рабочей жидкости в линию или атмосферу.
ГОРЕЛКА ФОРКАМЕРНАЯ
Горелка форкамерная - устройство, состоящее из газового коллектора с отверстиями для выхода газа, моноблока с каналами и керамической огнеупорной форкамеры, размещаемых над коллектором, в которых происходят смешение газа с воздухом и горение газовоздушной смеси. Горелка форкамерная предназначена для сжигания природного газа в топках секционных чугунных котлов, сушилок и других тепловых установок, работающих с разрежением 10-30 Па. Горелки форкамерные располагают на поду топки, благодаря чему создаются хорошие условия для равномерного распределения тепловых потоков по длине топки. Горелки форкамерные могут работать на низком и среднем давлении газа. Горелка форкамерная состоит из газового коллектора (стальной трубы) с одним рядом отверстий для выхода газа. В зависимости от тепловой мощности горелка может иметь 1,2 или 3 коллектора. Над газовым коллектором на стальной раме установлен керамический моноблок, образующий ряд каналов (смесителей). Каждое газовое отверсгие имеет свой керамический смеситель. Газовые струм, истекал из отверстий коллектора, эжектируют 50-70% воздуха, необходимого дли горения, остальной воздух поступает за счет разрежения в топке. В результате эжекции интенсифицируется смесеобразование. В каналах смесь подогревается, и при выходе начинается ее горение. Из каналов горящая смесь поступает в форкамеру, в которой осуществляется сгорание 90-95% газа. Форкамеру изготовляют из шамотного кирпича; она имеет вид щели. Догорание газа происходит в топке. Высота факела - 0,6-0,9 м, козффециентом избытка воздуха а - 1,1...1,15.
Компенсаторы предназначены для смягчения (компенсации) температурных удлиннений газопроводов, для избежания разрыва труб, для удобства монтажа и демонтажа арматуры (фланцевой, задвижек).
Газопровод длиной 1 км усредненного диаметра при нагревании на 1 О С удлиняется на 12 мм.
Компенсаторы бывают:
· Линзовые;
· П-образные;
· Лирообразные.
Линзовый компенсатор имеет волнистую поверхность, которая меняет свою длину, в зависимости от температуры газопровода. Линзовый компенсатор изготавливают из штампованных полулинз сваркой.
Для уменьшения гидравлического сопротивления и предотвращения засорения внутри компенсатора установлен направляющий патрубок, приваренный к внутренней поверхности компенсатора со стороны входа газа.
Нижняя часть полулинз залита битумом для предупреждения скопления воды.
При монтаже компенсатора в зимнее время, его необходимо немного растянуть, а в летнее время – наоборот сжать стяжными гайками.
 |
П-образныйЛирообразный
компенсатор.компенсатор.
Изменения температуры среды, окружающей газопровод, вызывают изменения длины газопровода. Для прямолинейного участка стального газопровода длиной 100 м удлинение или укорачивание при изменении температуры на 1° составляет около 1,2 мм. Поэтому на всех газопроводах после задвижек, считая по ходу газа, обязательно устанавливают линзовые компенсаторы (рис. 3). Кроме того, в процессе эксплуатации наличие линзового компенсатора облегчает монтаж и демонтаж задвижек.
При проектировании и строительстве газопроводов стремятся к тому, чтобы снизить количество устанавливаемых компенсаторов путем максимального использования самокомпенсации груб - изменением направления трассы как в плане, так и в профиле.
Рис. 3. Линзовый компенсатор 1 - фланец; 2-патрубок; 3 -рубашка; 4 - полулинза; 5 -лапа; 6 - ребро; 7 - тяга; 8 - гайка
Принцип действия жидкостного манометра
В исходном положении вода в трубках будет находиться на одном уровне. Если же на резиновую пленку будет оказываться давление, то уровень жидкости в одном колене манометра понизится, а в другом, следовательно, повысится.
Это показано на рисунке выше. Мы давим на пленку пальцем.
Когда мы надавливаем на пленку, давление воздуха, который находится в коробочке, увеличивается. Давление передается по трубке и доходит до жидкости, при этом вытесняя её. При понижении уровня в этом колене, уровень жидкости в другом колене трубки, будет увеличиваться.
По разности уровней жидкости, можно будет судить о разности атмосферного давления и того давления, что оказывается на пленку.
На следующем рисунке показано, как с помощью жидкостного манометра измерить давление в жидкости на различной глубине.
Мембранный манометр
В мембранном манометре упругим элементом является мембрана, представляющая собой гофрированную металлическую пластинку. Прогиб пластинки под давлением жидкости передается через передаточный механизм стрелке прибора, скользящей по шкале. Мембранные приборы применяются для измерения давления до 2,5 МПа, а также для измерения вакуума. Иногда используют приборы с электрическим выходом, у которых на выход поступает электрический сигнал, пропорциональный давлению на входе манометра.
Давлением называется равномерно распределенная сила, действующая перпендикулярно на единицу площади. Оно может быть атмосферным (давление околоземной атмосферы), избыточным (превышающим атмосферное) и абсолютным (сумма атмосферного и избыточного). Абсолютное давление ниже атмосферного называется разреженным, а глубокое разряжение - вакуумным.
Единицей давления в международной системе единиц (СИ) является Паскаль (Па). Один Паскаль есть давление, создаваемое силой один Ньютон на площади один квадратный метр. Поскольку эта единица очень мала, применяют также единицы кратные ей: килопаскаль (кПа) = Па; мегапаскаль (МПа) = Па и др. Ввиду сложности задачи перехода от применявшихся ранее единиц давления к единице Паскаль, временно допущены к применению единицы: килограмм-сила на квадратный сантиметр (кгс/см) = 980665 Па; килограмм-сила на квадратный метр (кгс/м) или миллиметр водяного столба (мм вод.ст) = 9,80665 Па; миллиметр ртутного столба (мм рт.ст) = 133,332 Па.
Приборы контроля давления классифицируются в зависимости от метода измерения, используемого в них, а также по характеру измеряемой величины.
По методу измерения, определяющему принцип действия, эти приборы подразделяются на следующие группы:
Жидкостные, в которых измерение давления происходит путем уравновешивания его столбом жидкости, высота которого определяет величину давления;
Пружинные (деформационные), в которых значение давления измеряется путем определения меры деформации упругих элементов;
Грузопоршневые, основанные на уравновешивании сил создаваемых с одной стороны измеряемым давлением, а с другой стороны калиброванными грузами действующих на поршень помещенный в цилиндр.
Электрические, в которых измерение давления осуществляется путем преобразования его значения в электрическую величину, и путем замера электрических свойств материала, зависящих от величины давления.
По виду измеряемого давления приборы подразделяют на следуюшие:
Манометры, предназначенные для измерения избыточного давления;
Вакуумметры, служащие для измерения разрежения (вакуума);
Мановакууметры, измеряющие избыточное давление и вакуум;
Напоромеры, используемые для измерения малых избыточных давлений;
Тягомеры, применяемые для измерения малых разрежений;
Тягонапоромеры, предназначенные для измерения малых давлений и разрежений;
Дифференциальные манометры (дифманометры), с помощью которых измеряют разность давлений;
Барометры, используемые для измерения барометрического давления.
Наиболее часто используются пружинные или деформационные манометры. Основные виды чувствительных элементов этих приборов представлены на рис. 1.
Рис. 1. Виды чувствительных элементов деформационных манометров
а) - с одновитковой трубчатой пружиной (трубкой Бурдона)
б) - с многовитковой трубчатой пружиной
в) - с упругими мембранами
г) - сильфонные.
Приборы c трубчатыми пружинами.
Принцип действия этих приборов основан на свойстве изогнутой трубки (трубчатой пружины) некруглого сечения изменять свою кривизну при изменении давления внутри трубки.
В зависимости от формы пружины, различают пружины одновитковые (рис. 1а) и многовитковые (рис. 1б). Достоинством многовитковых трубчатых пружин является большее чем у одновитковых перемещение свободного конца при одинаковом изменении входного давления. Недостатком - существенные габариты приборов с такими пружинами.
Манометры с одновитковой трубчатой пружиной - один из наиболее распространенных видов пружинных приборов. Чувствительным элементом таких приборов является согнутая по дуге круга, запаянная с одного конца, трубка 1 (рис. 2) эллиптического или овального сечения. Открытым концом трубка через держатель 2 и ниппель 3 присоединяется к источнику измеряемого давления. Свободный (запаянный) конец трубки 4 через передаточный механизм соединен с осью стрелки перемещающейся по шкале прибора.
Трубки манометров, рассчитанных на давление до 50 кг/см изготавливаются из меди, а трубки манометров, рассчитанных на большее давление из стали.
Свойство изогнутой трубки некруглого сечения изменять величину изгиба при изменении давления в ее полости является следствием изменения формы сечения. Под действием давления внутри трубки эллиптическое или плоскоовальное сечение, деформируясь, приближается к круглому сечению (малая ось эллипса или овала увеличивается, а большая уменьшается).
Перемещение свободного конца трубки при ее деформации в определенных пределах пропорционально измеряемому давлению. При давлениях, выходящих из указанного предела, в трубке возникают остаточные деформации, которые делают ее непригодной для измерения. Поэтому максимальное рабочее давление манометра должно быть ниже предела пропорциональности с некоторым запасом прочности.
Рис. 2. Пружинный манометр
Перемещение свободного конца трубки под действием давления весьма невелико, поэтому для увеличения точности и наглядности показаний прибора вводят передаточный механизм, увеличивающий масштаб перемещения конца трубки. Он состоит (рис. 2) из зубчатого сектора 6, шестерни 7, сцепляющейся с сектором, и спиральной пружины (волоска) 8. На оси шестерни 7 закреплена указывающая стрелка манометра 9. Пружина 8 прикреплена одним концом к оси шестерни, а другим - к неподвижной точке платы механизма. Назначение пружины - исключить люфт стрелки, выбирая зазоры в зубчатом сцеплении и шарнирных соединениях механизма.
Мембранные манометры.
Чувствительным элементом мембранных манометров может быть жесткая (упругая) или вялая мембрана.
Упругие мембраны представляют собой медные или латунные диски с гофрами. Гофры увеличивают жесткость мембраны и ее способность к деформации. Из таких мембран изготавливают мембранные коробки (см. рис. 1в), а из коробок - блоки.
Вялые мембраны изготавливают из резины на тканевой основе в виде одногофровых дисков. Используются они для измерения небольших избыточных давлений и разряжений.
Мембранные манометры и могут быть с местными показаниями, с электрической или пневматической передачей показаний на вторичные приборы.
Для примера рассмотрим дифманометр мембранный типа ДМ, который представляет собой бесшкальный датчик мембранного типа (рис. 3) с дифференциально - трансформаторной системой передачи значения измеряемой величины на вторичный прибор типа КСД.
Рис. 3 Устройство мембранного дифманометра типа ДМ
Чувствительным элементом дифманометра является мембранный блок, состоящий из двух мембранных коробок 1 и 3, заполненных кремнийорганической жидкостью, находящихся в двух отдельных камерах, разделенных перегородкой 2.
К центру верхней мембраны прикреплен железный сердечник 4 дифференциально-трансформаторного преобразователя 5.
В нижнюю камеру подается большее (плюсовое) измеряемое давление, в верхнюю - меньшее (минусовое) давление. Сила измеряемого перепада давления уравновешивается за счет других сил, возникающих при деформации мембранных коробок 1 и 3.
При увеличении перепада давления мембранная коробка 3 сжимается, жидкость из нее перетекает в коробку 1, которая расширяется и перемещает сердечник 4 дифференциально-трансформаторного преобразователя. При уменьшении перепада давления сжимается мембранная коробка 1 и жидкость из нее вытесняется в коробку 3. Сердечник 4 при этом перемещается вниз. Таким образом, положение сердечника, т.е. выходное напряжение дифференциально-трансформаторной схемы однозначно зависит от значения перепада давления.
Для работы в системах контроля, регулирования и управления технологическими процессами путем непрерывного преобразования давления среды в стандартный токовый выходной сигнал с передачей его на вторичные приборы или исполнительные механизмы используются датчики-преобразователи типа "Сапфир".
Преобразователи давления этого типа служат: для измерения абсолютного давления («Сапфир-22ДА»), измерения избыточного давления («Сапфир-22ДИ»), измерения вакуума («Сапфир-22ДВ»), измерения давления - разряжения («Сапфир-22ДИВ»), гидростатического давления («Сапфир-22ДГ»).
Устройство преобразователя «САПФИР-22ДГ» показано на рис. 4. Они используются для измерения гидростатических давлений (уровня) нейтральных и агрессивных сред при температурах от -50 до 120 °С. Верхний предел измерения - 4 МПа.
Рис. 4 Устройство преобразователя «САПФИР -22ДГ»
Тензопреобразователь 4 мембранно-рычажного типа размещен внутри основания 8 в замкнутой полости 10, заполненной кремнийорганической жидкостью, и отделен от измеряемой среды металлическими гофрированными мембранами 7. Чувствительными элементами тензопреобразователя являются пленочные тензорезисторы 11 из кремния размещенные на пластине 10 из сапфира.
Мембраны 7 приварены по наружному контуру к основанию 8 и соединены между собой центральным штоком 6, который связан с концом рычага тензопреобразователя 4 с помощью тяги 5. Фланцы 9 уплотнены прокладками 3. Плюсовой фланец с открытой мембраной служит для монтажа преобразователя непосредственно на технологической емкости. Воздействие измеряемого давления вызывает прогиб мембран 7, изгиб мембраны тензопреобразователя 4 и изменение сопротивления тензорезисторов. Электрический сигнал от тензопреобразователя передается из измерительного блока по проводам через гермоввод 2 в электронное устройство 1, преобразующее изменение сопротивлений тензорезисторов в изменение токового выходного сигнала в одном из диапазонов (0-5) мA, (0-20) мA, (4-20) мА.
Измерительный блок выдерживает без разрушения воздействие односторонней перегрузки рабочим избыточным давлением. Это обеспечивается тем, что при такой перегрузке одна из мембран 7 ложится на профилированную поверхность основания 8.
Похожее устройство имеют и указанные выше модификации преобразователей «Сапфир-22».
Измерительные преобразователи гидростатических и абсолютных давлений «Сапфир-22К-ДГ» и «Сапфир-22К-ДА» имеют выходной токовый сигнал (0-5) мА или (0-20) мА или (4-20) мА, а также электрический кодовый сигнал на базе интерфейса RS-485.
Чувствительным элементом сильфонных манометров и дифманометров являются сильфоны - гармониковые мембраны (металлические гофрированные трубки). Измеряемое давление вызывает упругую деформацию сильфона. Мерой давления может быть либо перемещение свободного торца сильфона, либо сила, возникающая при деформации.
Принципиальная схема сильфонного дифманометра типа ДС приведена на рис.5. Чувствительным элементом такого прибора являются один или два сильфона. Сильфоны 1 и 2 одним концом закреплены на неподвижном основании, а другим соединены через подвижный шток 3. Внутренние полости сильфонов заполнены жидкостью (водоглицериновой смесью, кремнийорганической жидкостью) и соединены друг с другом. При изменении перепада давления один из сильфонов сжимается, перегоняя жидкость в другой сильфон и перемещая шток сильфонного блока. Перемещение штока преобразуется в перемещение пера, стрелки, лекала интегратора или сигнал дистанционной передачи, пропорциональный измеряемому перепаду давления.
Номинальный перепад давления определяет блок винтовых цилиндрических пружин 4.
При перепадах давления выше номинального стаканы 5 перекрывают канал 6, прекращая переток жидкости и предупреждая таким образом сильфоны от разрушения.
Рис. 5 Принципиальная схема сильфонного дифманометра
Для получения достоверной информации о величине какого-либо параметра необходимо точно знать погрешность измерительного устройства. Определение основной погрешности прибора в различных точках шкалы через определенные промежутки времени производят путем его поверки, т.е. сравнивают показания поверяемого прибора с показаниями более точного, образцового прибора. Как правило, поверка приборов осуществляется сначала при возрастающем значении измеряемой величины (прямой ход), а затем при убывающем значении (обратный ход).
Манометры поверяют следующими тремя способами: поверка нулевой точки, рабочей точки и полная поверка. При этом две первые поверки производятся непосредственно на рабочем месте с помощью трехходового крана (рис. 6).
Рабочая точка поверяется путем присоединения контрольного манометра к рабочему манометру и сравнение их показаний.
Полная поверка манометров осуществляется в лаборатории на поверочном прессе или поршневом манометре, после снятия манометра с рабочего места.
Принцип действия грузопоршневой установки для поверки манометров основан на уравновешивании сил, создаваемых с одной стороны измеряемым давлением, а с другой - грузами, действующими на поршень, помещенный в цилиндр.
Рис. 6. Схемы поверки нулевой и рабочей точек манометра с помощью трехходового крана.
Положения трехходового крана: 1 - рабочее; 2 - поверка нулевой точки; 3 - поверка рабочей точки; 4 - продувка импульсной линии.
Приборы для измерения избыточного давления называются манометрами, вакуума (давления ниже атмосферного) - вакуумметрами, избыточного давления и вакуума - мановакуумметрами, разности давлений (перепада) - дифференциальными манометрами.
Основные серийно выпускаемые приборы для измерения давления по принципу действия делятся на следующие группы:
Жидкостные - измеряемое давление уравновешивается давлением столба жидкости;
Пружинные - измеряемое давление уравновешивается силой упругой деформации трубчатой пружины, мембраны, сильфона и т.д.;
Поршневые - измеряемое давление уравновешивается силой, действующей на поршень определенного сечения.
В зависимости от условий применения и назначения промышленностью выпускаются следующие типы приборов для измерения давления:
Технические - приборы общего назначения для эксплуатации оборудования;
Контрольные - для поверки технических приборов на месте их установки;
Образцовые - для поверки контрольных и технических приборов и измерений, требующих повышенной точности.
Манометры пружинные
Назначение . Для измерения избыточного давления широкое применение нашли манометры, работа которых основана на использовании деформации упругого чувствительного элемента, возникающей под действием измеряемого давления. Значение этой деформации передается отсчетному устройству измерительного прибора, градуированному в единицах давления.
В качестве чувствительного элемента манометра чаще всего используется одновитковая трубчатая пружина (трубка Бурдона). Другими видами чувствительных элементов являются: многовитковая трубчатая пружина, плоская гофрированная мембрана, гармоникообразная мембрана - сильфон.
Устройство . Манометры с одновитковой трубчатой пружиной широко применяются для измерения избыточного давления в пределах 0,6 - 1600 кгс/см². Рабочим органом таких манометров является полая трубка элипсовидного или овального сечения, изогнутая по окружности на 270°.
Устройство манометра с одновитковой трубчатой пружиной показано на рисунке 2.64. Трубчатая пружина - 2 открытым концом жестко соединена с держателем - 6, укрепленным в корпусе - 1 манометра. Держатель проходит через штуцер - 7 с резьбой, служащей для соединения с газопроводом, в котором измеряется давление. Свободный конец пружины закрыт пробкой с шарнирной осью и запаян. Посредством поводка- 5 он связан с передаточным механизмом, состоящим из зубчатого сектора - 4, сцепленного с шестеренкой - 10, сидящей неподвижно на оси вместе с указательной стрелкой - 3. Рядом с шестеренкой расположена плоская спиральная пружина (волосок) - 9, один конец которой соединен с шестеренкой, а другой закреплен неподвижно на стойке. Волосок постоянно прижимает трубку к одной стороне зубцов сектора, тем самым устраняя мертвый ход (люфт) в зубчатом зацеплении и обеспечивает плавность хода стрелки.
Рис. 2.64. Показывающий манометр с одновитковой трубчатой пружиной
Манометры электроконтактные
Назначение. Манометры, вакууметры и мановакууметры электроконтактные типа ЭКМ ЭКВ, ЭКМВ и ВЭ-16рб предназначены для измерения, сигнализации или двухпозиционного регулирования давления (разряжения) нейтральных по отношению к латуни и стали газов и жидкостей. Измерительные приборы типа ВЭ-16рб выполняются во взрывозащищенном корпусе и их можно устанавливать в пожароопасных и взрывоопасных помещениях. Рабочее напряжение электроконтактных устройств до 380В или до 220В постоянного тока.
Устройство .Устройство электроконтактных манометров аналогично пружинным, с той лишь разницей, что корпус манометра имеет большие геометрические размеры за счет монтажа контактных групп. Устройство и перечень основных элементов электроконтактных манометров представлены на рис. 2.65..
Манометры образцовые.
Назначение. Манометры и вакууметры образцовые типа МО и ВО предназначены для проверки манометров, вакууметров и мановакууметров для измерений в лабораторных условиях давления и разряжения неагрессивных жидкостей и газов.
Манометры типа МКО и вакууметры типа ВКО предназначены для проверки исправности действия рабочих манометров на месте их установки и для контрольных измерений избыточного давления и разряжения.
Рис. 2.65. Электроконтактные манометры: а - типа ЭКМ; ЭКМВ; ЭКВ;
Б - типа ВЭ - 16 Рб основные части: трубчатая пружина; шкала; подвижный
Механизм; группа подвижных контактов; входной штуцер
Манометры электрические
Назначение . Электрические манометры типа МЭД предназначены для непрерывного преобразования избыточного или вакууметрического давления в унифицированный выходной сигнал переменного тока. Эти приборы применяют для работы в комплекте со вторичными дифференциально-трансформаторными приборами, машинами централизованного контроля и другими приемниками информации, способными принимать стандартный сигнал ввиде взаимной индуктивности.
Устройство и принцип действия . Принцип действия прибора, как и у манометров с одновитковой трубчатой пружиной, основан на использовании деформации упругого чувствительного элемента при воздействии на него измеряемого давления. Устройство электрического манометра типа МЭД показано на рис. 2.65.(б). Упругим чувствительным элементом прибора служит трубчатая пружина - 1, которая смонтирована в держателе - 5. К держателю привернута планка - 6, на которой закреплена катушка - 7 дифференциального трансформатора. На держателе смонтированы также постоянное и переменное сопротивления. Катушка закрыта экраном. К держателю подводится измеряемое давление. Держатель прикреплен к корпусу - 2 винтами - 4. Корпус из алюминиевого сплава закрыт крышкой, на которой укреплен штепсельный разъем - 3. Сердечник - 8 дифференциального трансформатора связан с подвижным концом трубчатой пружины специальным винтом - 9. При подаче в прибор давления, трубчатая пружина деформируется, что вызывает пропорциональное измеряемому давлению, перемещение подвижного конца пружины и связанного с ним сердечника дифференциального трансформатора.
Эксплуатационные требования, предъявляемые к манометрам технического назначения:
· при установке манометра наклон циферблата от вертикали не должен превышать 15°;
· в нерабочем положении стрелка измерительного прибора должна находиться в нулевом положении;
· манометр прошел поверку и имеет клеймо и пломбу с указанием даты поверки;
· отсутствуют механические повреждения корпуса манометра, резьбовой части штуцера и т.д.;
· цифровая шкала хорошо видна обслуживающему персоналу;
· при измерении давления влажной газообразной среды (газ, воздух), трубка перед манометром выполняется в виде петли, в которой влага конденсируется;
· на месте отбора измеряемого давления (перед манометром) должен быть установлен кран или вентиль;
· для уплотнения места присоединения штуцера манометра должны использоваться прокладки, изготовленные из кожи, свинца, отожженной красной меди, фторопласта. Использование пакли и сурика не допускается.
Приборы для измерения давления применяются во многих отраслях промышленности и классифицируются, в зависимости от своего предназначения, следующим образом:
· Барометры – измеряют атмосферное давление.
· Вакуумметры – измеряют вакуумметрическое давление.
· Манометры – измеряют избыток давления.
· Мановакуумметры – измеряют вакуумметрическое и избыточное давление.
· Баровакуумметры – измеряют абсолютное давление.
· Дифференциальные манометры – измеряют разность давлений.
По принципу работы приборы для измерения давления могут быть следующих типов:
· Прибор жидкостный (давление уравновешивается с помощью веса столба жидкости).
· Грузопоршневые приборы (измеряемое давление уравновешивается усилием, которое создают калиброванные грузы).
· Приборы с дистанционной передачей показаний (используются изменения различных электрических характеристик вещества под воздействием измеряемого давления).
· Прибор пружинный (измеряемое давление уравновешивается силами упругости пружины, деформация которой служит мерой давления).
Для измерения давления применяют различные приборы , которые можно подразделить на две основные группы: жидкостные и механические.
Простейшим прибором является пьезометр,
измеряющий давление в жидкости высотой столба той же жидкости. Он представляет собой стеклянную трубку, открытую с одного конца (трубка на рис. 14а). Пьезометр - очень чувствительный и точный прибор, однако он удобен только при измерении небольших давлений, в противном случае трубка получается очень длинной, что осложняет его применение. 
Для уменьшения длины измерительной трубки применяют приборы с жидкостью большей плотностью (например, ртутью). Ртутный манометр представляет собой У-образную трубку, изогнутое колено которого заполняется ртутью (рис. 14б). Под действием давления в сосуде уровень ртути в левом колене манометра понижается, а в правом - повышается.
Дифференциальный манометр применяют в тех случаях, когда необходимо измерить не давление в сосуде, а разность давлений в двух сосудах или в двух точках одного сосуда (рис. 14 в).
Применение жидкостных приборов ограничивается областью сравнительно небольших давлений. Если необходимо измерять высокие давления, применяют приборы второго типа -механические.
Пружинный манометр является наиболее распространенным из механических приборов. Он состоит (рис.15а) из полой тонкостенной изогнутой латунной или стальной трубки (пружины) 1, один конец которой запаян и соединен приводным устройством 2 с зубчатым механизмом 3. На оси зубчатого механизма располагается стрелка 4. Второй конец трубки открыт и соединен с сосудом, в котором замеряется давление. Под действием давления пружина деформируется (распрямляется) и через приводное устройство приводит в действие стрелку, по отклонению которой определяют значение давления по шкале 5.
Мембранные манометры также относятся к механическим (рис. 15б). В них вместо пружины устанавливается тонкая пластина-мембрана 1 (металлическая или из прорезиненной материи). Деформация мембраны посредством приводного устройства передается стрелке, указывающей значение давления.
Механические манометры имеют по сравнению с жидкостными некоторые преимущества: портативность, универсальность, простоту устройства и эксплуатации, большой диапазон измеряемых давлений.
Для измерения давлений меньше атмосферного применяют жидкостные и механические вакуумметры, принцип работы которых тот же, что и у манометров.
Принцип сообщающихся сосудов .
Сообщающиеся сосуды
Сообщающимися 
называют сосуды, имеющие между собой канал, заполненный жидкостью. Наблюдения показывают, что в сообщающихся сосудах любой формы однородная жидкость всегда устанавливается на одном уровне.
Иначе ведут себя разнородные жидкости даже в одинаковых по форме и размерам сообщающихся сосудах. Возьмем два цилиндрических сообщающихся сосуда одинакового диаметра (рис. 51), на их дно нальем слой ртути (заштрихован), а поверх него в цилиндры нальем жидкости с разными плотностями, например r 2 h 1).
Мысленно выделим внутри трубки, соединяющей сообщающиеся сосуды и заполненнной ртутью, площадку площади S, перпендикулярную горизонтальной поверхности. Так как жидкости покоятся, давление на эту площадку слева и справа одинаково, т.e. p 1 =p 2 . Согласно формуле (5.2), гидростатическое давление p 1 = 1 gh 1 и p 2 = 2 gh 2 . Приравняв эти выражения, получаем r 1 h 1 = r 2 h 2 , откуда
h 1 /h 2 =r 2 /r 1 . (5.4)
Следовательно, разнородные жидкости в состоянии покоя устанавливаются в сообщающихся сосудах таким образом, что высоты их столбов оказываются обратно пропорциональными плотностям этих жидкостей.
Если r 1 =r 2 , то из формулы (5.4) следует, что h 1 =h 2 , т.е. однородные жидкости устанавливаются в сообщающихся сосудах на одинаковом уровне.
Чайник и его носик представляют собой сообщающиеся сосуды: вода стоит в них на одном уровне. Значит, носик чайника должен
Устройство водопровода.
На башне устанавливается большой бак с водой (водонапорная башня). От бака идут трубы с целым рядом ответвлений, вводимых в дома. Концы труб закрываются кранами. У крана давление воды, заполняющей трубы, равно давлению столба воды, имеющего высоту, равную разности высот между краном и свободной поверхностью воды в баке. Так как бак устанавливается на высоте десятков метров, то давление у крана может достигать нескольких атмосфер. Очевидно, что давление воды на верхних этажах меньше давления на нижних этажах.
Вода в бак водонапорной башни подается насосами
Водомерная трубка.
На принципе сообщающихся сосудов устроены водомерные трубки для баков с водой. Такие трубки, например имеются на баках в железнодорожных вагонах. В открытой стеклянной трубке, присоединенной к баку, вода всегда стоит на том же уровне, что и в самом баке. Если водомерная трубка устанавливается на паровом котле, то верхний конец трубки соединяется с верхней частью котла, наполненной паром.
Это делается для того, чтобы давления над свободной поверхностью воды в котле т в трубке были одинаковыми.
Петергоф - великолепный ансамбль парков, дворцов и фонтанов. Это единственный ансамбль в мире, фонтаны которого работают без насосов и сложных водонапорных сооружений. В этих фонтанах используется принцип сообщающихся сосудов - учтены уровни фонтанов и прудов-хранилищ.
Характеристикой давления является сила, которая равномерно воздействует на единицу площади поверхности тела. Эта сила оказывает влияние на различные технологические процессы. Давление измеряется в паскалях. Один паскаль равен давлению силы в один ньютон на площадь поверхности в 1 м 2 .
Виды давления
Атмосферное.
Вакуумметрическое.
Избыточное.
Абсолютное.
Атмосферное давление образуется атмосферой Земли.
Вакуумметрическое давление – это давление, не достигающее величины атмосферного давления.
Избыточное давление – это величина давления, превосходящая значение атмосферного давления.
Абсолютное давление определяется от величины абсолютного нуля (вакуума).
Виды и работа
Приборы, измеряющие давление, называются манометрами. В технике чаще всего приходится определять избыточное давление. Значительный интервал измеряемых величин давлений, особые условия измерения их во всевозможных технологических процессах обуславливает разнообразие видов манометров, которые имеют свои различия по конструктивным особенностям и по принципу работы. Рассмотрим основные из применяемых видов.
Барометры
Барометром называют прибор, измеряющий давление воздуха в атмосфере. Существует несколько видов барометров.
Ртутный барометр действует на основе перемещения ртути в трубке по определенной шкале.
Жидкостный барометр работает по принципу уравновешивания жидкости давлением атмосферы.
Барометр-анероид работает на изменении размеров металлической герметичной коробки с вакуумом внутри, под действием давления атмосферы.
Электронный барометр является более современным прибором. Он преобразовывает параметры обычного анероида в цифровой сигнал, отображающийся на жидкокристаллическом дисплее.
Жидкостные манометры
В этих моделях приборов давление определяется высотой столба жидкости, которое выравнивает это давление. Жидкостные приборы чаще всего выполняют в виде 2-х стеклянных сосудов, соединенных между собой, в которые залита жидкость (вода, ртуть, спирт).
Рис-1
Один конец емкости соединен с измеряемой средой, а второй открыт. Под давлением среды жидкость перетекает из одного сосуда в другой до выравнивания давления. Разность уровней жидкости определяет избыточное давление. Такими приборами замеряют разность давлений и разрежение.
На рисунке 1а изображен 2-х трубный манометр, измеряющий вакуум, избыточное и атмосферное давление. Недостатком является значительная погрешность измерения давлений, имеющих пульсацию. Для таких случаев применяют 1-трубные манометры (рисунок 1б). В них один край сосуда большего размера . Чашка соединена с измеряемой полостью, давление которой передвигает жидкость в узкую часть сосуда.
При замере берется во внимание только высота жидкости в узком колене, так как жидкость изменяет свой уровень в чашке незначительно, и этим пренебрегают. Чтобы произвести замеры малых избыточных давлений используют 1-трубные микроманометры с трубкой, наклоненной под углом (рисунок 1в). Чем больше наклон трубки, тем точнее показания прибора, вследствие увеличения длины уровня жидкости.
Особой группой считаются приборы для измерения давления, в которых движение жидкости в емкости действует на чувствительный элемент – поплавок (1) на рисунке 2а, кольцо (3) (рисунок 2в) или колокол (2) (рисунок 2б), которые связаны со стрелкой, являющейся указателем давления.
Рис-2
Преимуществами таких приборов является дистанционная передача и их регистрация значений.
Деформационные манометры
В технической области приобрели популярность деформационные приборы для измерения давления. Их принцип работы заключается в деформации чувствительного элемента. Эта деформация появляется под действием давления. Упругий компонент связан со считывающим устройством, имеющим шкалу с градуировкой единицами давления. Деформационные манометры делятся на:
- Пружинные.
- Сильфонные.
- Мембранные.
Рис-3
Пружинные манометры
В этих приборах чувствительным элементом является пружина, соединенная со стрелкой передаточным механизмом. Давление воздействует внутри трубки, сечение старается принять круглую форму, пружина (1) пытается раскручиваться, в результате стрелка передвигается по шкале (рисунок 3а).
Мембранные манометры
В этих приборах упругим компонентом является мембрана (2). Она прогибается под давлением, и воздействует на стрелку с помощью передаточного механизма . Мембрану изготавливают по типу коробки (3). Это увеличивает точность и чувствительность прибора из-за большего прогиба при равном давлении (рисунок 3б).
Сильфонные манометры
В приборах сильфонного типа (рисунок 3в) упругим элементом является сильфон (4), который выполнен в виде гофрированной тонкостенной трубки. В эту трубку воздействует давление. При этом сильфон увеличивается в длину и с помощью механизма передачи передвигает стрелку манометра.
Сильфонные и мембранные виды манометров используют для замеров незначительных избыточных давлений и вакуума, так как упругий компонент имеет небольшую жесткость. При применении таких приборов для измерения вакуума они получили название тягомеров . Прибор, измеряющий избыточное давление, является напоромером , для измерения избыточного давления и вакуума служат тягонапоромеры .
Приборы для измерения давления деформационного типа имеют преимущество в сравнении с жидкостными моделями. Они позволяют производить передачу показаний дистанционно и записывать их в автоматическом режиме.
Это происходит вследствие преобразования деформации упругого компонента в выходной сигнал электрического тока. Сигнал фиксируется приборами измерений, которые имеют градуировку по единицам давления. Такие приборы имеют название деформационно-электрических манометров. Широкое использование нашли тензометрические, дифференциально-трансформаторные и магнитомодуляционные преобразователи.
Дифференциально-трансформаторный преобразователь
Рис-4
Принципом работы такого преобразователя является изменение силы тока индукции в зависимости от величины давления.
Приборы с наличием такого преобразователя имеют трубчатую пружину (1), которая передвигает стальной сердечник (2) трансформатора, а не стрелку. В итоге изменяется сила индукционного тока, подающегося через усилитель (4) на измерительный прибор (3).
Магнитомодуляционные приборы для измерения давления
В таких приборах усилие преобразуется в сигнал электрического тока вследствие передвижения магнита, связанного с упругим компонентом. При движении магнит воздействует на магнитомодуляционный преобразователь.
Электрический сигнал усиливается в полупроводниковом усилителе и поступает на вторичные электроизмерительные устройства.
Тензометрические манометры
Преобразователи на основе тензометрического датчика работают на основе зависимости электрического сопротивления тензорезистора от величины деформации.
Рис-5
Тензодатчики (1) (рисунок 5) фиксируются на упругом элементе прибора. Электрический сигнал на выходе возникает вследствие изменения сопротивления тензорезистора, и фиксируется вторичными устройствами измерения.
Электроконтактные манометры
Рис-6
Упругим компонентом в приборе выступает трубчатая одновитковая пружина. Контакты (1) и (2) выполняются для любых отметок шкалы прибора, вращая винт в головке (3), которая находится на внешней стороне стекла.
При уменьшении давления и достижении его нижнего предела, стрелка (4) с помощью контакта (5) включит цепь лампы соответствующего цвета. При возрастании давления до верхнего предела, который задан контактом (2), стрелка замыкает цепь красной лампы контактом (5).
Классы точности
Измерительные манометры разделяют на два класса:
Образцовые.
Рабочие.
Образцовые приборы определяют погрешность показаний рабочих приборов, которые участвуют в технологии производства продукции.
Класс точности взаимосвязан с допустимой погрешностью, которая является величиной отклонения манометра от действительных величин. Точность прибора определяется процентным соотношением от максимально допустимой погрешности к номинальному значению. Чем больше процент, тем меньше точность прибора.
Образцовые манометры имеют точность намного выше рабочих моделей, так как они служат для оценки соответствия показаний рабочих моделей приборов. Образцовые манометры применяются в основном в условиях лаборатории, поэтому они изготавливаются без дополнительной защиты от внешней среды.
Пружинные манометры имеют 3 класса точности: 0,16, 0,25 и 0,4. Рабочие модели манометров имеют такие классы точности от 0,5 до 4.
Применение манометров
Приборы для измерения давления наиболее популярные приборы в различных отраслях промышленности при работе с жидким или газообразным сырьем.
Перечислим основные места использования таких приборов:
- В газо- и нефтедобывающей промышленности.
- В теплотехнике для контроля давления энергоносителя в трубопроводах.
- В авиационной отрасли промышленности, автомобилестроении, сервисном обслуживании самолетов и автомобилей.
- В машиностроительной отрасли при применении гидромеханических и гидродинамических узлов.
- В медицинских устройствах и приборах.
- В железнодорожном оборудовании и транспорте.
- В химической отрасли промышленности для определения давления веществ в технологических процессах.
- В местах с применением пневматических механизмов и агрегатов.
Полнотекстовый поиск.
Глава 2. 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. К сожалению, его труд „О движении и измерении воды” был опубликован лишь в XIX веке. Поэтому принято считать, что впервые жидкостный манометр был создан в 1643 г. итальянскими учеными Торричелли и Вивиаии, учениками Галилео Галилея, которые при исследовании свойств ртути, помещенной в трубку обнаружили существование атмосферного давления. Так появился ртутный барометр. В течение последующих 10-15 лет во Франции (Б. Паскаль и Р. Декарт) и Германии (О. Герике) были созданы различные разновидности жидкостных барометров, в том числе и с водяным заполнением. В 1652 г. О. Герике продемонстрировал весомость атмосферы эффектным опытом с откачанными полушариями, которые не могли разъединить две упряжки лошадей (знаменитые „магдебургские полушария”).
Дальнейшее развитие науки и техники привело к появлению большого количества жидкостных манометров различных типов, применяемы;: 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).
2.1. Основные типы жидкостных манометров и принципы их действия
Принцип действия жидкостных манометров можно проиллюстрировать на примере U-образного жидкостного манометра (рис. 4, а ), состоящего из двух соединенных между собой вертикальных трубок 1 и 2,
наполовину заполненных жидкостью. В соответствии с законами гидростатики при равенстве давлений р i и р 2 свободные поверхности жидкости (мениски) в обеих трубках установятся на уровне I-I. Если одно из давлений превышает другое (р\ > р 2), 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-П уравнение равновесия примет вид
Ap=pi -р 2 =Н Р " g, (2.1)
т. е. разность давлений определяется давлением столба жидкости высотой Н с плотностью р.
Уравнение (1.6) 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 стол а жидкости, менно 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. 4, 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 Ар изменение уровня жидкости в чашке гораздо меньше, чем подъем уровня жидкости в трубке: Н\ = Н г f/F, где Н ! - изменение уровня жидкости в чашке; Н 2 - изменение уровня жидкости в трубке; / - площадь сечения трубки; F - площадь сечения чашки.
Отсюда высота столба жидкости, уравновешивающей измеряемое давление Н - Н х + Н 2 = # 2 (1 + f/F), а измеряемая разность давлений
Pi - Рг = Н 2 р ?-(1 + f/F ). (2.2)
Поэтому при известном коэффициенте к= 1 + f/F разность давлений может быть определена по изменению уровня жидкости в одной трубке, что упрощает процесс измерений.
Двухчашечный манометр (рис. 4, 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 Р\ и р 2 чашки, а следовательно, свободные поверхности жидкости находятся на одном уровне I-I. Если Р\ > р 2 , то чашка 2 поднимается вплоть до достижения равновесия в соответствии с уравнением (2.1).
Единство принципа действия жидкостных манометров всех типов обусловливает их универсальность с точки зрения возможности измерения давления любого вида - абсолютного и избыточного и разности давлений.
Абсолютное давление будет измерено, если р 2 = 0, т. е. когда пространство над уровнем жидкости в трубке 2 откачано. Тогда столб жидкости в манометре будет уравновешивать абсолютное давление в трубке
i,T.e.p a6c =tf р g.
При измерении избыточного давления одна из трубок сообщается с атмосферным давлением, например, р 2 = р тш. Если при этом абсолютное давление в трубке 1 больше чем атмосферное давление (р i >р аТ м)> то в соответствии с (1.6) столб жидкости в трубке 2 уравновесит избыточное давление в трубке 1 } т. е. р и = Н р g: Если, наоборот, р х < р атм, то столб жидкости в трубке 1 будет мерой отрицательного избыточного давления р и = -Н р g.
При измерении разности двух давлений, каждое из которых не равно атмосферному давлению, уравнение измерений имеет вид Ар=р\ - р 2 - = Н - р " g. Так же, как и в предыдущем случае, разность может принимать как положительные, так и отрицательные значения.
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 (и = АН/Ар) . В общем случае, когда чувствительность непостоянна в диапазоне измерений
п = lim при Ар -*¦ 0, (2.3)
где АН - изменение показаний жидкостного манометра; Ар - соответствующее изменение давления.
Принимая во внимание уравнения измерений, получим: чувствительность U- образного или двухчашечного манометра (см. рис. 4, а и 4, в)
п = (2A ’ a ~>
чувствительность чашечного манометра (см. рис. 4, б)
Р-гй\llF) ¦ (2 " 4 ’ 6)
Как правило, для чащечных манометров F »/, поэтому уменьшение их чувствительности по сравнению с U- образными манометрами незначительно.
Из уравнений (2.4, а ) и (2.4, б) следует, что чувствительность целиком определяется плотностью жидкости р, заполняющей измерительную систему прибора. Но, с другой стороны, значение плотности жидкости согласно (1.6) определяет диапазон измерений манометра: чем она больше, тем больше верхний предел измерений. Таким образом, относительное значение погрешности отсчета от значения плотности не зависит. Поэтому для увеличения чувствительности, а следовательно, и точности, разработано большое количество отсчетных устройств, основанных на различных принципах действия, начиная от фиксации положения уровня жидкости относительно шкалы манометра на глаз (погрешность отсчета около 1 мм) и кончая применением точнейших интерференционных методов (погрешность отсчета 0,1-0,2 мкм). С некоторыми из этих методов можно познакомиться ниже.
Диапазоны измерений жидкостных манометров в соответствии с (1.6) определяются высотой столба жидкости, т. е. размерами манометра и плотностью жидкости. Наиболее тяжелой жидкостью в настоящее время является ртуть, плотность--которой р = 1,35951 10 4 кг/м 3 . Столб ртути высотой 1 м развивает давление около 136 кПа, т. е. давление, не на 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. Однако в строю действующих продолжает оставаться уникальный по своим метрологическим характеристикам ртутный манометр Физико-технического института ФРГ. Этот манометр, смонтированный в iO-этажной башне, имеет верхний предел измерений 10 МПа с погрешностью менее 0,005 %. Подавляющее большинство ртутных манометров имеют верхние пределы порядка 120 кПа и лишь изредка до 350 кПа. При измерении относительно небольших давлений (до 10-20 кПа) измерительная система жидкостных манометров заполняется водой, спиртом и другими легкими жидкостями. При этом диапазоны измерений обычно составляют до 1-2,5 кПа (микроманометры). Для еще более низких давлений разработаны способы увеличения чувствительности без применения сложных отсчетных устройств.
Микроманометр (рис. 5), состоит из чашки I, которая соединена с трубкой 2, установленной под углом а к горизонтальному уровню
I-I. Если при равенстве давлений pi и р 2 поверхности жидкости в чашке и трубке находились на уровне I-I, то увеличение давления в чашке (Р 1 > Рг) вызовет опускание уровня жидкости в чашке и ее подъем в трубке. При этом высота столба жидкости Н 2 и его длина по оси трубки L 2 будут связаны соотношением Н 2 =L 2 sin а.
Учитывая уравнение неразрывности жидкости Н, F = Ь 2 /, нетрудно получить уравнение измерений микроманометра
p t -р 2 =Н р "g = L 2 р ч (sina + -), (2.5)
где Ь 2 - перемещение уровня жидкости в трубке вдоль ее оси; а - угол наклона трубки к горизонтали; остальные обозначения прежние.
Из уравнения (2.5) следует, что при sin а « 1 и f/F « 1 перемещение уровня жидкости в трубке во много раз превысит высоту столба жидкости, необходимую для уравновешивания измеряемого давления.
Чувствительность микроманометра с наклонной трубкой в соответствии с (2.5)
Как видно из (2.6), максимальная чувствительность микроманометра при горизонтальном расположении трубки (а = О)
т. е. в отношении площадей чашки и трубки больше, чем у U- образного манометра.
Второй способ увеличения чувствительности состоит в уравновешивании давления столбом двух несмешивающихся жидкостей. Двухчашечный манометр (рис. 6) заполняется жидкостями так, чтобы граница их
Рис. 6. Двухчашечный микроманометр с двумя жидкостями (р, > р 2)
раздела находилась в пределах вертикального участка трубки, примыкающей к чашке 2. При pi = р 2 давление на уровне I-I
Hi Pi -Н 2 Р 2 (Pi >Р2)
Тогда при повышении давления в чашке 1 уравнение равновесия будет иметь вид
Ap=pt -р 2 =Д#[(Р1 -р 2) +f/F(Pi + Рг)] g, (2.7)
где рх - плотность жидкости в чашке 7; р 2 - плотность жидкости в чашке 2.
Кажущаяся плотность столба двух жидкостей
Рк = (Pi - Р2) + f/F (Pi + Рг) (2.8)
Если плотности Pi и р 2 имеют близкие друг другу значения, a f/F«. 1, то кажущаяся или эффективная плотность может быть снижена до величины p min = f/F (рi + р 2) = 2р х f/F.
ьр р к * %
где р к - кажущаяся плотность в соответствии с (2.8).
Так же, как и ранее, увеличение чувствительности указанными способами автоматически уменьшает диапазоны измерений жидкостного манометра, что ограничивает их применение областью микроманометр™. Учитывая также большую чувствительность рассматриваемых способов к влиянию температуры при точных измерениях, как правило, находят применение способы, основанные на точных измерениях высоты столба жидкости, хотя это и усложняет конструкции жидкостных манометров.
2.2. Поправки к показаниям и погрешности жидкостных манометров
В уравнения измерений жидкостных манометров в зависимости от их точности необходимо вводить поправки, учитывающие отклонения условий эксплуатации от условий градуировки, вид измеряемого давления и особенности принципиальной схемы конкретных манометров.
Условия эксплуатации определяются температурой и ускорением свободного падения в месте измерений. Под влиянием температуры изменяются как плотность жидкости, применяемой при уравновешивании давления, так и длина шкалы. Ускорение свободного падения в месте измерений, как правило, не соответствует его нормальному значению, принятому при градуировке. Поэтому давление
Р=Рп
}
