 |
Общие сведения. Единицы измерения давления
|
|
|
|
Одним из важных параметров, влияющих на ход процессов в металлургических печах, является давление: абсолютное, атмосферное, избыточное и вакуумметрическое.
Атмосферное давление создается массой воздушного столба земной атмосферы. Он имеет переменную величину, зависящую от высоты местности над уровнем моря, географической широты и метеорологических условий.
Избыточное давление определяется разностью между значениями абсолютного атмосферного давления:
Ризб = Рабс – Рат,
где Ризб - избыточное давление; Рабс - абсолютное давление; Рат -атмосферное давление.
Под вакуумом (разрежением) понимают такое состояние газа, при котором его давление меньше атмосферного. Количественно вакуумметрическое давление определяется разностью между значениями атмосферного и абсолютного давления внутри вакуумной системы:
Рвак = Рат - Рабс,
где Рвак - вакуумметрическое давление.
За единицу давления в СИ принято давление, называемое паскалем (Па). Оно создается силой в 1 ньютон, равномерно распределенной по поверхности в 1 м2. Эта небольшая величина пригодна для измерения очень малых давлений. Для измерения средних и высоких давлений целесообразно применять кратные единицы: килопаскаль (кПа) и мегапаскаль (МПа) и др.
При измерении давления в движущихся средах различают: полное, статическое и динамическое давление. Статическое - это давление, зависящее от запаса потенциальной энергии газовой (жидкостной) среды, и определяется через статический напор. Оно может быть избыточным или вакуумметрическим, в частном случае оно равно атмосферному. Динамическое - это давление, обусловленное скоростью движения потока газа (жидкости). Определяется оно через скоростной (динамический) напор по формуле:
|
|
|
Рд = 
W2/2,
где Рд - динамическое давление; ρ - плотность движущегося вещества; W - скорость движущегося потока.
Полное давление Рп движущейся среды слагается из статического Рст и динамического Рд давлений:
Рп = Рст + Рд..
В дальнейшем под термином "давление" подразумевается статическое давление.
Приборы для измерения давления можно разделить на следующие основные группы: 1) жидкостные, в которых измеряемое давление уравновешивается давлением столба жидкости соответствующей высоты; 2) деформационные, в которых измеряемое давление определяется по величине деформации различных упругих чувствительных элементов или по развиваемой ими силе; 3) грузопоршневые, в которых измеряемое или воспроизводимое давление уравновешивается давлением, создаваемым массой поршня и грузов; 4) электрические, действие которых основано на изменении электрических свойств некоторых материалов при воздействии на них давления.
По наименованию приборы для измерения давления подразделяются на барометры (для измерения атмосферного давления); манометры (для измерения избыточного давления); вакуумметры (для измерения вакуумметрического давления); мановакуумметры (для измерения избыточного и вакуумметрического давления); манометры абсолютного давления (для измерения давления, отсчитываемого от абсолютного нуля); дифференциальные манометры для измерения разности (перепада) давления.
Манометры, вакуумметры и дифференциальные манометры, предназначенные для измерения небольших давлений, разрежений и разности давлений газовых сред (до 40 кПа), называют соответственно напоромерами, тягомерами и тягонапоромерами.
Приборы, предназначенные для высокоточных измерений малых давлений (обычно не превышающих 4,0 кПа), называют микроманометрами.
|
|
|
Жидкостные приборы
Действие жидкостных приборов основано на гидростатическом принципе, при котором измеряемое давление уравновешивается давлением столба (рабочей) жидкости. Разница уровней в зависимости от плотности жидкости является мерой давления.
Простейшим прибором для измерения давления при разности давлений является двухтрубный (или U-образный) манометр, представляющий собой стеклянную трубку, согнутую по форме вытянутой буквы U, заполненную жидкостью до нулевой отметки, и прикрепленную к панели, на которой имеется шкала для отсчетов. Один конец трубки манометра сообщается с атмосферой, другой подключается к объекту, где измеряется давление. Трубка, связанная со средой большего давления, обозначается знаком плюс (плюсовая трубка), а трубка, связанная со средой меньшего давления, - знаком минус (минусовая трубка).
а - U-образного; б - чашечного; в - микроманометра с наклонной трубкой; 1 - широкий сосуд; 2 - измерительная трубка; 3 - шкала; 4 - приспособление для фиксации угла наклона трубки; 5 - указатели уровня; 6 - винт установки горизонтального уровня
Рисунок 4.1 – Схемы жидкостных манометров
Рабочей жидкостью может быть ртуть, спирт, трансформаторное масло или вода. Под действием измеряемого давления жидкость в плюсовой трубке опускается, а в минусовой поднимается, разность гидростатических уровней и определяет величину измеряемого давления согласно выражению:
Р =h g.
где Р - измеряемое давление, Па; h - разность уровней жидкости, м; - плотность жидкости, кг/м3; g - ускорение свободного падения, м/с2.
Равенство показывает, что точность измерения давления определяется точностью отсчета h, точностью определения плотности жидкости и не зависит от сечения трубки.
Величину давления по шкале двухтрубного манометра определяют по двум уровням, отсчитывая высоту столба жидкости в одной трубке вверх от нуля, а в другой - вниз, и оба значения складывают. Верхний предел измерения двухтрубных манометров составляет 1-10 кПа. В этом случае приведенная погрешность измерения лежит в интервале 2-0,2%.
Более удобным прибором является однотрубный (чашечный) манометр, в котором одна из трубок заменена сосудом, диаметр которого в несколько раз больше диаметра трубки. Манометр заполняют рабочей жидкостью до тех пор, пока мениск в трубке не уставится на нулевую отметку по шкале прибора. Для измерения избыточного давления широкий сосуд соединяют с измеряемым пространством, а конец трубки оставляют открытым, при этом уровень жидкости в трубке поднимается, а в широком сосуде опускается, но вследствие значительно большего поперечного сечения сосуда понижение уровня в нем будет очень малым.
|
|
|
При измерении вакуумметрического давления объект, где измеряют вакуум, соединяют с трубкой, а широкий сосуд - с атмосферой. При этом жидкость в измерительной трубке будет подниматься до тех пор, пока вес столба жидкости в трубке не уравновесит разность между атмосферным давлением и вакуумом контролируемой среды. В этом приборе давление или разрежение будет определяться равенством:
Р=h g(1+f/F) = h g(1 + d2/D2).
где f- сечение трубки, м2; F - сечение широкого сосуда, м2; d - диаметр трубки, м; D - диаметр широкого сосуда, м.
Обычно приборы имеют отношение f/F < 1/400 или d/D< 1/20 и понижение уровня h2 в сосуде незначительно, им можно пренебречь и отсчет вести только по стеклянной трубке h1 что упрощает измерение и уменьшает погрешность отсчета.
Однотрубные манометры имеют верхний предел измерения 1,6-10 кПа, приведенная погрешность измерения составляет 0,4-0,025 %. Измерение малых давлений (до 2 кПа) обычными двухтрубными или однотрубными приборами дает большую погрешность из-за неточности отсчета. В этом случае применяют микроманометры, простейшим из которых является стеклянный однотрубный микроманометр с наклонной трубкой, у которого трубка расположена не вертикально, а под углом 
к горизонту; при этом точность измерения увеличивается в несколько раз. Учитывая, что h1 = 
, измеряемое давление определим по формуле:
Р = 
.
где 
- отсчет по наклонной трубке, м; 
- угол наклона трубки.
Отношением f/F, как величиной весьма малой можно пренебречь, и равенство примет вид:
Р = 
.
Чем меньше угол а, тем меньше предел измерения прибора и тем больше растянуты деления шкалы, что и предопределяет высокую точность измерения.
|
|
|
Чашку микроманометра заполняют спиртом определенной плотности. Плотность спирта меньше плотности воды, и он меньше смачивает стекло. Вследствие этого спирт дает больший, чем вода, масштаб отсчета и меньший мениск. Так как отсчет по микроманометру с наклонной трубкой зависит от угла наклона этой трубки, то во время измерения прибор должен находиться в строго горизонтальном положении. Для этой цели микроманометр снабжен уровнем, по которому устанавливают прибор перед началом измерения и периодически проверяют положение уровня жидкости при отключенном приборе.
Недостатками жидкостных приборов являются: отсутствие дистанционной передачи показаний, небольшой предел измерений, недостаточная наглядность показаний и хрупкость. Поэтому жидкостные приборы как стационарные в промышленности используются редко. В то же время благодаря своей простоте, дешевизне и относительно высокой точности измерения они широко распространены в лабораториях и в промышленности при эпизодических измерениях и при проверке приборов других типов.
|
|
|
