69190

Измерение давления

Лекция

Физика

Средства измерения давления в атомной энергетике составляют около половины общего количества средств измерений. На АЭС существуют специфические условия роботы приборов для измерения давления: широкий диапазон измерений 05 50 Мпа 5 500 кгс см2; высокая температура и радиационные...

Русский

2014-10-01

59.5 KB

9 чел.

Измерение давления

  1.  Общие сведения .

Давление относится к числу наиболее распространенных измеряемых физических величин во всех отраслях промышленности. На АЭС давление характеризует процессы и определяет режимы работы агрегатов. Давлением определяется толщина стенок испарителей, трубопроводов и других элементов оборудования. В сочетании с температурой давление определяет параметры пара.

Средства измерения давления в атомной энергетике составляют около половины общего количества средств измерений. На АЭС существуют специфические условия роботы приборов для измерения давления: широкий диапазон измерений 0,5 – 50 Мпа (5 – 500 кгс/см2); высокая температура и радиационные облучения измеряемой и окружающей среды; трудности осмотра и замены первичных преобразователей.

Единицей измерения давления в международной системе единиц (СИ) установлен Паскаль (ГОСТ 8.417-81). Паскаль (Па) – давление силы в один Ньютон на площадь в один квадратный метр (Н/м2). Существуют и другие единицы измерения давления.

При измерении различают виды давлений: абсолютное, избыточное и вакуумметрическое. Кроме того, давление движущей среды характеризуется давлением: статическим, динамическим и полным. Существует также понятие атмосферного давления.

Ратм Атмосферное (барометрическое) давление создается массой воздушного столба земной атмосферы.

Ри Избыточное давление характеризует превышение давления среды над атмосферным.

Рв Вакуумметрическое давление (вакуум) – давление среды. Недостающего до атмосферного.

Рв=Ратм – Рабс

Рабс Абсолютное давление среды равно сумме атмосферного и избыточного давлений или разности атмосферного и вакуумметрического давлений. Если избыточное или вакуумметрическое давления равны нулю, абсолютное давление равно атмосферному.

Рабс= Ратм + Ри

Рабс= Ратм – Рв

Рп Полное давление движущейся среды равно сумме статического и динамического давлений.

Рс Статическое давление потока среды может быть избыточным или вакуумметрическим, может быть равно атмосферному.

Рд Динамическое давление зависит от скорости потока:

                                          V2 

                                 Рд = ------                ( 1 )

                                            2

где V – скорость движения вещества, – плотность вещества.

Средства измерения давления (совокупность средств измерения ) называют манометрами.

Манометры в общем случае состоят из измерительного преобразователя давления (первичного прибора ), измерительного прибора (вторичного прибора ) и соединительной трубной линии.

Манометры принято классифицировать в зависимости от предела измерения, принципа действия, выполняемых ими функций ( показание, запись, регулирование ), а также от назначения (рабочие, образцовые, контактные и т.д. ).

       Классификация средств измерений давления.

Измерение давления основывается главным образом на уравновешивании действующего усилия при помощи столба жидкости или за счет упругой деформации различных чувствительных элементов.

а) В зависимости от предела измерения манометры делятся на следующие группы (ГОСТ 8.271- 77 ):

  •  Манометры избыточного давления или просто манометры;
  •  Вакуумметры;
  •  Манометры абсолютного давления, для измерения давления отсчитываемого от абсолютного нуля;
  •  Тяго – и напорометры – для измерения небольшого вакуумметрического и избыточного давлений;
  •  Барометры – для измерения атмосферного давления;
  •  Дифференциальные манометры – для измерения перепада давлений ( разности давлений ).

б) По принципу действия манометры, применяемые на АЭС могут быть разделены на 4-е  основные группы:

  •  Жидкостные манометры, основанные на гидростатическом принципе действия, где измеряемое давление уравновешивается давлением столба манометрической жидкости. К ним относятся:

а) двухтрубные (U – образные ) манометр либо вакуумметр;

    б) однотрубный ( чашечный ) манометр с постоянным или переменным углом наклона

они применяются в качестве манометров для измерения избыточного давления воздуха или газов до 7000Па (700 мм.вод.ст.) и 0,1Мпа (736 мм.рт.ст.)

\ разряжения газовых сред до 7000Па (700 мм.вод.ст.), вакуумметров для измерения вакуума  до 0,101Мпа (760 мм.рт.ст.) \ и дифференциальных манометров для измерения разности давлений неагрессивных газов, близких к атмосферному, до 7000Па ( 700 мм.вод.ст.) и неагрессивных жидкостей, газов и паров находящихся под давлением более 0,1Мпа (1 кгс/см2), до 0,09Мпа (660 мм.рт.ст.);

  •  Деформационные (пружинные) манометры, в которых измеряемое давление или разность давлений определяется по деформации упругого элемента .

       В качестве упругих элементов применяют преимущественно:

  а) трубчатые пружины различной конфигурации;

  б) мембраны: плоские и с гофрами;

  в) мембранные коробки;

  г) сильфоны (гармониковые мембраны ) и др.

Они используются для измерения абсолютного давления газов и неагрессивных жидкостей в широком диапазоне от 50 до 2,5.105Па (от 50. 10-5 до 2,5кгс/см2), избыточных давлений и разряжений от  -1.105 до 1.109Па (от         -1кгс/см2 до 104кгс/см2), разности давлений от 10 до 4.107Па (от 10-4 до 4.102кгс/см2). Знак "минус" перед значением давления означает разряжение.

  •  Электрические манометры, принцип действия которых основан на зависимости электрических параметров преобразователя от измеряемого давления.

К их числу могут быть отнесены:

а) термопарный манометр;

б) электронный ионизационный манометр;

в) магнитный электроразрядный манометр;

Эти приборы широко используются на АЭС.

-  Газопоршневые манометры, принцип действия которых основан на уравновешивании измеряемого давления давлением, создаваемым весом поршня с грузоприемным устройством и грузом, с учетом сил жидкостного трения, применяются для поверки рабочих средств измерения давления.

      в)  По виду представления информации манометры принято разделять на показывающие и самопишущие. В них может быть встроено двух- или трехпозиционное сигнальное устройство или дополнительные контрольные стрелки.

      г)  По конструктивному оформлению манометры делятся на щитовые (профильные) для установки по месту со способом крепления штуцером или фланцем.  Расположение фланца может быть заднее и переднее, а штуцера - радиальное и осевое.

      д)  По признаку метрологического назначения манометры разделяются на три группы:

          а) технические (рабочие) (ГОСТ 2405-72), имеющие класса точности от 0,6 до 4;

          б)  лабораторные (контрольные) (ГОСТ 6400-69)  класса точности от 0.6 до 1;

          в)  образцовые (ГОСТ 6521-72), класса точности от 0,15 до 0,25 служащие для поверки по ним других манометров.

     е)  По классу точности манометры делятся на:

  •  Технические - класса точности от 0,6 до 4;
  •  Образцовые - от 0,15 до 0,25.

    Манометры, вакуумметры и мановакуумметры трубные жидкостные.

Не смотря на свою простоту, относительно высокую точность и дешевизну редко применяются на АЭС. Их применение для целей ………. радиоактивных сред не допускается. В условии лаборатории они иногда могут использоваться при поверке рабочих приборов.

  Напоромеры, тягонапоромеры мембранные и тягомеры.

Предназначаются для измерения вакуумметрического или избыточного давления неагрессивных газов или воздуха.

Верхний предел измерения для тягомеров от 16 до 4000 кгс/см2; для напоромеров от 16 до 4000 кгс/см2 и для тягонапоромеров от 16 до 4000 кгс/см2.

В качестве чувствительного элемента используется герметичная мембранная коробка 1. Среда давления которой измеряется через штуцер, подается во внутреннюю полость мембранной коробки.

Разность давлений вызывает перемещение ведущего штифта, припаянного к верхней мембране (ее центру), которое с помощью поводка 4 и рычага передается через тягу на ось стрелки 5. Рис.1.

Стрелка устанавливается на нуль корректором.

Допустимое статическое давление не более 0,25 кгс/см2.

Класс точности приборов от 1,5 до 2,5.

     Манометры, вакуумметры и мановакуумметры показывающие пружинные.

В атомной энергетике наибольшее распространение получили манометры, вакуумметры и мановакуумметры показывающие пружинные с трубчатой одновитковой пружиной.

Приборы с трубчатой одновитковой пружиной выпускаются с верхним пределом измерения от 1-10000 кгс/см2 по ГОСТ 2405-63 и 8625-65.

Приборы с трубчатой одновитковой пружиной в зависимости от их назначения разделяются на рабочие и образцовые.

Рабочие приборы, в свою очередь, подразделяются на приборы повышенной точности, контрольные и технические.

Приборы, предназначенные для измерения с повышенной точностью, изготавливаются в виде манометров (МТИ) и вакуумметров (ВТИ) классов точности 0,6 и 1 и мановакуумметров класса точности 1.

Контрольные показывающие приборы, предназначены для поверки технических манометров на месте их установки, изготавливаются класса точности 0,6 с оной стрелкой и могут быть выполнены класса точности 1 с двумя стрелками.

Технические приборы выпускаются класса точности от 1 до 4.

Образцовые приборы - 0,16;0,25;0,4 в виде манометров типа МО и вакуумметров типа ВО. Манометры образцовые типа МО выпускаются с верхними пределами измерения от 1 до 600 кгс/мс2.

В приборах с одновитковой трубчатой пружиной свободный конец пружины под действием давления перемещается. Это перемещение передается стрелке прибора передаточным механизмом:

  •  секторным (Рис. );
  •  рычажным (Рис. ).

      В секторных механизмах перемещение конца пружины передается через поводок и зубчатый сектор на трубку - маленькое зубчатое колесо, жестко скрепленное со стрелкой прибора.

      В рычажных механизмах поводок связан с дугообразным рычажком, жестко

скрепленным со стрелкой прибора, сидящей на общей с ним оси.

      Во всех передаточных механизмах имеется спиральная пружинка, предназначенная для устранения люфта.

       Манометры типа СВ, имеющий секторный передаточный механизм, изготавливаются с верхним пределом измерения от 1600 до 10000 кгс/см2.

      Вакуумметры (аналогичны манометрам) - от -1 до 0 кгс/см2.

Мановакуумметры с одновитковой трубчатой пружиной отличаются от рассмотренного выше манометра шкалой, которая выполняется у них двухсторонней. Шкала, расположенная слева от нуля, служит для измерения вакуума (вакуумметрического давления) от -1 до 0 кгс/см2, а справа от нуля - шкала для измерения избыточного давления от 0 до 24 кгс/см2.

      Манометры и вакуумметры повышенной точности ничем не отличаются от серийных технических манометров.

      Большая точность этих приборов, особенно образцовых, по сравнению с техническими приборами достигается тщательным исполнением конструкции и применением материалов высокого качества.

       Контрольные манометры и вакуумметры имеют две трубчатые пружины, закрепленные в одном держателе и работающие одновременно от одного штуцера. Они имеют два передаточных механизма и две шкалы соответственно для каждого механизма.

         Манометры, вакуумметры и мановакуумметры пружинные электроконтактные.

   Приборы предназначенные для измерения жидких и газообразных сред в условиях, где необходима сигнализация о достижении пределов рабочего давления. Они выполняются в виде манометров, вакуумметров и мановакуумметров.

   На рис. показана принципиальная схема электроконтактного манометра типа ЭКМ. В этом приборе в качестве упругого чувствительного элемента используется одновитковая трубчатая пружина.

   По устройству прибор типа ЭКМ отличается от рассмотренного манометра с трубчатой пружиной лишь наличием специальных контактов. Установка контактов может быть произведена на любые отметки рабочей части шкалы манометра вращением винта, находящегося на наружной стороне стекла, закрывающего корпус прибора.

   Если измеряемое давление среды уменьшится и достигнет того минимального значения шкалы, на который установлен левый контакт, стрелка с помощью контакта замкнет цепь и включит лампу определенного цвета, например зеленую- Лз.

   Если же давление среды увеличится до верхнего заданного, то стрелка с помощью контакта замкнет правый контакт, а следовательно и цепь красной лампы -Лк.

   Электроконтактные типа ЭКМ выпускаются с верхним пределами измерения от 1 до 1600 кгс/см2.

   

   Манометры типа ЭКВМ изготавливаются с верхним пределом вакуумметрического давления до 1 кгс/см2, а избыточного давления от 1 до 24 кгс/см2.

    Электроконтактные вакуумметры типа ЭКВ выполняются с верхним пределом вакуумметрического давления 1 кгс/см2.

   Приборы типа ЭКМ выпускаются класса точности 1,5.

     

Жидкостные манометры.

В жидкостных манометрах величиной, характеризующей измеряемое давление, служит высота столба (уровень) жидкости, уравновешивающего измеряемое давление. В приборах используется принцип сообщающихся сосудов, в которых уровни рабочей жидкости совпадают при равенстве давлений над ним, а при неравенстве занимают такое положение, когда избыточное давление в одном из сосудов уравновешивается гидростатическим давлением избыточного столба жидкости в другом. Выпускаются однотрубные (см. рис. ) (чашечные) и двухтрубные (см. рис. ) (U - образные) манометры. В качестве рабочей жидкости используется дистиллированная вода, ртуть, этиловый спирт.

Жидкостные манометры являются простыми и точными приборами. Применяются главным образом, для лабораторных исследований и при наладочных работах. Диапазон измерений - 0,2 МПа.

Наиболее широко применяются двухтрубные жидкостные манометры. Их используют для измерения давления и разности давлений. Их называют U - образными.

Две вертикальные сообщающиеся стеклянные трубки закреплены на металлическом или деревянном основании, к которому прикреплена также шкальная пластина ( рис.). трубки заполняются рабочей жидкостью до нулевой отметки. В трубку 1 подается измеряемое давление, а трубка 2 сообщается с атмосферой. При изменении разности давлений к обоим трубкам подводится измеряемое давление. Столб жидкости высотой h уравновешивает разность давлений.

Погрешность зависит от цены деления шкалы. Без дополнительных оптических устройств при цене деления 1 мм погрешность - 2 мм.

Двух трубные манометры выпускаются с диапазоном показаний: 100, 160, 250, 400, 600, 1000 мм столба жидкости. Для повышения точности U - образные приборы снабжают зеркальной шкалой.

На рис. показан чашечный (однотрубный) манометр. Он состоит из цилиндрического сосуда и сообщающейся с нм измерительной стеклянной трубки.

Площадь сечения сосуда значительно больше, чем измерительной трубки, поэтому при одном и том же давлении высота столба жидкости в трубке будет выше, чем в сосуде пропорционально разности сечений.

При измерении разности давлений большее давление подается в сосуд, меньшее в измерительную трубку.

Под действием разности давлений жидкость в измерительной трубке поднимется на высоту h1, а в широком сосуде опускается на высоту h2. Тогда высота столба h соответствующая измеряемой величине равна:

     h= h1 +h2.

В связи  с тем, что отсчет ведется только по измерительной трубке, но уровень жидкости в широком сосуде также снижается, высота столба отличается от показаний на шкале. Поэтому вводят поправку. Если отношение диаметров d2/D2 равно 1/400, то при повышении уровня рабочей жидкости в измерительной трубке на высоту h1 в широком сосуде уровень жидкости понизится на 0,0025h1,т.е. на 0,25%h1. Погрешность измерения равна

      + 0,0025 ,

где  ∆ - погрешность отсчета столба жидкости.

Пример: если h = 700 мм.рт.ст. , то погрешность отсчета столба h1 составляет: 0,0025 . 700 = 1,75 = 2 мм.вод.ст.

Таким образом, погрешность измерения однотрубным манометром выше, чем двухтрубным, но однотрубные обладают большим удобством.

На основе жидкостных манометров строятся также микроманометры. Они применяются для измерения малых давлений. Повышение чувствительности достигается за счет наклона измерительной трубки (рис. ).

Деформационные манометры.

Принцип действия деформационных манометров основан на зависимости деформации упругого чувствительного элемента от измеряемого давления. чувствительные элементы имеют специальную конструкцию, реализующую линейную зависимость перемещения рабочей точки от измеряемого давления.

Наиболее распространенные упругие элементы: трубчатые пружины, сильфоны, мембраны, мембранные коробки, вялые мембраны с жестким центром. Простейшие упругие элементы: плоские и выпуклые мембраны.

Плоские мембраны (рис. ) представляют собой круглые тонкостенные пластины постоянной толщины. Они изготавливаются из стали и бронзы. Мембраны заделаны по краям и при повышении давления претерпевают деформацию. Деформация имеет небольшую величину. Мембраны обладают малой инерционностью. Они применяются с преобразователями, не требующих больших перемещений: пьезоэлектрическими, тензорезисторными, емкостными. Выпуклые (хлопающие) мембраны ( рис. ) используются в реле давления для сигнализации превышения давления. На рисунке показана гофрированная мембрана. Гофрированная мембрана в виде кольцевых волн спрямляет характеристики мембраны и повышает надежность ее работы.

Гофрированные одиночные мембраны в качестве чувствительных элементов практически не применяются. Они применяются в виде гофрированных коробок, образованных двумя спаянными мембранами. Для измерения перепада давления применяется блок из двух мембранных коробок (рис. ). При разности давлений жидкость переходит из одной коробки в другую.

Сильфон представляет собой тонкостенную трубку с поперечной гофрировкой (рис. ). Они применяются для измерения сравнительно не большого давления (до 40000Па ). Жесткость сильфона зависит от его материала и геометрических параметров. В тех случаях, когда необходимо увеличить жесткость, его снабжают винтовой цилиндрической пружиной ( рис. ).

Трубчатые пружины изготавливают в виде одновитковых. Согнутых по дуге круга трубок эллиптического или плоскоовального сечения (рис. ).

Центральная ось пружины представляет собой дугу окружности с углом γ =200 - 270о. Пружины элептического и плоскоовального сечения называются трубками Бурдона. Один конец пружины Бурдона закрепляется не подвижно, другой свободный, запаянный, соединяют с механизмом прибора, преобразователем или другим устройством. Под действием давления, подаваемего во внутреннюю полость трубки, пружины Бурдона деформируются в поперечном сечении…………