Большая энциклопедия нефти и газа. Приборы для измерения давления

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Средства измерения давления газа жидкости и пара. Для прямого измерения давления жидкой или газообразной среды с отображением его значения непосредственно на первичном измерительном приборе на его отсчетном устройстве шкале табло или индикаторе применяются манометры. Если отображение значения давления на самом первичном приборе отсутствует т. прибор является бесшкальным но он позволяет получать и дистанционно передавать измерительный сигнал параметра такой прибор называют измерительным преобразователем давления ИПД или датчиком...

Вопрос 11. Средства измерения давления газа, жидкости и пара.

Для прямого измерения давления жидкой или газообразной среды с отображением его значения непосредственно на первичном измерительном приборе (на его отсчетном устройстве – шкале, табло или индикаторе) применяются манометры. Если отображение значения давления на самом первичном приборе отсутствует (т.е. прибор является бесшкальным), но он позволяет получать и дистанционно передавать измерительный сигнал параметра, такой прибор называют измерительным преобразователем давления (ИПД) или датчиком давления. Манометры классифицируют по принципу действия и конструкции, виду измеряемого давления, применению и назначению, типу отображения данных и другим признакам. По принципу действия манометры можно подразделить на деформационные (давление определяется по величине деформации и перемещения упругого чувствительного элемента УЧЭ – мембраны, трубчатой пружины, сильфона), электрические (давление определяется на основе зависимости электрических параметров – сопротивления, емкости, заряда, частоты – чувствительного элемента от измеряемого давления), широко применяемые в промышленности. Последние основаны на использовании интегральных тензорезисторных чувствительных элементов с цифровым табло и развитой системой интерфейсов. По виду измеряемого давления манометры подразделяют на приборы измерения: избыточного и абсолютного давления – собственно манометры, разряжения – вакуумметры; давления и разрежения – мановакуумметры; разностного давления – дифференциальные манометры (дифманометры). По области применения манометры подразделяют на общепромышленные, или технические, работающие в промышленных условиях (при перепадах температур и влажности окружающей среды, вибрациях, загрязнениях и т.п) и лабораторные. Для целей современной автоматизации используются измерительные преобразователи давления (ИПД). На рис. представлена классификация ИПД. По способу обработки и отображения измеряемого давления ИПД подразделяют на первичные (формируют для дистанционной передачи выходной сигнал, соответствующий измеряемому давлению) и вторичные (получают сигнал от первичных преобразователей, обрабатывают его, накапливают, отображают и передают на более высокий уровень АСКУЭ или в систему управления). Современная тенденция развития первичных и вторичных ИПД заключается в “интеллектуализации” на базе микроэлектронной технологии и микропроцессорной техники как первых – передаче им части функций вторичных преобразователей, так и вторых – передаче им части функций системы управления. По принципу действия, или способу преобразования измеряемого давления в выходной сигнал, первичные ИПД подразделяют прежде всего на деформационные и электрические. В первых относительное перемещение деформированного чувствительного элемента (мембраны, сильфона, трубки Бурдона) преобразуется с помощью дополнительных промежуточных механизмов и преобразователей в электрический (посредством, например, магнитотранзисторного или оптоэлектронного преобразователя) или магнитный (например, в сигнал взаимной индуктивности в датчиках с дифференциально-трансформаторной системой передачи данных) сигнал, а во-вторых – измеряемое давление через упругие свойства деформированного ЧЭ изменяет его собственные электрические параметры – сопротивление, емкость или заряд, которые становятся мерой этого давления. Подавляющее большинство современных общепромышленных ИПД реализованы на основе следующих принципов: емкостных (используют устройства чувствительных элементов в виде конденсатора с переменным зазором: смещение или прогиб под действием прилагаемого давления подвижного электрода – мембраны – относительно неподвижного изменяют емкость чувствительного элемента), пьезоэлектрических (основаны на зависимости поляризованного заряда или резонансной частоты пьезокристаллов – кварца, турмалина и др. – от давления) или транзисторных (используют зависимость активного сопротивления проводника или полупроводника от его деформации). В последние годы ИПД создаются на основе и других принципов: волоконно-оптических, гальваномагнитных, объемного сжатия, с поверхностными акустическими волнами, с p - n переходами и т.д.

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать
73764.		Організація діловодства, документування операцій та документообігу	144.5 KB
	Однією з умов успішної діяльності підприємства є якість управління ним, яке залежить від рівня інформаційного забезпечення керівництва. процес прийняття управлінського рішення передбачає отримання даних, їх аналіз, узагальнення та підготовку в розрізах і форматі, необхідних для управлінського персоналу.
73766.		Текст як форма реалізації мовнопрофесійної діяльності. Стилі сучасної української літературної мови у професійному спілкуванні	85.5 KB
	Функціональні стилі української мови та сфера їх застосування Стиль 1 суспільно необхідний історично сформований різновид літературної мови її функціональна підсистема що обслуговує певну сферу суспільної діяльності мовців і відповідно до цього має свої особливості добору й використання мовних одиниць. Кожний стиль має свою сферу використання призначення ознаки і мовні засоби; 2 сукупність прийомів використання мовних засобів що є характерною для творчості окремого письменника діяча культури мовця індивідуальний стиль; 3...
73767.		Східня Україна і козачина на порозі XVII ст. Соціальне значіннє козацтва	357.5 KB
	До сього треба додати ще як постулят також на перший погляд елєментарний і скромний але в практичнім переведенню дуже мало удобоносний се право воєнних контінґентів козацьких взаміну за їx службу державі й охорону полудневих границь на приставстваrdquo; кватири і виживленнє в коронних маєтностях. що йно тільки сам замок збудовано люстрація виказує 36 сїл або хуторівrdquo; що належать до староства Білоцерківського 9 таких же осад на міських ґрунтах десяток сїл в шляхетських державах крім того в Романівськім ключу 5 сїл цїлий...
73768.		Полїтичні обставини перших десятилїть XVII в. і їx вплив на зріст і розвій козачини	476 KB
	Не кажуть про Ливонїю тільки про Швецію і дуже її боять ся щоб туди не завели їх на погибільrdquo; доносив кореспондент. Нема згоди між нимиrdquo; доносив згаданий кореспондент Замойскому в початках квітня ст. І чи сукно прийшло б на чотири тисячі чи на шість і так само якісь гроші то хочуть розібрати між собою ті що були в волоськім походї а иньшим дати не хочуть; кажуть так: ми се заслужили а иньші нехай собі заслугують. Так була й Кощина мова на радї: обіцяно гроші й сукно з початку на чотири тисячі а тепер на шість...
73769.		Козачина в службі національних українських змагань. Київський освітний рух і відновленнє православної єрархії	404.5 KB
	Тодї як польські полїтики і правителї тїшили ся приборканнєм української своєволї вчиненим комісією 1619 р. І те що не удавало ся осягнути заходам публицїстів і богословів полїтичних дїячів і релїґійних аґітаторів лїпших сил духовних і світських сучасної України й Білоруси було здобуто завдяки тому що справу взяло під охорону своєї шаблї низове рицарство буйних добичників так мало звязаних з яким небуть церковним житєм що сучасник Сарнїцкий збиравши відомости про козаків 1580х років...
73772.		Початки української козачини	378 KB
	Вони брали ся за рішеннє сього питання тодї як се явище не тільки скристалїзувало ся вповнї набуло незвичайної екстензивної сили стало великою й впливовою суспільною верствою але й покрило собою иньші суспільні верстви стало репрезентантом української народности pr ехсеllеnсе подібно як народ шляхецькийrdquo; репрезентував сучасну народнїсть польську. І таке всенародне значіннє козачини в звязку з незмірноориґінальними прикладами козацького устрою козацької стихії що так різко відріжняли її на тлї загального поневолення народнїх...

Наиболее широко применяющиеся приборы для измерения расходов веществ, протекающие по трубопроводам, можно разделить на следующие группы:

1. Расходомеры переменного перепада давления.

2. Расходомеры постоянного перепада давления.

3. Электромагнитные расходомеры.

4. Счетчики.

5. Другие.

Расходомеры переменного перепада давления.

Расходомеры переменного перепада давления основаны на зависимости от расхода перепада давления, создаваемого устройством, которое установлено в трубопроводе, или же самим элементом последнего.

В состав расходомера входят: преобразователь расхода, создающий перепад давления; дифференциальный манометр, измеряющий этот перепад и соединительные (импульсные) трубки между преобразователем и дифманометром. При необходимости передать показания расходомера на значительное расстояние к указанным трём элементам добавляются ещё вторичный преобразователь, преобразующий перемещение подвижного элемента дифманометра в электрический и пневматический сигнал, который по линии связи передаётся к вторичному измерительному прибору. Если первичный дифманометр (или вторичный измерительный прибор) имеет интегратор, то такой прибор измеряет не только расход, но и количество прошедшего вещества.

В зависимости от принципа действия преобразователя расхода данные расходомеры подразделяются на шесть самостоятельных групп:

1. Расходомеры с сужающими устройствами.

2. Расходомеры с гидравлическим сопротивлением.

3. Центробежные расходомеры.

4. Расходомеры с напорным устройством.

5. Расходомеры с напорным усилителем.

6. Расходомеры ударно — струйные.

Рассмотрим поподробнее расходомеры с сужающим устройством, так как они получили наибольшее распространение в качестве основных промышленных приборов для измерения расхода жидкости, газа и пара, в том числе на нашем предприятии. Они основаны на зависимости от расхода перепада давления, создаваемого сужающим устройством, в результате которого происходит преобразование части потенциальной энергии потока в кинетическую.

Имеется много разновидностей сужающих устройств. Так на рис.1, а и б показаны стандартные диафрагмы, на рис. 1, в – стандартное сопло, на рис. 1, г, д, е – диафрагмы для измерения загрязнённых веществ – сегментная, эксцентричная и кольцевая. На следующих семи позициях рис. 1 показаны сужающие устройства применяемые при малых числах Рейнольдса (для веществ с большой вязкостью); так, на рис. 1, ж, з, и изображены диафрагмы – двойная, с входным конусом, с двойным конусом, а на рис.1, к, л, м, н – сопла-полукруга, четверть круга, комбинированное и цилиндрическое. На рис. 1, о изображена диафрагма с переменной площадью отверстия, автоматически компенсирующая влияние изменения давления и температуры вещества. На рис. 1, н, р, с, т приведены расходомерные трубы – труба Вентури, сопло Вентури, труба Далла и сопло Вентури с двойным сужением. Для них характерна очень маленькая потеря давления.

Рисунок 1.

Разность давлений до и после сужающего устройства измеряется дифманометром. В качестве примера рассмотрим принцип действия приборов 13ДД11 и Сапфир –22ДД.

Рисунок 2.

Принцип действия преобразователей разности давлений 13ДД11 основан на пневматической силовой компенсации. Схема прибора представлена на рис. 2. В плюсовую 2 и минусовую 6 полости преобразователя, образованные фланцами 1, 7 и мембранами 3,5 подводится давление. Измеряемый перепад давления воздействует на мембраны, приваренные к основанию 4. Внутренняя полость между мембранами заполнена кремнийорганической жидкостью. Под воздействием давления мембраны поворачивают рычаг 8 на небольшой угол относительно опоры – упругой мембраны вывода 9. Заслонка 11 перемещается относительно сопла 12, питаемого сжатым воздухом. При этом сигнал в линии сопла управляет давлением в усилителе 13 и в сильфоне отрицательной обратной связи 14. Последний создает момент на рычаге 8, компенсирующий момент, возникающий от перепада давления. Сигнал, поступающий в сильфон 14,пропорциональный измеряемому перепаду давления, одновременно направляется в выходную линию преобразователя. Пружина корректора нуля 10 позволяет устанавливать начальное значение выходного сигнала, равное 0,02 МПа. Настройка преобразователя на заданный предел измерения осуществляется перемещением сильфона 14 вдоль рычага 8. Измерительные пневматические преобразователи других модификаций выполнены аналогично.

Рисунок 3.

Преобразователи разности давлений Сапфир-22ДД (рис. 3) имеет две камеры: плюсовую 7 и минусовую 13, к которым подводится давление. Измеряемая разность давлений воздействует на мембраны 6, приваренные по периметру к основанию 9. Фланцы уплотняются прокладками 8. Внутренняя полость 4, ограниченная мембранами и тензопребразователем 3, заполненная кремнийоранческой жидкостью. Под воздействием разности давлений мембраны перемещают тягу 11, которая через шток 12 передает усилие на рычаг тензопреобразователя 3. Это вызывает прогиб мембраны тензопреобразователя 3 и соответствующий электрический сигнал, передаваемый в электронное устройство 1 через гермовывод 2.

Расходомеры постоянного перепада давления.

Принцип их действия основан на восприятии динамического напора контролируемой среды, зависящего от расхода, чувствительным элементом (например, поплавком), помещенным в поток. В результате воздействия потока чувствительный элемент перемещается, и величина перемещения служит мерой расхода.

Приборы, работающие на этом принципе – ротаметры (рис. 4).

Рисунок 4.

Поток контролируемого вещества поступает в трубку снизу вверх и увлекает за собой поплавок, перемещая его вверх, на высоту Н. При этом увеличивается зазор между ним и стенкой конической трубки, в результате уменьшается скорость жидкости (газа) и возрастает давление над поплавком.

На поплавок действует усилие снизу вверх:

G1=P1·S ⇒ Р1=G1/S

и сверху вниз

G2=P2·S+q ⇒ P2=G2/S-q/S,

где P1, P2 – давление вещества на поплавок снизу и сверху;

S — площадь поплавка;

q — вес поплавка.

Когда поплавок находится в состоянии равновесия G1=G2, следовательно:

P1 — P2=q/S,

так как q/S=const, значит:

P1 — P2=const,

поэтому такие приборы называют расходомерами постоянного перепада давления.

При этом объемный расход может быть рассчитан по формуле:

где Fс – площадь сечения конической трубки на высоте h, м2; F-площадь верхней торцевой поверхности поплавка, м2; p-плотность измеряемой среды, кг·м3; с – коэффициент, зависящий от размеров и конструкции поплавка.

Ротаметры со стеклянной трубкой применяются только для визуальных отсчётов расхода и лишены устройств, для передачи сигнала на расстояние.

Ротаметр не следует устанавливать в трубопроводах, подверженным сильным вибрациям.

Длина прямого участка трубопровода перед ротаметром должна быть не менее 10 Ду, а после ротаметра не менее 5 Ду.

Рисунок 5.

Ротаметр пневматический фторопластовый типа РПФ

Ротаметры типа РПФ предназначены для измерения объемного расхода плавно меняющихся однородных потоков чистых и слабозагрязненных агрессивных жидкостей с дисперсными немагнитными включениями инородных частиц, нейтральных к фторопласту и преобразование величины расхода в унифицированный пневматический сигнал.

РПФ состоит из ротаметрической и пневматической части (пневмоголовки).

Корпус ротамометрической части 1 (рис.5) представляет собой прямоточную трубу с приваренными на концах кольцами 6.

Внутри корпуса расположены: перемещающийся под действием измеряемого потока поплавок 2, жестко связанный со сдвоенными магнитами 7, конус мерительный 4, направляющие 3, 12.

Корпус ротамометрической части футерован фторопластом-4, а направляющие 3, 12, поплавок 2, конус мерительный 4 выполнены из фторопласта-4.

Пневмоголовка предназначена для обеспечения местных показаний и представляет круглый корпус 20, в котором размещены: сервопривод 16, реле пневматическое 13, манометры 18, стрелка 9, механизм перемещения 10, шкала местных показаний, входной и выходной штуцера.

Сервопривод 16 представляет собой металлический стакан 15, в котором находится узел сильф она 17. Сильфон 17 разделяет внутреннюю полость сервопривода от внешней среды и в комплекте с пружиной 24 служит в качестве упругого элемента.

Нижний конец сильфона припаян к подвижному дну, с которым жестко связан шток 14. На противоположном конце штока 14 закреплено сопло 25 и реле механическое 8.

При работе реле механическое обеспечивает закрытие сопла заслонкой при увеличении расхода и открытие сопла при уменьшении расхода.

Реле механическое (рис.6) состоит из кронштейна 1, закрепленного на колодке 3, заслонки 2, установленной вместе со следящим магнитом 5 на кернах в скобе 4. Скоба 4 крепится винтами к колодке 3. Регулировка положения реле механического относительно сопла производится перемещением реле механического вдоль оси штока сервопривода.

Рисунок 6.

Механизм перемещения 10 шарнирно соединен с реле механическим 8 тягой 11, преобразует перемещение вертикальное штока 14 во вращательное движение стрелки 9.

Все детали пневмоголовки защищены от воздействия окружающей среды (пыли, брызги) и механических повреждений крышкой.

Принцип действия ротаметра основан на восприятии поплавком, перемещающемся в мерительном конусе 4, динамического напора, проходящего снизу вверх измеряемого потока (рис.6).

При подъеме поплавка проходной зазор между мерительной поверхностью конуса и кромкой поплавка увеличивается, при этом уменьшается перепад давления на поплавке.

Когда перепад давления становится равным весу поплавка, приходящемуся на единицу площади его поперечного сечения, наступает равновесие. При этом каждой величине расхода измеряемой жидкости при определенной плотности и кинематической вязкости соответствует строго определенное положение поплавка.

В принципе магнитопневматического преобразователя используется свойство восприятия следящим магнитом 6, механического перемещения сдвоенных магнитом 7, жестко связанным с поплавком, и преобразование этого перемещения в выходной пневматический сигнал (рис.7).

Перемещение поплавка вверх вызывает изменение положения следящего магнита 6 и жестко связанной с ним заслонки 5. При этом зазор между соплом и заслонкой уменьшается, командное давление увеличивается, Увеличивая давление на выходе пневматического реле 4 (рис. 7).

Усиленный по мощности сигнал поступает во внутреннюю полость стакана 15 (рис.5). Под действием этого сигнала происходит сжатие упругого элемента (сильфон 17-пружина 24) сервопривода 16, перемещение вверх штока 14, жестко связанного с нижним концом сильфона 17, сопла 25, реле механического 8, укрепленных на штоке 14.

Движение штока 14 происходит до тех пор, пока следящий магнит 5 с заслонкой не займут первоначальное положение относительно сдвоенных магнитов 7.

Рисунок 7.

При движении поплавка вниз изменяется положение следящего магнита 5 и связанной с ним заслонки, при этом зазор между заслонкой и соплом 25 увеличивается, уменьшая тем самым командное давление и давление на выходе пневматического реле. Избыточный воздух из полости стакана 15 (рис. 4) через клапан пневматического реле стравливается в атмосферу. Так как давление в стакане 15 уменьшилось, шток 14 под действием упругого элемента (сильфон-пружина) месте с механическим реле 8 перемещается вниз (в сторону движения поплавка) до тех пор, пока следящий магнит 5 с заслонкой не займут первоначальное положение относительно сдвоенных магнитов.

Пневматическое реле предназначено для усиления выходного пневмосигнала по мощности.

Принцип действия расходомера ВИР основан на ротаметрическом способе измерения, то есть мерой расхода в нём является вертикальное перемещение поплавка под воздействием обтекающего его потока жидкости. Перемещение поплавка преобразуется в электрический сигнал.

Рисунок 8.

Принципиальная электрическая схема ВИР со схемой подключения к преобразователю (КСД) представлена на рис. 8.

ВИР представляет из себя ротаметрическую пару (мерительный конус, поплавок-сердечник), реагирующую на изменение потока измеряемой жидкости, посредством дифференциального трансформатора Т1, преобразующего перемещение поплавка-сердечника в напряжение переменного тока. Преобразователь (КСД) предназначен для питания первичной обмотки трансформатора Т1 датчика и преобразования напряжения переменного тока, индуктирующегося во вторичной обмотке дифференциального трансформатора Т1 датчика, в показания на шкале прибора, соответствующее протекаемому расходу жидкости.

Изменение напряжения на вторичной обмотке дифференциального трансформатора Т2, вызванное перемещением сердечника-поплавка в датчике, усиливается и передаётся на реверсивный двигатель.

Подвижный сердечник дифференциального трансформатора Т2 является элементом отрицательной обратной связи, компенсирующей изменение напряжения на входе трансформатора Т2. Перемещение сердечника осуществляется через кулачок при вращении реверсивного двигателя РД. Одновременно вращение реверсивного двигателя передаётся на стрелку прибора.

Датчик ротаметра (рис. 9) состоит из корпуса 1, ротаметрической трубки 2, катушки дифференциального трансформатора 3, поплавка-сердечника 4 и клеммной коробки 5.

Корпус представляет собой цилиндр с крышками 9, внутри которого проходит ротаметрическая труба, а к его боковой поверхности приварена клеммная коробка с крышкой 6, которая крепится шестью болтами. В корпусе находится катушка дифференциального трансформатора, залитая компаундом 10 (ВИКСИНТ К-18).

Ротаметрическая труба представляет собой трубу из нержавеющей стали, на концах которой приварены фланцы 7, служащие для крепления датчика на технологическую линию. Внутри ротаметрической трубы находится фторопластовая труба 8 с внутренним мерительным конусом.

Рисунок 9.

Катушка дифференциального трансформатора намотана непосредственно на ротаметрическую трубу, концы обмоток катушки присоединены к проходным зажимам клеммной коробки.

Поплавок-сердечник состоит из поплавка специальной конструкции, выполненного из фторопласта-4 и сердечника из электротехнической стали, расположенного внутри поплавка.

Катушка дифференциального трансформатора с поплавком сердечником составляет дифференциальный трансформатор датчика, первичная обмотка которого питается от преобразователя, а напряжение, индуктируемое во вторичной обмотке, поступает на преобразователь.

Электромагнитные расходомеры.

В основе электромагнитных расходомеров лежит взаимодействие движущейся электропроводной жидкости с магнитным полем, подчиняющееся закону электромагнитной индукции.

Основное применение получили такие электромагнитные расходомеры, у которых измеряется ЭДС, индуктируемая в жидкости, при пересечении ею магнитного поля. Для этого (рис. 10) в участок 2 трубопровода, изготовленного из немагнитного материала, покрытого изнутри неэлектропроводной изоляцией и помещённого между полюсами 1 и 4 магнита или электромагнита, вводятся два электрода 3 и 5 в направлении, перпендикулярном как к направлению движения жидкости, так и к направлению силовых линий магнитного поля. Разность потенциалов Е на электродах 3 и 5 определяется уравнением:

где – В – магнитная индукция; D – расстояние между концами электродов, равное внутреннему диаметру трубопровода; v и Q0 – средняя скорость и объёмный расход жидкости.

Рисунок 10.

Таким образом, измеряемая разность потенциалов Е прямо пропорциональна объёмному расходу Q0. Для учёта краевых эффектов, вызываемых неоднородностью магнитного поля и шунтирующим действием трубы, уравнение умножается на поправочные коэффициенты kм и kи, обычно весьма близкие к единице.

Достоинства электромагнитных расходомеров: независимость показаний от вязкости и плотности измеряемого вещества, возможность применения в трубах любого диаметра, отсутствие потери давления, линейность шкалы, необходимость в меньших длинах прямых участков труб, высокое быстродействие, возможность измерения агрессивных, абразивных и вязких жидкостей. Но электромагнитные расходомеры неприменимы для измерения расхода газа и пара, а также жидкостей диэлектриков, таких, как спирты и нефтепродукты. Они пригодны для измерения расхода жидкости, у которых удельная электрическая проводимость не менее 10-3 См/м.

Счётчики.

По принципу действия все счетчики жидкостей и газов делятся на скоростные и объемные.

Скоростные счетчики устроены таким образом, что жидкость, протекающая через камеру прибора, приводит во вращение вертушку или крыльчатку, угловая скорость которых пропорциональна скорости потока, а, следовательно, и расходу.

Объемные счетчики . Поступающая в прибор жидкость (или газ) измеряется отдельными, равными по объему дозами, которые затем суммируются.

Скоростной счетчик с винтовой вертушкой.

Скоростной счетчик с винтовой вертушкой служит для измерения больших объёмов воды.

Рисунок 11.

Поток жидкости 4 рис. 11 поступая в прибор, выравнивается струевыпрямителем 3 и попадает на лопасти вертушки 2, которая выполнена в виде многозаходного винта с большим шагом лопасти. Вращение вертушки через червячную пару и передаточный механизм 4 передается счетному устройству. Для регулировки прибора одна из радиальных лопастей струевыпрямителя делается поворотной, благодаря чему, изменяя скорость потока, можно укорить или замедлить скорость вертушки.

Скоростной счетчик с вертикальной крыльчаткой.

Этот счетчик применяется для измерения сравнительно небольших расходов воды и выпускается на номинальные расходы от 1 до 6,3 м3/ч при калибрах от 15 до 40 мм.

Рисунок 12.

В зависимости от распределения потока воды, поступающей на крыльчатку, различают две модификации счетчиков — одноструйные и многоструйные.

На рис.12 показано устройство одноструйного счетчика. Жидкость подводится к крыльчатке тангенциально к окружности, описываемой средним радиусом лопастей.

Преимуществом многоструйных счетчиков является сравнительно небольшая нагрузка на опору и ось крыльчатки, а недостатком — более сложная по сравнению с одноструйными конструкция, возможность засорения струеподводящих отверстий. Вертушки и крыльчатки счетчиков изготавливают из целлулоида, пластических масс и эбонита.

Счетчик устанавливается на линейном участке трубопровода, при чем на расстоянии 8-10 D перед ним (D-диаметр трубопровода) не должно быть устройств, искажающих поток (колена, тройники, задвижки и др.). В тех случаях, когда все же ожидается некоторое искажение потока, перед счетчиками устанавливают дополнительные струевыпрямители.

Счетчики с горизонтальной вертушкой можно устанавливать на горизонтальных, наклонных и вертикальных трубопроводах, тогда как счетчики с вертикальной крыльчаткой — только на горизонтальных трубопроводах.

Жидкостной объёмный счётчик с овальными шестернями.

Действие этого счетчика основано на вытеснении определенных объемов жидкости из измерительной камеры прибора овальными шестернями, находящимися в зубчатом зацеплении и вращающимися под действием разности давлений на входном и выходном патрубках прибора.

Рисунок 13.

Схема такого счетчика приведена на рис 13. В первом исходном положении (рис. 13, а) поверхность га шестеренки 2 находится под давлением поступающей жидкости, а равная ей поверхность вг — под давлением выходящей жидкости. Меньшим входного. Эта разность давлений создает крутящий момент, вращающий шестерню 2 по часовой стрелке. При чем жидкость из полости 1 и полости, расположенной под шестерней 3, вытесняется в выходной патрубок. Крутящий момент шестерни 3 равен нулю, так как поверхности а1г1 и г1в1 равны и находятся под одинаковым входным давлением. Следовательно, шестерня 2-ведущая, шестерня 3-ведомая.

В промежуточном положении (рис. 13, б) шестерня 2 вращается в прежнем направлении, но ее крутящий момент будет меньше, чем в положении а, из-за противодействующего момента, созданного давлением на поверхность дг (д-точка контакта шестерней). Поверхность а1в1 шестерни 3 находится под давлением входящей, а поверхность в1 б1 -под давлением выходящей. Шестерня испытывает крутящий момент, направленный против часовой стрелки. В этом положении обе шестерни ведущие.

Во втором исходном положении (рис. 13, в) шестерня 3 находится под действием наибольшего крутящего момента и является ведущей, в то время как крутящий момент шестерни 2 равен нулю, она ведомая.

Однако суммарный крутящий момент обеих шестерен для любого из положений остается постоянным.

За время полного оборот шестерен (один цикл работы счётчика) полости 1 и 4 два раза заполняются и два раза опорожняются. Объем четырех доз жидкости, вытесненных из этих полостей, и составляет измерительный объем счетчика.

Чем больше расход жидкости через счетчик, тем с большей скоростью вращаются шестерни. Вытесняя отмеренные объемы. Передача от овальных шестерен счетному механизму осуществляется через магнитную муфту, которая работает следующим образом. Ведущий магнит укреплен в торце овальной шестерни 3, а ведомый на оси, связывающий муфту редуктором 5. Камера, где расположены овальные шестерни, отделена от редуктора 5 и счетного механизма 6 немагнитной перегородкой. Вращаясь, ведущий вал укрепляет за собой ведомый.

Давление в жидкости измеряется приборами:

Пьезометрами,

Манометрами,

Вакуумметрами.

Пьезометры и манометры измеряют избыточное или манометрическое давление, то есть они работают, если полное давление в жидкости превышает величину, равную одной атмосфере pатм = 1 кгс/см 2= = 0,1 МПа . Эти приборы показывают долю давления сверх атмосферного. Для измерения в жидкости полного давления p необходимо к манометрическому давлению pман прибавить атмосферное давление pатм , снятое с барометра. Часто в гидравлике атмосферное давление считается величиной постоянной pатм = 101325 » 100000 Па .

Пьезометр обычно представляет собой вертикальную стеклянную трубку, нижняя часть которой сообщается с исследуемой точкой в жидкости, где нужно измерить давление (например, точка А на рис. 3), а верхняя её часть открыта в атмосферу. Высота столба жидкости в пьезометре hp является показанием этого прибора и позволяет измерять избыточное (манометрическое) давление в точке по соотношению

pизб = g hp . (8)

где hp - пьезометрический напор (высота), м .

Упомянутые пьезометры применяются главным образом для лабораторных исследований. Их верхний предел измерения ограничен высотой до 5 м , однако их преимущество перед манометрами состоит в непосредственном измерении давления с помощью пьезометрической высоты столба жидкости без промежуточных передаточных механизмов.

В качестве пьезометра может быть использован любой колодец, котлован, скважина с водой или даже любой замер глубины воды в открытом резервуаре, так как он даёт нам величину hp .

Манометры (рис. 4) чаще всего применяются механические, реже - жидкостные. Все манометры измеряют не полное давление, а избыточное

pман = pизб = p – pатм . (9)

Преимуществами манометров перед пьезометрами являются более широкие пределы измерения, однако есть и недостаток: они требуют контроля их показаний. Манометры, выпускаемые в последнее время, градуируются в единицах СИ: МПа или кПа (см. с. 56). Однако всё ещё продолжают применяться и старые манометры со шкалой в кгс/см 2, они удобны тем, что эта единица равна одной атмосфере (см. с. 9). Нулевое показание любого манометра соответствует полному давлению p , равному одной атмосфере.

Вакуумметр по своему внешнему виду напоминает манометр (см. рис. 4). Показывает он ту долю давления, которая дополняет полное давление в жидкости до величины одной атмосферы. Вакуум в жидкости - это не пустота, а такое состояние жидкости, когда полное давление в ней меньше атмосферного на величину pв , которая измеряется вакуумметром. Вакуумметрическое давление pв , показываемое прибором, связано с полным и атмосферным так:

pв = pатм – p , (10)

то есть, вакуум - это разность между атмосферным и полным давлением.

Величина вакуума pв не может быть больше одной атмосферы, то есть предельное значение pв » 100000 Па , так как полное давление не может быть меньше абсолютного нуля.

Для закрепления понятий пьезометрической высоты hp , манометрического pман или избыточного pизб давления и вакуума pв приведём примеры снятия показаний с приборов:

Пьезометр, показывающий hp = 160 см вод. ст ., соответствует в единицах СИ избыточному (манометрическому) давлению pизб = = pман = 16000 Па и полному давлению p = 100000 + 16000 = 116000 Па ;

Манометр с показаниями pман = 2,5 кгс/см 2 соответствует водяному столбу hp = 25 м и полному давлению в СИ p = 0,35 МПа ;

Вакуумметр, показывающий pв = 0,04 МПа, соответствует полному давлению p = 100000 – 40000 = 60000 Па , что составляет 60 % от атмосферного pатм .

Эти примеры можно решать «в уме», если для перевода единиц давления и напора использовать соотношение, приведённое на с. 9. Рекомендуется заучить наизусть упомянутое соотношение связи единиц давления в различных системах измерения.

Приборы для измерения давления жидкостей и газов

Давление жидкостей и газов измеряют манометрами, которые по принципу действия подразделяются на жидкостные, механические и электрические.

Жидкостные манометры

На рис. 2.6а показан манометр с U-образной трубкой, которая крепится на пластинке, проградуированной в миллиметрах, и заполняется жидкостью с известной плотностью ρ 1 , (спиртом, водой или ртутью). Для жидкости плотностью ρ 2 измеряемое в точке М давление составит

p M = h 1 ρ 1 g + h 2 ρ 2 g .

Рис. 2.6. Схемы жидкостных манометров: а, в, г - с U-образной трубкой; б - с вертикальной трубкой; д - чашечный

В основу работы манометра с вертикальной трубкой (рис. 2.6, б) положено существенное различие площадей сечения трубки и резервуара. В этом приборе связь между уровнем жидкости в проградуированной в миллиметрах трубке и уровнем в резервуаре пренебрежительно мала. По этой причине достаточно одного отсчета.

Для измерения разности давлений в двух точках служат дифференциальные манометры , простейшим из которых является U-образный манометр (рис. 2.6, в). При помощи такого манометра, обычно заполняемого ртутью, можно измерять разность давлений p 1 , и р 2 жидкости плотностью ρ , которая полностью заполняет соединительные трубки:

где ρ рт - плотность ртути.

Для измерения малых перепадов давления воды применяют двухжидкостный микроманометр (рис. 2.6, г), представляющий собой перевернутую U-образную трубку с маслом или керосином в верхней части.

Искомый перепад

где ρ 1 и ρ 2 - плотности масла (керосина) и воды соответственно.

Двухжидкостный чашечный манометр (рис. 2.6, д) предназначен для измерения давления или разрежения воздуха в интервале 0,01...0,05 МПа. В чашку наливают ртуть, а в трубку, верхний и нижний участки которой имеют различные диаметры (соответственно d 1 и d 2), - спирт или керосин. Давление определяется показанием Н манометра.

Микроманометр с наклонной трубкой (рис. 2.7) рекомендуется для измерения малых давлений, так как его чувствительность значительно выше, чем у U-образного манометра. Смещение мениска определяется углом наклона трубки α: .

Рис. 2.7. Микроманометр с наклонной трубкой

Механические манометры

Чувствительным элементом манометра Бурдона (рис. 2.10, а) является трубка эллиптического сечения, изогнутая в виде полумесяца. Среда, в которой измеряется давление, заполняет ее до закрепленного конца. Подвижный конец соединœен рычажной передачей с показывающей стрелкой.

Рис. 2.8. Механические манометры: Бурдона, мембранный

Мембранный манометр (рис. 2.8, б) имеет небольшой резервуар с мембраной, деформирующейся под действием давления и соединœенной с показывающей стрелкой.

Грузопоршневой манометр (рис. 2.9) представляет собой эталонный прибор, для которого изготовитель составляет поправочные таблицы исходя из температуры и давления. Давление в грузопоршневом манометре определяется весом грузов, который поднимается поршнем измерительного устройства. Давление рассчитывают по формуле

где P - вес грузов, S - площадь поршня

Рис. 2.9. Схема грузопоршневого манометра: 1 - регулятор настройки; 2 - насос; 3 - резервуар; 4 - образцовые грузы; 5 - приемник давления; 6 - указатель подъема; 7 - поршень

Электрические манометры

У манометров с емкостными датчиками давления измерительный элемент образован детекторной мембраной 4 (рис. 2.12) и двумя неподвижными электродами 2, образующими пару конденсаторов. Изменение давления приводит к дисбалансу между двумя конденсаторами. Сигнал, пропорциональный разности их емкостей, обрабатывается электронным контуром.

Рис. 2.10. Схема емкостного датчика: / - изолирующая мембрана; 2 - электроды; 3 - пластины конденсатора; 4 - детекторная мембрана; 5- твердый изолятор; 6 - силиконовое масло; 7- сварные швы

В датчиках сопротивления тонкая мембрана, несущая на себе тензометрические датчики соединœена в виде мостика Уитсона и находится под давлением. Дисбаланс мостика при нагрузке порождает пропорциональный ей сигнал.

Различают три типа датчиков сопротивления исходя из технологии их изготовления: металлические датчики, наклеенные на мембрану или расположенные в вакууме; полупроводниковые датчики на кремниевых пластинках; датчики, расположенные в виде толстых слоев. В датчиках с дифференциальным трансформатором используется трансформатор, сердечник которого перемещается под действием элемента͵ деформирующегося под давлением. Возникающее при этом изменение связи между вторичными обмотками трансформатора преобразуется в соответствующий сигнал электронной цепью.

Приборы для измерения давления жидкостей и газов - понятие и виды. Классификация и особенности категории "Приборы для измерения давления жидкостей и газов" 2014, 2015.

Физика 7. Давление твердых тел, жидкостей и газов.

§33. Давление. Единицы измерения давления.

Опыт: Результат действия силы зависит не только от ее модуля, но и от площади поверхности, перпендикулярно к которой она действует.

Давление - мера распределения действия силы по поверхности.

Давление - физическая величина, равная отношению модуля силы, действующей перпендикулярно поверхности, к площади этой поверхности.

Обозначение: p

Единица измерения давления - давление, которое производит сила в 1Н на поверхность в 1м 2 , действуя перпендикулярно этой поверхности.

Название: Паскáль [Па] 1Па = 1 Н/м 2

§34. Способы увеличения и уменьшения давления.

Устройства для:

увеличения давления: кнопки, ножи, ножницы...

уменьшения давления: шины, гусеницы, лыжи...

§35. Давление газа.

Давление газа на стенки сосуда вызывается ударами о них молекул газа.

Газ давит по всем направлениям одинаково.

Объяснение: Молекулы движутся беспорядочно и бьют по всем стенкам одинаково.

При уменьшении объема газа его давление увеличивается, а при увеличении - уменьшается.

Объяснение: При уменьшении объема количество молекул в единице объема (например, в 1см 3) увеличивается, а значит увеличивается и количество ударов о стенку в единицу времени (например, в 1 с)

Давление газа в закрытом сосуде тем больше, чем больше температура газа.

Объяснение: При повышении температуры молекулы начинают двигаться быстрее, а значит удары становятся сильнее и количество их в единицу времени возрастает.

§36. Передача давления жидкостями и газами.

Закон Паскá ля.

Давление, производимое на жидкость или газ, передается без изменения в каждую точку жидкости или газа.

Объяснение: В жидкости и газе молекулы подвижны, поэтому равномерно заполняют весь объем, производя одинаковое давление на все стенки.

§37. Давление в жидкости и газе.

Опыт: При действии на жидкость (или газ) силы тяжести, внутри нее существует давление, и на одном и том же уровне оно одинаково по всем направлениям. С глубиной давление увеличивается.

Объяснение: Под действием силы тяжести верхние слои жидкости давят на нижние, чем толще верхний слой, тем больше давление. Если бы давление на одном уровне было разным, поверхность жидкости не была бы горизонтальной (для разницы давлений нужны слои разной толщины). Давление на одном и том же уровне одинаково по всем направлениям по закону Паскáля.

§38. Расчет давления жидкости на дно и стенки сосуда.

На рисунке изображен сосуд с неподвижной жидкостью плотности . На ее поверхность давит воздух (р атм).

Мысленно выделим в жидкости цилиндр. Этот цилиндр неподвижен по условию, значит равнодействующая всех сил, действующих на него равна нулю:

где S - площадь основания цилиндра, h - его высота.

Таким образом мы определили давление в жидкости на глубине h:

p h = gh + p атм

§39. Сообщающиеся сосуды.

В сообщающихся сосудах любой формы поверхности однородной жидкости устанавливаются на одном уровне.

Доказательство:

Пусть уровни жидкости уже установились, жидкость покоится.

Давление на дне левого сосуда: p 1 = gh 1 .

Давление на дне правого сосуда: p 2 = gh 2 .

Жидкость по трубке А не будет течь только в том случае, если давление слева и справа равны друг другу: p 1 = p 2 , следовательно:

gh 1 = gh 2

§40. Вес воздуха. Атмосферное давление.

Опыт. Откачанный стеклянный сосуд имеет вес больше, чем не откачанный.

Вывод: Воздух имеет вес.

Измерения показывают: 1м 3 воздуха весит 1,3кг (при 0С и нормальном атмосферном давлении - точно).

Таким образом атмосфера (воздушная оболочка Земли) должна оказывать давление на все тела, находящиеся в ней. Это давление называют атмосферным давлением.

Атмосфера (греческое  - пар, и ) - среда вокруг Земли, вращающаяся вместе с нею. Является смесью газов и паров (78,1% азота, 21% кислорода и др., у поверхности - до 3% водяных паров). Имеет слоистую структуру. Неравномерность нагревания способствует общим сложным движениям в атмосфере, которые влияют на погоду и климат Земли.

§41. Почему существует воздушная оболочка Земли?

Молекулы газов не покидают Землю, так как их скорость меньше 2 й космической (11,2 км/с, наименьшая скорость, которую должно иметь тело, чтобы покинуть Землю навсегда).

Молекулы газов не падают на поверхность Земли, так как беспорядочно движутся и «расталкивают» друг друга.

Плотность атмосферы падает с высотой, четкой границы у нее нет.

§42. Измерение атмосферного давления: опыт Торичé лли.

Бар ó метр (греческое - тяжесть) - прибор для измерения атмосферного давления.

Данное устройство (ртутный барóметр) позволяет измерить атмосферное давление:

Столб ртути в трубке уравновешивает давление воздуха, то есть давление столба ртути над поверхностью ртути в чашке равно атмосферному давлению.

Вычислим его: p = gh = 13 600кг/м 3  9,8Н/кг  0,76м = 101 300 Па

Это - нормальное атмосферное давление. В зависимости от состояния атмосферы ее давление может быть и больше и меньше этой величины.

§43. Барóметр-анерóид.

Анероид: вода (греческое), а - отрицание.

Металлическая коробка сжимается атмосферным давлением, а соединенная с ней стрелка показывает давление на шкале прибора.

§44. Атмосферное давление на различных высотах.

В каждой точке атмосферы атмосферное давление равно весу вышележащего столба воздуха, то есть определяется его высотой и плотностью .

Среднее атмосферное давление на уровне моря равно 101325 Па (760 мм рт. ст.).

При небольших высотах давление уменьшается на 1 мм рт. ст. на каждые 12м подъема.

§45. Манометры.

Манóметр (греческое  - неплотный) - прибор для измерения давления жидкости и газа.

Измерение давления в левом сосуде:

Запишем условие равновесия жидкости на уровне АА:

pS = p атм S + ghS

p = p атм + gh

Таким образом, измерив h, зная плотность жидкости и атмосферное давление, мы можем определить давление в сосуде.

Металлический манометр.

Главная деталь - полая (пустая) металлическая пружина.

При увеличении давления газа (или жидкости) в ней она слегка разгибается, при уменьшении - сгибается сильнее.

Стрелка, соединенная с пружиной, движется и указывает на шкале (ее нет на рисунке) давление газа.

§46. Поршневой жидкостный насос.

§47. Гидравлический пресс

(греческие  - вода,  - трубка)

Основная деталь - два сообщающихся сосуда разного диаметра с поршнями.

Условие равновесия:

p 1 = p 2 = p  F 1 /S 1 = F 2 /S 2  F 1 /F 2 = S 1 /S 2

При равновесии: силы, которые действуют со стороны поршней на грузы, пропорциональны площадям этих поршней.

Малым грузом на малом поршне можно удержать большой груз на большом поршне.

§48, 49, 50. Действие жидкости и газа на погруженное в них тело.

Закон Архимеда.

На тело, находящееся в жидкости, действует сила, направленная противоположно силе тяжести и выталкивающая его из жидкости. Эта сила рана весу жидкости, которую вытеснило тело при погружении.

тело всплывает

тело плавает

тело тонет

 Пусть в воду погружено некое тело.

Мысленно удалим его из воды и заменим его таким же по форме и объему телом, но «сделанным» из воды. 

Это новое тело будет покоиться, так как оно такое же «водяное», как и окружающая его вода, а вода сама себя в движение привести не может.

На это тело действуют:

сила тяжести: F тяж = m т g =  в Vg;

окружающая вода давит на его поверхность с силой F выт (выталкивающая сила);

Но тело покоится, значит сила тяжести равна выталкивающей силе: : F тяж = F выт =  в Vg.

Теперь опять мысленно заменим «водяное» тело настоящим. На него действуют:

сила тяжести: F тяж =  т Vg;

сила давления окружающей воды, которая осталась прежней, так как поверхность тела точно такая же:

F выт =  в Vg - а это и есть вес вытесненной жидкости!

Следовательно, тело плавает, если действующие на него сила тяжести и выталкивающая сила равны по величине. 

Этот вывод справедлив для любой другой жидкости или газа.

равновесие

равновесие

§51. Плавание судов.

Вес воды, вытесненной подводной частью судна равен весу судна с грузом в воздухе.

Осадка - максимальная глубина погружения судна в воду (отмечается ватерлинией )

Водоизмещение - вес воды, вытесненной подводной частью судна, когда оно погружено в воду до ватерлинии.

Грузоподъемность = водоизмещение - вес судна

§52. Воздухоплавание.

На любое тело в воздухе действует выталкивающая сила.

Если создать устройство, средняя плотность которого меньше плотности воздуха, то оно в воздухе будет «всплывать». Такое устройство сможет поднять груз, равный разности между весом вытесненного им воздуха и его собственным весом. Такие устройства называются летательными аппаратами легче воздуха .