Раздел II. Приборы и методы измерения параметров теплотехнических систем.
Глава 1. Приборы и измерения давлений и сил. Классификация.
1.1. Единицы измерения давлений.
Давление – величина, характеризующая интенсивность сил, действующая на какую – либо часть поверхности тела по направлениям, перпендикулярным этой поверхности.
Р=F/S
В системе СИ единица давления Паскаль Па=Н/м2.
Барометр - прибор, измеряющий атмосферное давление.
Манометр – прибор, измеряющий избыточное давление. Показывает разность между абсолютным и атмосферным давлением.
Вакуумметр – прибор, измеряющий разряжение (давление ниже атмосферного).
С физической точки зрения давление идеального газа на твердую стенку есть результат столкновения молекул газа со стенкой. Связь между давлением Р, температурой Т и плотностью ρ идеального газа определяется уравнением состояния
Р=ρgRT,
Где R – газовая постоянная.
Давление и температура полностью определяют термодинамическое состояние газа. Зная их можно определить плотность, вязкость, теплопроводность и другие физические величины, прямое измерение которых затруднено или невозможно.
1.2. Классификация приборов измерения давления.
По принципам действия все приборы, предназначенные для измерения давления можно разделить на пять основных групп: жидкостные, пружинные, комбинированные, поршневые и электрические. К группе комбинированных приборов относятся поплавковые, кольцевые, колокольные, т.е. все те приборы, у которых принцип действия носит смешанный характер.
Приборы пружинные и комбинированные выпускаются как механические, так и с электрической передачей показаний на расстояние.
В зависимости от их назначения они все по точности показаний разделяются на классы. Класс точности обозначают числом, которое соответствует величине допустимой погрешности, выражаемой обычно в процентах предельного значения класса прибора.
В зависимости от назначения приборы для измерения давления и разряжения разделяются на эталонные, образцовые и рабочие.
Некоторые возможные схемы манометров показаны в приложении.
1.2.1. Жидкостные приборы.
Жидкостные приборы, основанные на гидростатическом принципе действия, широко применяют для измерения давления, разряжения и разности давлений. Они просты, дешевы, обладают относительно высокой точностью.
А). U – образный манометр.
Принцип действия этого прибора основан на непосредственном наблюдении разности уровней h рабочей жидкости (применяются ртуть и вода). При использовании стеклянных трубок малого диаметра вода из-за ее капиллярных свойств не применяется, а рабочим телом служит толуол или спирт.
Если одна из трубок манометра соединена с сосудом, где необходимо измерить давление, а другая остается соединенной с атмосферой, то величина измеряемого давления Р может быть определена по формуле
Р=hρ
Где Р – избыточное давление, h – разность уровней рабочей жидкости, ρ – плотность рабочей жидкости.
Если отсчет высоты столба по U – образному манометру проводят невооруженным глазом, то абсолютная погрешность оценивается в 1 мм при измерении высоты столба. Т.к. в U – образном манометре необходимо делать два отсчета, то в этом случае наибольшая абсолютная погрешность может достигать 2 мм. Для увеличения точности отсчета U – образные манометры снабжаются зеркальной шкалой, в этом случае при цене деления 1 мм отсчет высоты столба может быть произведен с погрешностью 0,25 мм. Если учесть, что измерений надо два, то общая погрешность будет не менее 0,5 мм.
Б). Чашечный манометр.
Рис. 2. Чашечный манометр.
Он представляет собой U – образный манометр, у которого одно колено трубки выполнено в виде сосуда с сечением большим, чем у второго колена. Измеряемое давление, действуя на поверхность рабочей жидкости в широком сосуде, заставляет ее подниматься вверх по стеклянной измерительной трубке.
Пусть под действием измеряемого давления жидкость в трубке поднимется на высоту h1, а в широком сосуде опустится на высоту h2. Тогда высота столба, соответствующая действительному давлению равна h = h1+h2. F1 и F2 – площади измерительной и широкой трубок соответственно. F1h1=F2h2. Сопоставив два равенства получим
h=h1(1+F1/F2)=h1(1=d2/D2)
где d и D– внутренние диаметры измерительной трубки и широкого сосуда.
Если ρ – плотность рабочей жидкости, то
Р=hρ=h1ρ(1+d2/D2).
Основным достоинством чашечного манометра является то, что он позволяет проводить только один отсчет, т.к. разностью высот в широком сосуде можно пренебречь, или учесть с помощью введения поправки. Это уменьшит погрешность наполовину. При d=4мм и D=80мм 42/802=0,25%. Следовательно, если желательно учесть изменение уровня жидкости в широком сосуде, то измеренную высоту столба жидкости в измерительной трубке надо увеличить на 25%.
В). Грузопоршневой манометр.
Рис. 3. Поршневые манометры.
Поршневые манометры (рис.3) относятся к группе приборов с уравновешиванием силы измеряемого давления силой тяжести. Они обеспечивают высокую точность измерения, широко применяются для поверки и градуировки всех остальных типов манометров.
Давление под поршнем будет равно
,
где Gr – вес грузов; Gn – вес поршня с тарелью; Fв – вертикальная составляющая сил трения; Sn – поперечное сечение поршня.
Поршень и канал подгоняются друг к другу с зазором в несколько микрон. Утечка рабочей жидкости через зазор ничтожно мала. Силы жидкостного трения в зазоре поршневых систем также малы, в большинстве случаев они не зависят от вязкости жидкости, а определяются только давлением, поэтому можно записать:
,
где Sэф – эффективная площадь, SΔ – площадь кольцевого зазора между поршнем и цилиндром. Образцовые грузопоршневые манометры в нормальных условиях эксплуатации обеспечивают измерение давлений с основной допустимой погрешностью от ±0,05 до ±0,2%.