В различных сферах деятельности применяется просто огромное количество измерительных приборов. Большое распространение получили манометры давления. Их предназначение заключается в измерении избыточного давления. Существует просто огромное количество вариантов исполнения манометров, все они характеризуются своими определенными эксплуатационными характеристиками. Прибор для измерения давления газа или жидкостей производится в соответствии с установленными стандартами.

Целью курсовой работы является изучение физических основ измерений давления.

Поставленная цель предполагает решение следующих задач:

- ознакомиться с давлением как физической величиной;

- ознакомиться с классификацией давления;

- рассмотреть физические законы и явления, лежащие в основе измерения давления;

- изучить общую классификацию средств измерений давления и измерительные шкалы физических величин давления;

- провести анализ манометров по принципу действия;

- проанализировать факторы, влияющие на точность измерений давления и причины их возникновения.

1. Основные понятия физико-химических величин

Давление -- это скалярная физическая величина, равная отношению модуля силы, действующей перпендикулярно поверхности, к площади этой поверхности:

где S -- площадь этой части, F -- сумма приложенных перпендикулярно к ней сил.

При неравномерном распределении сил это равенство определяет среднее давление на данную площадку, а в пределе, при стремлении величины S к нулю, -- давление в данной точке.

В случае равномерного распределения сил давление во всех точках поверхности одинаково, а в случае неравномерного -- изменяется от точки к точке.

Рисунок 1. Определение давления

Сила, прикладываемая перпендикулярно поверхности тела, под действием которой тело деформируется, называется силой давления. В качестве силы давления может выступать любая сила. Это может быть сила, которая прижимает одно тело, к поверхности другого, или вес тела, действующий на опору (рис.1).

1.2 Классификация давления

Абсолютное давление. Понятие «абсолютного давления» относится к способу указания давления относительно точки отсчета. Абсолютное давление - это то давление, для указания которого используется, в качестве точки отсчета, абсолютный вакуум. Предполагается, что не может существовать давления, меньшего, чем абсолютный вакуум - следовательно, относительно него любое давление может быть обозначено положительным числом. То абсолютное давление, которое находится между абсолютным вакуумом и давлением, которое принято считать имеющемся на уровне моря (нормальное атмосферное давление = 101325 Па ? 760 мм ртутного столба ? 1 абсолютный бар), является частичным вакуумом. Абсолютное давление, значение которого выше уровня нормального атмосферного давления, может быть также обозначено как избыточное давление, с точкой отсчета, за которую принято стандартное атмосферное давление. Абсолютное давление равно избыточному давлению плюс атмосферному давлению.

Избыточное давление. Понятие избыточного давления также, как и абсолютного давления, относится к точке отсчета для указания давления. Избыточное давление - это то давление, для указания которого используется, в качестве точки отсчета, нормальное атмосферное давление.

Избыточное давление равно абсолютному давлению минус атмосферное давление. Например, давление на уровне моря, которое составляет 1 бар(а), может быть также указано как избыточное давление, составляющее 0 бар(и).

Атмосферное давление, нормальное атмосферное давление. Понятие атмосферного давления качественно отличается от понятий избыточного и абсолютного давления, и относится не к точке отсчета, а к месту измерения.

Атмосферное давление - это давление, имеющееся в какой-либо точке измерения на Земле. Атмосферное давление может сильно варьироваться в зависимости от высоты и погодных условий. Что касается точки отсчета, то атмосферное давление - всегда абсолютное.

В качестве нормального атмосферного давления приняты, в рамках разных стандартов, разработанных разными организациями, разные значения - наиболее распространенным, однако, является принятие за нормальное атмосферного давления 101325 Па. Среди европейских производителей оборудования принято также условно считать это давление соответствующим 1 бару.

Дифференциальное давление. Дифференциальное давление - это разница между давлением в двух точках измерения. Оно не является ни абсолютным, ни избыточным, и используется обычно как показатель падения давления на каком-либо оборудовании или его составляющем компоненте (чаще всего - на фильтрах для очистки сжатого воздуха и газов).

1.3 Единицы измерения давления

В системе СИ давление измеряется в паскалях (Па): 1 Па = 1 Н/м2

Давление не зависит от ориентации поверхности.

Часто используются внесистемные единицы: нормальная атмосфера (атм) и миллиметр ртутного столба (мм рт. ст.):

1 атм=760 мм рт.ст.=101325 Па

Очевидно, что в зависимости от площади поверхности одна и та же сила давления может оказывать различное давление на эту поверхность. Этой зависимостью часто пользуются в технике, чтобы увеличить или, наоборот, уменьшить давление.

Конструкции танков, тракторов предусматривают уменьшение давления на грунт путем увеличения площади с помощью гусеничной передачи. Этот же принцип положен в основу конструкции лыж: на лыжах человек легко скользит по снегу, однако, сняв лыжи, сразу же проваливается в снег. Лезвие режущих и острие колющих инструментов (ножей, ножниц, резцов, пил, игл и др.) специально остро оттачивается: острое лезвие имеет маленькую площадь, поэтому при помощи даже небольшой силы создается большое давление, и таким инструментом легко работать.

2. Физические явления и законы, лежащие в основе строения приборов для измерения давления

2.1 Устройство и принцип действия манометра

Манометр для измерения давления производится самыми различными компаниями. Классическая конструкция представлена сочетанием следующих элементов:

1. Корпус предназначен для защиты внутреннего механизма от воздействия окружающей среды. Чаще всего при его изготовлении применяется металл с высокой коррозионной стойкостью.

2. Стрелка прибора выступает в качестве индикатора. Она может делать один оборот вокруг своей оси.

3. Шестеренки предназначены для непосредственной передачи вращения стрелке. Они находятся внутри конструкции.

4. Устройство манометра для измерения давления обладает поводком и зубчатым сектором.

Конструкция прибора имеет между зубьями и шестеренками специальную пружину, которая исключает вероятность мертвого хода.

Рисунок 2. Устройство манометра

Манометр прибор работает по следующему принципу действия:

1. Давление измеряемой среды поступает во внутреннюю часть конструкции.

2. Свободный конец трубки в попытке выравнивания перемещается, за счет чего обеспечивается передача вращения стрелке.

Деформация трубки прямо пропорциональна тому, какое значение показывает устройство. Благодаря простоте конструкции она надежная, получила широкое распространение в самых различных отраслях.

2.2 Физические эффекты и явления, применяемые при измерении давления

2.2.1 Емкостной эффект

В 60-х годах XX в. были разработаны первые аналоговые электронные датчики давления, в которых использовался емкостный принцип измерения.

Рисунок 3. Емкостный сенсор

Емкостный сенсор в его современном варианте представляет собой конденсатор, образованный диэлектрической оболочкой сенсора, помещенной внутри прочного металлического корпуса, измерительными электродами, выполняющими функцию обкладок конденсатора, и упругой металлической или керамической мембраной. Пространство между мембраной и электродами заполнено силиконовым маслом, служащим для передачи давления на мембрану и одновременно для увеличения емкости конденсатора. При подаче разности давлений на сенсор мембрана деформируется, и емкость между обкладками изменяется. Измерение емкости производится электронным модулем датчика, подключенным к обкладкам сенсора. Кроме того, сенсор обычно содержит еще термопреобразователь (на рисунке не показан) [5].

2.2.2 Тензорезистивный эффект

Принцип действия тензопреобразователей основан на тензорезистивном эффекте в материалах. Чувствительным элементом служит мембрана с тензорезисторами, соединенными в мостовую схему. Под действием давления измеряемой среды мембрана прогибается, тензорезисторы меняют свое сопротивление, что приводит к разбалансу моста Уитстона. Разбаланс линейно зависит от степени деформации резисторов и, следовательно, от приложенного давления (рисунок 4).

Рисунок 4. Чувствительный элемент, основанный на измерении деформации тензорезисторов

Следует отметить принципиальное ограничение КНС преобразователя - неустранимую временную нестабильность градуировочной характеристики и существенные гестирезисные эффекты от давления и температуры. Это обусловлено неоднородностью конструкции и жесткой связью мембраны с конструктивными элементами датчика. Поэтому, выбирая преобразователь на основе КНС, необходимо обратить внимание на величину основной погрешности с учетом гистерезиса и величину дополнительной погрешности.

2.2.3 Пьезорезистивный эффект

Практически все производители датчиков проявляют живой интерес к использованию интегральных чувствительных элементов на основе монокристаллического кремния. Это обусловлено тем, что кремниевые преобразователи имеют на порядок большую временную и температурную стабильности по сравнению с приборами на основе КНС - структур.

Рисунок 5. Интегральный чувствительный элемент на основе монокристаллического кремния

Кремниевый интегральный преобразователь давления (ИПД) представляет собой мембрану из монокристаллического кремния с диффузионными пьезорезисторами, подключенными в мост Уитстона. Чувствительным элементом служит кристалл ИПД, установленный на диэлектрическое основание с использованием легкоплавкого стекла или методом анодного сращивания [13].

2.2.4 Обратный пьезоэлектрический

Обратный пьезоэлектрический эффект (резонансный принцип), основан на преобразовании резонатора деформации в частоту колебаний [11, c.134].

Сенсор представляет собой монокристаллическую кремниевую мембрану специальной конструкции, на которой методом эпитаксиального наращивания сформированы два резонатора Н-образной формы. Мембрана закреплена на стеклянной подложке, разность давлений от внешних разделительных мембран датчика передается на сенсор через силиконовое масло.

Резонаторы находятся в поле постоянного магнита, и каждый из них подключен в качестве частотно-задающего элемента в цепь обратной связи генератора переменного напряжения. За счет пьезоэлектрического эффекта, которым обладает кремний, напряжение на одной паре контактов резонатора преобразуется в его деформацию, а затем обратно в напряжение на другой паре контактов. В результате в цепи генерируется синусоидальное переменное напряжение на собственной частоте резонатора, поскольку он обладает очень высокой добротностью. Кварцевые резонаторы более простой конструкции повсеместно используются в электронике в качестве высокостабильных частотнозадающих элементов. Хорошо известно, что собственная частота такого резонатора определяется только тремя параметрами: его массой, геометрическими размерами и модулем Юнга [5].

При приложении к сенсору разности давлений мембрана изгибается, в результате ее деформации собственные частоты резонаторов изменяются пропорционально приложенному давлению. Сенсор спроектирован таким образом, что один резонатор при этом растягивается, а другой сжимается.

Соответственно частота первого резонатора уменьшается, а второго увеличивается. Разность этих частот, прямо пропорциональная разности давлений, измеряется электронным модулем датчика и по ней вычисляется разность давлений.

Пьезорезонансный принцип измерения и конструкция кремниевого резонансного сенсора обладают целым рядом очень важных преимуществ и обеспечивают разработчикам практически неограниченные возможности для совершенствования датчиков давления.

3. Применение физических законов в устройстве, измерительной технике давления

3.1 Общая классификация средств измерения давления

Существуют различные приборы для измерения давления: барометры, вакуумметры, мано- и баровакууметры, напоро- и тягомеры, манометры. Различие между ними заключается в назначении. Так, барометры служат для измерения атмосферного давления, баровакуумметры - абсолютного, вакууметры - вакуумического, манометры - избыточного.

Рисунок 6. Виды давления как измеряемой величины

В продаже встречаются различные виды манометров. Основная классификация проводится по назначению конструкции:

1. Самопищущие сегодня применяются крайне редко. Их конструктивные особенности определяют возможность получения графиков на бумаге. Подобное устройство способно не только указывать текущий показатель, но также и происходящие изменения. Свое применения они нашли в энергетике и в сфере работы с неагрессивными веществами.

2. Судовые требуются в качестве измерительного прибора на речных суднах. Они могут замерять давление различных жидкостей, к примеру, воды или дизельного топлива. За счет создания особой конструкции устройство защищено от воздействия окружающей среды и климата, повышена защита от вибрационной нагрузки.

3. Железнодорожные сконструированы так, чтобы могли использоваться при сборке железнодорожного транспорта.

4. Эталонные характеризуются высокой точностью. Именно поэтому они устанавливаются для проверки работы иных измерительных приборов, испытания приборов и их контроля.

5. Специальные манометры используются для получения информации о различных газообразных веществ. Стоит учитывать, что в продаже встречаются варианты исполнения, предназначенные для работы с различными газами. Для их обозначения могут использоваться различные цвета и специальные обозначения.

6. Общетехнические могут использоваться в качестве манометра давления самой различной среды. Именно подобной конструкцией измеряется избыточное вакуумное давление.

7. Электроконтактные характеризуются тем, что могут использоваться для регулирования измеряемой среды. Все они делятся на две основные категории: приставки и небольшие выключатели.

Рисунок 7. Классификация манометров

Также выделяют следующие типы манометров для измерения давления:

1. Деформационные характеризуются тем, что имеют различные чувствительные элементы, которые воспринимают оказываемое давление. В качестве деформируемого элемента применяются пружины и мембраны.

2. Пьезоэлектрические имеют внутри кристалл кварца, который воспринимает электрический сигнал при механическом воздействии.

3. Поршневые состоят из подвижного поршня. При эксплуатации на него оказывается воздействие, за счет которого поршень передвигается.

4. Жидкостные имеют трубку, заполненную специальным веществом. Некоторые модели снабжаются двумя трубками, за счет которых определяется разница давления между двумя средами.

5. Электронные манометры для измерения давления получили широкое распространение. Они характеризуются высокой точностью и надежностью.

Манометры с трубчатой пружиной (трубкой бурдона).

Рисунок 8 . Манометры с трубчатой пружиной (трубкой бурдона) (1 - циферблат, 2 - стрелка, 3 - заглушка, 4 - трубка Бурдона, 5 - тяга, 6 - квадрант, 7 - механизм, 8 - шток со штунцером)

Трубчатые пружины это трубки, согнутые кругообразно, которые имеют поперечное овальное сечение. Принцип работы: в процессе измерения давление среды производит воздействие на внутреннюю поверхность трубки, что приводит к тому, что поперечное овальное сечение трансформируется в форму близкую к округлой. Напряжения в кольцах трубки, возникающие под воздействием искривления пружинной трубки, разгибают пружину. Незакрепленный конец пружины производит движение, пропорционально величине давления, которое передается на шкалу прибора. Чтобы измерить давление 60 или 100 кгс/см2 используют кругообразные пружины, согнутые с углом витка около 270°. При необходимости измерения давления выше 100 кгс/см2 применяют пружины с витками лежащими друг над другом, с одинаковым диаметром винтовой пружины, или соспиралеобразными витками, которые расположены в одной плоскости (плоская спиральная пружина).

Рисунок 9. Манометры с пластинчатой пружиной (1 - циферблат, 2 - болты, 3 - угл. кольцо, 4 - стрелка, 5 - механизм, 6 - тяга, 7 - верхняя часть камеры, 8 - мембрана, 9 - болты, 10 - нижняя часть камеры, 11 - камера давления)

Пластинчатые пружины по своей конструкции - тонкие гофрированные мембраны кругообразной формы, зажатые или приваренные между двумя фланцами по краю, которые соприкасаются с подвергающейся измерению средой, только с одной стороны. Прогиб, вызванный соприкосновением пропорционален величине давления. С помощью стрелки движение передается на шкалу прибора.

Пластинчатые пружины характеризуются высоким перестановочным усилием. Кольцеобразное крепление данного вида пружин делает их менее восприимчивыми к вибрационному воздействию среды сравнительно с трубчатыми пружинами, но при колебаниях температуры погрешность показаний у приборов с пластинчатой пружиной выше.

Опоры для мембран обеспечивают большую устойчивость к перегрузкам. Защитное покрытие пластинчатых пружин создает защиту от коррозии и позволяет применять данный вид манометров в условиях воздействия агрессивных сред. Приборы с пластинчатыми пружинами можно использовать в работе с загрязненными, высоковязкими, а также кристаллизующимися средами.

Эту возможность обеспечивают открытые соединительные фланцы или широкие соединительные отверстия, а также возможность осуществлять промывку.

Рисунок 10. Манометры с коробчатой пружиной (трубкой бурдона) (1 - камера давления, 2 - коробчатый элемент, 3 - шток со штуцером, 4 - циферблат, 5 - стекло, 6 - механизм, 7 - стрелка)

давление физический закон

Коробчатая пружина состоит из двух кругообразных, гофрированных, мембран, которые герметично прилегают друг к другу. Внутренняя часть коробки подвергается давлению измеряемой среды. Поступательное движение, которое возникает под давлением пропорционально величине давления. С помощью стрелки движение передается на шкалу прибора. Манометры с коробчатой пружиной широко используют для работы с газообразными средами. Нужно учитывать, что защита от перегрузки возможна только в рамках определенных границ. С целью повышения чувствительности манометра возможна установка ряда коробчатых пружин, так называемый «пакет» пружин.

3.2 Факторы, влияющие на точность измерений давления и причины их возникновения

Измерительные приборы подразделяются на две основные категории.

1. Рабочие приборы - это те приборы, которые непосредственно участвуют в технологическом процессе.

2. Предназначение образцовых приборов - определение точности показаний рабочих приборов.

Класс точности прибора связан с его допустимой погрешностью. Погрешность - это величина отклонения показаний приборов от действительных значений. Класс точности определяется по вычислению ОДПП прибора. Основная допустимая приведенная погрешность прибора измеряется в процентном соотношении от предельно допустимой абсолютной погрешности к номинальной величине. Чем выше процент - тем менее точен прибор, и наоборот.

Точность образцовых манометров значительно выше, чем рабочих. Это объясняется двумя причинами:

· предназначением для оценки соответствия рабочих приборов;

· образцовые приборы работают, как правило, в лабораторных условиях, поэтому их исполнение не требует дополнительных мер защиты от внешних воздействий.

Например, существует три класса точности пружинных манометров:

0,16;

0,25;

0,4.

К грузопоршневым манометрам требования еще более жесткие:

0,05;

0,2.

Рабочие манометры могут соответствовать следующим классам точности:

0,5;

1,0;

1,5;

2,5;

4,0.

Чтобы правильно выбрать манометр и метод измерения, необходимо учесть: во-первых, характеристики измеряемых величин; во-вторых, требования к точности измерения; в-третьих, технологические условия, в которых оборудование будет работать.

Любые величины можно измерить только приблизительно, поэтому под «действительным значением» обычно понимается показатель, определяемый образцовыми приборами. Соответствие измерений допустимой погрешности расчетным указывает на то, что рабочий прибор соответствует своему классу точности.

Различают основной и дополнительный вид погрешности. Основная погрешность определяется идеальными условиями, и на ее величину влияют исключительно конструктивные и сборочные особенности прибора: например, большее или меньшее механическое трение в системе или точность градуировок шкал.

Дополнительная погрешность зависит от условий эксплуатации прибора. Она может зависеть от высокой температуры, в условиях которой работает прибор, тряски или вибрации оборудования, на котором он установлен и т.д.

Еще одна характеристика, обеспечивающая точность показаний -- вариация. Она определяется при поверке, а понимается под ней максимальная разность показаний прибора при нескольких измерениях: например, разница показаний при прямом и обратном ходе. В первом случае прибор поверяется по контрольным точкам от 0 до 100%, во втором - наоборот, от 100 до 0%.

Приборы измерения давления основываются, в основном, на уравновешивании значений столбом жидкости или механическими свойствами пружины. Для механических методов измерения вариация характерна в большей степени. Часто она возникает при наличии излишнего трения: например, при механическом износе деталей или нехватке смазки, а также ухудшении упругости пружины или другим причинам.

Но вариация может наблюдаться даже у жидкостных приборов. Например, она возникает в случае отклонения свойств жидкости от расчетных характеристик по сопротивлению. Впрочем, в жидкостных приборах вариация встречается не так часто.

Рассмотрим факторы, которые влияют на работу манометров и точность измерений.

Температура. Чрезвычайно высокие или низкие температуры могут оказывать негативное влияние на манометры и другие приборы. Манометры, не предназначенные для этих экстремальных условий эксплуатации, могут работать неправильно в течение относительно короткого периода времени. Некоторые манометры предназначены для экстремальных температурных условий и обеспечивают достоверную информацию на весь срок службы прибора.

Манометры, предназначенные для использования при экстремальных температурах, изготавливаются из специальных коррозионно-стойких сплавов и могут быть оснащены охлаждающими ребрами или уплотнением диафрагмы для изоляции датчика от горячей или холодной среды.

Механическая вибрация. Многочисленные исследования показали, что вибрация является основной причиной отказа манометра на производственных объектах. Вибрация оказывает отрицательное влияние на точность датчика двумя способами. Во-первых, трудно точно прочитать указатель на циферблате во время вибрации. Во-вторых, инкрементное повреждение механизма указателя от вибрации может в конечном счете сдвинуть указатель с нуля, создав неточные показания.

Пульсация. Пульсацию можно определить, как регулярно возникающие всплески избыточного давления. Когда среда быстро проходит через датчик, скачки давления прерывистые. Наиболее распространенные решения для пульсации включают установку ограничителя гнезда или нагнетателя давления, который замедляет подачу материала за счет уменьшения размера входного отверстия и минимизации колебаний давления.

Коррозия. Многие технологические среды являются коррозионными, и любые датчики, используемые в этих технологических потоках, должны иметь внутренние детали, которые устойчивы к коррозии. Трубы Бурдона могут вызывать коррозию и высвобождать опасную технологическую жидкость, если используется датчик, изготовленный из не коррозионно-стойкого материала, или если датчик, изготовленный из соответствующего материала, используется после его срока службы. Другим решением является использование мембранного уплотнения, изготовленного из коррозионностойкого сплава, такого как W-Weld All-Welded System, который добавляет дополнительный уровень защиты для обеспечения изоляции носителя от внутренних частей датчика.

Засорение. Засорение может быть серьезной проблемой для датчиков, особенно с технологическими средами, которые подвергаются затвердеванию или кристаллизации. Измерители, которые засоряются, часто «замерзают», создавая опасную ситуацию, когда нет давления, тогда как на самом деле система находится под огромным давлением. Наилучшим решением для большинства проблем с закупоркой является использование мембранного уплотнения, оборудованного промывочными отверстиями, для постоянного смыва поверхности мембраны.

Заключение

давление физический закон

Проведенное исследование позволяет сделать следующие выводы:

1. Давление - наиболее распространенный измеряемый параметр, одна из основных величин, определяющих термодинамическое состояние вещества. Давлением называют отношение силы, действующей перпендикулярно поверхности, к площади этой поверхности. Давлением во многом определяется ход технологического процесса, состояние технологических аппаратов и режимы их функционирования. Давление как физическая величина определяется в виде энергии вещества (жидкость или газ), отнесенной к единице объема, и является наряду с температурой основным параметром его физического состояния. Воздействие давления вещества на внешний объект проявляется в виде силы F, действующей на единицу площади S, т. е. Р=F/S.

2. Различают следующие виды давления: атмосферное; абсолютное; избыточное; вакуум (разрежение).

3. Приборы давления в зависимости от измеряемой величины разделяют на: - манометры (для измерения избыточного или абсолютного давления); - барометры (для измерения атмосферного давления); - вакуумметры (для измерения вакуумметрического давления).

4. Принцип действия манометра основан на уравновешивании измеряемого давления силой упругой деформации трубчатой пружины или более чувствительной двухпластинчатой мембраны, один конец которой запаян в держатель, а другой через тягу связан с трибко-секторным механизмом, преобразующим линейное перемещение упругого чувствительного элемента в круговое движение показывающей стрелки.

5. На точность измерения давления влияют такие факторы: температура, механическая вибрация, температура, засорение, коррозия, пульсация.

Библиографический список

Размещено на Allbest.ru