Наша сеть партнеров Banwar
Методи та засоби вимірювань ТИСКУ, РІЗНИЦІ тиск та розрідження
Тиск - найбільш поширений вимірюваний параметр. Без вимірювання тиску палива, що спалюється газу неможлива безпечна робота газотопливною господарства. У котельних установках вимірюють тиск пара в барабані, за яким контролюють ефективність спалювання палива і тепловіддачі до труб в топці, а також безпеку роботи котельного обладнання, тиск перегрітої первинного і вторинного пара для визначення економічності роботи енергоблоку, відкладень солей на внутрішній поверхні трубопроводів. Для оцінки працездатності насосів і вентиляторів вимірюють тиск живильної води, пара для ежекторів і продувки форсунок, повітря після воздухоподогревателя, т. Е. У всіх напірних лініях трубопроводів, і розрідження димових газів у верхній частині топки, вакуум в конденсаторі турбіни.
Тиск як фізична величина визначається у вигляді енергії речовини (рідина або газ), віднесеної до одиниці об'єму, і є поряд з температурою основним параметром його фізичного стану. Вплив тиску речовини на зовнішній об'єкт проявляється у вигляді сили F, що діє на одиницю площі S, т. Е. Р = F / S.
В СІ за одиницю тиску прийнятий Паскаль (Па). Паскаль тиск сили в один Ньютон на площу в один квадратний метр (Па = 1 Н / м2). Широко застосовують кратні одиниці кПа і МПа.
При вимірах розрізняють абсолютну, вакуумметрическое і надмірне тиску. Під абсолютнимдавленіем розуміється повне тиск, що дорівнює сумі атмосферного і надлишкового Рабс = Р + Ратм. Вакуумметричний тиск нижче атмосферного РВ = Ратм - Рабс
Прилади тиску в залежності від вимірюваної величини поділяють на манометри (Для вимірювання надлишкового або абсолютного тиску), барометри (для вимірювання атмосферного тиску), вакуумметри (для виміру вакуумметричного тиску). 
Манометри, призначені для вимірювання малих надлишкових тисків (до 40 кПа), називають напоромери , А призначені для вимірювання малих вакуумметричних тисків (до 40 кПа) - тягоміри. Прилади тиску, які мають двосторонню шкалу з межами вимірювання ± 20 кПа, називають тягонапороміри (значення нуль на шкалі відповідає атмосферному тиску). Для вимірювання різниці тисків використовують диференціальні манометри (Діфманометри).
За принципом дії чутливого елемента прилади для вимірювання тиску поділяють на рідинні, деформаційні, вантажопоршневі і електричні. В якості зразкових, за якими здійснюється перевірка робочих приладів, застосовують вантажопоршневі манометри.
Передача сигналу, одержуваного від чутливого елемента первинного перетворювача до вторинних автоматичним приладів, здійснюється або механічно в показують приладах, або за допомогою перетворювачів диференційно-трансформаторних, феродинамічні, з магнітною або силовий компенсацією і тензопреобразователь «Сапфір».
Рідинні прилади тиску
У рідинних приладах тиску вимірюється величина компенсується стовпом рідини, віднесених до одиниці його поперечного перерізу. В основу дії таких приладів покладено метод сполучених посудин. Рідинні прилади тиску використовують в якості манометрів для вимірювання тиску неагресивних газів аж до 0,1 МПа, тягоміри для виміру розрідження Рм до 7000 Па, вакуумметрів для вимірювання вакууму Рвдо 0,1 МПа і диференціальних манометрів для вимірювання різниці тисків неагресивних рідин, парів і газів до 0,07 МПа. Їх застосовують в якості приладів, що встановлюються за місцем експлуатації окремих вузлів устаткування або на майданчиках обслуговування, а також в якості зразкових при перевірці робочих приладів, розрахованих на ті ж діапазони вимірювання тиску, розрідження або різниці тисків.
Прилад являє собою вигнуту скляну трубку 1, заповнену до половини рідиною 3 (вода, ртуть). Трубку закріплюють по схилу вертикально на твердій основі і по її висоті наносять шкалу 2 в міліметрах. Вимірюється величина врівноважується і визначається стовпом h робочої рідини, що дорівнює сумі стовпів h1и h2 в обох колінах трубки. При вимірі тиску або розрідження один кінець трубки залишають відкритим, а інший з'єднують з об'єктом вимірювання, а при вимірюванні різниці тисків до обох кінців трубки підводять вимірювані тиску.
Результат вимірювання тиску зазвичай виражається в міліметрах водяного або ртутного стовпа. Для отримання тиску в паскалях використовують формулу Р = hgr, де g - місцеве прискорення вільного падіння; r - щільність робочої рідини.
При вимірі тиску U-подібним манометром можливі похибки: через відхилення значень прискорення gі щільності р від розрахункових; помилок в зчитуванні показань h1и h2вследствіе неправильного нанесення шкали 2; нерівномірності температурногорасшіренія шкали, скла і робочої рідини.
Схема чашкового (однотрубного) манометра показана на рис. 1, б. Одна з трубок замінена широким посудиною 8, сполучених з вимірювальної скляною трубкою 1. Площа перерізу судини значно більше, ніж площа перерізу вимірювальної трубки.
При вимірі тиску або різниці тисків більше з них подається в посудину, а менша - в вимірювальну трубку.
Під дією вимірюваного тиску рідина в трубці піднімається на висоту h1, a в посудині опускається на h2, при цьому висота стовпа рідини, відповідного вимірюваної величиною, дорівнює сумі h1и h2. Однак, якщо відношення площ поперечних перерізів судини і трубки, більше 400, величиною h2 (зміною рівня в посудині) можна знехтувати і відлік вести тільки за рівнем рідини в трубці.
У цьому випадку помилка зчитування показань у порівнянні з U-образними приладами зменшується в 2 рази, а решта помилки вимірювання тиску ті ж, що і для U-образних приладів.
При вимірі малих тисків, розрідження або різниць тисків застосовують однотрубні мікроманометри ммн з похилою вимірювальної трубкою (рис. 1, б), які є більш точними (клас точності 0,5 або 1), ніж інші прилади, і застосовуються в лабораторіях і промислових умовах при випробуваннях обладнання.
Показання микроманометра при вимірах визначають по довжині стовпчика lрабочей рідини трубки 1, що має кут нахилу a. При цьому рідина піднімається на висоту h1 = lsinα. Якщо прилад заповнений рідиною з щільністю, вказаною на ньому, то тиск в паскалях P = lK = lpsina (де К - постійне значення приладу). Прилад ммн розрахований на п'ять діапазонів вимірювання (О - 0,5; 0-0,75; О 1; 0-1,5 і 0 - 2 кПа), яким відповідає певне значення К, вказане поряд з отворами на настановної дузі 4 . Прилад оснащений рівнем 7 та установочними гвинтами 5 і 6. Для установки на шкалі нульового значення тиску в посудині 8 є витіснювач 9. Похила трубка 1 фіксується за допомогою дуги 4.
Різновидом однотрубних манометрів є поплавкові діфманометри ДП. На відміну від розглянутих вище приладів в широкому посудині дифманометра, куди подається більший тиск, знаходиться поплавець, який переміщається, слідуючи за зміною рівня робочої рідини. Основний недолік цих приладів - необхідність передачі переміщень поплавця, розташованого усередині судини високого тиску, до відліковий пристрій.
В якості зразкових або лабораторних засобів вимірювань тиску в діапазоні від 10-1 до 1023 Па використовують вантажопоршневі манометри МП (Класів точності 0,02; 0,05), які також працюють за методом сполучених посудин. Вимірюється тиск в них врівноважується силою тяжіння поршня з вантажами.
Висока точність відтворення і вимірювання тиску в цих манометрах визначається високою точністю заданої маси вантажів і площі поперечного перерізу поршня.
Принцип дії барометрів заснований на зрівноважуванні атмосферного тиску тиском ртутного стовпа, укладеного в барометрической: трубці. Похибка зчитування в цих приладах не перевищує ± 0,1 мм.
Прилади для вимірювання тиску і різниці тисків з пружною деформацією чутливих елементів
Прилади для вимірювання тиску, засновані на пружною деформації чутливих елементів під дією вимірюваної величини, широко застосовують в діапазоні від 50 Па до 1000 МПа. Деформація або сила, пропорційна тиску, перетворюється в показання прилади ра або в зміни вихідного сигналу. Такі прилади виготовляють у вигляді тягоміри, напоромери, манометрів і _вакуумметров.
Мал. 2. Пружні чутливі елементи приладів для зміни тиску (а, б - мембрани, в - мембранна коробка, г - сильфон, д - трубчаста пружина) і їх статичні характеристики (е)
В якості пружних чутливих елементів приладів для вимірювання тиску застосовують мембрани (рис. 2, а, б), мембранні коробки (рис. 2, в), сильфони (рис. 2, г), трубчасті пружини (рис. 2, д). Мембрани, мембранні коробки і сильфони використовують також і в Дифманометр.
Чутливий елемент приладу характеризується залежністю переміщення його робочої точки ΔХ від чинного тиску або різниці тисків Р (рис. 2, е). Зазвичай цю залежність в приладі прагнуть отримати лінійної, для чого використовують міцні сплави кольорових металів з високим модулем пружності. З ростом вимірюваного тиску пружні деформації перейдуть в пластичні і залежність ΔХот Рстанет нелінійної. При експлуатації приладів тиску зона пружних деформацій може зменшитися через підвищення температури навколишнього середовища, тому первинні прилади доводиться розміщувати далеко від гарячих об'єктів. Крім того, з плином часу через циклічних навантажень під дією тиску пружні властивості чутливих елементів втрачаються і накопичуються пластичні деформації. Таким чином, обидва ці фактори негативно впливають на надійність чутливих елементів приладів тиску, що необхідно враховувати при їх експлуатації.
Розглянемо докладніше прилади для, вимірювання тиску з різними пружними чутливими елементами. Манометри з трубчастою пружиною в більшості випадків є приладами, в яких вимірюється тиск послідовно перетворюється в переміщення незакріпленого кінця пружини і пов'язаного з ним показує, що реєструє, що сигналізує пристрою (в первинних приладах) або перетворювачем тиску в уніфікований електричний сигнал (в схемах дистанційної передачі сигналів вторинного приладу).
В даний час випускають показують і самописні манометри з одновітковой (МТ, МП) трубчастою пружиною. Верхня межа вимірюваного тиску визначається стандартним поруч (0,6; 1; 1,6; 2,5; 4) -10n МПа, де п = -1; 0; 1; 2; 3. Пружинні вакуумметри мають діапазон вимірювання від -0,1 до 0 МПа.
Принцип дії манометрів з трубчастою пружиною показаний на рис. 3, де зображений манометр МТ. Чутливий елемент манометра виконаний у вигляді порожнистої одновітковой трубчастої пружини 3, центральна вісь якої є дугу окружності з кутом 200-270 °. Один кінець пружини, в який через радіальний штуцер 5 надходить тиск, закріплений, а другий (закритий) може переміщатися. Перетин трубчастих пружин може бути у вигляді еліпсоїда (пружина Бурдона) або плоскоовальна.
При подачі в трубку тиску перетин деформується (пунктирні лінії см. На рис. 2, д) і пружина прагне розпрямитися, переміщаючись в напрямку величини ΔХ. Її чутливість тим більше, чим більше радіус кривизни Rи чим менше товщина стінки перетину δ.
Трубчасто-пружинні манометри ПЕД випускають з диференційно-трансформаторними перетворювачами, вбудованими в корпус приладу. Інші манометри МПЕ випускають з перетворювачами магнітної або силовий компенсації. Верхні межі вимірювань тиску цих манометрів від 4 до 60 МПа і від 4 до 100 МПа.
У пружинних манометрах застосовують також пневматичні перетворювачі, що дозволяють отримувати на виході уніфікований сигнал по тиску повітря.
Мал. 3. Пристрій манометра з одновітковой пружиною:
1 - стрілка, 2,3 - пружини, 4 - поводок, 5 - штуцер
Такі манометри типу МП-П випускають на ті ж межі вимірювань, що і МПЕ. Для сигналізації граничних відхилень тиску в ланцюгах захисту і позиційного регулювання служать електроконтактні манометри (ЕКМ), в яких додатково введені стрілки з Електроконтакт, що встановлюються навпроти сігналізіруемого значення тиску. Показує стрілка також, має контакт. При її поєднанні з будь-якої додаткової стрілкою виникає електричний сигнал.
Різновидом приладів для вимірювання тиску з пружною пружиною в якості чутливого елемента є дзвіниці діфманометри, призначені для дистанційного вимірювання різниці тисків, надлишкового та вакуумметричного тиску.
В іншій групі приладів для вимірювання тиску чутливі елементи виконують у вигляді сильфона.
Сильфон (див. Рис. 2, г) являє собою тонкостінну трубку з кільцевими гофрами на бічній поверхні. Його пружність визначається матеріалом і товщиною стінки, числом гофр і їх кривизною. Первинні прилади з сильфоном випускаються показують (індекс «П») і самописними (індекс «С»). Оскільки сильфони більш чутливі до зміни тиску, ніж трубчасті пружини, прилади з ними застосовують для вимірювання порівняно невеликих розрідження і тисків.
Найрізноманітнішими по конструкції чутливих елементів є прилади з мембранними елементами. Плоска мембрана (див. Рис. 42, а) являє собою гнучку пластину, закріплену по колу. При подачі тиску в одну з камер, розділених мембраною, центр її окружності переміщається на величину, ΔХ. Статична характеристика плоскої мембрани має нелінійний вигляд, тому такі мембрани в приладах тиску неиспольз. Для лінеаризації статичної характеристики застосовують гофровані мембрани (див. Рис. 2, б) і мембранні коробки (см. Рис. 2, в). Найчастіше використовують мембранні коробки, жорсткість яких менше ніж жорсткість окремої мембрани. Це призводить до зростання крутизни статичної характеристики і збільшення зони переміщень, пропорційних прикладеному тиску.
Мембранні чутливі елементи мають статичну характеристику залежності (ΔХ від Р) більш круту, ніж сильфони, що дозволяє широко використовувати їх для вимірювання малих напорів і розрідження.
електричні манометри
На відміну від первинних приладів тиску і приладів з вбудованими перетворювачами (тиск - переміщення - уніфікований електричний сигнал) існують електричні прилади тиску, в чутливих елементах яких відбувається пряме перетворення тиску в електричний вимірювальний сигнал.
Розглянемо електричні манометри, принцип дії яких заснований на залежності електричного опору речовин від вимірюваного тиску. Їх називають тензопреобразователь. Тензопреобразователь виготовляють з напівпровідників, константана, платини, сплавів міді і нікелю. У приладах тиску їх використовують в якості чутливих елементів, механічно з'єднаних з мембраною або пружиною приладу, яка деформується під дією вимірюваного тиску.
У промисловості набули поширення прилади для вимірювання тиску «Сапфір» (рис. 5, а), в яких в якості чутливого елемента служітсапфіровая мембрана з напиляним напівпровідниковими опорами. Тензопреобразователь з напівпровідників в порівнянні з металевими мають більшу чутливість, малими розмірами і масою. Вимірювальна схема приладів «Сапфір» (рис. 5, 6) являє собою електричний міст, в плечі якого встановлені теізопреобразователі 3, що розташовуються симетрично на мембрані 2, що сприймає вимірюваний тиск. Сигнал небалансу моста посилюється, і на виході перетворювача 1 (рис. 5, а) виходить уніфікований струмовий сигнал (0-5 мА при опорі навантаження до 2,5 кОм). Прилади «Сапфір» випускають наступних модифікацій: манометри ТАК, вакуумметри ДВ, діфманометри ДІ.
Для вимірювання високих тисків (до 1000 МПа) застосовують тензопреобразоеателі з манганина. У приладах для вимірювання Тиску чутливі елементи з цього матеріалу виконують у вигляді котушок. Опору котушок під тиском визначають за допомогою мостових вимірювальних схем, а при необхідності точних вимірювань - потенціометрами.
Недоліками приладів «Сапфір» є необхідність індивідуального градуювання і залежність показань приладу від температури вимірюваного об'єкта. Через останнього недоліку доводиться вводити в вимірювальну схему приладів з тензопреобразователь пристрої термокомпенсации.
Принцип Дії других електричних приладів для вимірювання тиску Заснований на вікорістанні п'єзоелектрічного ЕФЕКТ. Ефект пов'язаний з появою електростатичних зарядів на гранях кристалів кварцу при їх деформації вздовж осі перпендикулярно цим гранях. Кристали виконують у вигляді двох пластин, механічно з'єднаних з мембраною, на яку впливає вимірюваний тиск. Пьезокварцевиє манометри дозволяють вимірювати тиск до 100 МПа і широко застосовуються при вимірюванні циклічно мінливих тисків великої частоти. Чутливість таких перетворювачів можна підвищити, використовуючи більшу кількість кварцових пластин, збільшуючи активну площа мембрани або подовжуючи пластину.
Недоліками пьезокварцевих манометрів є низька точність вимірювання статичного тиску через витік електричного заряду, а гідністю їх - низька температурна похибка.
Методика вимірювання тиску в робочих умовах
Метод і засоби вимірювань тиску вибирають в залежності від необхідної точності, умов проведення вимірювань, діапазону вимірюваних тисків, способів відбору тиску і його підведення до вимірювальних приладів.
Виходячи з надійності роботи приладів, кінцеве значення їх шкали вибирають таким, щоб воно перевищувало вимірювану величину при стабільному тиску в 1,5 рази, а при хиткому - в 2 рази. В обох випадках мінімальне вимірюється тиск має бути не менше 1/3 діапазону шкали приладу.
Показання манометрів з пружними чутливими елементами залежать від температури, тому їх встановлюють так, щоб виключити вплив температури вимірюваної і навколишнього середовища. Додаткова похибка цих манометрів становить 0,4% на кожні 10 ° С.
Місце відбору тиску в рідких середовищах не рекомендується вибирати в нижніх і верхніх точках трубопроводів (щоб уникнути попадання шламів, суспензій і газів в імпульсні лінії, що передають вимірюваний сигнал по тиску від пристрою для відбору до первинного приладу), а в газових середовищах - в нижніх точках ( щоб уникнути попадання вологи в імпульсні лінії). Довжина імпульсних ліній не повинна перевищувати 50 м, так як з її ростом збільшується запізнювання (інерційність) в показаннях приладів для вимірювання тиску, при цьому внутрішній діаметр ліній повинен бути від 6 до 15 мм. Необхідно, щоб пристрої відбору тиску не викликали обурення течії середовища, т. Е. Краю отворів в стінках трубопроводів не виступали в її потік.
Тиск на важливих, з точки зору надійної експлуатації, технологічних ділянках (тиск живильної води, перегрітої пари) вимірюють первинними манометрами, забезпеченими передають перетворювачами до вторинних приладів, розташованим на БЩУ. Для контролю тиску різних середовищ в допоміжних об'єктах застосовують що показують манометри прямої дії, що встановлюються за місцем або на місцевому щиті управління в зручних для монтажу та обслуговування пунктах, не схильних до дії вібрацій, високої температури, агресивних газів, водяної пари. Для показують манометрів встановлюються наступні робочі умови експлуатації: температура навколишнього середовища t = 5 ¸ 50 ° С, вологість від 30 до 80%; робоче положення приладів вертикальне, штуцером вниз. Прилади для вимірювання тиску з дистанційним передаванням вимірювальних сигналів повинні бути віддалені від джерел магнітних полів (електродвигунів, трансформаторів).
Розглянемо схеми установки манометрів для вимірювання тиску газів, рідин і пара. Схема установки манометра на трубопроводах з парою або живильною водою (p = 10 ¸ 40 МПа, t> 70 ° C) показана на рис. 6, а. Для забезпечення продувки імпульсної лінії 4, підключення контрольного манометра, включення і відключення робочого манометра 1 використовують триходовий вентиль 2. Для запобігання манометра від дії гарячої середовища на імпульсної лінії встановлюють кільце 3, в якому відбувається конденсація пара і охолодження його до температури навколишнього середовища. Для ремонту імпульсної лінії передбачений запірний вентиль 5. Якщо манометр встановлюють на відстані від трубопроводу більше 5 м, кільце 8 не ставлять (рис. 6, б).
Прилади для вимірювання тиску найкраще розміщувати так, щоб на них додатково не діяло тиск стовпа рідини в лінії, інакше в показання манометра вводиться вказується на приладі поправка зі знаком «+» (якщо манометр розташований вище місця відбору тиску) і «-» (якщо прилад розташований нижче). При температурі середовища понад 25 ° С також вводиться поправка до показань на кожні 10 ° С. При вимірюванні пульсуючого тиску (наприклад, в напірної лінії насосів) для його згладжування перед манометром встановлюють дросель.
У котлоагрегатах необхідно контролювати близьке до атмосферного тиск газових середовищ в топці, газоходах, повітропроводах. З цією метою використовують тягоміри, напоромери або тягонапороміри.
Для вимірювання напору в газовоздухопроводов використовують схему під'єднання імпульсних ліній до первинного приладу 1 (рис. 7). З газовоздухопроводов 4 задопомогою пристрою для відбору 5 тиск по імпульсній трубці 3 подається до крана-перемикача 2, який забезпечує підключення до одного приладу 1 кількох імпульсних ліній. Відбірні пристрої 5, що встановлюються в місцях з невеликими швидкостями газу, повинні мати на кінці зріз, паралельний напрямку потоку і виконаний урівень з внутрішньою поверхнею стінки трубопроводу. При вимірі тиску вологого газу сполучна лінія повинна мати ухил у бік пристрою для відбору. Якщо це неможливо, в низьких точках лінії встановлюють конденсатозбірники. У верхній частині горизонтальних і похилих ділянок газовоздухопроводов розміщують відбірні устрої.
Мал. 7. Схема під'єднання імпульсних ліній до об'єкта при вимірюванні в ньому тиску газу напоромери або тягоміри
При вимірі розрідження в топці котла враховують наявність пульсацій. Для забезпечення нормальної роботи пружних елементів приладів необхідно встановлювати в імпульсних лініях пневматичні дроселі.
Відбірні пристрої та імпульсні лінії для устранененія пилу і вологи періодично продувають стисненим повітрям під тиском 0,1-0,3 МПа.
Вакуумметр приєднують до конденсатору турбіни так, щоб на результати вимірювання не вліялскоростной натиск відпрацьованої пари. Освіта вологи в імпульсних лініях також може сильно спотворити показання приладу. Тому ці лінії прокладають без перегинів, з ухилом не менше 10 ° і з установкою конденсатоотводчиков. Всі місця з'єднань ретельно ущільнюють.
При вимірах тиску в трубопроводах 1 агресивних середовищ, а також середовищ, що застигають при звичайних температурах повітря (наприклад, мазут), в місцях відбору тиску розміщують мембранні або рідинні розділові судини (рис. 8, а, б).
У мембранному разделительном посудині 2 внутрішню порожнину пружини манометра 3 і простір до мембрани заповнюють спеціальною рідиною, при цьому жорсткість мембрани розділового судини повинна бути набагато менше жорсткості чутливого елемента приладу. Мембранні роздільники вносять в показання приладу додаткову похибка близько 1%.
У рідинних розділових судинах застосовують нейтральну рідину, що контактує з пружиною манометра і з агресивним середовищем, тиск якої вимірюють, при цьому щільність рідини повинна істотно відрізнятися від щільності вимірюваного середовища.
Показання манометрів забезпечують не тільки економічну, а й безпечну роботу енергетичного обладнання, тому робочі засоби вимірювань тиску піддають періодичної повірки зразковими грузопоршневой манометрами.