Общие сведения о приборах давления.

Рисунок 1.1.Виды давлений(абсолютное, атмосферное, избыточное и вакуумметрическое)и их схематическое изображение.

Классификация приборов давления

В зависимости от назначения приборы для измерения давления делятся на следующие основные группы: Манометры – для измерения избыточного давления. Вакуумметры – для измерения вакуумметрического давления (вакуума). Мановакуумметры – для измерения вакуумметрического и избыточного давлений. Барометры – для измерения атмосферного давления. Баровакуумметры – для измерения абсолютного давления. Дифференциальные манометры – для измерения разности давлений.

По принципу действия все приборы для измерения давления можно разделить на: а) жидкостные:б) механические:в) электрические;г) комбинированные. Жидкостные - приборы, в которых измеряемое давление уравновешивается весом столба жидкости, а изменение уровня жидкости в сообщающихся сосудах служит мерой давления, называются жидкостными. К этой группе относятся чашечные и U-образные манометры, диффманометры и др.

Простейшим прибором для измерения избыточного давления является пьезометр. Он представляет собой вертикально установленную прозрачную стеклянную трубку с открытым верхним концом (рисунок 1.1 ).

Измерения по пьезометру проводят в единицах длины, поэтому иногда давления выражают в единицах высоты столба определенной жидкости. Пьезометр высотой 1,5 ... 2м позволяет измерить давление до 0,15 ... 0,20 атм (15- 20 кПа).

Основным достоинством пьезометра является простота устройства и точность измерения. Основным недостатком пьезометра является малый диапазон измеряемых давлений. При больших давлениях пьезометр становится слишком громоздким. К недостаткам пьезометра также можно отнести хрупкость.

Рисунок 1.2.Схема пьезометра

Пьезометры часто используют в гидродинамике при определении избыточных давлений в сечениях труб.

Грузопоршневые - приборы, в которых измеряемое давление уравновешивается усилием, создаваемым калиброванными грузами, воздействующими на свободно передвигающийся в цилиндре поршень.

Рисунок 1.3. Схема грузопоршневого манометра

1-регулятор настройки, 2-насос, 3-резервуар, 4-образцовые грузы, 5-приёмник давления, 6-указатель подъёма, 7-поршень.

Приборы с дистанционной передачей показаний - приборы, в которых используются изменения тех или иных электрических свойств вещества (электрического сопротивления проводников, электрической емкости, возникновение электрических зарядов на поверхности кристаллических минералов и др.) под действием измеряемого давления. К таким приборам относятся манганиновые манометры сопротивления, пьезоэлектрические манометры с применением кристаллов кварца, турмалина или сегнетовой соли, емкостные манометры, ионизационные манометры и др.

Примечание: в лабораторных стендах, используемых в практикуме по гидродинамике, гидравлическим машинам и гидроприводу (НТЦ-91, НТЦ 36.100 и др.), в качестве преобразователя избыточного давления в электрический сигнал используются тензорезисторы. Деформируясь, они меняют своё сопротивление, а, следовательно, и значение тока, протекающего через них. Специальная мостовая схема позволяет этот сигнал снять с сопротивления, усилить его и выдать на электонный измеритель.

Мостовая схема измерения сопротивления.

Прибор градуируют в заводских условиях и вместо значений силы тока он выдаёт значение избыточного давления.

Конструктивно современные тензорезисторы представляют собой чувствительный элемент в виде петлеобразной решетки, который крепится с подложкой с помощью клея. Чувствительные элементы обычно изготавливаются из тонкой проволоки, фольги, а также могут быть образованы напылением в вакууме полупроводниковой пленки. В качестве подложки обычно используют ткань, бумагу, пленку и др. Для присоединения чувствительного элемента в электрическую цепь в тензорезисторе имеются выводные концы или контактные площадки. На исследуемый объект тензорезисторы крепятся с помощью связующего (клея)со стороны подложки.

Тензорный датчик давления ПД100.

Тензорезисторы используются в качестве первичных преобразователей при измерениях механических величин (силы, крутящего момента, перемещения, давления и пр.).

Пружинные - приборы, в которых измеряемое давление уравновешивается силами упругости пружины, деформация которой служит мерой давления. Благодаря простоте конструкции и удобству пользования пружинные приборы получили широкое применение в технике. К этой группе относятся разнообразные приборы, отличающиеся по виду пружин:

Трубчатые пружины представляют собой кругообразно согнутые трубки с овальным поперечным сечением. Давление измеряемой среды воздействует на внутреннюю сторону этой трубки, в результате чего овальное поперечное сечение принимает почти круглую форму. В результате искривления пружинной трубки возникают напряжения в кольцах трубки, которые разгибают пружину.

Манометры с трубчатой пружиной Незажатый конец пружины выполняет движение, пропорциональное величине давления. Движение передается посредством стрелочного механизма на шкалу. Для измерений давления до 60 или 100 кгс/см2 применяются, как правило, согнутые с углом витка около 270°, кругообразные пружины.

Для измерений давления с более высокими значениями используются пружины с несколькими лежащими друг над другом витками и одинаковым витковым диаметром (винтовая пружина) или со спиралеобразными витками, лежащими в одной плоскости (плоская спиральная пружина). Примечание. Первое промышленное производство трубчатых деформационных манометров было организовано французом Э. Бурдоном в 1849 году, который использовал при измерении давления согнутую плоскоовальную трубку, получившую в дальнейшем широкое распространение и названную его именем (трубка Бурдона).

Рисунок 1.4.Манометр с трубкой Бурдона.

В 1849 году Э. Бурдон запатентовал свое изобретение одновитковой трубчатой пружины, и оно получило широкое распространение в мире из-за простоты использования, безопасности, высокой чувстительности, линейности и точности измерительного элемента.

Также в 1849 году в Германии Б. Шеффер запатентовал диафрагменный манометр, который вместе с трубкой Бурдона произвел революцию измерений давления в промышленности.

По метрологическому назначению измерительные приборы делятся на образцовые и рабочие. Образцовыми измерительными приборами называются приборы, предназначенные для поверки других измерительных приборов. Образцовые манометры имеют следующие классы точности: 0,05; 0,2 — грузопоршневые манометры; 0,16; 0,25; 0,4 — пружинные манометры. Рабочими измерительными приборами называются все измерительные приборы, служащие для непосредственных измерений. Рабочие манометры имеют классы точности 0,4; 06; 1; 1,5; 2,5; 4.

Измерение расхода.

Расход. Второй важнейшей величиной гидравлики и пневматики является расход. Это количество жидкости (газа), проходящей через живое сечение потока в единицу времени.

Различают объемный Q, м³/с; весовой Q_Gимассовый Q_м , кг/с, расходы.

Основной величиной в гидравлике является объемный расход. Для измерения объемного расхода часто используется внесистемная единица – литр в минуту.

Измерение расхода может осуществляться различными способами.

Наиболее простым способом измерения расхода является объемный с помощью мерного бака. Суть его заключается в том, что измеряется время τпрохождения через систему определенного объема жидкости V, которая поступает в мерный бак. Зная Vи τ затем вычисляют объемный расход, который равен

Q_v= V/τ( 1-3)

На практике наиболее широкое применение для измерения расхода находят расходомеры, которые бывают двух типов: объемные и скоростные. Следует также учитывать, что расходомеры могут быть интегрирующего типа, а могут измерять мгновенное значение расхода.

Принцип действия объемных расходомеров основан на попеременном заполнении и опорожнении рабочей (рабочих) камеры (камер). Число заполнений или опорожнений, подсчитываемое с помощью специальных устройств (механических, электрических), характеризует расход через систему. Достоинством объемных расходомеров является высокая точность измерения: максимальная относительная погрешность не превышает 1 %. Недостаток – громоздкость и сложность конструкций, а для некоторых расходомеров – невозможность применения для загрязненных жидкостей.

Объемные расходомеры бывают различных типов: дисковые, поршневые, шестеренные, кольцевые и лопастные.

Принцип действия скоростных расходомеров основан на том, что жидкость, протекающая через прибор, приводит во вращение крыльчатку или вертушку, частота вращения которой пропорциональна скорости потока и, следовательно, расходу. Ось крыльчатки или вертушки посредством передаточных механизмов соединена со счетчиком.

Скоростные расходомеры по конструкции проще объемных, но обладают меньшей точностью измерений. Максимальная относительная погрешность измерений может достигать 2...3 %.

По конструктивному признаку скоростные расходомеры подразделяются на крыльчатые и турбинные.

Рисунок 1.5.Крыльчатый расходомер.

Единственной подвижной частью в контакте с жидкой средой является лопастное колесо. В моделях AMD оно смонтировано между подшипниками из PTFE. Это обеспечивает многолетнюю работу с высокой точностью, долговечность и многолетнюю стабильность измерительных характеристик. При выполнении работ на стенде используется скоростной крыльчатый расходомер. Режимы движения жидкости.Исследованиями ученых (Г. Хаген – 1869 г., Д.И. Менделеев – 1880 г., О. Рейнольдс – 1881–1883 гг.) установлено существование двух режимов течения жидкости: ламинарного и турбулентного.

На рисунке 1.6 изображена установка, аналогичная той, на которой Рейнольдс производил свои опыты.

Установка состоит из резервуара А с водой, от которого отходит стеклянная труба В с краном С на конце, и сосуда D с водным раствором краски, которая может по трубке вводиться тонкой струйкой внутрь стеклянной трубы В.

Рисунок 1.6 Схема установки Рейнольдса.

Первый случай движения жидкости. Если немного приоткрыть кран С и дать возможность воде протекать в трубе с небольшой скоростью, а затем с помощью крана Е впустить краску в поток воды, то увидим, что введенная в трубу краска не будет перемешиваться с потоком воды. Струйка краски будет отчетливо видимой вдоль всей стеклянной трубы, что указывает на слоистый характер течения жидкости и на отсутствие перемешивания. Если при этом к трубе подсоединить пьезометр или трубку Пито, то они покажут неизменность давления и скорости по времени. Такой режим движения называется ламинарный.

Второй случай движения жидкости. При постепенном увеличении скорости течения воды в трубе путем открытия крана С картина течения вначале не меняется, но затем при определенной скорости течения наступает быстрое ее изменение. Струйка краски по выходе из трубки начинает колебаться, затем размывается и перемешивается с потоком воды, причем становятся заметными вихреобразования и вращательное движение жидкости. Пьезометр и трубка Пито при этом покажут непрерывные пульсации давления и скорости в потоке воды. Такое течение называется турбулентным (рисунок 1, вверху).

Если уменьшить скорость потока, то восстановится ламинарное течение.

Итак, ламинарным называется слоистое течение без перемешивания частиц жидкости и без пульсации скорости и давления. При ламинарном течении жидкости в прямой трубе постоянного сечения все линии тока направлены параллельно оси трубы, при этом отсутствуют поперечные перемещения частиц жидкости.

Турбулентным называется течение, сопровождающееся интенсивным перемешиванием жидкости с пульсациями скоростей и давлений. Наряду с основным продольным перемещением жидкости наблюдаются поперечные перемещения и вращательные движения отдельных объемов жидкости. Переход от ламинарного режима к турбулентному наблюдается при определенной скорости движения жидкости. Эта скорость называется критической U_кр .

Значение этой скорости прямо пропорционально кинематической вязкости χжидкости и обратно пропорционально диаметру трубы.

U_кр= к (1-4)

где χ - кинематическая вязкость определяется через динамическую вязкость η

χ = η /ρ k - безразмерное число;

d - внутренний диаметр трубы.

Входящий в эту формулу безразмерный коэффициент k, одинаков для всех жидкостей и газов, а также для любых диаметров труб. Этот коэффициент называется критическим числом Рейнольдса Re_кр и определяется следующим образом:

Re_кр= U d/ χ(1-5)

Как показывает опыт, для труб круглого сечения Re_крпримерно равно 2320.

Таким образом, критерий подобия Рейнольдса позволяет судить о режиме течения жидкости в трубе. При Re < Re_кр течение является ламинарным, а при Re > Re_кр течение является турбулентным. Точнее говоря, вполне развитое турбулентное течение в трубах устанавливается лишь при Re примерно равно 4000, а при Re = 2320…4000 имеет место переходная, критическая область.

Режим движения жидкости напрямую влияет на степень гидравлического сопротивления трубопроводов.

Интересуются режимом движения из энергетических соображений. На рисунке 1-7 показана зависимость потерь напора (удельной энергии) на трение h_т от числа Рейнольдса. Таким образом, как видно из рисунка 1.7, при ламинарном режиме течения потери энергии на трение меньше, чем при турбулентном режиме. При расчетах гидравлических систем приходится постоянно контролировать режим течения (определять Re) для того, чтобы определить потери энергии на трение

Режим течения газа определяется также на основе использования критерия (1-5).

Рисунок 1.7. Зависимость потерь напора (удельной энергии) на трение h_т от числа Рейнольдса Re.