Абсолютное и избыточное давление. Пьезометрическая и вакуумметрическая высота

Применив основное уравнение гидростатики для двух точек, одна из которых расположена на свободной поверхности, получим:

где р 0 – давление на свободной поверхности;

z 0 – z = h – глубина погружения точки А .

Отсюда следует, что давление в жидкости увеличивается с глубиной погружения, а формула абсолютного гидростатического давления в точке покоящейся жидкости имеет вид:

. (3.10)

Часто давление на свободной поверхности воды равно атмосферному давлению р 0 = р ат , в этом случае абсолютное давление определяется как:

а называют избыточным давлением и обозначают р изб .

Избыточное давление определяется как разность абсолютного и атмосферного давлений:

при р 0 = р ат :

.

Абсолютное гидростатическое давление может быть меньше атмосферного, но всегда больше нуля. Избыточное давление может быть и больше, и меньше нуля.

Положительное избыточное давление называют манометрическим давлением р ман :

Манометрическое давление показывает, на сколько абсолютное давление превышает атмосферное (рис. 3.7).

Отрицательное избыточное давление называют вакуумметрическим давлением р вак :

Вакуумметрическое давление показывает насколько абсолютное давление ниже атмосферного.

Практически наибольший вакуум в жидкости ограничен значением давления насыщенного пара жидкости при данной температуре.

Проиллюстрируем графически взаимосвязь между абсолютным, манометрическим и вакуумметрическим давлениями (см. рис. 3.7).

Представим плоскость, во всех точках которой абсолютное давление р абс = 0 (линия 0-0 на рис. 3.7). Выше этой плоскости на расстоянии, соответствующем атмосферному давлению, расположена плоскость, во всех точках которой р абс =р ат (линия А-А ). Таким образом, линия 0-0 является базой для отсчета абсолютного давления, а линия А-А – базой для отсчета манометрического давления и вакуума.

Если в точке С р абс (С ) больше атмосферного, то расстояние от точки С до линии А-А будет равно манометрическому давлению р м(С) вточке С . Если в точке D вжидкости абсолютное давление p абс(D) меньше атмосферного, то расстояние от точки D до линии А-А будет соответствовать вакуумметрическому давлению р (вак) D в точке D.

Приборы для измерения гидростатического давления можно подразделить на две группы: жидкостные и механические . В основе жидкостных приборов для измерения давления лежит принцип сообщающихся сосудов.

Простейшим жидкостным прибором для измерения давления является пьезометр. Пьезометр представляет собой прозрачную трубку диаметром не менее 5 мм (для избежания капиллярности). Один ее конец присоединен к сосуду, в котором измеряется давление, а другой конец открыт. Схема установки пьезометра показана на рис. 3.8, а .

Абсолютное давление в сосуде в точке С присоединения пьезометра в соответствии с формулой (3.10 *) составляет:

где h п – высота подъема жидкости в пьезометре (пьезометрическая высота).

Из уравнения (3.11) находим, что:

.

Рис. 3.8. Схема установки пьезометров: а – для измерения давления в точке
присоединения; б – для измерения давления в сосуде над свободной поверхностью

Таким образом, высота подъема жидкости в пьезометре определяется избыточным (манометрическим) давлением в точке С . Измерив высоту подъема жидкости в пьезометре, можно определить избыточное давление в точке его присоединения.

С помощью пьезометра можно определить давление р 0 в сосуде над свободной поверхностью. Давление в точке С :

, (3.12)

где h С – глубина погружения точки С относительно уровня жидкости в сосуде.

Из уравнений (3.11) и (3.12) находим:

В этом случае для удобства определения разности h п – h С схема установки пьезометра может быть такой, как на рис. 3.8, б.

Пьезометр является очень чувствительным и точным прибором, однако он удобен только для измерения небольших давлений;при больших давлениях трубка пьезометра получается, чрезмерно длинной, что осложняет измерения. В этих случаях применяют так называемые жидкостные манометры, в которых давление уравновешивается не той же жидкостью, что и жидкость, находящаяся в сосуде, как это имеет место в пьезометре, а жидкостью большего удельного веса; обычно такой жидкостью является ртуть. Так как удельный вес ртути больше удельного веса воды в 13,6 раза, то при измерении одних и тех же давлений трубка ртутного манометра оказывается значительно короче пьезометрической трубки и сам прибор получается более компактным.

Ртутный манометр (рис. 6.3) представляет собой обычно U-образную стеклянную трубку, изогнутое колено которой заполняется ртутью. Под действием давления р в сосуде уровень ртути в левом колене манометра понижается, а в правом – повышается. При этом гидростатическое давление в точке А, взятой на поверхности ртути в левом колене, по аналогии с предыдущим, определяется следующим образом:

где r ж и r рт – плотности соответственно жидкости в сосуде и ртути.

В тех случаях, когда необходимо измерить не давление в сосуде, а разность давлений в двух сосудах или же в двух точках жидкости в одном и том же сосуде, применяют дифференциальные манометры. Дифференциальный манометр, присоединенный к двум сосудам А и В , представлен на рис. 3.10. Здесь для давления р на уровне поверхности ртути в левом колене имеем:

или, так как ,

Таким образом, разность давлений определяется разностью уровней в двух коленах дифференциального манометра.

Для повышения точности измерений, а также при измерении незначительных давлений применяются микроманометры.

Микроманометр состоит из резервуара А , присоединяемого к сосуду, в котором измеряется давление, и манометрической трубки В ,угол наклона α к горизонту которой можно менять. Одна из конструкций микроманометра, так называемый наклонный микроманометр, изображена на рис. 3.11.

Рис. 3.11. Микроманометр

Давление у основания трубки, измеряемое микроманометром, определяется выражением:

Микроманометр обладает большей чувствительностью, так как он позволяет вместо малой высоты h отсчитывать длину l тем большую, чем меньше угол a.

Для измерения давления меньше атмосфер­ного (в сосуде имеется вакуум) служат приборы, называемые вакуумметрами. Однако вакуумметры обычно измеряют не непосредственно давление, а вакуум, то есть недостаток давления до атмосферного. Принципиально они ничем не отличаются от ртутных манометров и представляют собой заполненную ртутью изогнутую трубку (рис. 3.12), один конец которой А соединяется с сосудом В , где измеряется давление р , а другой конец С открыт. Пусть, например, измеряется давление газа в сосуде В , в этом случае получаем:

,

соответствующую вакууму в сосуде называют вакуумметрической высотой и обозначают h вак .

Когда необходимо измерять большие давления, применяют приборы второго типа – механические. Наибольшим распространением пользуется на практике пружинный манометр (рис. 3.13, а ). Он состоит из полой тонкостенной изогнутой латунной трубки (пружины) А , один конец которой запаян и соединен при помощи цепи В с зубчатым механизмом С ; второй конец трубки – открытый – сообщается с сосудом, в котором замеряется давление. Через этот конец в трубку А поступает жидкость. Под действием давления пружина частично распрямляется и посредством зубчатого механизма приводит в движение стрелку, по отклонению которой судят о величине давления. Такие манометры обычно снабжаются градуированной шкалой, показывающей давление в атмосферах, а иногда оборудуются и самописцами.

Кроме того, существуют так называемые мембранные манометры (рис. 3.13, б ), в которых жидкость воздействует на тонкую металлическую (или из прорезиненной материи) пластинку – мембрану. Получающаяся при этом деформация мембраны посредством системы рычагов передается стрелке, указывающей величину давления.

Рис. 3.13. Пружинный (а ) и мембранный (б ) манометры

Числовое значение давления определяется не только принятой системой единиц, но и выбранным началом отсчета. Исторически сложились три системы отсчета давления: абсолютная, избыточная и вакуумметрическая (рис.2.2).

Рис. 2.2. Шкалы давления. Связь между давлением

абсолютным, избыточным и вакуумом

Абсолютное давление отсчитывается от абсолютного нуля (рис. 2.2). В этой системе атмосферное давление. Следовательно, абсолютное давление равно

Абсолютное давление всегда является величиной положительной.

Избыточное давление отсчитывается от атмосферного давления, т.е. от условного нуля. Чтобы перейти от абсолютного к избыточному давлению необходимо вычесть из абсолютного давления атмосферное, которое в приближенных расчетах можно принять равным 1ат :

Иногда избыточное давление называют манометрическим.

Вакуумметрическим давлением или вакуумом называется недостаток давления до атмосферного

Избыточное давление показывает либо избыток над атмосферным, либо недостаток до атмосферного. Ясно, что вакуум может быть представлен как отрицательное избыточное давление

Как видно, эти три шкалы давления различаются между собой либо началом, либо направлением отсчета, хотя сам отсчет может вестись при этом в одной и той же системе единиц. Если давление определяется в технических атмосферах, то к обозначению единицы давления (ат ) приписывается ещё одна буква, в зависимости от того, какое давление принято за «нулевое» и в каком направлении ведется положительный отсчет.

Например:

Абсолютное давление равно 1,5 кг/см 2 ;

Избыточное давление равно 0,5 кг/см 2 ;

Вакуум составляет 0,1 кг/см 2 .

Чаще всего инженера интересует не абсолютное давление, а его отличие от атмосферного, поскольку стенки конструкций (бака, трубопровода и т.п.) обычно испытывают действие разности этих давлений. Поэтому в большинстве случаев приборы для измерения давления (манометры, вакуумметры) показывают непосредственно избыточное (манометрическое) давление или вакуум.

Единицы давления. Как следует из самого определения давления, его размерность совпадает с размерностью напряжения, т.е. представляет собой размерность силы, отнесенную к размерности площади.

За единицу давления в Международной системе единиц (СИ) принят паскаль - давление, вызываемое силой, равномерно распределенной по нормальной к ней поверхности площадью, т.е.. Наряду с этой единицей давления применяют укрупненные единицы: килопаскаль (кПа) и мегапаскаль (МПа):

В технике в настоящее время в некоторых случаях продолжают применять также техническую МКГСС (метр, килограмм-сила, секунда, а) и физическую СГС (сантиметр, грамм, секунда) системы единиц. Используются также внесистемные единицы - техническую атмосферу и бар:

Не следует также смешивать техническую атмосферу с физической, которая все ещё имеет некоторое распространение в качестве единицы давления:

2.1.3. Свойства гидростатического давления

Гидростатическое давление обладает двумя основными свойствами.

1-ое свойство. Силы гидростатического давления в покоящейся жидкости всегда направлены внутрь по нормали к площадке действия, т.е. являются сжимающими.

Это свойство доказывается от противного. Если предположить, что силы направлены по нормали наружу, то это равносильно появлению в жидкости растягивающих напряжений, которых она воспринимать не может (это вытекает из свойств жидкости).

2-ое свойство . Величина гидростатического давления в любой точке жидкости по всем на­правлениям одинаково, т.е. не зависит от ориентации в пространстве площадки, на которую оно действует

где - гидростатические давления по направлению координатных осей;

То же по произвольному направлению .

Для доказательства этого свойства выделим в неподвижной жидкости элементарный объем в форме тетраэдра с ребрами, параллельными координатным осям и соответственно равными , и (рис. 2.3).

Рис. 2.3. Схема для доказательства свойства

о независимости гидростатического давления от направления

Введем обозначения: - гидростатическое давление, действующее на грань, нормальную к оси ;

Давление на грань, нормальную к оси ;

Давление на грань, нормальную к оси ;

Давление, действующее на наклонную грань;

Площадь этой грани;

Плотность жидкости.

Запишем условия равновесия для тетраэдра (как для твердого тела) в виде трех уравнений проекций сил и трех уравнений моментов:

При уменьшении в пределе объема тетраэдра до нуля система действующих сил преобразуется в систему сил проходящих через одну точку, и, таким образом, уравнения моментов теряют смысл.

Таким образом, внутри выделенного объема на жидкость действует единичная массовая сила, проекции ускорений которой равны , , и . В гидравлике принято массовые силы относить к единице массы, а так как , то проекция единичной массовой силы численно будет равна ускорению.

где ,,- проекции единичной массовой силы на оси координат;

Масса жидкости;

Ускорение.

Составим уравнение равновесия выделенного объема жидкости в направлении оси , учитывая при этом, что все силы направлены по нормалям к соответствующим площадкам внутрь объема жидкости:

где - проекция силы от гидростатического давления;

Проекция силы от давления ;

Вопрос 21. Классификация приборов измерения давления. Устройство электроконтактного манометра, способы его поверки.

Во многих технологических процессах давление является одним из основных параметров, определяющих их протекание. К ним относятся: давление в автоклавах и пропарочных камерах, давление воздуха в технологических трубопроводах и т. п.

Определение величины давления

Давление – это величина, характеризующая действие силы на единицу поверхности.

При определении величины давления принято различать давление абсолютное, атмосферное, избыточное и вакуумметрическое.

Абсолютное давление (р а ) – это давление внутри какой-либо системы, под которым находится газ, пар или жидкость, отсчитываемое от абсолютного нуля.

Атмосферное давление (р в ) создается массой воздушного столба земной атмосферы. Оно имеет переменную величину, зависящую от высоты местности над уровнем моря, географической широты и метеорологических условий.

Избыточное давление определяется разностью между абсолютным давлением (р а) и атмосферным давлением (р в):

р изб = р а – р в.

Вакуум (разрежение) – это такое состояние газа, при котором его давление меньше атмосферного. Количественно вакуумметрическое давление определяется разностью между атмосферным давлением и абсолютным давлением внутри вакуумной системы:

р вак = р в – р а

При измерении давления в движущихся средах под понятием давления понимают статическое и динамическое давление.

Статическое давление (р ст ) – это давление, зависящее от запаса потенциальной энергии газовой или жидкостной среды; определяется статическим напором. Оно может быть избыточным или вакуумметрическим, в частном случае может быть равно атмосферному.

Динамическое давление (р д ) – это давление, обусловленное скоростью движения потока газа или жидкости.

Полное давление (р п ) движущейся среды слагается из статического (р ст) и динамического (р д) давлений:

р п = р ст + р д.

Единицы измерения давления

В системе единиц СИ за единицу давления принято считать действие силы в 1 H (ньютон) на площадь 1 м², т. е. 1 Па (Паскаль). Так как эта единица очень мала, для практических измерений применяют килопаскаль (кПа = 10 3 Па) или мегапаскаль (МПа=10 6 Па).

Кроме того, на практике применяют такие единицы давления:

миллиметр водяного столба (мм вод. ст.);

миллиметр ртутного столба (мм рт. ст.);

атмосфера;

килограмм силы на квадратный сантиметр (кг·с/см²);

При этом соотношение между этими величинами следующее:

1 Па = 1 Н/ м²

1 кг·с/см² = 0,0981 МПа = 1 атм

1 мм вод. ст. = 9,81 Па = 10 -4 кг·с/см² = 10 -4 атм

1 мм рт. ст. = 133,332 Па

1 бар = 100 000 Па = 750 мм рт. ст.

Физическое объяснение некоторых единиц измерения:

1 кг·с/см² – это давление столба воды высотой 10м;

1 мм рт. ст. – это величина уменьшения давления при подъеме на каждые 10м высоты.

Методы измерения давления

Широкое использование давления, его перепада и разрежения в технологических процессах вызывает необходимость применять разнообразные методы и средства измерения и контроля давления.

Методы измерения давления основаны на сравнении сил измеряемого давления с силами:

давления столба жидкости (ртути, воды) соответствующей высоты;

развиваемыми при деформации упругих элементов (пружин, мембран, манометрических коробок, сильфонов и манометрических трубок);

тяжести грузов;

упругими силами, возникающими при деформации некоторых материалов и вызывающими электрические эффекты.

Классификация приборов измерения давления

Классификация по принципу действия

В соответствии с указанными методами, приборы измерения давления можно разделить, по принципу действия на:

жидкостные;

деформационные;

грузопоршневые;

электрические.

Наибольшее распространение в промышленности получили деформационные средства измерения. Остальные, в большинстве своем, нашли применение в лабораторных условиях в качестве образцовых или исследовательских.

Классификация в зависимости от измеряемой величины

В зависимости от измеряемой величины средства измерения давления подразделяются на:

манометры – для измерения избыточного давления (давления выше атмосферного);

микроманометры (напоромеры) – для измерения малых избыточных давлений (до 40 кПа);

барометры – для измерения атмосферного давления;

микровакуумметры (тягомеры) – для измерения малых разряжений (до -40 кПа);

вакуумметры – для измерения вакуумметрического давления;

мановакуумметры – для измерения избыточного и вакуумметрического давления;

напоротягомеры – для измерения избыточного (до 40 кПа) и вакуумметрического давления (до -40 кПа);

манометры абсолютного давления – для измерения давления, отсчитываемого от абсолютного нуля;

дифференциальные манометры – для измерения разности (перепада) давлений.

Жидкостные средства измерения давления

Действие жидкостных средств измерений основано на гидростатическом принципе, при котором измеряемое давление уравновешивается давлением столба затворной (рабочей) жидкости. Разница уровней в зависимости от плотности жидкости является мерой давления.

U -образный манометр – это простейший прибор для измерения давления или разности давлений. Представляет собой согнутую стеклянную трубку, заполненную рабочей жидкостью (ртутью или водой) и прикрепленную к панели со шкалой. Один конец трубки соединяется с атмосферой, а другой подключается к объекту, где измеряется давление.

Верхний предел измерения двухтрубных манометров составляет 1…10кПа при приведенной погрешности измерения 0,2…2%. Точность измерения давления этим средством будет определяться точностью отсчета величины h(величины разности уровня жидкости), точностью определения плотности рабочей жидкости ρ и не зависеть от сечения трубки.

Жидкостные средства измерения давления характерны отсутствием дистанционной передачи показаний, небольшими пределами измерений и низкой прочностью. В то же время благодаря своей простоте, дешевизне и относительно высокой точности измерений они широко распространены в лабораториях и реже в промышленности.

Деформационные средства измерения давления

Основаны на уравновешивании силы, создаваемой давлением или вакуумом контролируемой среды на чувствительный элемент, силами упругих деформаций различного рода упругих элементов. Эта деформация в виде линейных или угловых перемещений передается регистрирующему устройству (показывающему или самопишущему) или преобразуется в электрический (пневматический) сигнал для дистанционной передачи.

В качестве чувствительных элементов используют одновитковые трубчатые пружины, многовитковые трубчатые пружины, упругие мембраны, сильфонные и пружинно-сильфонные.

Для изготовления мембран, сильфонов и трубчатых пружин применяются бронза, латунь, хромоникелевые сплавы, отличающиеся достаточно высокой упругостью, антикоррозийностью, малой зависимостью параметров от изменения температуры.

Мембранные приборы применяются для измерения небольших давлений (до 40кПа) нейтральных газовых средств.

Сильфонные приборы предназначены для измерения избыточного и вакуумметрического давления неагрессивных газов с пределами измерений до 40кПа, до 400кПа (как манометры), до 100кПа (как вакуумметры), в интервале -100…+300кПа (как мановакуумметрические).

Трубчато-пружинные приборы принадлежат к числу наиболее распространенных манометров, вакуумметров и мановакуумметров.

Трубчатая пружина представляет собой тонкостенную, согнутую по дуге окружности, трубку (одно- или многовитковую) с запаенным одним концом, которая изготавливается из медных сплавов или нержавеющей стали. При увеличении или уменьшении давления внутри трубки пружина раскручивается или скручивается на определенный угол.

Манометры рассмотренного типа выпускаются для верхних пределов измерения 60…160кПа. Вакуумметры выпускаются со шкалой 0…100кПа. Мановакуумметры имеют пределы измерений: от -100кПа до +(60кПа…2,4МПа). Класс точности для рабочих манометров 0,6…4, для образцовых – 0,16; 0,25; 0,4.

Грузопоршневые манометры применяются как устройства для поверки механических контрольных и образцовых манометров среднего и высокого давления. Давление в них определяется по калиброванным грузам, помещаемым на поршне. В качестве рабочей жидкости применяют керосин, трансформаторное или касторовое масло. Класс точности грузопоршневых манометров 0,05 и 0,02%.

Электрические манометры и вакуумметры

Действие приборов этой группы основано на свойстве некоторых материалов изменять свои электрические параметры под действием давления.

Пьезоэлектрические манометры применяют при измерении пульсирующего с высоко частотой давления в механизмах с допустимой нагрузкой на чувствительный элемент до 8·10 3 ГПа. Чувствительным элементом в пьезоэлектрических манометрах, преобразующим механические напряжения в колебания электрического тока, являются пластины цилиндрической или прямоугольной формы толщиной в несколько миллиметров из кварца, титаната бария или керамики типа ЦТС (цирконат-титонат свинца).

Тензометрические манометры имеют малые габаритные размеры, простое устройство, высокую точность и надежность в работе. Верхний предел показаний 0,1…40Мпа, класс точности 0,6; 1 и 1,5. Применяются в сложных производственных условиях.

В качестве чувствительного элемента в тензометрических манометрах применяются тензорезисторы, принцип действия которых основан на изменении сопротивления под действием деформации.

Давление в манометре измеряется схемой неуравновешенного моста.

В результате деформации мембраны с сапфировой пластинкой и тензорезисторами возникает разбаланс моста в виде напряжения, которое с помощью усилителя преобразуется в выходной сигнал, пропорциональный измеряемому давлению.

Дифференциальные манометры

Применяются для измерения разности (перепада) давления жидкостей и газов. Они могут быть использованы для измерения расхода газов и жидкостей, уровня жидкости, а также для измерения малых избыточных и вакуумметрических давлений.

Мембранные дифференциальные манометры являются бесшакальными первичными измерительными приборами, предназначенными для измерения давления неагрессивных сред, преобразующими измеряемую величину в унифицированный аналоговый сигнал постоянного тока 0…5мА.

Дифференциальные манометры типа ДМ выпускаются на предельные перепады давления 1,6…630кПа.

Сильфонные дифференциальные манометры выпускаются на предельные перепады давления 1…4кПа, они рассчитаны на предельно допустимое рабочее избыточное давление 25кПа.

Устройство электроконтактного манометра, способы его поверки

Устройство электроконтактного манометра

Рисунок - Принципиальные электрические схемы электроконтактных манометров: а – одноконтактная на замыкание; б – одноконтактная на размыкание; в – двухконтактная на размыкание–размыкание; г – двухконтактная на замыкание–замыкание; д – двухконтактная на размыкание–замыкание; е – двухконтактная на замыкание–размыкание; 1 – указательная стрелка; 2 и 3 – электрические базовые контакты; 4 и 5 – зоны замкнутых и разомкнутых контактов соответственно; 6 и 7 – объекты воздействия

Типовая схема функционирования электроконтактного манометра может быть проиллюстрирована рисунке (а) . При росте давления и достижении им определенного значения указательная стрелка 1 с электрическим контактом входит в зону 4 и замыкает с помощью базового контакта 2 электрическую цепь прибора. Замыкание цепи в свою очередь приводит к вводу в работу объекта воздействия 6.

В схеме размыкания (рис. б ) при отсутствии давления электрические контакты указательной стрелки 1 и базового контакта 2 замкнуты. Под напряжением U в находится электрическая цепь прибора и объект воздействия. При повышении давления и прохождении стрелкой зоны замкнутых контактов происходит разрыв электрической цепи прибора и соответственно прерывается электрический сигнал, направляемый на объект воздействия.

Наиболее часто в производственных условиях применяются манометры с двухконтактными электрическими схемами: одна используется для звуковой или световой индикации, а вторая – для организации функционирования систем различных типов управления. Так, схема размыкание–замыкание (рис. д ) позволяет по одному каналу при достижении определенного давления разомкнуть одну электрическую цепь и получить сигнал воздействия на объект 7 , а по второму – с помощью базового контакта 3 замкнуть находящуюся в разомкнутом состоянии вторую электрическую цепь.

Схема замыкание–размыкание (рис. е ) позволяет при увеличении давления одну цепь замкнуть, а вторую – разомкнуть.

Двухконтактные схемы на замыкание–замыкание (рис. г ) и размыкание–размыкание (рис. в ) обеспечивают при повышении давления и достижении одних и тех же или различных его значений замыкание обеих электрических цепей или соответственно их размыкание.

Электроконтактная часть манометра может быть как неотъемлемой, совмещенной непосредственно с механизмом измерителя, так и присоединяемой в виде электроконтактной группы, устанавливаемой на передней части прибора. Производители традиционно используют конструкции, в которых тяги электроконтактной группы монтировались на оси трубки. В некоторых устройствах, как правило, устанавливается электроконтактная группа, соединенная с чувствительным элементом через указательную стрелку манометра. Некоторые производители освоили электроконтактный манометр с микровыключателями, которые устанавливаются на передаточном механизме измерителя.

Электроконтактные манометры производятся с механическими контактами, контактами с магнитным поджатием, индуктивной парой, микровыключателями.

Электроконтактная группа с механическими контактами конструктивно наиболее проста. На диэлектрическом основании фиксируется базовый контакт, представляющий собой дополнительную стрелку с закрепленным на нем электрическим контактом и соединенным с электрической цепью. Другой разъем электрической цепи связан с контактом, который передвигается указательной стрелкой. Таким образом, при росте давления указательная стрелка смещает подвижный контакт до момента его соединения со вторым контактом, закрепленным на дополнительной стрелке. Механические контакты, изготовленные в виде лепестков или стоек, производятся из сплавов серебро–никель (Ar80Ni20), серебро–палладий (Ag70Pd30), золото–серебро (Au80Ag20), платина–иридий (Pt75Ir25) и др.

Приборы с механическими контактами рассчитаны на напряжение до 250 В и выдерживают максимальную разрывную мощность до 10 Вт постоянного или до 20 В×А переменного тока. Малые разрывные мощности контактов обеспечивают достаточно высокую точность срабатывания (до 0,5 % полного значения шкалы).

Более прочное электрическое соединение обеспечивают контакты с магнитным поджатием. Их отличие от механических состоит в закреплении на обратной стороне контактов (клеем или винтами) малых магнитов, что усиливает прочность механического соединения. Максимальная разрывная мощность контактов с магнитным поджатием составляет до 30 Вт постоянного или до 50 В×А переменного тока и напряжением до 380 В. Из-за наличия магнитов в системе контактов класс точности не превышает 2,5.

Способы поверки ЭКГ

Электроконтактные манометры, а также датчики давления должны периодически подвергаться поверке.

Электроконтактные манометры в полевых и лабораторных условиях могут проверяться тремя способами:

поверка нулевой точки: при снятии давления, стрелка должна возвращаться к «0» отметке, недоход стрелки не должен превышать половины допуска погрешности прибора;

поверка рабочей точки: к проверяемому прибору подсоединяется контрольный манометр и производится сравнение показаний обоих приборов;

поверка (калибровка): поверка прибора согласно методики на поверку (калибровку) для данного типа приборов.

Электроконтактные манометры и реле давления проверяются на точность срабатывания сигнальных контактов, погрешность срабатывания должна быть не выше паспортной.

Порядок выполнения поверки

Выполнить ТО прибора давления:

Проверить маркировку и сохранность пломб;

Наличие и прочность крепления крышки;

Отсутствие обрыва заземляющего провода;

Отсутствие вмятин и видимых повреждений, пыли и грязи на корпусе;

Прочность крепления датчика (работы на месте эксплуатации);

Целостность изоляции кабеля (работы на месте эксплуатации);

Надежность крепления кабеля в водном устройстве (работы на месте эксплуатации);

Проверить затяжку крепежных элементов (работы на месте эксплуатации);

Для контактных приборов проверить сопротивление изоляции относительно корпуса.

Собрать схему для контактных приборов давления.

Плавно повышая давление на входе, снять показания образцового прибора при прямом и обратном (снижении давления) ходе. Отчеты выполнить в 5 равнорасположенных точках диапазона измерений.

Проверить точность срабатывания контактов согласно уставок.

В технических приложениях давление обычно называют абсолютным давлением . Кроме того, вводят так называемое избыточное давление и вакуум, определение которых осуществляется по отношению к атмосферному давлению.

Если давление больше атмосферного (), то превышение давления над атмосферным называют избыточным давлением:

;

если давление меньше атмосферного, то недостаток давления до атмосферного называют вакуумом (или вакууметрическим давлением):

.

Очевидно, что обе эти величины – положительные. Например, если говорят: избыточное давление равно 2 атм ., то это означает, что абсолютное давление равно . Если говорят, что в сосуде вакуум составляет 0,3 атм ., то это означает, что абсолютное давление в сосуде равно и т.д.

ЖИДКОСТИ. ГИДРОСТАТИКА

Физические свойства жидкостей

Капельные жидкости – это сложные системы, обладающие многими физико-химическими свойствами. Нефтяная и нефтехимическая промышленность, помимо воды, имеет дело с такими жидкостями, как сырая нефть, светлые нефтепродукты (бензины, керосины, дизельные и печные топлива и т.п.), различные масла, а также с другими жидкостями, являющимися продуктами переработки нефти. Остановимся, прежде всего, на тех свойствах жидкости, которые важны для изучения гидравлических проблем транспорта и хранения нефти и нефтепродуктов.

Плотность жидкостей. Свойства сжимаемости

И теплового расширения

Каждая жидкость при некоторых стандартных условиях (например, атмосферном давлении и температуре 20 0 С) имеет номинальную плотность . Например, номинальная плотность пресной воды составляет 1000 кг/м 3 , плотность ртути равна 13590 кг/м 3 , сырых нефтей 840-890 кг/м 3 , бензинов 730-750 кг/м 3 , дизельных топлив 840-860 кг/м 3 . В то же время плотность воздуха составляет кг/м 3 , а природного газа кг/м 3 .

Однако при изменении давления и температуры плотность жидкости изменяется: как правило, при увеличении давления или уменьшении температуры она увеличивается, а при уменьшении давления или увеличении температуры она уменьшается.

Упругие жидкости

Изменения плотности капельных жидкостей обычно невелики по сравнению с номинальным значением (), поэтому для описания свойств их сжимаемости в ряде случаев используют модель упругой жидкости. В этой модели плотность жидкости зависит от давления согласно формуле

в которой коэффициент называют коэффициентом сжимаемости ; плотность жидкости при номинальном давлении . Эта формула показывает, что превышение давления над ведет к увеличению плотности жидкости, в обратном случае – к уменьшению.

Используется также модуль упругости К (Па ), который равен . В этом случае формула (2.1) записывается, как

. (2.2)

Средние значения модуля упругости для воды Па , нефти и нефтепродуктов Па . Отсюда следует, что отклонения плотности жидкости от номинальной плотности крайне незначительны. Например, если МПа ( атм.), то для жидкости с кг /м 3 отклонение составит 2,8 кг /м 3 .

Жидкости с тепловым расширением

То, что различные среды при нагревании расширяются, а при охлаждении сжимаются, учитываются в модели жидкости с объемным расширением. В этой модели плотность есть функция от температуры , так что :

в которой () - коэффициент объемного расширения, а и номинальные плотность и температура жидкости. Для воды, нефти и нефтепродуктов значения коэффициента приведены в таблице 2.1.

Из формулы (2.3) следует, в частности, что при нагревании, т.е. в тех случаях, когда , жидкость расширяется; а в тех случаях, когда , жидкость сжимается.

Таблица 2.1

Коэффициент объемного расширения

Пример 1 . Плотность бензина при 20 0 С равна 745 кг/м 3 . Какова плотность этого же бензина при температуре 10 0 С?

Решение. Используя формулу (2.3) и таблицу 1, имеем:

кг/м 3 , т.е. эта плотность увеличилась на 8,3 кг/м 3 .

Используется также модель жидкости, учитывающей как барическое, так и тепловое расширение. В этой модели , причем справедливо следующее уравнение состояния:

. (2.4)

Пример 2 . Плотность бензина при 20 0 С и атмосферном давлении (МПа ) равна 745 кг/м 3 . Какова плотность этого же бензина при температуре 10 0 С и давлении 6,5 МПа?

Решение. Используя формулу (2.4) и таблицу 2.1, имеем:

кг /м 3 , т.е. эта плотность увеличилась на 12 кг /м 3 .

Несжимаемая жидкость

В тех случаях, когда изменениями плотности у частиц жидкости можно пренебречь, используют модель так называемой несжимаемой жидкости. Плотность каждой частицы такой гипотетической жидкости остается постоянной в течение всего времени движения (иными словами, полная производная ), хотя она может быть и разной у разных частиц (как, например, у водонефтяных эмульсий). Если же несжимаемая жидкость однородна, то

Подчеркнем, что несжимаемая жидкость представляет собой лишь модель , которую можно использовать в тех случаях, когда изменения плотности жидкости много меньше значения самой плотности , так что .

Вязкость жидкости

Если слои жидкости движутся друг относительно друга, то между ними, возникают силы трения. Эти силы называют силами вязкого трения,а свойство сопротивления относительному движению слоев - вязкостью жидкости.

Пусть, например, слои жидкости движутся так, как показано на рис. 2.1.

Рис. 2.1. К определению вязкого трения

Здесь распределение скоростей в потоке, а направление нормали к площадке . Верхние слои движутся быстрее нижних, поэтому со стороны первых действует сила трения, увлекающая вторые вперед по ходу течения, а со стороны нижних слоев действует сила трения, тормозящая движение верхних слоев. Величина - это x -составляющая силы трения между слоями жидкости, разделенными площадкой с нормалью y , рассчитанная на единицу площади.

Если ввести в рассмотрение производную , то она будет характеризовать скорость сдвига, т.е. разность скоростей слоев жидкости, рассчитанную на единицу расстояния между ними. Оказывается, что для многих жидкостей справедлив закон, согласно которому касательное напряжение между слоями пропорционально разности скоростей этих слоев, рассчитанной на единицу расстояния между ними :

Смысл этого закона понятен: чем больше относительная скорость слоев жидкости (скорость сдвига), тем больше сила трения между слоями.

Жидкость, для которой справедлив закон (2.5) называют ньютоновской вязкой жидкостью . Многие капельные жидкости удовлетворяют этому закону, однако, входящий в него коэффициент пропорциональности оказывается различным для различных жидкостей. Говорят, что такие жидкости являются ньютоновскими, но с разной вязкостью.

Коэффициент пропорциональности , входящий в закон (2.5), называют коэффициентом динамической вязкости.

Размерность этого коэффициента такова

.

В системе СИ измеряется в и выражается в Пуазах (Пз ). Эта единица введена в честь Жана Луи Мари Пуазейля , (1799-1869) – выдающегося французского врача и физика, много сделавшего для изучения движения жидкости (в частности, крови) в трубе.

Пуаз определяется так: 1 Пз = 0,1 . Чтобы составить представление о величине 1 Пз , заметим, что коэффициент динамической вязкости воды в сто раз меньше 1 Пз, т.е. 0,01 Пз = 0,001 = 1 санти Пуаз. Вязкость бензинов составляет 0,4-0,5 Пз, дизельных топлив 4 – 8 Пз , нефти – 5-30 Пз и больше.

Для описания вязких свойств жидкости важен также другой коэффициент, являющийся отношением коэффициента динамической вязкости к плотности жидкости, а именно . Этот коэффициент обозначают и называют коэффициентом кинематической вязкости .

Размерность коэффициента кинематической вязкости такова:

= .

В системе СИ измеряется м 2 /с и выражается Стоксами (Джордж Габриель Стокс (1819-1903) – выдающийся английский математик, физик и гидромеханик):

1 Ст = 10 -4 м 2 /с.

При таком определении кинематической вязкости для воды имеем:

Иными словами, единицы измерения для динамической и кинематической вязкости выбраны таким образом, чтобы и та, и другая для воды была бы равна 0,01 единицы: 1 сПз в первом случае и 1 сСт – во втором.

Для справки укажем, что кинематическая вязкость бензина составляет примерно 0,6 сСт; дизельного топлива - сСт; маловязкой нефти - сСт и т.д.

Зависимость вязкости от температуры . Вязкость многих жидкостей - воды, нефти и почти всех нефтепродуктов - зависит от температуры. При повышении температуры вязкость уменьшается, при понижении - увеличивается. Для расчета зависимости вязкости, например, кинематической от температуры используются различные формулы, в том числе и формула О.Рейнольдса - П.А.Филонова

Решение. По формуле (2.7) рассчитываем коэффициент : . По формуле (2.6) находим искомую вязкость: сСт.

Идеальная жидкость

Если силы трения между слоями жидкости много меньше нормальных (сдавливающих) сил, то вводят модель так называемой идеальной жидкости . В этой модели считается, что касательные силы трения между частицами, разделенными площадкой, отсутствуют и при течении жидкости, а не только в состоянии покоя(см. в п. 1.9 определение жидкости). Такая схематизация жидкости оказывается весьма полезной в тех случаях, когда касательные составляющие сил взаимодействия (силы трения) много меньше их нормальных составляющих (сил давления). В других же случаях, когда силы трения сопоставимы с силами давления или даже превосходят их, модель идеальной жидкости оказывается неприменимой.

Поскольку в идеальной жидкости существуют только нормальные напряжения, то вектор напряжения на любой площадке с нормалью перпендикулярен этой площадке . Повторяя построения п.1.9, можно заключить, что в идеальной жидкости все нормальные напряжения равны по величине и отрицательны (). Следовательно, в идеальной жидкости существует параметр , называемый давлением:, , а матрица напряжений имеет вид:

. (2.8)

В термическое уравнение состояния, как и в большинстве аналитических выражений, описывающих физические законы, входит абсолютное давление, обусловленное молекулярно-кинетической теорией. Существуют приборы, позволяющие измерить величину этого давления, однако, устройство их достаточно сложное, а стоимость высокая. На практике проще организовать измерение не абсолютной величины давления, а разности двух давлений: искомого и атмосферного (барометрического). Знание величины атмосферного давления, измеренного с помощью того или иного типа барометра, позволяет легко получить и величину абсолютного давления. Часто достаточную точность обеспечивает знание средней величины атмосферного давления. Если определяемая величина давления больше атмосферного, то положительная величина разности давлений называется избыточным давлением, которое измеряется различными типами манометров. Если определяемая величина давления меньше атмосферного, то избыточное давление является отрицательной величиной. Абсолютное значение разности давлений называется в этом случае вакуумметрическим давлением ; оно может быть измерено посредством вакуумметров различного типа.

Если измеряемое давление больше атмосферного, то Рабе = Ризб. + Ратм.; если измеряемое давление меньше атмосферного,

ТО Рабе. = Ратм. - Рва* И Рвак = - Ризб.

Размерность давления [р] = ML -| Т “ 2 . Единица давления в Международной системе единиц называется паскаль (Па). Паскаль равен давлению, вызываемому силой 1 Н, равномерно распределенной по нормальной к ней поверхности площадью 1 м 2: 1 Па = 1 Нм -2 = 1 кг м 1 с" 2 . В США, Великобритании и некоторых других странах на практике давление часто измеряют в фунтах на квадратный дюйм (lb/sq.inch или psi). ! бар = Ю 5 Па = 14,5 фунт/кв. дюйм.

Длинная (около 1 м), запаянная с одного конца трубка, заполненная ртутью и опущенная открытым концом в сосуд со ртутью, сообщающийся с атмосферой, называется ртутным барометром. Он позволяет определять давление атмосферы по высоте столбика ртути, заполняющего трубку. Прибор впервые описан Е.Торри-челли (Е. Torricelli) в 1644 г. Проведение систематических количественных измерений давления атмосферы с помощью ртутного барометра предложено Декартом в 1647 г. Действие прибора основано на том, что давление в области над поверхностью ртути в трубке пренебрежимо мало (объем пространства над ртутью в трубке называется торричеллиевой пустотой). В этом случае из условий механического равновесия ртути следует связь между давлением атмосферы и высотой столба ртути: ро = pgh. Давление паров ртути в торричеллиевой пустоте при температуре Т = 273 К составляет 0,025 Па.

Давление атмосферы (или атмосферное давление) зависит от высоты места наблюдения и погодных условий. В обычных условиях на уровне моря высота столба ртути составляет около 76 см и уменьшается при подъеме барометра.

В геофизике принята модель стандартной атмосферы , в которой уровню моря соответствуют температура Т =288.15 К (15°С) и давление ро =101325,0 Па. Состояние газа с таким же давлением при температуре Т = 273.15 К (0°С называется нормальными условиями. Близкие к величине атмосферного давления значения рт = 9.81 10 4 Па, р в =Ю 5 Паи рр =1.01 ЗЛО 5 Па используются в естествознании и технике для измерения давлений и называются технической атмосферой (рт), баром (рв) и физической атмосферой (рр).

При постоянной температуре атмосферы изменение давления с высотой Л описывается барометрической формулой, учитывающей сжимаемость воздуха:

п _ _ „ -ЦвИ/ЯТ

Здесь ц - молярная масса воздуха р = 29=10" 3 кг моль g - ускорение свободного падения вблизи поверхности Земли, Т - абсолютная температура, а Я - молярная газовая постоянная Я =8.31 Дж К" 1 моль" .

Несколько задач

Определить силу /?, которую надо приложить к штоку для движения поршня с постоянной скоростью. Трением пренебречь.

И = 20мм, (і-мм.

Ратм =750мм рт. ст[тт Hg

• 4.3.1. Р=2 бар изб. р 2 = 6 бар изб .
• 4.3.2. р { = 0,5 бар вак. р 2 = 5,5 бар изб
• 4.33. р х - 80 рві изб р 2 = 10 рві изб
• 4.3.4. р, =6-10 5 Па изб p 2 = 30 psi изб.
• 4.3.5. pj = 10 psi вак.