Общие вопросы измерения давления

Измерение давления

Из всех параметров наиболее измеряемым является давление. Давление – одна из основных величин, связанных с описанием поведения жидких и газообразных сред. В нефтегазовом комплексе измерение давления в трубопроводах и хранилищах используется очень широко. Так, для контроля за целостностью нефте- и газопроводов и отсутствием несанкционированного доступа к ним используется непрерывный контроль за давлением в трубопроводной системе. При наличии изменения давления в какой-либо части трубопровода ниже или выше нормы он блокируется.

Еще одним характерным примером использования датчиков давления, в которых масса газа определяется по давлению в емкости, является отпуск газа, например, на газозаправочных станциях. Значительную часть выпускаемых промышленностью датчиков давления использует энергетика. В гидравлических, тепловых, ядерных и других энергетических установках необходим непрерывный контроль за давлением для обеспечения нормального режима работы, не говоря уже о риске разрыва стенок резервуаров и трубопроводов и возникновения аварийных ситуаций. В системах контроля за технологическими процессами датчики давления дают информацию о давлении сжатого воздуха, газа, пара, масла и других жидкостей, обеспечивающих надлежащее функционирование машин, механизмов, и о правильном протекании ТП.

Таким образом, необходимо более подробно рассмотреть методы измерения именно давления. Все задачи измерения давления можно разделить на следующие основные группы:

­ измерение абсолютного или избыточного давления;

­ измерение разности давлений;

­ измерение абсолютного давления газов;

­ измерение параметров звуковых волн в газовой и жидкостной среде (акустические измерения).

Большое разнообразие аппаратуры, в том числе и датчиковой, для измерения давлений объясняется тем, что понятие «давление» охватывает протяженную область значений – от сверхвысокого вакуума до сверхвысоких избыточных давлений. Оценивать величину давления можно как в абсолютных, по отношению к вакууму, так и в относительных, по отношению к атмосферному давлению, единицах; кроме того, результат измерения может быть разностью двух произвольных величин – двух разных давлений. Наконец, измерение давления может проводиться в различных средах, физические и химические характеристики которых весьма разнообразны.

Давление – это физическая величина, характеризующая воздействие усилия на единицу площади поверхности тела или условно выделенную внутри тела элементарную площадку.

Величина давления р жидкости или газа на стенку сосуда, который они полностью заполняют, определяется силой dF, действующей по нормали к элементу поверхности ds стенки сосуда:

p = dF/ds.

На жидкость действует также сила тяжести. Поэтому, например, в случае, когда столб жидкости находится в открытой вертикальной емкости, давление в точке на расстоянии h от поверхности равно сумме атмосферного давления p₀ и массы столба жидкости, действующей на единицу площади:

p = p₀+ pgh,

где р — плотность жидкости; g – ускорение силы тяжести.

Если на жидкость действует еще какое-либо ускорение, необходимо учитывать также влияние силы инерции на величину давления.

Атмосферное давление p₀, называемое барометрическим или гравитационным, является следствием земного притяжения, удерживающего частицы воздуха у поверхности Земли. На практике измерения осуществляются чаще всего относительно исходного атмосферного давления. Разность давлений внутри сосуда и атмосферного давления снаружи сосуда называется избыточным давлением, причем избыточное давление может быть как положительной, так и отрицательной величиной. Сумма барометрического и избыточного давления называется абсолютным давлением.

Барометрическое давление в разных слоях атмосферы зависит от высоты их расположения над уровнем моря и изменяется по экспоненциальному закону:

p_H = p₀[ехр(– ρ / ρ ₀)Н],

где p₀ и p_H — соответственно давления на уровне моря и на высоте Н от уровня моря; ρ ₀ — плотность воздуха на уровне моря.

На рис. 5.1 показано изменение давления в атмосфере Земли в зависимости от высоты над уровнем моря.

Рисунок 5.1– Распределение давления в атмосфере в зависимости от высоты над уровнем моря

Измерение давления в неподвижной жидкости или газе в замкнутых сосудах, полостях и трубопроводах сводится к измерению силы F, действующей на поверхность S стенки, ограничивающей среду – объект измерения. В движущейся жидкости или газе различают три вида давления: статическое давление неподвижной среды Р_s, динамическое давление р_d, обусловленное скоростью v движущейся жидкости или газа, и полное давление р, представляющее сумму этих двух давлений:

Р = Р_s + Р_d.

Динамическое давление, действующее на поверхность, нормальную направлению течения, увеличивает статическое давление на величину

Р_d = ρ V² /2,

где V – скорость движения жидкости или газа; ρ – плотность среды.

Измерение статического и динамического давлений можно осуществлять с помощью двух отдельных датчиков давления Д₁ и Д₂, соединенных с выходными отверстиями трубки Пито (рис. 5.2). Выходной сигнал первого датчика будет пропорционален величине статического давления, а второго датчика – полного давления. Разность этих сигналов позволит определить величину динамического давления.

Отдельной областью являются измерения акустических давлений – знакопеременных давлений в газах и жидкостях в звуковом и ультразвуковом диапазонах частот. Датчики акустических давлений должны реагировать только на переменную составляющую измеряемого давления, т. е. на выходной сигнал не должно влиять атмосферное давление.

Рисунок 5.2–Схема измерения полного давления с помощью трубки Пито

Единицей измерения давления и напряжения в системе СИ является Паскаль - давление, вызываемое силой 1 Н, равномерно распределенной на поверхности 1 м и нормальной к ней. Однако на практике продолжают использоваться внесистемные единицы измерения давления, применение которых обусловлено практическими нуждами. В табл. 5.1 дан перевод наиболее распространенных единиц измерения давления.

Таблица 5.1

Единицы измерения давления	Па	бар	атм.	кг/см^2	мм рт.ст.	мм вод.ст.
Па		10^-5	0,9896×10^-5	1,02×10^-5	0,75×10^-2	0,102
Бар	10^5		0,9896	1,02		1,02×10^4
Атм.		1,013		1,033
кг/см^2	9,807×10^4	0,9807	1,033		7,35×10^3	10^4
мм.рт.ст.	0,75×10 ^-2	1,33×10^-3	1,315×10^-3	1,36×10^-3		13,6
при 0°С
мм. вод. ст.	0,102	9,8×10^-3	9,68×10^-3	10^-4	7,35
при +4°С
фунт/дюйм	0,1451×10^-3	6,89×10^-2	0,068	7,03×10^-2	51,75	7,03×10^-2

В акустических измерениях уровень звукового давления газовой среды (дБ) обычно оценивается в относительных единицах согласно формуле

N = 20 lg (Р / Р₀),

где Р – эффективное значение акустического давления, Па; Р ₀ = 2×10^-5 Па – давление, соответствующее величине интенсивности звукового порога.

Перевод единиц из одной системы в другую в соответствии с приведенной выше формулой представлен в табл. 5. 2.

Таблица 5.2

дБ	мкбар	кг/см^2	Па
		2×10^-6	0,2
		4×10^-6	0,4
		8×10^-6	0,8
		1,6×10^-5	1,6
		2×10^-5	2,0
		6,4×10^-5	6,4
		2×10^-4
	632,4	6,3×10^-4	63,2
		2×10^-3
		6,3×10^-3	632,4
		2×10^-2
		6,3×10^-2
	2×10^5	0,2	2×10^4
	6,324×10^5	0,632	6,324×10^4
	2×10^6	2,0	2×10^5

В зависимости от скорости изменения давления, т.е. характера зависимости Р (t), все разнообразие задач измерения давлений можно свести к трем вариантам: измерение статических и медленноменяющихся давлений, измерение быстроменяющихся давлений и измерение импульсных давлений.

На практике к группе статических принято относить давления, значение которых остается неизменным за время проведения измерений. Медленноменяющееся давление — это процесс, содержащий постоянную составляющую и гармонические составляющие с частотами до 20...30 Гц.

К быстроменяющимся и импульсным давлениям относят процессы со случайными и гармоническими составляющими в частотном диапазоне от десятков до сотен тысяч герц.

Быстроменяющиеся давления (рис. 5.3,б) включают в себя периодически меняющиеся и переходные процессы. Пульсация давления жидкости и газа и акустические шумы часто представляют собой случайный колебательный процесс (рис. 5.3б, г).

Импульсные давления имеют вид одиночных или периодически повторяющихся импульсов и характеризуются значительной амплитудой импульсов и коротким временем нарастания и спада процесса. Чаще всего эти процессы не имеют постоянной составляющей (рис. 5.3,д–ж).

Наиболее жесткие метрологические требования предъявляются к датчикам и системам, измеряющим статические и медленноменяющиеся процессы. Это объясняется тем, что датчики должны с допускаемыми погрешностями одновременно измерять переходные процессы и установившиеся давления, сопровождаемые пульсацией. Эти требования противоречивы и во многих случаях трудносовместимы в одном датчике, так как для измерения переходных процессов с малой погрешностью необходима высокая частота собственных колебаний и малая степень успокоения, а для малой погрешности измерения установившегося давления, сопровождаемого высокочастотной пульсацией, необходима низкая частота собственных колебаний и большая степень успокоения. Датчики, предназначенные для измерения быстроменяющихся и пульсирующих давлений, должны обладать малыми динамическими погрешностями, т. е. высокой частотой собственных колебаний и отсутствием механических и электрических резонансов в рабочем диапазоне частот измерения давлений и дестабилизирующих факторов. При этом для обеспечения допускаемых динамических погрешностей системы в целом все элементы системы (датчик–усилитель–преобразователь–регистратор) должны быть согласованы по частотным диапазонам измерений.

.

Рисунок 5.3–Характер изменения давления во времени:
а – медленноменяющееся давление; б – медленноменяющееся давление, сопровождаемое пульсацией; в – быстроменяющееся давление с постоянной составляющей; г – быстроменяющееся давление без постоянной составляющей;
д – импульсное давление; е, ж – ударное или взрывное давление

Дата добавления: 2014-11-29