Гидростатический метод измерения давления

Изучение приборов для измерения давления. Определение гидростатического давления

Лабораторная работа № 1

Цельработы: освоение способов измерения гидростатического давления.

При подготовке к работе, в процессе выполнения работы и при обработке результатов опытов необходимо:

— ознакомиться с устройством механических и жидкостных приборов для измерения давлений.

— определить плотность второй жидкости, считая, что в левом дифференциальном пьезометре вода.

— определить цену деления стрелочного манометра в атмосферах и Н/м 2 .

1. Приборы для измерения давления

Методы измерения гидростатического давления так же раз­нообразны, как и конструкции приборов, предназначенных для этого.

Приборы для измерения давления носят общее название манометров. Однако по назначению они подразделяются на:

— барометры, предназначенные для измерения атмосферного давления;

— манометры, измеряющие давления выше атмосферного;

— вакуумметры, измеряющие давления ниже атмосферного.

По принципу действия манометры делятся на жидкостные (водяные, спиртовые, ртутные) и механические (пружинные, мембранные и сильфонные).

Пьезометры и манометры измеряют избыточное (манометрическое) дав­ление, то есть они работают, если полное давление в жидкости превышает ве­личину, равную одной атмосфере p = 1 кгс/см 2 = 0,1 МПа. Эти приборы показывают долю давления сверх атмосферного. Для измерения в жидкости полного давления p необходимо к манометрическому давлению p_ман прибавить атмосферное давление p_атм, снятое с барометра. Практически же в гид­равлике атмосферное давление считается величиной постоянной

Простейшим жидкостным прибором является пьезометр (рис. 1). Он состоит из стеклянной трубки с внутренним диаметром 5—12 мм, помещенной на доске измерительной шкалы, градуированной обычно в миллиметрах. Верхний конец трубки сообщается с атмосферой, а нижний соединен с сосудом (резервуаром), в котором находится жидкость под давлением р_о>р_а Под действием этого давления жидкость поднимается по трубке на некоторую высоту h_p, называемую пьезометрической высотой. Высота столба жидкости в пьезометре h_p является показанием этого прибора и позволяет измерять избыточное (манометрическое) давление в точке.

Основное уравнение гидростатики относительно плоскости, проходящей через центр отверстия (точку А), к которому присоединена трубка, имеет следующий вид:

р_абс = р_а+γh_p или h_p=

или h_p= (1.1)

С другой стороны (внутри сосуда)

Подставив значение р_а6с, определим

h_p=

Таким образом, пьезометрическая высота определяет величину избыточного давления в точке, где установлен пьезометр. Если он установлен в открытом сосуде, то уравнение примет вид h_p= т. е. пьезометрическая высота будет равна глубине погружения точки А в жидкость.

Пьезометр является достаточно точным прибором. Однако, чтобы использовать его для измерения давлений выше 48033 Па требуются очень высокие трубки. Упомянутые пьезометры применяются главным образом для лабораторных исследований. Их преимущество перед манометрами состоит в непосредственном измерении давления с помощью пьезометрической высоты столба жидкости без промежуточных передаточных механизмов.

В качестве пьезометра может быть использован любой колодец, котлован, скважина с водой или даже любое измерение глубины воды в открытом резервуаре, так как оно даёт нам величину h_p .

Для измерения более высоких давлений применяют ртутные манометры. Поскольку плотность ртути в 13,6 раза больше плотности воды, то и трубки в этих манометрах значительно короче.

Простейший манометр—ртутный [U-образная трубка (рис. 2)]. Под действием давления со стороны сосуда ртуть и трубке устанавливается на разных уровнях. Так как жидкость находится в равновесии, то можно составить уравнение, например, для уровня F — F;

для левого колена р = р_о + γh;

для правого колена р = р_а + γh_рт или

СПОСОБЫ ИЗМЕРЕНИЯ ГИДРОСТАТИЧЕСКОГО ДАВЛЕНИЯ

Наиболее простой и надежный способ измерения давления в поле силы тяжести основан на использовании гидростатического закона распределения давления (2.3.5). Отметим два наиболее важных в данном случае следствия этого закона:

· распределение давления в жидкости (или газе) не зависит от формы сосуда, в котором она покоится;

· на любой горизонтальной плоскости, пересекающей рассматриваемый (покоящийся) объем однородной жидкости или газа, давление постоянно.

Приборы для измерения давления называют пьезометрами (пьезо — давление) или манометрами.

Самым распространенным прибором для измерения небольших (имеющих порядок атмосферного) давлений является U-образный пьезометр. Пусть необходимо измерить давление в газе, содержащемся в замкнутом) объеме (рис. 2.5). Присоединим к сосуду один конец U-образной трубки, частично заполненной жидкостью с плотностью r (рис. 2.5,а). Второй свободный конец трубки запаян, и на свободной поверхности жидкости создано поверхностное давление р = 0. Приравняв давления в коленах трубки в точках, лежащих на горизонтальной плоскости 0 — 0, получим значение абсолютного давления в сосуде р_А:

. (2.5.1)

При этом следует иметь в виду две вносимые этим методом измере­ний погрешности:

· погрешность, связанную с тем, что изменением весового давления в газе, заполняющем сосуд и часть измерительной трубки, пренебрегают. Это, как правило, допустимо, так как плотность газов на три порядка меньше плотности жидкостей;

· погрешность, обусловленную наличием насыщенных паров жидкости над свободной поверхностью рабочей жидкости в свободном колене с за­паянным концом; давление насыщенных паров р_нп = Р_НП(Т) может быть учтено при вычислении р_А, но во многих случаях им можно пренебречь, так как оно на два порядка меньше атмосферного давления.

Чаще всего на практике требуется измерить отклонение абсолютного давления от атмосферного, т.е. избыточное давление р_и или вакуум р_вак. В дальнейшем изложении для избыточного давления вместо р_и будем ис­пользовать обозначение р. Для измерения отклонения абсолютного давле­ния р_А от атмосферного р_а используют U-образную трубку со свобод­ным концом, открытым для атмосферного давления (рис. 2.5,б). При­равняв давления в точках на плоскости 0 – 0, найдем избыточное давле­ние р (рис. 2.5,б):

(2.5.2)

или вакуум р_вак (рис. 2.5, в):

. (2.5.3)

В некоторых случаях, когда диапазон изменения измеряемого давле­ния невелик по сравнению с атмосферным, используют U-образную труб­ку, свободное колено которой имеет площадь поперечного сечения во много раз (на два-три порядка) больше, чем колено, присоединяемое к точке измерения давления (рис. 2.5,г). При такой конструкции U-образной трубки изменение уровня свободной поверхности левого колена при изменении давления р_А в резервуаре практически не меняет уровня жидкости в правом (широком) колене. Это позволяет следить за давлени­ем в резервуаре, контролируя уровень жидкости в одном (левом) колене (а не в обоих, как в обычном U-образном пьезометре).

Подобная конструкция используется в приборах для измерения ат­мосферного давления, называемых барометрами (рис. 2.6). Они состоят из широкой чашки, в которой на свободную поверхность рабочей жидко­сти действует атмосферное давление, и присоединенной к ней вертикаль­ной трубки с запаянным свободным концом; эта трубка заполне­на жидкостью, и на свободной поверхности в ней создается давление р = р_нп » 0. Приравняв давление в точках на плоскости 0 – 0, имеем

. (2.5.4)

Согласно (2.5.4), измеряя высоту h_a, легко вычислить атмосферное

При конструировании пьезометров и барометров важен рациональный выбор рабочей жидкости. Так, нормальное атмосферное давление на уровне моря равно р_а = 1.012 ×10 5 Па. Если выбрать в качестве рабочей жидкости воду (r_в = 1000 кг/м 3 ), то

,

и, следовательно, высота водяного барометра будет более 10 метров. Чтобы уменьшить габариты барометра, в качестве рабочей жидкости используют ртуть (r_Hg = 13600 кг/м 3 ). В этом случае , т.е. высота ртутного барометра не превысит 1 м.

Отметим, что зависимости (2.6.1) и (2.6.2) позволяют выражать значение давления не только в паскалях, но и в единицах высоты столба рабочей жидкости. В частности, атмосферное давление измеряют, как правило, в миллиметрах ртутного столба.

Для измерения абсолютного и избыточного давлений используют разнообразные механические приборы, называемые манометрами.

В зависимости от чувствительного элемента различают поршневые, деформационные, пружинные манометры и манометры, использующие пьезоэлектрические и пьезомагнитные эффекты. Манометры тарируются в основном с помощью U-образных пьезометров.

ПРАМЕНЬ — Производство и поставка расходомеров, счетчиков топлива. — ООО ПРАМЕНЬ. Производство расходомеров, дозаторов, искробезопастных барьеров

Звоните:+74993488793, +74957776675доб 29797, 810 375293333813
факс: +7 (495) 777-66-75 доб. 37645
WhatsApp;Viber: +375293333813
Этот адрес электронной почты защищен от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.

Гидростатический метод измерения уровня топлива

Гидростатические уровнемеры топлива измеряют давление столба жидкости и преобразуют его в значение уровня, поскольку гидростатическое давление зависит от величины уровня и плотности жидкости и не зависит от формы и объема резервуара. Они представляют собой дифференциальные датчики давления. На один из входов, подсоединяемый к емкости подается давление среды. Другой вход соединяется с атмосферой — в случае открытой емкости без избыточного давления или соединяется с областью избыточного давления в случае закрытой емкости под давлением.

Конструктивно гидростатические датчики уровня топлива бывают двух типов: мембранные и колокольные (погружные). В первом случае тензорезистивный или емкостной датчик непосредственно соединен с мембраной и весь прибор находится внизу емкости, как правило, сбоку на фланце, при этом расположение ЧЭ (мембраны) соответствует минимальному уровню. В случае колокольного датчика чувствительный элемент погружен в рабочую среду и передает давление жидкости на тензорезистивный сенсор через столб воздуха запаянный в подводящей трубке.

Гидростатические уровнемеры топлива применяются для однородных жидкостей в емкостях без существенного движения рабочей среды. Они позволяют производить измерения в диапазоне до 250 КПа, что соответствует (для воды) 25-и метрам, с точностью до 0,1% при избыточном давлении до 10 МПа и температуре рабочей среды: – 40..+120°С. Гидростатические уровнемеры могут использоваться для вязких жидкостей и паст. Важным достоинством гидростатических уровнемеров толпива является высокая точность при относительной дешевизне и простоте конструкции.

Рисунок 1. Измерение уровня в емкости при помощи датчика избыточного давления

На рис. 1 приведена схема измерения уровня топлива датчиком избыточного давления (манометром). Для этих целей может применяться датчик любого типа с соответствующими пределами измерений.

При измерении уровня топлива гидростатическим способом погрешности измерения определяются классом точности измерительного прибора, изменениями плотности жидкости и колебаниями атмосферного давления.

Если резервуар находится под избыточным давлением, то к гидростатическому давлению жидкости добавляется избыточное давление над ее поверхностью, которое данной измерительной схемой не учитывается. Поэтому такая схема измерения для таких случаев не подходит.

В связи с этим, более универсальными являются схемы измерения уровня с использованием дифференциальных датчиков давления (дифманометров). С помощью дифференциальных датчиков давления можно также измерять уровень жидкости в открытых резервуарах, контролировать границу раздела жидкостей.

Рисунок 2. Измерение уровня в открытом резервуаре при помощи датчика дифференциального давления

Схема измерения уровня жидкости в открытом резервуаре, находящемся под атмосферным давлением, представлена на рис. 2.

Плюсовая камера дифманометра ДД через импульсную трубку соединена с резервуаром в его нижней точке, минусовая камера сообщается с атмосферой.
В такой схеме устраняется погрешность, связанная с колебаниями атмосферного давления.

Такая измерительная схема может использоваться тогда, когда дифманометр расположен на одном уровне с нижней плоскостью резервуара. Если это условие соблюсти невозможно и дифманометр располагается ниже, то используют уравнительные сосуды (УС).

Схемы измерения уровня с уравнительными сосудами для резервуаров под атмосферным давлением представлены на рис. 3.

Рисунок 3. Измерение уровня в открытом резервуаре при помощи датчика дифференциального давления с использованием уравнительного сосуда: а – с нижним расположением уравнительного сосуда; б – с верхним расположением уравнительного сосуда

Уравнительный сосуд используется для компенсации статического давления, создаваемого столбом жидкости в импульсной трубке.

Для измерения уровня в резервуарах, находящихся под избыточным давлением Ризб, применяют измерительную схему, изображенную на рис. 4.

Рисунок. 4 Измерение уровня топлива в закрытом резервуаре при помощи датчика дифференциального давления с использованием уравнительного сосуда

Более современным аналогом дифманометров являются датчики гидростатического давления. Как и у дифманометров, у них имеются две измерительные камеры. Одна из камер выполнена в виде открытой мембраны, а вторая — в виде штуцера. Такие датчики всегда можно установить непосредственно у дна резервуара, поэтому отсутствует необходимость в импульсных трубках, а значит, и в необходимости компенсации высоты импульсной трубки.

Наиболее распространенные измерительные схемы с использованием гидростатического датчика давления представлены на рис.5.

Рисунок. 5. Измерение уровня топлива в резервуарах при помощи датчика гидростатического давления: а – для открытых резервуаров; б – для закрытых резервуаров без уравнительного сосуда; в – для закрытых резервуаров с уравнительным сосудом

Схема в) используется для процессов, в которых неизбежно образование обильного конденсате и его накопление в трубе, соединяющей датчик с объемом над жидкостью.

Гидростатический (метод измерения уровня)

Содержание

Гидростатический (метод измерения уровня)

Гидростатический метод измерения уровня -метод основанный на измерении гидростатического давления столба жидкости по формуле P=ρgh, где P-давление, ρ-плотность, g –ускорение свободного падения, h – высота столба жидкости. Для измерения гидростатическим методом уровня жидкости в ёмкости используют гидростатические датчики уровня (гидростатический уровнемер)
Гидростатический уровнемер (гидростатический датчик уровня) – прибор, измеряющий уровень жидкости в ёмкости методом измерения гидростатического давления столба жидкости по формуле h=P/ρg, где P-давление, ρ-плотность, g –ускорение свободного падения, h – высота столба жидкости. Главное достоинство гидростатических уровнемеров это высокая точность при относительно невысокой стоимости и простоте конструкции. Гидростатическим методом, с помощью гидростатического датчика уровня, можно измерять объём жидкости. Для цилиндрических и параллелепипедообразных емкостей используют формулу V=S*h, где V –объём, S – площадь основания, h – высота. Для конусообразных емкостей V=⅓ π(h2 3 -h1 3 ) /tg 2 a. Для ёмкостей сложных конфигураций емкость необходимо «разделить» на части и рассчитывать по формулам для параллепипеда, цилиндра и конуса. При этом следует учитывать, что чем больше площадь поверхности жидкости, тем выше погрешность.

Типы гидростатических датчиков уровня

Существуют два основных типа ГДУ разделяемых по типу присоединения: погружные и врезные. Условно можно выделять так же гидростатические уровнемеры исходя из свойств измеряемой среды. Для сред неагрессивных к нержавеющей стали, агрессивных сред и пульпообразных сред. Химические свойства измеряемой среды, а для пищевых и фармацевтических производств — гигиенические требования к оборудованию, — обуславливают значительные конструкционные особенности гидростатических уровнемеров, требуя исполнения корпуса, мембраны и уплотнителей из соответствующих материалов.

Особенности применения гидростатических уровнемеров

При выборе метода измерения уровня гидростатическим уровнемером следует учитывать следующие особенности их применения.

1. Так как гидростатическое давление зависит от величины уровня и плотности жидкости, то корректное измерение возможно только для жидкостей с постоянной плотностью.
2. ГДУ – датчики избыточного давления, поэтому необходима связь сенсора с атмосферой. У датчиков избыточного давления измеряемая среда (Pср) и атмосферное давление(Pатм бак) действуют с одной стороны чувствительного элемента и только атмосферное давление (Pатм) — с другой. Для открытых ёмкостей, Pатм= Pатм бак. Таким образом, атмосферное давление в баке компенсируется атмосферным давлением вне его и датчик измеряет только Pср (давление среды).
3. Для подачи атмосферного давления в корпус погружнного датчика уровня применяется специальный кабель, который помимо сигнальных линий несет еще и полую трубку, защищенную на обратном конце воздухопроницаемым, но водонепроницаемым фильтром. Корпус погружного датчика воздухопроницаем и должен быть водонепроницаем (степень пылевлагозащиты IP 68). Длина кабеля должна быть больше максимального уровня жидкости в емкости, далее сигнал можно передавать и обычным кабелем. В ГДУ применяют специальные решения для обеспечения проницаемости корпуса для воздуха.
4. Для полностью закрытых емкостей, где создаётся избыточное давление (Ризб) между крышкой емкости и жидкостью, наиболее оптимальным будет применение гидростатических датчиков дифференциального давления. В этом случае, с помощью специального капилляра необходимо связывать датчик дифференциального давления с областью избыточного давления емкости. Датчики избыточного давления устанавливать не рекомендуется, так как при наличии избыточного давления показания прибора будут некорректны, а очень высокое давление между жидкостью и крышкой ёмкости может вывести прибор из строя. Это связано с тем, что конструктивные особенности датчика избыточного давления не позволяют присоединить капилляр к сенсору, а сенсор датчика избыточного давления в свою очередь, в большинстве случаев, не рассчитан на высокие статические давления которые создаются под крышкой ёмкости.
5. При монтаже гидростатических уровнемеров, чтобы избежать влияния повышенного давления при закачивании жидкости, так как струя насоса может создавать область повышенного давления, датчики надо устанавливать на максимальном удалении от источника турбулентности.

Гидростатический уровнемер (датчик уровня)

Гидростатический уровнемер функционирует за счет измерения давления или перепада давления в жидкости. Такой способ основан на факте существования гидростатического давления в жидкости и его изменения прямо пропорционально глубине. Специальные датчики позволяющие измерять уровень в открытых или закрытых резервуарах. Соответственно, одна мембрана устанавливается непосредственно на резервуаре, а вторая – в области избыточного давления (для закрытых емкостей) и на подаче атмосферного давления (в открытых). Устройства такого типа могут работать с вязкими жидкостями и при большом избыточном давлении. Однако важно, чтобы чувствительный элемент находился в непосредственном контакте с измеряемой средой.

Виды гидростатических уровнемеров

Датчики уровня гидравлического типа выполняются в двух конструкционных вариантах.

Первый вариант исполнения – погружные преобразователи давления, что представляют собой 2 блока, объединенных компенсационным кабелем. Измерительный блок – это погружной зонд. Они используются для скважин, колодцев, открытых резервуаров, водоемов. Также подходят для безнапорных баков. Устройства изготавливаются из разных материалов. Корпус может быть нержавеющим стальным или полимерным, а чувствительная мембрана – стальной или керамической. В оболочке компенсационного кабеля проходит трубка опорного давления, и она может быть тефлоновой, полиуретановой или из ПВХ.

Второй вариант – врезной преобразователь, подходящий для горизонтальной установки в стенку резервуара. В них предусмотрена открытая торцевая мембрана. Также модели могут быть контактными и бесконтактными.

Также модели классифицируются по:

• Способу присоединения: погружные, врезные, фланцевые;
• Типу измеряемой среды: неагрессивная или агрессивная, густая, абразивная и так далее;
• Способу связи с атмосферой: для закрытых и открытых резервуаров.

Область применения гидростатического датчика уровня

Гидростатические датчики уровня – оптимизированные функциональные устройства, помогающие измерять глубину столба и давления жидкости. Они используются в разных сферах промышленности, связанных с водой или с газом, в том числе в: нефтегазовой, химической, фармацевтической промышленности, где позволяют проводить контрольно-измерительные работы с газами, нефтью, топливом, спиртами и кислотами, проводить количественную оценку жидкостей.

Также это оборудование широко используется в металлургии и добывающей промышленности для оценки уровня грунтовых вод или жидкостей в скважинах, водоемах. Кроме того, они необходимы и в экологическом контроле, в том числе для промера объема резервуаров с технической и питьевой водой на заводах и в населенных пунктах, для контроля состояния естественных водоемов.

Качественная современная техника используется для решения следующих задач:

• Мониторинг уровня жидкости в емкости и ее давления в непрерывном режиме, вне зависимости от состава и уровня загрязненности;
• Оценка количества сжиженного газа в промышленных резервуарах;
• Контроль давления в различных гидравлических и воздушных системах – насосах и компрессорах;
• В качестве детекторов критического уровня;
• Контроль заполняемости оросительных установок, пульверизаторов;
• Коммерческий учет различных жидкостей;
• Отслеживание процесса заполнения септиков;
• Как защитный элемент в системах со скважинными насосами: предупреждают запуск на холостом ходу;
• Обследование узких труднодоступных мест в трубопроводах.

Принцип работы (действия) гидростатического уровнемера

Погружной скважинный датчик уровня измеряет гидростатическое давление. Этот метод позволяет определить высоту столба жидкости в зависимости от того, какое давление действует на боковые стенки сосуда или его дно. В соответствии с законом Паскаля, гидростатическое давление зависит только от высоты столба и плотности жидкости, а форма и общий объем резервуара никак на эту величину не влияют.

Поэтому можно стационарно закрепить на боковой поверхности резервуара датчик (либо использовать погружную модель, в которой датчик давления располагается непосредственно в контролируемой среде на определенной глубине). Соответственно, устройство помогает измерить давление, а затем преобразовать это значение в объем.

Принцип измерения сохраняется общим для всех уровнемеров, вне зависимости от того, какая конструкция выбрана – фланцевая, погружная или врезная. Важно учитывать, что с их помощью можно измерять только жидкости с постоянной плотностью.

Также имеет значение тип мембраны: открытую можно использовать только там, где в жидкости нет крупных включений, способных привести к повреждениям. Защищенную мембрану можно использовать для сильно загрязненных сред, но возможные включения должны быть больше размера технологического отверстия. Иначе мембрану придется часто чистить, а при механическом воздействии она может повредиться.

Преимущества использования гидростатического датчика уровня

С помощью гидростатического уровнемера можно измерить столб жидкости при глубине погружения до 100-250 м. Также есть модели в специальном исполнении, для глубоководных замеров. Ключевыми преимуществами таких устройств считаются:

• Надежные комплектующие, в том числе мембраны из нержавеющей стали и герметично изолированный корпус (класс защиты IP68) – стальной либо титановый;
• В кабеле предусматривается воздухопроницаемый, но водонепроницаемый фильтр;
• Возможность выбора длины (должна превышать максимальный уровень жидкости) и материала кабеля с учетом плотности и агрессивности измеряемых сред (для воды и жидкостей на водной основе, для масел, концентрированных кислот и щелочей или высокотемпературных жидкостей, нагретых до +125 градусов);
• Наличие дополнительных датчиков температуры, молниезащиты в определенных моделях, а также взрывозащищенное исполнение в ряде случаев;
• Возможность использования в тяжелых условиях и на большой глубине;
• Надежность и долговечность измерительного устройства, его легкая очистка (достаточно просто извлечь корпус из жидкости).

В каталоге компании Измеркон представлены модели, созданные для систем водоснабжения, для нужд гидрогеологии, а также для очистных сооружений. Также в наличии промышленные преобразователи уровня (в том числе с цифровым интерфейсом).