Проектирование манометра с одновитковой трубчатой пружиной и расчет чувствительного элемента

Соотношение между единицами измерения давления. Приборы для измерения давления. Жидкостные приборы с видимым уровнем. Схема микроманометра. Сведения и основные свойства упругих чувствительных элементов. Плоская мембрана и ее статическая характеристика.
Краткое сожержание материала:

Размещено на

Проектирование манометра с одновитковой трубчатой пружиной и расчет чувствительного элемента

1. Давление. Основные понятия и положения

1.1 Основные термины и определения

Давление характеризуется силой, равномерно распределенной по поверхности. Иными словами, под давлением в общем случае понимают предел отношения нормального составляющего усилия к единице площади, то есть, давление равно частному от деления нормального составляющего усилия на площадь, на которую действует давление:

P=F/S, (1.1)

где P - давление;

F - нормальная сила, действующая на поверхность;

S - площадь поверхности.

При этом принимается, что нормальная сила равномерно распределена по поверхности, а в жидкости или газе отсутствуют касательные напряжения. Так как действующая сила всегда перпендикулярна к поверхности вне зависимости от ее расположения, то давление является скалярной величиной.

В общем случае при неравномерном распределении действующих на жидкость или газ внешних сил вводится понятие давление в точке:

, (1.2)

где P_* - давление в точке;

?F - нормальная сила, действующая на сколь угодно малую площадь;

?S - сколь угодно малая площадь.

Различают абсолютное, избыточное и вакуумметрические давления.

Под термином абсолютное давление подразумевается полное давление, которое равно сумме избыточного и атмосферного давлений:

P_Аб=P_И+P_А, (1.3)

где P_Аб - абсолютное давление;

P_И - избыточное давление;

P_А - атмосферное давление.

Из уравнения (1.3)

P_И=P_Aб - P_А, (1.4)

т.е. избыточное давление - это разность между абсолютным давлением, большим атмосферного, и атмосферным давлением.

Под термином вакуумметрическое давление (разрежение или вакуум) подразумевается разность между атмосферным давлением и абсолютным давлением, меньшим атмосферного:

Р_В=Р_А - Р_Аб, (1.5)

где Р_В - вакуумметрическое давление.

1.2 Единицы измерения давления

В международной системе единиц СИ в качестве единицы давления принято давление в 1 паскаль (Па). Паскаль - это давление, вызываемое силой в 1 ньютон, равномерно распределенной по поверхности площадью в один квадратный метр (Н/м?). При применении этой единицы измерения давления могут использоваться приставки, установленные ГОСТ 7663-55, для образования наименований кратных и дольных единиц лишь для выражения значения давления, полученного как окончательное в результате измерения или расчета, с целью сокращения числа значащих цифр в записываемом числе (например, 2,94 МПа вместо 2940000 Па).

В технических измерениях по ГОСТ 7664-61 допускается применение внесистемных единиц: бар, миллиметр ртутного столба и миллиметр водяного столба. При измерении давления жидкостным столбом последний должен быть отнесен для воды к 4^оС, ртути - к 0^оС и нормальному ускорению свободного падения, равному 9,80665 м/с².

Применение единицы давления миллиметр водяного (или ртутного) столба особенно удобно в тех случаях, когда пользуются техническими жидкостными приборами с видимым мениском. Следует также отметить, что в СССР выпускаемые приборы для измерения давления и разности давлений градуировались в единицах давления килограмм-сила на квадратный метр (или сантиметр). Такую единицу измерения часто называют технической атмосферой.

Соотношения между применяемыми единицами давления приведены в табл. 1.1.

Таблица 1.1. Соотношение между единицами измерения давления

Единицы	Па	кгс*м-2	кгс*см-2	мм вод. ст.	мм рт. ст.
1 Па	1	0,10197	10,197*10-6	0,101197	7,50*10-3
1 кгс*м-2	9,80665	1	10-4	1	73,56*10-3
1 кгс*см-2	98,0665*103	104	1	104	735,56
1 мм вод. ст.	9,80665	1	10-4	1	73,56*10-3
1 мм рт. ст.	133,322	13,595	13,595*10-4	13,595	1

2. Приборы для измерения давления

По принципу действия приборы для измерения давлений по ГОСТ 15115-69 подразделяются на следующие основные группы:

жидкостные- в которых измеряемое давление уравновешивается давлением столба жидкости соответствующей высоты;

деформационные - в которых измеряемое давление определяется по величине деформации различных упругих чувствительных элементов или по развиваемой ими силе;

грузопоршневые - в которых измеряемое или воспроизводимое давление уравновешивается давлением, создаваемым массой поршня и грузов;

электрические - действие которых основано на зависимости электрических параметров манометрического преобразователя от измеряемого давления.

Иногда для измерения давлений применяют радиоизотопные методы измерения, чаще используемые при измерениях уровней или плотностей.

По наименованию различают следующие основные устройства (приборы) для измерения давления:

манометры - устройства для измерения давления или разности давлений (общее наименование);

барометры - для измерения барометрического (абсолютного) давления атмосферного воздуха;

манометры избыточного давления - для измерения избыточного давления (выше атмосферного - барометрического), равного разности между абсолютным и барометрическим (атмосферным) давлением;

вакуумметры - для измерения вакуумметрического давления (ниже атмосферного), равного разности между барометрическим и абсолютным давлением или для измерения абсолютного давления ниже 100 кгс/м?;

мановакуумметры - для измерения избыточного и вакуумметрического давлений;

дифференциальные манометры - для измерения разности двух давлений (в пределах, по ГОСТ 3720-66, до 6,3 кгс/см?), ни одно из которых не является давлением окружающей среды.

Манометры, вакуумметры и дифференциальные манометры, предназначаемые для измерений небольших избыточных и вакуумметрических давлений или разности давлений (до 4000 мм вод. ст.) газовых сред, называют напоромерами, тягомерами или дифференциальными тягонапоромерами.

3. Жидкостные приборы давления с видимым уровнем

Стеклянные жидкостные приборы широко применяются в лабораториях и в промышленности при эпизодических измерениях. Как стационарные приборы в промышленности они используются редко.

Приборы U-образные (двухтрубные) и чашечные (однотрубные) относятся к группе жидкостных приборов с видимым уровнем. Они применяются в качестве манометров (напоромеров) для измерения избыточного давления воздуха и неагрессивных газов до 700 мм вод. ст. (7000 Па) и 735 мм рт. ст. (0,1 МПа), тягомеров для измерения разрежения газовых сред до 700 мм вод. ст. (7000 Па), вакуумметров для измерения вакуума (разрежения) до 760 мм рт. ст. (0,101 МПа) и дифференциальных манометров для измерения разности давлений неагрессивных газов, находящихся под давлением, близким к атмосферному, до 700 мм вод. ст. (7000 Па) и неагрессивных жидкостей, газов и паров, находящихся под давлением более 1 кгс/см? (0,1 МПа), до 700 мм рт. ст. (0,09 МПа).

Приборы U-образные и чашечные используются в промышленности как местные приборы, т.е. они устанавливаются на площадках обслуживания или на отдельных элементах технологического оборудования. Приборы этого типа применяют в качестве контрольных и образцовых манометро...