Главная Случайная страница


Полезное:

Как сделать разговор полезным и приятным Как сделать объемную звезду своими руками Как сделать то, что делать не хочется? Как сделать погремушку Как сделать так чтобы женщины сами знакомились с вами Как сделать идею коммерческой Как сделать хорошую растяжку ног? Как сделать наш разум здоровым? Как сделать, чтобы люди обманывали меньше Вопрос 4. Как сделать так, чтобы вас уважали и ценили? Как сделать лучше себе и другим людям Как сделать свидание интересным?


Категории:

АрхитектураАстрономияБиологияГеографияГеологияИнформатикаИскусствоИсторияКулинарияКультураМаркетингМатематикаМедицинаМенеджментОхрана трудаПравоПроизводствоПсихологияРелигияСоциологияСпортТехникаФизикаФилософияХимияЭкологияЭкономикаЭлектроника






Методика измерения давлений в текучих средах





ДАТЧИКИ ДАВЛЕНИЯ.

 

Датчики давления используются в основном для измерения давления в жидких или газообразных сре­дах. Общее название для этих двух сред — текучие среды, подчеркивает малое сопротивление их де­формации (в отличие от твердых тел).

Теория механики текучих сред довольно сложна, в типичном учебном плане обучения инженеров-меха­ников отводится на ее изучение, по крайней мере, два семестра. В то же время основные концепции можно изложить без сложных математических выражений в доступных терминах, не теряя при этом необходимой технической точности и уровня детализации.

Виды измеряемого давления. Давление в теку­чей среде может быть определено как мера силы, приходящейся на единицу площади, передаваемой текучей средой, в направлении перпендикулярном любой поверхности, входящей с ней в контакт. Теку­чей средой может быть или газ или жидкость, текучая среда (fluid) и жидкость (liquid) -не синонимы. Стан­дартная единица для измерения давления в системе СИ — Паскаль (Па), равен силе в один Ньютон, прило­женной на один квадратный метр (Н/м2). Чаще при­меняется более крупная единица килопаскаль (кПа), равная 1000 Па. В английской системе единиц давле­ние обычно выражается в фунтах на квадратный дюйм (psi). Давление может быть выражено и в неко­торых других единицах, включая высоту ртутного или водяного столба.

Имеется три различных вида давления: абсолют­ное давление, относительное давление и дифферен­циальное давление. Абсолютное давление — это абсолютное значение силы, отнесенное к единице поверхности. Поэтому абсолютное давление -это разность между давлением в данной точке среды и абсолютным нулем давления, соответствующим дав­лению в совершенном вакууме. Относительное дав­ление -разность между абсолютным давлением и местным атмосферным давлением. Местное атмо­сферное давление может изменяться в зависимости от окружающей температуры, высоты над уровнем моря и местных погодных условий. Американский стандарт атмосферного давления на уровне моря при 59 ° F (20° С) — 14.696 фунтов на квадратный дюйм аб­солютного давления (psia) или 101.325 кПа абсолют­ного давления. При измерении относительного давления важно, какое давление является опорным. В английской системе различаются единицы, опреде­ляющие давление в абсолютных фунтах на квадрат­ный дюйм (psia) или относительных фунтах на квадратный дюйм (psig). Буква в конце обозначения единицы указывает на тип измеряемого давления. Для других единиц важно определить: относительное или абсолютное давление измеряется. Относитель­ное давление в соответствии с соглашением всегда положительно. "Отрицательное" относительное дав­ление определяется как вакуумное. Вакуумным на­зывается давление меньшее местного абсолютного атмосферного давления. Рис. 2 показывает соотно­шения между абсолютным, относительным и вакуум­ным давлениями. Дифференциальное давление -это разность между двумя неизвестными давления­ми. Этот тип измерения давления обычно использу­ется, чтобы получить падение давления в системе подачи текущей среды. При измерении разности дав­лений не важно, какое из них считать опорным.

 

В дополнение к трем типам измеряемого давле­ния, имеются два типа систем c текучими средами: статические и динамические системы. Сами назва­ния подразумевают, что в статической системе сфера находится в покое, а в динамической — движется.

Статические системы. Давление, измеренное в статической системе, называется статическим. В си­стеме, показанной на Рис. 3, в однородной статичес­кой текучей среде давление распределено равномер­но и изменяется только в вертикальном направлении.

Давление сохраняет одно и то же значение во всех точках на данном горизонтальном уровне жидкости не­зависимо от формы сосуда, но увеличивается с глуби­ной и действует одинаково во всех направлениях. Увеличение давления с ростом глубины определяется, в сущности, влиянием веса жидкости, находящейся выше данного уровня. На Рис. 4 показаны два сосуда с одинаковой жидкостью, при одном и том же внеш­нем давлении — P.

На одной и той же глубине в любом из сосудов давление будет одинаковым. Обратите внимание на то, что стороны большого сосуда не вертикальны. Давление зависит только от глубины и совершенно не зависит от формы сосуда. Если рабочая среда — газ, увеличение давления в среде по высоте столба в большинстве случаев незначительно, поскольку плотность и следовательно вес среды намного меньше, чем внешнее давление. Однако это стано­вится несправедливым, если система достаточно велика (например, если рассматривается вся зем­ная атмосфера) или внешнее давление достаточно мало.

Рассмотрим, как изменяется атмосферное дав­ление с высотой. На уровне моря атмосферное дав­ление по американскому стандарту составляет 14.696 psia (101.325 кПa). На высоте 10000 футов (3048 м) над уровнем моря — 10.106 psia (69.698 кПa) и на 30000 футах (9144 м) атмосферное давление — 4.365 psia (30.101 кПа). Давление в статической жид­кости может быть легко рассчитано, если известна плотность жидкости. Абсолютное давление на глуби­не H в текучей среде определяется из уравнения:

PABS = P + r x g x H,

где:

Pabs — абсолютное давление на глубине H,

Р— внешнее давление на поверхности

жидкости (для большинства открытых

систем это будет атмосферное давление),

г — плотность жидкости,

g — гравитационное ускорение,

(g = 32.174фута/с2)(9.81 м/с2),

Н — глубина, на которой определяется

давление.

 

Давление в динамических системах. Динами­ческие системы более сложны для анализа, чем стати­ческие системы и соответственно более сложной является методика проведения измерений в них. В динамической системе давление обычно определяется с помощью трех различных терминов. Во-первых, ста­тическое давление, которое измеряется так же, как и в статической системе. Статическое давление не зави­сит от движения среды. Kак и в статических системах, статическое давление действует одинаково во всех направлениях. Во-вторых, динамическое давление, связанное со скоростью потока в среде. И, наконец, в-третьих, полное давление, являющееся просто сум­мой статического и динамического давлений.

Установившиеся процессы в динамических системах. При измерениях давления в динамичес­ких системах должны быть приняты некоторые меры предосторожности. Для динамической системы в ус­тановившихся состояниях точное статическое давле­ние может быть измерено в направлении, перпенди­кулярном к потоку среды. Установившимся считается состояние динамической системы, при котором не изменяются такие параметры, как давление, ско­рость потока и т. п. На Рис. 5 показана динамическая система с веществом, текущим через трубу.

В этом примере статическое давление измеря­ется у стенки трубки в точке A. Трубка, вставленная в середину потока, называется трубкой Пито-Прандтля (в дальнейшем, для простоты, будем на­зывать ее трубкой Пито). Она измеряет полное давление в точке В системы. Полное давление, из­меренное в этой точке, называется стагнационным давлением. Стагнационное давление — это значе­ние давления, полученное, когда поток среды за­медляется до нулевой скорости, в изентропическом (без трения) процессе. Этот процесс преобразует всю энергию среды в давление, которое может быть измерено. Стагнационное, или полное давление, - сумма статического и динамического давлений. Очень трудно точно измерить собственно динами­ческие давления. И когда необходимость такого из­мерения все же возникает, то измеряют общее и статическое давление и затем вычисляется их раз­ность, чтобы получить динамическое давление. Ди­намическое давление может использоваться для определения скорости среды и скорости изменения потока в динамических системах. При измерении давлений в динамических системах необходимо за­ботиться о расположении датчика. Для измерения статического давления расположение датчика дав­ления должно быть выбрано так, чтобы на измере­ние не повлиял поток в среде. Обычно, датчики располагаются перпендикулярно к направлению по­тока. На Рис. 5, датчик статического давления рас­положен в стенке трубы перпендикулярно потоку. На Рис. 6a, 6б и 6в датчики статического давления (в точке A) также перпендикулярны потоку.

Для измерения общего или стагнационного дав­ления важно направить трубку Пито параллельно по­току с отверстием, направленным непосредственно в поток ( Рис. 6б и 6в). В то время как статическое дав­ление не зависит от направления, динамическое дав­ление является вектором и зависит от величины и направления общего давления. Если трубка Пито не направлена по потоку, погрешность измерения полно­го давления может возрасти. Kроме того, для точных измерений давления отверстия датчиков и измери­тельные трубки не должны вносить турбулентности в поток. Расположение датчиков для измерения стати­ческого и полного давления должно быть также тща­тельно подобрано. Не следует располагать датчик в любой точке системы, где может быть нарушена ламинарность потока, как до датчика, так и после него. K таким точкам относятся любые преграды типа клапа­нов, разветвителей потока, насосов, крыльчаток и т. п. Чтобы увеличивать точность измерения давления в динамической системе, следует отступить по крайней мере на 10 диаметров трубы вниз по течению от пре­грады и по крайней мере на 2 диаметра трубы вверх по течению. Kроме того, диаметр трубки Пито должен быть намного (по крайней мере в 30 раз) меньше диа­метра трубы, проводящей измеряемый поток. Могут также использоваться спрямители потока, чтобы ми­нимизировать любые изменения в направлении пото­ка. При использовании трубки Пито рекомендуется также измерять статическое давление на том же уров­не, что и полное давление.

При протекании потока через трубу поля скоро­стей, полное и динамическое давление неоднородны. Около стенки любой трубы вследствие трения суще­ствует область с нулевой скоростью потока. На Рис. 5 показано приближенное распределение скоростей в трубе. Форма распределения будет зависеть от со­стояния среды, потока и давления. Чтобы точно опре­делить среднее динамическое давление в сечении трубы, необходимо получить ряд значений полного давления в ее сечении. Эти измерения давления должны быть проведены при различных радиусах и углах в полярной системе или различной ширине и высоте в декартовой системе координат для сечения. Однажды сняв эту характеристику для данной трубы, можно легко вычислить корреляцию между значени­ем полного давления в центре трубы и общим сред­ним давлением. Эта методика также используется, чтобы определить скоростной профиль внутри трубы. Переходные режимы в динамических систе­мах. В переходных режимах изменяются различные параметры системы: давление, скорость потока и т. д. Измерения в этом случае являются наиболее слож­ными. Если скорость реакции измерительной систе­мы выше, чем скорость изменений в системе, тогда с системой можно обращаться как с квазистатической. То есть измерения будут столь же точны, как в устано­вившемся состоянии. Если измерительная система должна снять как бы мгновенную картину состояния, скорость измерения должна быть достаточной, чтобы картина не "смазалась" за время измерения. В систе­ме измерения давления имеется два фактора, кото­рые определяют время отклика системы:

1) время отклика датчика давления,

2) время отклика интерфейса, передающего дав­ление от среды к датчику и содержащего подсоеди­няющие трубки, экраны и т. п.

При применении датчиков фирмы Motorola имен­но второй фактор обычно определяет полное время отклика системы измерения давления. Подавляющее большинство современных систем измерения давле­ния являются квазистатическими системами, где со­стояния системы изменяются относительно медлен­но по сравнению с временем отклика системы измерения или изменение происходит мгновенно и затем состояние стабилизируется.

Два примера переходных систем представляют собой стиральные машины и вентиляционные трубы в зданиях. В стиральной машине высота воды в баке измеряется косвенно, по давлению на дне бака. По мере того как бак заполняется, давление изменяется. Время, за которое заполняется бак и изменяется дав­ление намного больше, чем время отклика системы.

В вентиляционных трубах изменение давления происходит, когда вентиляционные заслонки открыва­ются или закрываются, регулируя движение воздуха внутри здания. Давление системы изменяется в зави­симости от того, сколько заслонок открыто и закрыто. Изменения давления практически мгновенны. Для большинства промышленных и строительных приме­нений, как и в рассмотренных случаях, запаздывание в системах измерения давления незначительно.

Датчики давления фирмы Motorola. Как выпол­няются реальные измерители давления? Имеется много типов систем измерения давления: от простой манометрической трубки до пьезоэлектрических кремниевых датчиков. Поскольку сегодня электрон­ные системы управления и измерения заменяют механические системы, следует остановить свой выбор на кремниевых датчиках. Kремниевые датчики имеют очень высокую точность при низкой стоимости и обеспечивают связь между механическими устройст­вами и электрической системой. Фирма Motorola производит широкое семейство кремниевых датчи­ков давления, различающихся по диапазону измеря­емых давлений и степени интеграции микросхемы: от некомпенсированных датчиков до полностью калиб­рованных датчиков с температурной компенсацией и согласующим усилителем, встроенным в микросхе­му. Время отклика кремниевых датчиков давления МРХ фирмы Motorola составляет 1 мс или меньше. Датчики давления фирмы Motorola являются превос­ходным решением для измерения давлений в стати­ческих или динамических системах. Таким образом, несмотря на то, что измерение давления может быть достаточно сложным, при использовании надлежа­щих методов можно для большинства систем провес­ти точные измерения давления.

Date: 2015-09-02; view: 2015; Нарушение авторских прав; Помощь в написании работы --> СЮДА...



mydocx.ru - 2015-2024 year. (0.005 sec.) Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав - Пожаловаться на публикацию