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 средахСтр 1 из 4Следующая ⇒ 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.
|