Файл: В.В. Назаревич Параметры и функции состояния рабочего тела. Приборы для измерения параметров состояния.pdf

10

б) оптические пирометры с исчезающей нитью (рис. 9) осно-

ваны на сравнении яркости свечения электрической лампы, установленной внутри прибора, с яркостью излучения раскалённого тела. Свечение лампы регулируют до яркости свечения раскаленного тела. При равенстве излучений нить лампы становится невидимой. Эти приборы удобны и достаточно просты.

Недостатком является то, что нуль-индикатором у этих приборов служит человеческий глаз;

в) фотоэлектрические пирометры, в качестве чувствительного органа используется фотоэлемент. Фототок элемента, пропорциональный испускаемому нагретым телом световому потоку, является мерой температуры тела. Фотоэлемент преобразует световую энергию, направленную на него от нагретого тела, с помощью телескопа в фототок, который усиливается специальным усилителем и подаётся на вторичный измерительный прибор, отградуированный в градусах температуры;

г) радиационные пирометры – приборы, действие которых основано на измерении полной энергии излучения нагретого тела. Основными элементами комплекта радиационного пирометра являются телескоп, термоприёмник и вторичный измерительный прибор. Лучи от нагретого тела с помощью линзы телескопа собираются на термоприёмнике, вмонтированном в телескопе. В качестве теплоприёмника применяется батарея из термопар, фокусируясь на теплоприёмнике, тепловой поток нагревает его. Степень нагрева теплоприёмника зависит от мощности теплового излучения и, следовательно, от температуры. Теплоприёмник преобразовывает тепловую энергию в термоЭДС. Вторичный прибор, измеряющий термоЭДС, градуируется непосредственно в градусах температуры.

11

Достоинством пирометров является отсутствие контакта с измеряемой средой, что не искажает температурного поля объекта во время измерения.

3.4.Давление

3.4.1.Давление газов P следует рассматривать как результат ударов молекул о стенки сосуда. Численно давление равно силе, действующей на единицу площади и поверхности, воспринимающей удары молекул в направлении по нормали к ней. Согласно молекулярнокинетической теории газов:

Р = 23 αпmW2 2 ,

где α – коэффициент сжимаемости, α = f (Tρ ); n – молекулярная плотность, n − VN ; N – общее число молекул в теле; V – объём, зани-

маемый телом; Выразив кинетическую энергию молекул через температуру

mW2 2 = 32 KT и подставив последнее в выражение давления, получим

P =α K n T .

Откуда видно, что давление P будет тем выше, чем выше абсолютная температура тела T и чем больше молекулярная плотность n . Следует различать (рис. 10):

Рис. 10. Схема видов давления

12

–атмосферное давление Ратм или барометрическое Рбар – давле-

ние, создаваемое окружающей средой (атмосферой);

–избыточное или манометрическое Ризб – давление выше атмо-

сферного;

–вакуумметрическое Рвак – давление ниже атмосферного.

Из-за непостоянства атмосферного давления последнее нельзя принимать в качестве базисной шкалы отсчёта.

Для исключения возможных затруднений при тех или иных расчётах, связанных с определением полного давления, за шкалу отсчёта принята линия абсолютного нулевого давления. В этих условиях полное давление в сосуде с учётом атмосферного назвали абсолютным давлением, которое определяется как

Рабс = Ратм ± Ризм.

Знак плюс принимается при избыточном, минус – при вакуумметрическом давлении в сосуде. Как видно, Рабс не измеряется, а рассчи-

тывается.

Следует помнить, что Ризби Рвак не являются параметрическими

величинами состояния, поскольку они зависят от атмосферного давления. Параметром состояния является только абсолютное давление

Рабс.

Что касается избыточного давления, то здесь, наоборот, теоретически нет никаких ограничений. В космосе существуют тела, у которых давление достигает миллионы наших атмосфер.

Единицей измерения давления в СИ является Паскаль (Па) – это давление, вызываемое силой в 1 Н (Ньютон), равномерно распределяемой по нормали к поверхности площадью в 1м2, 1 Па = 1 Н/м2.

Исторически сложилось, что для измерения давления существуют различные внесистемные единицы измерения, которые ещё довольно часто встречаются на практике.

Техническая атмосфера

1 атм = 735,6 мм рт. ст. = 735,6 13,6 = 104 мм вд. ст. (кг/м2) = 10 м вд. ст. = = 1 кгс/см2 (атм) = 104 кгс/м2 9,81 м/с2 = 98100 Н/м2 (Па) = 0,981 бар.

Физическая атмосфера

1 атм = 760 мм рт. ст. = 1,0332 кг/см2 = 1,0136 бар.

13

3.4.2. Приборы для измерения давления Приборы, измеряющие избыточное давление, называются мано-

метрами, вакуум – вакуумметрами, атмосферное – барометрами.

Все приборы для измерения давлений разделяются на жидкостные, механические и электрические.

Наибольшее распространение получили механические манометры.

3.4.2.1. Жидкостные манометры в различном конструктивном исполнении используют для измерения небольших давлений или разности давлений с большей точностью. U-образный жидкостный манометр представляет собой изогнутую стеклянную трубку, до половины залитую жидкостью (рис. 11). Один конец трубки подключается к сосуду с замеряемым давлением Рх, второй конец открыт для атмосферного

давления Ратм.

h

Рис.11. Схема U-образного жидкостного манометра

О величине давления в сосуде судят по разности высот h столбов жидкости в коленах. В любом случае давление в сосуде уравновешивается атмосферным давлением и весом столба жидкости в колене.

В случае избыточного давления в сосуде часть жидкости из левого колена манометра перетечёт в правое. Величина измеряемого давления

Рх = Ратм + ρжgh,

где ρж – плотность жидкости, залитой в манометр; g – ускорение свободного падения.

14

В случае разрежения в сосуде атмосферное давление выдавит часть жидкости в левое колено, и измеряемое давление в сосуде будет

Рх = Ратм − ρжgh .

Как видно, в обоих случаях столб жидкости в манометре показывает разность между атмосферным давлением Ратм и давлением в со-

суде Рх, поэтому иногда эти манометры называются дифференциаль-

ными.

На точность показания жидкостного манометра большое влияние оказывает температура окружающей среды, поскольку жидкость в манометре в зависимости от температуры будет сжиматься или расширяться. Для исключения погрешности из-за температурного коэффициента расширения жидкости показания манометра приводят к нулевой

температуре:

H0 = ht ( 1 −αt ),

где α – коэффициент объёмного расширения жидкости, залитой в манометр, для ртути αрт = 1,72 10-4 1/°С; для воды αвд =1,4 10-5 1/°С; ht , H0 – высота столба жидкости манометра соответственно при температуре окружающей среды и приведенная к температуре 0°С.

Чашечный манометр подобен U-образному, у которого одно ко-

малости обычно пренебрегают. Микроманометры в отличие от чашечных имеют наклонную из-

мерительную трубку (рис. 13). Используются для замера особо малых давлений.

Измеряемое давление определяют из выражения:

Рх = Ратм − ρ g l sinα.

Жидкостные манометры просты в изготовлении, относительно дешёвы, обеспечивают высокую точность измерения. Однако они требуют повышенной осторожности в обращении, особенно при использовании ртути в качестве манометрической жидкости.

3.4.2.2. Механические манометры, вакуумметры, мановакуум-

метры применяют для измерения давлений от единиц до нескольких тысяч Паскаль. Изготавливают по различным классам точности. Принцип действия этих приборов основан на деформации различного рода упругих элементов: трубчатых пружин, мембран, мембранных (анероидных) коробок, сильфонов.

Трубчатые пружинные приборы просты, портативны и дешевы. На рис. 14 показан механизм манометра с трубчатой пружиной.

Рис. 14. Схема манометра с трубчатой пружиной