Методы определения уровня жидкости с помощью измерения давления

Содержание

 

 

	Введение	5
1	Теоретические сведения о давлении и жидкости	6
1.1	Давление и жидкость. Основные понятия	6
1.2	Единицы измерения давления	8
1.3	Физические свойства жидкости	8
2	Гидростатическое давление	11
2.1	Понятие о гидростатическом давлении	11
2.2	Гидростатический парадокс	11
2.3	Основное уравнение гидростатики	12
2.4	Вакуум	13
3	Приборы для измерения давления	15
3.1	Классификация приборов для измерения давления	14
3.2	Описание и принцип работы приборов	16
3.2.1	Жидкостные манометры	16
3.2.2	Вакуумметр	19
3.2.3	Барометр	20
3.2.4	Деформационные манометры и дифманометры	21
4	Определение уровня жидкости посредством измерения давления	30
5	Расчет давления и уровня жидкости	35
	Заключение	38
	Список использованной литературы	39

 

 

Введение

 

 

В настоящее время большое внимание мирового сообщества уделяется промышленной обработке сырья и производству продукции и технологических оборудований.

В большинстве случаев для управления технологическими процессами и обеспечения безопасности производства необходимо как можно точно измерять давление. Этот параметр используется при косвенных измерениях других технологических параметров: уровня жидкости в цистернах, баках, расхода, температуры, плотности и т.д., для измерения давления воздуха, газов и жидкостей в элементах двигателя и в различных бортовых системах – системе наддува герметичной кабины, в тормозной системе, в системах выпуска шасси, закрылков и т.д.

Поэтому исследование применения давления в процессах контроля является актуальной.

 

Цель курсового проекта: исследовать современные методы определения уровня жидкости с помощью измерения давления.

 

При выполнении курсового проекта были поставлены следующие задачи:

1) Теоретическое исследование  материала по измерению уровня  и давления жидкости;

2)   Определить связь  между давлением и уровнем  жидкости.

 

Давление – это физическая величина, характеризующая воздействие усилия на единицу площади поверхности тела или условно выделенную внутри тела элементарную площадку. Оценивать величину давления можно как в абсолютных, по отношению к вакууму, так и в относительных, по отношению к атмосферному давлению, единицах; кроме того, результат измерения может быть разностью двух произвольных величин – двух разных давлений. Измерение давления может проводиться в различных средах, физические и химические характеристики которых весьма разнообразны.

Все материалы можно разделить на твердые и жидкие среды. Под термином жидкая среда понимается все, что способно течь. При изменении давления жидкости превращаются в газы и наоборот. Давление имеет механическую природу, и поэтому для его описания можно использовать основные физические величины: массу, длину и время. Известен факт, что давление сильно меняется вдоль вертикальной оси, тогда как на одинаковой высоте оно постоянно во всех направлениях.

 

 

 

1. Теоретические сведения о давлении и жидкости

 

 

1.1Давление и жидкость. Основные понятия

 

Давление характеризует напряженное состояние жидкостей и газов в условиях всестороннего сжатия и определяется частным от деления нормальной к поверхности силы на площадь этой поверхности:

 

                                                          (1.1)

 

где р– давление;

      F - нормальная сила, действующая на поверхность;

      S –площадь поверхности.

 

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

Понятие давления как физической величины во всех ее проявления едино. Вместе с тем, во многих естественных природных явлениях в различных технических устройствах и процессах определяющим является не само давление, а его значение относительно другого. Например, выброс лавы из и газов при извержении вулкана происходит из-за того, что давление в его жерле больше, чем давление окружающего воздуха и сопротивление слагающих его твердых пород.

При сравнении значений двух давлений одно из них принимается за начало отсчета их разности. По этому признаку различают следующие виды давлений.

Абсолютное давление – давление, значение которого при измерении отсчитывается от давления, равного нулю. Абсолютное давление воздушной оболочки Земли на ее поверхность называется атмосферным давлением.

Разность давлений – разность двух произвольных давлений, значение одного из которых принято за начало отсчета. В этом случае основное значение имеет разность давлений ,а не абсолютное значение каждого из них.

Избыточное давление - разность давлений, одно из которых принятое за начало отсчета, является абсолютным давлением окружающей среды. В большинстве случаев абсолютное давление окружающей среды – это атмосферное давление в месте измерений.

Избыточное давление:

                                                                              (1.2)

 

Для газовых смесей применяется специальный термин – парциальное давление - абсолютное давление одного из компонентов газовой смеси. Под этим понимается абсолютное давление данного компонента при условии, что он займет весь объем, в котором находится газовая смесь.

Виды давлений графически изображены на рисунке 1.

 

 

Рисунок 1 – Виды давлений

 

Нижняя горизонтальная линия с индексом «0» соответствует абсолютному давлению рабс =0, горизонтальная линия с индексом «Б» - атмосферному давлению (рабс = ратм). Горизонтальные штриховые линии выше и ниже линии Б ограничивают зону изменений атмосферного давления в месте измерений. Заштрихованными столбиками обозначены подлежащие измерению давления в соответствии с их видом.

Измерения абсолютного давления широко распространены в области вакуумной техники (от 10-12 до 103 Па), в метеослужбе, геодезии и авиационной технике(от 102 до 4*105 Па). Более высокие давления (до 1 – 10 МПа) измеряют при научных исследованиях, в том числе в термодинамике. Более высокие абсолютные давления измеряют крайне редко, т.к. в этих случаях их можно измерить более простыми методами измерения избыточного давления.

С учетом специфики каждого из видов давления при измерениях применяются специальные средства измерений – манометры и измерительные преобразователи давления.

Манометр – измерительный прибор или измерительная установка для измерения давления или разности давлений с непосредственным отсчетом их значения.

Измерительный преобразователь давления (датчик) – первичный преобразователь, выходной сигнал которого функционально связан с измеряемым давлением или разностью давлений. Выходной сигнал датчика вторичными приборами преобразуется в показания значения давления или поступает в различные системы управления и регулирования.

 

2. Единицы измерения давления

 

Когерентной единицей Международной системы единиц (СИ) является паскаль (Па). По определению (1.1) единица давления паскаль представляет собой отношение единицы силы Ньютона к единице площади квадратному метру: 1Па = 1Н/м2 = 1кг/(м*с2).

В качестве единиц измерения давления используют также бар, атмосферу и кгс/см2.

 

3. Физические свойства жидкости

Существуют следующие физические свойства жидкости:

1) Плотность  – это масса единицы объёма жидкости (кг/м3):

,                                                            (1.3)

где m – масса, кг;

      V – объём, м3.

Плотность воды при температуре +4°С равна 1000 кг/м3. Легко заметить, что плотность воды зависит от температуры незначительно. В большинстве гидравлических расчётов свойствами сжимаемости и температурного расширения жидкостей пренебрегают, например, для воды считают плотность постоянной и равной 1000 кг/м3.

2) Удельный вес – это  вес единицы объёма жидкости (Н/м3):

,                                                          (1.4)

где G – вес (сила тяжести), Н;

      V – объём, м3.

 

Связаны удельный вес и плотность через ускорение свободного падения (g= 9,81 » 10 м/с2) так:

                                                           (1.5)

3) Коэффициент объёмного сжатия w (Па-1) – это относительное изменение объёма жидкости при изменении давления на единицу:

,                                           (1.6)

 

где DW – изменение объёма W;

      ∆r – изменение плотности r, соответствующее изменению давления на величину ∆p.

 

Величина, обратная коэффициенту объёмного сжатия, называется модулем упругости жидкостей Eж (Па):

 

                                                        (1.7)

 

Значение модуля упругости жидкостей зависит от давления и температуры. Если принять, что приращение давления ∆p = p – p0, а изменение объёма DW=W-W0, то:

 

                                              (1.8)

 

                                               (1.9)

 

4) Коэффициент температурного расширения  t (0С)-1 выражает относительное изменение объёма жидкости при изменении температуры на один градус:

 

                                                    (1.10)

 

где ∆W – изменение объёма W, соответствующее изменению температуры на величину ∆ t.

 

Коэффициент температурного расширения воды увеличивается с возрастанием температуры и давления; для большинства других капельных жидкостей βt с увеличением давления уменьшается. Если принять, что приращение температуры ∆t = t – t0, а изменение объёма ∆W = W – W0, то:

 

                                                (1.11)

 

                                                 (1.12)

 

5) Вязкость – это свойство жидкости проявлять внутреннее трение при её движении, обусловленное сопротивлением взаимному сдвигу её частиц. В покоящейся жидкости вязкость не проявляется. Количественно вязкость может быть выражена в виде динамической или кинематической вязкости, которые легко переводятся одна в другую.

Вязкость динамическая μ, Па· с = Н· с/м2. Динамический коэффициент вязкости µ не зависит от давления и от характера движения, а определяется лишь физическими свойствами жидкости и её температурой.

В практике для характеристики вязкости жидкости чаще применяют не коэффициент динамической вязкости, а коэффициент кинематической вязкости (м2/с). Коэффициентом кинематической вязкости называется отношение коэффициента динамической вязкости к плотности жидкости:

Вязкость кинематическая , м2/с.