Файл: 4 измерение давления.pdf

Основы автоматизации технологических процессов нефтегазового производства / МЮ. Прахова, СВ. Щербинин, Е.А. Хорошавина, Л.Г. Дадаян, АН. Краснов, ОБ. Трушкин – Уфа УГНТУ, 2019 1
4 ИЗМЕРЕНИЕ ДАВЛЕНИЯ
4.1 Общие сведения об измерении давления На долю измерения давления среди всех технических измерений приходится 10 % всех технических измерений. В нефтегазовой промышленности измерение давления необходимо не только для контроля непосредственно давления вещества в трубах и технологических аппаратах, но и для контроля уровня (с помощью гидростатических уровнемеров), измерения расхода расходомеры переменного перепада давления и вихревые расходомеры) и других задач. Таким образом, давление – одна из основных величин, определяющих термодинамическое состояние веществ и ход технологических процессов. Давление – это отношение силы, действующей перпендикулярно поверхности, к площади этой поверхности. Различают следующие виды давления. Атмосферное (барометрическое давление – это давление, создаваемое массой воздушного столба земной атмосферы. Абсолютное давление отсчитывается от абсолютного нуля, за который принимается давление внутри сосуда, из которого полностью откачан воздух. Избыточное давлениепредставляет собой разность между абсолютными барометрическим давлениями, а вакуум (разрежение разность между барометрическими абсолютным давлениями. В Международной системе единиц за единицу давления принят паскаль – это давление, создаваемое силой в 1 ньютон, равномерно распределенной по поверхности площадью ми направленной нормально к ней. В технической системе единиц давление выражается в килограммах силы на квадратный сантиметр, что также получило название технической атмосферы (ат. Помимо указанных, существуют также такие внесистемные единицы измерения давления как бар, миллиметр ртутного столба, миллиметр водного столба, а также физическая, или нормальная атмосфера, которая эквивалентна 760 мм рт. ст. В качестве СИ давления используются как измерительные приборы, таки измерительные преобразователи. Все средства измерения давления могут быть классифицированы в зависимости от вида измеряемого давления на манометры для измерения избыточного давления барометры для измерения атмосферного давления вакуумметры для измерения разрежения мановакуумметры для измерения избыточного давления и разрежения напоромеры и тягомеры для измерения малых давлений дифференциальные манометры для измерения разности давлений. Приборы по принципу действия подразделяются на жидкостные, деформационные и

Основы автоматизации технологических процессов нефтегазового производства / МЮ. Прахова, СВ. Щербинин, Е.А. Хорошавина, Л.Г. Дадаян, АН. Краснов, ОБ. Трушкин – Уфа УГНТУ, 2019 2 грузопоршневые. Среди преобразователей выделяют пьезоэлектрические, тензометрические, емкостные и резонансные. В жидкостных манометрах используется принцип сообщающихся сосудов, а измеряемое давление уравновешивается гидростатическим давлением столба рабочей жидкости, высота которого будет являться мерой измеряемого давления. Жидкостные манометры предназначены для измерения избыточного давления до 0,1 МПа, разряжения и разности давлений и используются в основном в качестве образцовых приборов для лабораторных и технических измерений. В зависимости от конструкции сосуда с рабочей жидкостью жидкостные манометры могут быть образные (двухтрубные) (рис. 4.1). Измеряемая величина уравновешивается столбом рабочей жидкости, высота которого равна сумме высот столбов в обоих коленах трубки. Отсчет производится по шкале, имеющей нулевую отметку при равенстве давлений в обоих коленах трубки. Рисунок 4.1 – Внешний вид образного манометра В чашечных (однотрубных) манометрах одна из трубок заменена широким сосудом,
сообщающимся с измерительной стеклянной трубкой (вертикальной или наклонной. Приточных измерениях применяются чашечные манометры с наклонной трубкой рис 4.2), имеющие большую чувствительность (микроманометры). Показания манометра при измерениях определяются по длине столбика рабочей жидкости в трубке, имеющей угол наклона
.

Основы автоматизации технологических процессов нефтегазового производства / МЮ. Прахова, СВ. Щербинин, Е.А. Хорошавина, Л.Г. Дадаян, АН. Краснов, ОБ. Трушкин – Уфа УГНТУ, 2019 3 Рисунок 4.2 – Внешний вид чашечных манометров Изменение угла наклона трубки позволяет изменять диапазон измерения давления. Принцип действия грузопоршневых манометров (рис 4.3) основан на уравновешивании измеряемого давления калиброванным грузом, действующим на поршень. Они применяются для измерения давления до 10 3
МПа. Грузопоршневые установки позволяют подключать образцовое и поверяемое средство измерения давления, поэтому используются также для градуировки и поверки манометров других типов. Рисунок 4.3 – Внешний вид грузопоршневого манометра Принцип действия деформационных манометров основан на упругой деформации чувствительных элементов под действием измеряемого давления. Изучению приборов данного типа посвящен отдельный раздел. Принцип действия преобразователей давления основан на том, что сенсор чувствительный элемент) воспринимает измеряемое давление и преобразует его в электрический сигнал, который обрабатывается в электронном модуле с целью представления

Основы автоматизации технологических процессов нефтегазового производства / МЮ. Прахова, СВ. Щербинин, Е.А. Хорошавина, Л.Г. Дадаян, АН. Краснов, ОБ. Трушкин – Уфа УГНТУ, 2019 4 в форме, удобной для индикации, передачи, дальнейшей обработки. Сенсор и электронный модуль совместно образуют датчик давления. Существенные различия, достоинства и недостатки существующих преобразователей давления определяют принципом действия сенсора.
4.2 Деформационные манометры Принцип действия деформационных манометров основан на упругой деформации чувствительных элементов под действием измеряемого давления. Благодаря высокой точности, простоте конструкции, надежности и низкой стоимости деформационные манометры получили широкое распространение в промышленности для измерения давления, разряжения и разности давлений. В зависимости от вида чувствительного элемента все деформационные манометры делятся на пружинные (с трубчатой манометрической пружиной, мембранные и сильфонные. Наиболее часто используемые манометры – это пружинные манометры (манометры с трубкой Бурдона) (рис 4.4). Манометр состоит из корпуса, в котором расположена шкала, стрелка и деформационный чувствительный элемент, представляющий собой упругую криволинейную металлическую полую трубку, один конец которой имеет возможность перемещаться, а другой жестко закреплен. Свободный конец соединяется с зубчато- рычажным механизмом, расположенным на пластине. а) б)
1 – трубчатая пружина 2 – держатель 3 – тяга 4 – зубчатый сектор 5 – шестерня
6 – стрелка 7 – шкала 8 – штуцер Р – измеряемое давление Рисунок 4.4 – Манометр с трубчатой пружиной а – схема б – внешний вид

Основы автоматизации технологических процессов нефтегазового производства / МЮ. Прахова, СВ. Щербинин, Е.А. Хорошавина, Л.Г. Дадаян, АН. Краснов, ОБ. Трушкин – Уфа УГНТУ, 2019 5 Измеряемое давление через штуцер поступает во внутреннюю полость трубки, свободный конец трубки отклоняется, что через рычажный механизм передается на стрелку и отображается на шкале прибора. На чем основана способность такой трубки раскручиваться под воздействием давления В свободном состоянии трубка закручена на угол γ, а в сечении имеет форму эллипса с определенными значениями величины большой и малой оси. При повышении давления внутри трубки она начинает раскручиваться. Это связано стем, что под действием давления трубка округляется, те. малая ось эллипса увеличивается, в то время как длина пружины остается неизменной. Кривизна трубки уменьшится на угол ∆γ, а малая ось эллипса увеличится на ∆
b. Таким образом выражение (
b
b
b





γ
γ
) представляет собой уравнение шкалы манометра с трубчатой пружиной. Трубчатый манометр тем чувствительнее, чем больше радиус кривизны
R
трубки и чем меньше толщина δ ее стенок. Чувствительность пружины Бурдона, а также ее жесткость в сильной степени зависят от отношения а осей поперечного сечения и формы сечения (массы металла) вблизи концов большой оси. Пружина круглого сечения практически нечувствительна к давлению, т. к. ее поперечное сечение не деформируется при воздействии давления. Рисунок 4.5 – Трубчатая пружина (манометрическая пружина или трубка (пружина) Бурдона) Сильфон представляет собой тонкостенную трубку с кольцевыми гофрами на боковой поверхности. Его упругость определяется материалом и толщиной стенки, числом гофр и их

Основы автоматизации технологических процессов нефтегазового производства / МЮ. Прахова, СВ. Щербинин, Е.А. Хорошавина, Л.Г. Дадаян, АН. Краснов, ОБ. Трушкин – Уфа УГНТУ, 2019 6 кривизной. Сильфоны изготавливают из бронзы, нержавеющей стали и т.д. Рассмотрим работу сильфонного дифманометра. Под действием разности давлений сильфон, расположенный в плюсовой камере дифманометра, сжимается, и кремнийорганическая жидкость, заполняющая внутреннюю полость сильфона, частично вытесняется во внутреннюю полость сильфона, находящегося в минусовой камере дифманометра. При этом шток перемещается вправо, что вызывает стрелки на шкале дифманометра. а) б)
1, 2 – сильфоны, 3 – шток, 4 – рычаг, 5 – стрелка, 6 – шкала Рисунок 4.6 – Сильфонный дифманометр: а – схема, б – внешний вид В мембранном манометре чувствительный элемент – мембрана. Мембраны представляют собой гибкие плоские или гофрированные диски, способные получать прогиб под действием давления. В качестве рабочего участка используют небольшую часть возможного хода, так как статическая характеристика плоских мембран нелинейна. Для различных диапазонов измерений вазличают упругие и эластичные мембраны (для измерения малых давлений и разности давлений. Для увеличения перестановочного усилия и уменьшения нелинейности характеристики применяют эластичные мембраны с жестким центром, представляющим собой два металлических диска, закрепленных с двух сторон на мембране.
Вманометре мембрана зажимается или приваривается по краю между двумя фланцами. Давление, действующее на мембрану, вызывает ее прогиб, в результате которого шток совершает вертикальное перемещение, которое передается зубчатому сектору и шестерне и вызывает перемещение стрелки прибора.

Основы автоматизации технологических процессов нефтегазового производства / МЮ. Прахова, СВ. Щербинин, Е.А. Хорошавина, Л.Г. Дадаян, АН. Краснов, ОБ. Трушкин – Уфа УГНТУ, 2019 7 а) б)
1 – гофрированная мембрана, 2 – фланцы, 3 – шток, 4 – зубчатый сектор,
5 – шестерня, 6 – стрелка, 7 – шкала, 8 – штуцер Рисунок 4.7 – Мембранный манометра схема, б – внешний вид При необходимости получения большого прогиба мембраны соединяются в так называемые мембранные коробки, а также блоки, собранные из нескольких коробок. В таком манометре давление измеряемой среды воздействует на внутреннюю сторону мембранной коробки, состоящей из двух герметично прилегающих друг к другу по внешней кромке мембран. Манометры с мембранной коробкой особенно пригодны для измерений давления газообразных сред. При измерении атмосферного давления получили распространение гофрированные мембранные коробки, из внутренней полости которых удален воздуха) б)
1 – мембранная коробка, 2 – зубчато-секторный механизм,
3 – винты крепления, 4 – регулировочный винт, 5 - пружина Рисунок 4.8 – Манометр с мембранной коробкой а – схема, б – внешний вид
P
1 2
3 4
6 7
8 5

Основы автоматизации технологических процессов нефтегазового производства / МЮ. Прахова, СВ. Щербинин, Е.А. Хорошавина, Л.Г. Дадаян, АН. Краснов, ОБ. Трушкин – Уфа УГНТУ, 2019 8 В настоящее время сильфон и мембрана в нефтяной и газовой промышленности используются чаще не как чувствительные элементы, а как разделительные элементы. Разделители сред предназначены для защиты чувствительного элемента КИП от воздействия жидкой и газообразной агрессивной или высокотемпературной среда также от закупоривания внутренних каналов загрязненными и застывающими средами.
4.3 Тензорезисторные преобразователи давления Принцип действия тензорезисторов (ТР) и, следовательно тензорезисторных измерительных преобразователей давления основан на явлении тензоэффекта – изменении активного электрического сопротивления проводниковых и полупроводниковых материалов при деформации под воздействием механических усилий. Связь между изменением сопротивления тензорезистора и его деформацией устанавливается соотношением
,
Т
R
l
S
R
l



где ΔR/R — относительное изменение сопротивления ТР;
Δl /l — относительное изменение длины ТР;
Т — коэффициент тензочувствительности, определяемый материалом ТР.
Тензочувствительность считается положительной, если ΔR/R>0, и отрицательной — если ΔR/R<0. В зависимости от материала выделяют проводниковые и полупроводниковые тензорезисторы. В целом, тензорезисторные преобразователи представляют собой металлическую и/или диэлектрическую измерительную мембрану, на которой размещаются тензорезисторы. Деформация мембраны под воздействием внешнего давления приводит к локальным деформациям тензорезисторов, включенным обычно в плечи четырехплечего уравновешенного моста. Для увеличения чувствительности тензопреобразователя одна пара тензорезисторов, включенных в противоположные плечи моста, имеет положительную тензочувствительность, а другая – отрицательную. Это значит, что сопротивления при подаче давления соответственно увеличиваются и уменьшаются на величину ΔR. При отсутствии давления все четыре сопротивления равны по величине (R
1
= R
3
= R
2
=
R
4
= R) и мост сбалансирован (ток I
bd
в измерительной диагонали равен нулю. При подаче давления баланс (равновесие) моста нарушается, ив измерительной диагонали моста будет

Основы автоматизации технологических процессов нефтегазового производства / МЮ. Прахова, СВ. Щербинин, Е.А. Хорошавина, Л.Г. Дадаян, АН. Краснов, ОБ. Трушкин – Уфа УГНТУ, 2019 9 протекать ток. Этот токовый сигнал и является мерой измеряемого давления.
Рисунок 4.9 – Электрическая схема соединения тензорезисторов (мостовая схема)
Проводниковые тензорезисторы бывают двух видов проволочные и фольговые. Они используются в основном для измерения деформаций и напряжений в механических конструкциях. Проволочный тензорезистор выполняется из проволоки диаметром мм, которая наклеивается на бумагу или изоляционную пленку в виде петель и покрывается лаком. Тензорезистор наклеивается на поверхность детали так, чтобы длинная сторона петель база датчика) совпадала с направлением измеряемой деформации. Фольговый ТР аналогиченпроволочному, но егорешетка выполненаиз константановойфольги прямоугольного сечения толщиной 4…12мкм.Такиетензорезисторы обеспечивают большую точность преобразования, т.к. на нихнесказываются поперечные деформации. а) б) Рисунок 4.10 – Проводниковые тензорезисторы: а – проволочный, б – фольговый К достоинствам проводниковых тензорезисторов относятся простота конструкции, малые габариты, возможность измерения механических параметров статических и динамических процессов к недостаткам – невысокая чувствительность, большая