Меню

Система измерения давления газа и температуры

Измерение давления газа

Основным показателем, характеризующим сеть газопотрсбления, является давление газа в газопроводе. Обеспечение нормативного давления газа перед газоиспользующим оборудованием позволяет обеспечить качественное сжигание топлива и устойчивую работу горелок.

Давление — отношение силы к площади, на которую она действует, а для газа сила, с которой он действует на единицу площади поверхности сосуда. Давление, отсчитываемое от абсолютного нуля, называется абсолютным, давление, оказываемое атмосферой атмосферным. Избыточное давление больше атмосферного, оно отсчитывается от уже имеющегося атмосферного давления:

Р изб = Р абс -Р атм ,

где Р изб – избыточное давление;
P абс – абсолютное давление;
Р атм – атмосферное давление.

При измерении разрежения определяют, насколько давление в каком-либо ограниченном объеме меньше атмосферного. Это давление называют вакуумметрическим:

Р вак = Р атм – Р абс ,

где Р вак – вакуумметрическое давление.

При обслуживании и ремонте внутридомового газового оборудования контролируется избыточное давление газа или воды, а также вакуумметрическое давление при измерении разрежения в системах удаления дыма.

В системе СИ основной единицей измерения давления является Паскаль (Па). Один паскаль – это давление, оказываемое силой в 1 ньютон (Н) на площадь в 1 квадратный метр (м²).

Для измерения давления газа в газопроводах жилых домов как единицу измерения зачастую используют миллиметр водяного столба (мм.вод. ст.). Эта единица наглядна и понятна, особенно при использовании жидкостного манометра.

В Западной Европе для измерения давления применяется бар (bar). Один бар равен 100.000 Па, что приблизительно равно 1 кгс/см². Один миллибар (mbar) составляет 100 Па, он приблизительно равен 10 мм.в.ст (1 mbar – 10 мм.в.ст.). Основной единицей, используемой в настоящей книге при описании газоиспользующего оборудования, является бар. Для характеристик состояния газового топлива применяется единица измерения Паскаль (даПа).

Паскаль очень мал, па практике применяют кратные ему единицы:

1 декапаскаль (1 даПа) = 10 Па – 1 мм.в.ст;
1 гектопаскаль (1 гПа) = 100 Па -1 mbar;
1 килопаскаль (1 кПа) = 1000 Па -100 мм.в.ст.;
1 Мегапаскаль (1 МПа)= 1000000 Па – 10 кгс/см² или 1 кгс/см² – 0,1 МПа.

Необходимо заметить, что точное значение 1 мм.в.ст = 9,81 Па, а 1 кгс/см² = 9,81 х 104 Па, но для практических целей достаточно запомнить, что 1 мм.в.ст -10 Па (1 даПа), а 1 кгс/см² – 0,1 МПа.

При измерении избыточного давления или разрежения происходит определение его величины с помощью специальных приборов манометров, напоромеров, тягонапоромеров. Точность измерения характеризуется погрешностью – отклонением результата измерения от истинного значения измеряемой величины. Класс точности прибора характеризуется пределом допускаемой погрешности – наибольшей погрешностью прибора, при которой он может быть признан годным и допущен к применению. У показывающих пружинных манометров бывают следующие классы точности: 0,4; 0,6; 1; 1,5; 2,5; 4. У манометра с классом точности 1.5 результат измерения может отличаться от истинного значения не более чем на 1,5%.

Жидкостные U-образные манометры применяются для измерения небольших величин давления, чаще всего низкого (до 500 даПа). Их применяют для измерения давления газа, а также давления воздуха, идущего на горение в горелках с принудительной подачей воздуха. Жидкостной манометр – это стеклянная или прозрачная пластиковая U-образная трубка, которая прикреплена к деревянной или пластмассовой панели. На панели имеется шкала с делениями в миллиметрах, от нуля вверх и от нуля вниз. У современных манометров шкала может иметь деления в паскалях (Па).

Читайте также:  Сколько должно быть давление в шинах на жигулях

Для определения давления необходимо сложить высоту столба жидкости от нуля вверх – 60 мм.вод.ст. и от нуля вниз – 60 мм.вод.ст. Сумма двух значений – 120 мм.вод.ст. – даст величину измеренного давления. В настоящее время несмотря на простоту конструкции жидкостные манометры находят ограниченное применение из-за больших габаритов.

Пружинные манометры применяются в настенных котлах для измерения избыточного давления воды в системах отопления и горячего водоснабжения. В отдельных котлах применяются термоманометры, которые одновременно измеряют давление и температуру воды у настенных котлов.

Для наладочных и ремонтных работах на газопроводах и газоиспользующем оборудовании применяют цифровые манометры, которые позволяют вести измерение давления газа с выводом его величины на жидкокристаллический дисплей. Цифровые манометры TESTO 312 производства немецкой фирмы Testo AG предназначены для настройки и обслуживания сетей газопотребления. Принцип действия TESTO 312 основан на преобразовании поступающего на его вход давления в электрический сигнал, пропорциональный измеряемому давлению. Электропитание приборов осуществляется от аккумуляторной батареи напряжением 9 В. Манометры TESTO 312-2 могут измерять давление в диапазонах ± 40 гПа (± 40 mbar) и ± 200 гПа (± 200 mbar), манометры TESTO 312-3 в диапазонах ± 300 гПа (± 300 mbar) и ± 6000 гПа (± 6000 mbar). Цифровые манометры TESTO 312-2 также могут измерять разрежение в диапазоне ± 40 гПа (± 40 mbar). На дисплее отражается время, измеряемый параметр, измеренная величина с указанием единицы измерения. При превышении максимального давления на входе прибора он подает световую и звуковую индикацию перегрузки.

Источник

Определение плотности газа по результатам измерения давления и температуры датчиками Arduino

Введение

Задача измерения параметров газовой смеси широко распространена в промышленности и торговле. Проблема получения достоверной информации при измерении параметров состояния газовой среды и её характеристик с помощью технических средств разрешается принятыми в стандартах методиками выполнения измерений (МВИ), например, при измерении расхода и количества газов с помощью стандартных сужающих устройств [1], или с помощью турбинных, ротационных и вихревых расходомеров и счётчиков [2].

Периодический газовый анализ позволяет установить соответствие между реальной анализируемой смесью и её моделью, по которой в МВИ учитываются физико-химические параметры газа: состав газовой смеси и плотность газа при стандартных условиях.
Также в МВИ учитываются теплофизические характеристики газа: плотность при рабочих условиях (давление и температура газа, при которых выполняют измерение его расхода или объёма), вязкость, фактор и коэффициент сжимаемости.

К измеряемым в реальном режиме времени параметрам состояния газа относятся: давление (перепад давлений), температура, плотность. Для измерения этих параметров применяются соответственно средства измерительной техники: манометры (дифманометры), термометры, плотномеры. Измерение плотности газовой среды допускается измерять прямым или косвенным методами измерения. Результаты как прямых, так и косвенных методов измерения зависят от погрешности средств измерения и методической погрешности. В рабочих условиях, сигналы измерительной информации могут быть подвержены влиянию значительного шума, среднее квадратичное отклонение которого может превышать инструментальную погрешность. В этом случае, актуальной задачей является эффективная фильтрация сигналов измерительной информации.

Читайте также:  Датчик абсолютного давления во впускном коллекторе тойота корона

В данной статье рассматривается методика косвенного измерения плотности газа при рабочих и стандартных условиях c применением фильтра Калмана.

Математическая модель определения плотности газа

Обратимся к классике и вспомним уравнение состояния идеального газа [3]. Имеем:

1. Уравнение Менделеева-Клапейрона:

(1),

— давление газа;

— молярный объём;

R — универсальная газовая постоянная,

;

T — абсолютная температура, T=273.16 К.

2. Два измеряемых параметра:

p – давление газа, Па
t – температура газа, °С.

Известно, что молярный объём зависит от объёма газа V и количества молей газа в этом объёме:

(2)

Также известно, что

(3),

где: m – масса газа, M – молярная масса газа.

Учитывая (2) и (3) перепишем (1) в виде:

(4).

Как известно, плотность вещества

равна:

(5).

Из (4) и (5) выведем уравнение для плотности газа

:

(6)

и введём обозначение параметра

, который зависит от молярной массы газовой смеси:

(7).

Если состав газовой смеси не меняется, то параметр k является константой.
Итак, для расчёта плотности газа необходимо рассчитать молярную массу газовой смеси.

Молярную массу смеси веществ определяем, как среднее арифметическое взвешенное молярной массы массовых долей, входящих в смесь индивидуальных веществ.

Примем известным состав веществ в газовой смеси – в воздухе, который состоит из:

  • 23 % по весу из молекул кислорода
  • 76 % по весу из молекул азота
  • 1 % по весу из атомов аргона

Молярные массы этих веществ воздуха будут соответственно равны:

, г/моль.

Вычисляем молярную массу воздуха, как среднее арифметическое взвешенное:

Теперь, зная значение константы

, мы можем вычислить плотность воздуха по формуле (7) с учетом измеряемых значений

и t:

Приведение плотности газа к нормальным, стандартным условиям

Практически, измерения свойств газов проводят в различных физических условиях, и для обеспечения сопоставления между различными наборами данных должны быть установлены стандартные наборы условий [4].

Стандартные условия для температуры и давления – это установленные стандартом физические условия, с которыми соотносят свойства веществ, зависящие от этих условий.

Различные организации устанавливают свои стандартные условия, например: Международный союз чистой и прикладной химии (IUPAC), установил в области химии определение стандартной температуры и давления (STP): температура 0 °C (273.15 K), абсолютное давление 1 бар ( Па); Национальный институт стандартов и технологий (NIST) устанавливает температуру 20 °C (293,15 K) и абсолютное давление 1 атм (101.325 кПа), и этот стандарт называют нормальной температурой и давлением (NTP); Международная организация по стандартизации (ISO) устанавливает стандартные условия для природного газа (ISO 13443: 1996, подтверждённый в 2013 году): температура 15.00 °С и абсолютное давление 101.325 кПа.

Поэтому, в промышленности и торговле необходимо указывать стандартные условия для температуры и давления, относительно которых и проводить необходимые расчёты.

Плотность воздуха мы рассчитываем по уравнению (8) в рабочих условиях температуры и давления. В соответствии с (6) запишем уравнение для плотности воздуха в стандартных условиях: температура и абсолютное давление :

(9).

Делаем расчёт плотности воздуха, приведенной к стандартным условиям. Разделим уравнение (9) на уравнение (6) и запишем это отношение для :

(10).

Подобным образом, получим уравнение для расчёта плотности воздуха, приведенной к нормальным условиям: температура и абсолютное давление

:

(11).

В уравнениях (10) и (11) используем значения параметров воздуха , T и P из уравнения (8), полученные в рабочих условиях.

Читайте также:  Можно ли принимать силденафил при повышенном давлении

Реализация измерительного канала давления и температуры

Для решения многих задач получения информации, в зависимости от их сложности, удобно создавать прототип будущей системы на базе одной из микроконтроллерных платформ типа Arduino, Nucleo, Teensy, и др.

Что может быть проще? Давайте сделаем микроконтроллерную платформу для решения конкретной задачи – создание системы измерения давления и температуры, затрачивая меньше, возможно, средств, и используя все преимущества разработки программного обеспечения в среде Arduino Software (IDE).

Для этого, на аппаратном уровне, нам понадобятся компоненты:

  1. Arduino (Uno, …) – используем как программатор;
  2. микроконтроллер ATmega328P-PU – микроконтроллер будущей платформы;
  3. кварцевый резонатор на 16 МГц и пара керамических конденсаторов на 12-22 пФ каждый (по рекомендациям фирмы-изготовителя);
  4. тактовая кнопка на перезагрузку микроконтроллера и подтягивающий плюс питания к выводу RESET микроконтроллера резистор на 1 кОм;
  5. BMP180 — измерительный преобразователь температуры и давления с интерфейсом I2C;
  6. преобразователь интерфейсов TTL/USB;
  7. расходные материалы – провода, припой, монтажная плата, и др.

Принципиальная схема платформы, с учетом необходимых интерфейсов: стандартного последовательного интерфейса, I2C, и ничего более, представлена на рис. 1.


Рис. 1 — Принципиальная схема микроконтроллерной платформы для реализации системы измерения давления и температуры

Теперь рассмотрим этапы осуществления нашей задачи.

1. Прежде, нам нужен программатор. Подключаем Arduino (Uno, …) к компьютеру. В среде Arduno Software из меню по пути Файл->Примеры->11. ArdunoISP добираемся до программы программатора ArduinoISP, которую зашиваем в Arduino. Предварительно из меню Инструменты выбираем соответственно Плату, Процессор, Загрузчик, Порт. После Загрузки программы ArduinoISP в плату, наша Arduino превращается в программатор и готова к использованию по назначению. Для этого в среде Arduno Software в меню Инструменты выбираем пункт Программатор: “Arduino as ISP”.

2. Подключаем по интерфейсу SPI ведомый микроконтроллер ATmega328P к ведущему программатору Arduino (Uno, …), рис. 2. Следует заметить, что предварительно биты регистра Low Fuse Byte микроконтроллера ATmega328P были установлены в незапрограммированное состояние. Переходим в среду Arduno Software и из меню Инструменты выбираем пункт Записать Загрузчик. Прошиваем микроконтроллер ATmega328P.


Рис. 2 – Схема подключения микроконтроллера к программатору

3. После успешной прошивки, микроконтроллер ATmega328P готов к установке на разработанную микроконтроллерную платформу (рис. 3), которую программируем также, как и полноценную Arduino (Uno, …). Программа опроса измерительного преобразователя давления и температуры представлена на листинге 1.


Рис. 3 Система измерения давления и температуры

Программа Python для фильтрации по каналам температуры и давления, и получение результатов

Программа Python методики определения плотности газа по результатам измерений давления и температуры представлена на листинге 2. Информация из измерительной системы выводится в реальном режиме времени.

Результаты расчёта представлены листингом и рис. 4, 5, 6.


Рис. 4 – результаты измерения (красный) и фильтрации (синий) давления


Рис. 5 – результаты измерения (красный) и фильтрации (синий) температуры


Рис. 6 – результаты расчёта плотности воздуха, приведенной к стандартным условиям (температура 273.15 К; абсолютное давление 101.325 кПа)

Выводы

Разработана методика определения плотности газа по результатам измерения давления и температуры с применением датчиков Arduino и программных средств Python.

Источник

Adblock
detector