лаба. ЛР1 Измерение давления. Измерение давления, рассмотрены основные требования к проведению измерений, дано

• Название: Измерение давления, рассмотрены основные требования к проведению измерений, дано
• Дата: 22.05.2023
• Размер: 189.03 Kb.
• Имя файла: ЛР1 Измерение давления.docx
• Тип: Учебно-методическое пособие; #1152277

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

«УФИМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НЕФТЯНОЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Кафедра «Гидрогазодинамика трубопроводных систем и гидромашины»


Измерение давления

Учебно-методическое пособие к лабораторной работе

Уфа 2018

В пособии кратко изложен теоретический материал по теме «Измерение давления», рассмотрены основные требования к проведению измерений, дано описание лабораторной установки, расчетные формулы, таблица результатов измерений и вычислений.

Предназначено для подготовки бакалавров и специалистов всех форм обучения специальностей по направлениям подготовки: 21.03.01 – Нефтегазовое дело (БМТ, БСТ, БГБ, БГГ, БГР, БГШ, ГТ), 13.03.01 –

Теплоэнергетика и теплотехника (БТЭ), 15.03.04 − Автоматизация технологических процессов и производств (БАГ, БАТ), 18.03.02 − Энерго- и ресурсосберегающие процессы в химической технологии, нефтехимии и биотехнологии (БМА), 15.03.02 − Технологические машины и оборудование (БМЗ. БМП), 18.03.02 − Энерго- и ресурсосберегающие процессы в химической технологии, нефтехимии и биотехнологии (БОС), 20.03.01 − Техносферная безопасность (БПБ), 27.03.04 − Управление в технических системах (БУС), 21.05.06 − Нефтегазовые техника и технологии (АГ, ГБ, ГГ, ГТ, ГШ, МП), 20.05.01 − Пожарная безопасность (ПБ).


Составители: Артемьева Е.Л., канд. хим. наук, доц. каф. гидрогазодинамики трубопроводных систем и гидромашин

Годовский Д.А., канд. техн. наук, доц. каф. гидрогазодинамики трубопроводных систем и гидромашин
Рецензенты: Байкова Л.Р., канд. техн. наук, доц. каф. гидрогазодинамики трубопроводных систем и гидромашин

Бахтегареева Э.С., канд. хим. наук, доц. каф. гидрогазодинамики трубопроводных систем и гидромашин


© ФГБОУ ВО «Уфимский государственный нефтяной технический университет», 2018

Содержание

С.

1	Общие сведения………………………………………………………	4
2	Цель работы………………………………………………………….	6
3	Описание лабораторной установки…………………………………	6
4	Порядок проведения испытаний…………………………………….	7
5	Измерение давления………………………………………………….	8
6	Обработка результатов………………………………………………	14
7	Содержание отчета…………………………………………………..	14
8	Вопросы для самопроверки…………………………………………	15
Список литературы…………………………………………………………		17

1. Общие сведения

Жидкость оказывает давление на дно и стенки сосуда, в котором она находится, и на поверхность любого погруженного в нее тела. Нормальное напряжение (напряжение силы давления) в жидкости, находящейся в состоянии относительного покоя, называется гидростатическим давлением, и обозначается буквой р. За единицу давления в Международной системе единиц (СИ) принят паскаль: 1Па = 1Н/м². В технических системах за единицу измерения принята техническая атмосфера (ат):

1ат = 1 кГс*/см² = 10⁴ кГс/м² = 9,8110⁴ Па.

Величина гидростатического давления p_D в любой точке D покоящейся жидкости может быть определена в соответствии с основным уравнением гидростатики (рис. 1):

p_D = p₀ + g(z₀ – z_D) = p₀ + gh_D, (1) где p₀ – давление, действующее на свободную поверхность жидкости;

gh_D – давление столба жидкости с плотностью  и высотой h_D; h_D – глубина погружения точки D под свободную поверхность.



Рис. 1. Схема для определения гидростатического давления в любой точке покоящейся жидкости




* 1кГс – килограмм силы; 1 кГс = 9,81 Н

Давление в точке, измеряемое от абсолютного нуля, т.е. с учетом атмосферного давления, называется абсолютным давлением. Для измерения абсолютного давления, равного атмосферному, применяются барометры. Для измерения положительного избыточного давления применяются пружинные манометры; для измерения отрицательного избыточного (вакуумметрического) давления – пружинные вакуумметры; для измерения разности давлений в двух точках – дифференциальные манометры. С помощью пьезометра можно измерять избыточное и вакуумметрическое давление.

Приборы для измерения давления обычно показывают разность давлений абсолютного и атмосферного (атмосферному давлению соответствует ноль шкалы прибора). Для измерения абсолютного давления больше атмосферного используют два прибора – барометр и манометр, меньше атмосферного – барометр и вакуумметр.

Если:

1. 
   р_абс – р_ат > 0, то говорят, что в рассматриваемой точке действует избыточное (или положительное избыточное) давление, которое показывает, насколько абсолютное давление превышает атмосферное (рис. 2):
   

р_изб = р_абс – р_ат, (2)

где р_изб – избыточное давление; р_абс – абсолютное давление;

р_ат – атмосферное давление.

2. 
   р_абс – р_ат < 0, то говорят, что в рассматриваемой точке действует вакуумметрическое (или отрицательное избыточное) давление, которое показывает, насколько абсолютное давление меньше атмосферного (рис. 2):
   

р_вак = р_ат – р_абс, (3)

где р_вак – вакуумметрическое давление.

Рис. 2. Абсолютное, атмосферное, избыточное и вакуумметрическое давление

2. Цель работы

Научиться определять по показанию различных приборов давление в любой точке жидкости.

3. Описание лабораторной установки

Установка (рис. 3) состоит из герметичного сосуда Б1, заполненного водой до определенной высоты, водомерного стекла 1, по которому определяется уровень воды в сосуде. Сосуд имеет штуцеры с трехходовыми (ТК) и проходными (ПК) кранами: ПК1 – для заполнения сосуда водой из бака Б2; ПК2, ПК3, ТК1, ТК4, ТК5 – для присоединения приборов давления; ТК2, ТК3 – для присоединения воздушного насоса. В комплект установки входят барометр Б, пьезометр П, дифференциальный манометр ДМ, вакуумметр В,

нижний МН_н и верхний МН_в манометры, а также воздушный насос, с помощью которого изменяют давление на свободной поверхности жидкости в сосуде Б1.



Рис. 3. Опытная установка

4. Порядок проведения испытаний

1. 
   Сосуд Б1 с помощью трехходового крана ТК2 сообщить с атмосферой.
   
2. 
   Подключить все приборы давления. Вакуумметр В и верхний манометр МН_в должны показывать 0. Уровни воды в пьезометре П и в водомерном стекле 1 должны совпадать.
   
3. 
   Определить цену деления манометров МН_в, МН_н и вакуумметра В, занести в таблицу 1.
   
4. 
   Записать показания приборов при атмосферном давлении на свободной поверхности жидкости (р₀ = р_ат ).
   
5. 
   Сосуд Б1 соединить кранами ТК2 и ТК3 с воздушным насосом так, чтобы можно было создать на свободной поверхности избыточное давление (р₀ > р_ат). Вакуумметр В отключить от сосуда краном ТК4. Создать с помощью воздушного насоса избыточное давление на свободной поверхности и записать показания всех приборов в таблицу 1. Зарисовать положение ртути в дифференциальном манометре ДМ.
   
6. 
   Сосуд Б1 соединить кранами ТК2 и ТК3 с воздушным насосом так, чтобы можно было создать на свободной поверхности вакуум (р₀ < р_ат). Верхний манометр МНв от сосуда отключить краном ТК5, а вакуумметр В подключить. Создать с помощью воздушного насоса в сосуде вакуум и записать показания всех приборов в таблицу 1. Зарисовать положение ртути в дифференциальном манометре ДМ.
   

5. Измерение давления

5.1. Измерение давления пьезометром

Пьезометром называется вертикальная стеклянная трубка, верхний конец которой открыт в атмосферу, а нижний присоединен к сосуду, в котором измеряется давление (рис. 4).

Для определения давление в точке подключения пьезометра через точку А проведем плоскость сравнения 0 – 0. Так как пьезометр и сосуд заполнены однородной жидкостью, то давления в точках А и В, лежащих в одной плоскости, должны быть равны (p_A = p_B). Следовательно, абсолютное давление в точке А можно определить по формуле

р_абсА = р_абсВ = р_ат + gh_п, (4) где р_абсА – абсолютное давление в точке А;

р_абсВ – абсолютное давление в точке В;

p_ат – атмосферное давление, действующее на свободной поверхности жидкости в пьезометре;

h_п – пьезометрическая высота.



Рис. 4. Пьезометр, присоединенный к сосуду (р₀ > р_атм)
Если давление в точке А меньше атмосферного, уровень жидкости в пьезометре опустится ниже плоскости сравнения 0 – 0 (рис. 5).

Рис. 5. Пьезометр, присоединенный к сосуду (р₀ < р_атм)

В этом случае вводится понятие вакуумметрической высоты h_вак: h_вак = - h_п

Следовательно, можно записать:

р_абсА = р_ат – gh_п (5)

Чтобы определить давление в любой точке жидкости D, нужно учесть разность геометрических отметок точек А и D (рис. 5):

р_абсD = р_абсА – gz_D (6) где z_D – расстояние от точки А до точки D.

2. 
   Измерение давления дифференциальным манометром
   

Более универсальным является дифференциальный U – образный манометр (рис. 6). По его показаниям можно определить разность давления в двух точках, избыточное, вакуумметрическое и абсолютное давление в точке присоединения. Определим абсолютное давление в точке А по показаниям дифференциального манометра.




Рис. 6. Дифференциальный U – образный манометр

В сосуде находится вода. Верхнее колено U – образной трубки должно быть полностью заполнено водой, а нижнее манометрической жидкостью с плотностью _м > _в. Если колено U – образной трубки заполнено ртутью, то в

открытый в атмосферу конец заливают воду высотой h_в, чтобы предотвратить испарение ртути.

Перемещение жидкости в дифференциальном манометре происходит под действием разности давлений в точке А и открытом конце. Поскольку дифференциальный манометр заполнен жидкостями с разными плотностями, для определения давления в точке А нужно последовательно определить давление в точках H, E, D, C, B, начиная с известного давления р_ат в открытом конце, пользуясь основным уравнением гидростатики.

Следовательно, абсолютное давление в точке А можно определить по формуле

р_абсА = р_ат + _вgh_в + _ртgh + _вgh_м, (7) где p_ат – атмосферное давление, действующее на свободной поверхности жидкости в дифференциальном манометре;

h_в – высота столбика воды над ртутью;

h – разность отметок ртути слева и справа;

h_м – расстояние от точки подключения дифференциального манометра А до уровня ртути в левом колене.

Для каждого конкретного случая необходимо зарисовать положение ртути в дифференциальном манометре, так как составляющая _ртgh может входить в уравнение (7) со знаком (-), когда уровень ртути в левом колене дифференциального манометра выше, чем в правом.

2. 
   Измерение давления пружинным манометром
   

В технике широко используются пружинные манометры. На рисунке 7 изображен пружинный манометр, который представляет собой изогнутую пустотелую трубку овального сечения (трубку Бурдона), запаянную с одного конца, а другим концом присоединенную к трубке, соединяющей трубку Бурдона с точкой замера давления А. Соединительная трубка полностью заполнена водой, а трубка Бурдона находится под давлением воздуха в ней р.

Плотность воздуха мала, поэтому давление р по всей трубке Бурдона можно считать одинаковым.


Рис. 7. Пружинный манометр

С внешней стороны на трубку действует атмосферное давление. Под действием разности давлений (р_абс – р_ат) трубка Бурдона деформируется. Деформация трубки с помощью рычажно-зубчатого механизма трансформируется в поворот стрелки, показывающей избыточное давление р_изб. Это давление обычно называют манометрическим р_м:

р_м = р_изб = р_абс – р_ат (7)

С помощью верхнего манометра можно определить абсолютное давление на свободной поверхности жидкости р_0абс:

р_0абс = р_ат + р_мв (8)

Тогда абсолютное давление в точке А(рис. 3) р_абсА:

р_абсА = р_ат + р_мв + gh_с, (9) где р_мв – показание верхнего манометра;

gh_с – давление столба жидкости с плотностью  и высотой h_с.

Шкала манометра дана в делениях. Следовательно, необходимо определить цену деления Ц:

Ц = р_пр/m, (12)

где р_пр – предельное давление, которое можно измерить манометром, оно указывается на манометре;

m – общее число делений на шкале.

Тогда показание верхнего манометра:

р_м = Цn, (13)

где n – показание манометра в делениях.

С помощью нижнего манометра можно определить абсолютное давление в точке подключения манометра Н:

р_{абс Н} = р_ат + р_мн , (14)

где р_мн – показание нижнего манометра.

Чтобы от р_мн перейти к абсолютному давлению в точке А, необходимо измерить высоту установки нижнего манометра h_н:

р_абсА = р_ат + р_мн + gh_н. (15)

2. 
   Измерение давления пружинным вакуумметром
   

Устройство и принцип действия вакуумметра и манометра аналогичны. С помощью вакуумметра можно определить абсолютное давление на свободной поверхности жидкости р_0абс:

р_0абс = р_ат – р_вак (16)

где р_вак – показание вакуумметра.

Тогда абсолютное давление в точке А:

р_абсА = р_ат – р_вак + gh_с , (17) где gh_с – давление столба жидкости с плотностью  и высотой h_с.

Шкала вакуумметра дана в делениях. Следовательно, необходимо определить цену деления Ц:

Ц = р_пр/m, (12)

где р_пр – предельное давление, которое можно измерить вакуумметром, оно указывается на вакуумметре;

m – общее число делений на шкале. Тогда показание вакуумметра:

р_вак = Цn, (13)

где n – показание вакуумметра в делениях.

5. ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ

1. 
   Результаты измерений занести в таблицу 1.
   
2. 
   Результаты расчетов занести в таблицу 2.
   
3. 
   
   A
   Рассчитать погрешности определения давления в точке А по всем приборам в сравнении с пьезометром, как самым точным:
   

  ^pA

• 
  р^п
  

100%

р
П

^А , (18)

где р_А – абсолютное давление в точке А по показанию дифференциального манометра (манометра, вакуумметра);

р ^п_А – абсолютное давление в точке А по показанию пьезометра.

7. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

1. 
   Записать цель работы.
   
2. 
   Зарисовать схему установки.
   
3. 
   Заполнить таблицу измерений.
   
4. 
   Выписать расчетные формулы и привести полный расчет для всех опытов.
   
5. 
   Заполнить таблицу результатов расчета.
   
6. 
   Сделать выводы о точности измерений давления в заданной точке по различным приборам.
   

8. ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ

1. 
   Что такое давление?
   
2. 
   Назовите единицы измерения давления.
   
3. 
   Сформулируйте основной закон гидростатики.
   
4. 
   Что такое абсолютное, избыточное и вакуумметрическое давление?
   
5. 
   От чего зависит давление в данной точке?
   
6. 
   Что такое пьезометрическая высота?
   
7. 
   Что такое вакуумметрическая высота?
   
8. 
   Какое давление измеряют с помощью барометра, пьезометра, дифференциального манометра, манометра, вакуумметра?
   
9. 
   Как определить давление на свободной поверхности жидкости по показанию пьезометра, дифференциального манометра, манометра, вакуумметра?
   
10. 
    Как определить давление в заданной точке жидкости по показанию пьезометра, манометра, дифференциального манометра, вакуумметра?
    

16
Таблица 1 – Результаты измерений

№

р0

Водо- мерное стекло

Пьезо- метр П

Дифференциальный манометр ДМ

Манометр нижний МНн

Манометр верхний МНв

Вакуумметр В

Цена деления Ц =

Цена деления Ц =

Цена деления Ц =

hс

hп

hв

h

hм

n

рм

рм

hн

n

рм

рм

n

рвак

рвак

см

см

см

см

см

дел.

ат

кПа

см

дел.

ат

кПа

дел.

ат

кПа

1

р0 = рат

2

р0 > рат.

3

р0< рат.

Таблица 2 – Результаты расчетов

№	р0	По пьезометру	По дифференциальному манометру		По верхнему манометру		По нижнему манометру		По вакуумметру
		рабс А	рабс А		рабс А		рабс А		рабс А	
		кПа	кПа	%	кПа	%	кПа	%	кПа	%
1	р0 = рат
2	р0 > рат.
3	р0< рат.

17

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Гидравлика, гидромашины и гидропневмопривод: учеб. пособие для вузов/ Т.В. Артемьева, Т.М. Лысенко и др.; под ред. С.П. Стесина. – М.: Издательский центр «Академия», 2005. – 336 с.