Лаб. Измерение давления

• Название: Измерение давления
• Анкор: Лаб.1
• Дата: 22.01.2022
• Размер: 0.55 Mb.
• Имя файла: lab1.doc
• Тип: Методические указания; #339036

Министерство образования и науки России

Федеральное государственное бюджетное образовательное

учреждение высшего профессионального образования

«Казанский национальный исследовательский

технологический университет»

ИЗМЕРЕНИЕ ДАВЛЕНИЯ

Методические указания

к лабораторной работе
2012

Министерство образования и науки России

Федеральное государственное бюджетное образовательное

учреждение высшего профессионального образования

«Казанский национальный исследовательский

технологический университет»

ИЗМЕРЕНИЕ ДАВЛЕНИЯ

Методические указания

к лабораторной работе


Казань

КНИТУ

2012
Составители: доц. М.Ю. Перухин

доц. В.П. Ившин
Измерение давления: методические указания к лабораторной работе / М.Ю. Перухин, В.П. Ившин; М-во образ. и науки России, Казан. нац. исслед. технол. ун-т. – Казань: КНИТУ, 2012 – 20 с.


Изложен материал по выполнению лабораторной работы «Измерение давления». Приведено описание экспериментальной установки, даны краткие теоретические положения по изучаемой теме и методика проведения работы.

Предназначены для студентов всех форм обучения механических и технологических специальностей при изучении ими курса автоматизации технологических процессов.

Подготовлены на кафедре автоматизированных систем сбора и обработки информации.

Печатаются по решению методической комиссии института управления, автоматизации и информационных технологий Казанского национального исследовательского технологического университета.

Рецензенты: зав. каф. АТПП КГЭУ д-р. техн. наук,

проф., К.Х. Гильфанов

доц. каф. АиУ КНИТУ (им. А.Н. Туполева),

канд. техн. наук, С.А. Терентьев

Лабораторная работа №1

ПРИБОРЫ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ

Цель работы: изучить принцип действия и устройство приборов давления с упругими чувствительными элементами; ознакомиться с методами и средствами их поверки.
Под давлением в общем случае понимают предел отношения нормальной составляющей силы к площади, на которую действует сила (рис. 1). При равномерном распределении сил давление равно частному от деления нормальной составляющей силы давления на площадь, на которую эта сила действует.

Д авление является одним из важнейших параметров химико-технологических процессов. От величины давления зависит протекание технологического процесса. Величина единицы давления зависит от выбранной системы единиц (табл. 1).

Р
Рис .1. Действие силы к площади


азличают абсолютное и избыточное давление. Абсолютное давление P_а – давление, отсчитанное от абсолютного нуля. Избыточное давление Р_и представляет собой разность между абсолютным давлением P_а и барометрическим давлением Р_б (т.е. давлением воздушного столба земной атмосферы) [1]:
Р_и = Р_а – Р_б
Если абсолютное давление ниже барометрического, то
Р_В = Р_б – Ра,
где P_в – разрежение.

Единицы измерения давления приведены в табл. 1.

Таблица 1

Соотношение между единицами давления

Единицы давления	кгс / м2 или мм вод. ст.	кгс/ см2 или атм.(техн. атмосфера)	атм. (физичеcкая атмо­сфера)	мм рт. ст.	Н/м2
1 кгс/м2 или 1 мм вод. ст.	1	10-4	0,0968·10-3	73,556·10-3	9,80665
1 кгс/см2 или 1 атм. (техн. атмо­сфера)	104	1	0,9678	735,56	98066,5
1 атм. (физи­ческая атмо­сфера)	10332	1,0332	1	760,00	101 325
1 мм рт. ст.	13,6	1,36·10-3	1, 316·10-3	1	133,322
1 Н /м2	0,102	10,2·10-6	10,13·10-6	7,50·10-3	1

Приборы для измерения давления по виду измеряемого давления подразделяются на:

а) манометры – для измерения абсолютного и избыточного давления;

б) вакуумметры – для измерения разряжения (вакуума);

в) мановакуумметры – для измерения избыточного давления и вакуума;

г) напоромеры – для измерения малых избыточных давлений (до 40 кПа);

д) тягомеры – для измерения малых разряжений (до минус 40 кПа);

е) тягонапорометры – для измерения разряжений и малых избыточных давлений;

ж) дифференциальные манометры – для измерения разности давлений;

з) барометры – для измерения барометрического давления атмосферного воздуха [1].

По принципу действия приборы для измерения давления делятся:

а) на жидкостные, основанные на уравновешивании измеряемого давления гидростатическим давлением столба жидкости;

б) на деформационные (пружинные), измеряющие давление по величине деформации различных упругих элементов или по развиваемой ими силе;

в) на поршневые манометры;

г) на электрические, основанные либо на преобразовании давления в какую-нибудь электрическую величину, либо на изменении электрических свойств материала под действием давления [1].
Жидкостные манометры
Жидкостные манометры отличаются простотой конструкции и сравнительно высокой точностью измерения. Их широко при­меняют как в качестве переносных (лабораторных), так и тех­нических приборов для измерения давления.

Переносной U-образный манометр, представляющий собой согнутую в виде буквы U стеклянную трубку 1, показан на рис.2. Трубка закреплена на доске 2 со шкалой 3, расположенной между коленами трубки, и заполнена жидкостью (спиртом, во­дой, ртутью). Один конец трубки соединен с полостью, в кото­рой измеряется давление, другой конец трубки сообщается с атмосферой.

Под действием измеряемого давления жидкость в трубке перемещается из одного колена в другое до тех пор, пока измеряемое давление не уравновесится гидростатическим давлением столба жидкости в открытом колене. Если давление в полости, с которой соединен прибор, ниже атмосферного, то жидкость в коленах переместится в обратном направлении, и высота ее столба будет соответствовать вакууму.

Присоединив оба колена трубки к полостям с различными давлениями Р₁ и Р₂, можно определить разность давлений. Манометр заполняют жидкостью до нулевой отметки шкалы. Для определения высоты столба жидкости необходимо сделать два отсчета (снижение в одном колене и подъем в другом) и суммировать их величины, т. е.
H = h₁ + h₂ [1].



Рис.2. U – образный манометр

Деформационные манометры
Классификация пружинных приборов для измерения давления по типу чувствительного элемента
По виду упругого чувствительного элемента (рис.3) пружинные приборы делятся на следующие группы [1]:

1) приборы с трубчатой пружиной, или собственно пружинные (рис. 3а, б);

2) мембранные приборы, у которых упругим элементом служит мембрана (рис. 3в), анероидная или мембранная коробка (рис. 3г, д), блок анероидных или мембранных коробок (рис. 3е, ж);

3) пружинно-мембранные с гибкой мембраной (рис. 3з);

4) приборы с упругой гармониковой мембраной (сильфоном) (рис. 3к);

5) пружинно-сильфонные (рис. 3и).

Рис. 3. Виды упругих чувствительных элементов
Манометры с одновитковой трубчатой пружиной
Действие пружинных приборов основано на измерении величины деформации различного вида упругих элементов. Деформация упругого чувствительного элемента преобразуется передаточными механизмами того или иного вида в угловое или линейное перемещение указателя по шкале прибора.

Наиболее широко применяются приборы (манометры, вакуумметры, мановакуумметры и дифманометры) с одновитковой трубчатой пружиной. Основная деталь прибора с одновитковой трубчатой пружиной – согнутая по дуге окружности трубка эллиптического или плоскоовального сечения (рис. 4). Одним концом трубка заделана в держатель, оканчивающийся ниппелем с резьбой для присоединения к полости, в которой измеряется давление. Внутри держателя есть канал, соединяющийся с внутренней полостью трубки (рис. 4).

Рис .4. Схема трубчатой пружины (а) и ее

эллипти­ческое (б), плоскоовальное (в) поперечные сечения:

1 – трубка; 2 – держатель
Если в трубку подать жидкость, газ или пар под избыточным давлением, то кривизна трубки уменьшится, и она распрямляется; при создании разрежения внутри трубки кривизна ее возрастает, и трубка скручивается. Так как один конец трубки закреплен, то при изменении кривизны трубки ее свободный конец перемещается по траектории, близкой к прямой, и при этом воздействует на передаточный механизм, который поворачивает стрелку показывающего прибора. Свойство изогнутой трубки некруглого сечения изменять величину изгиба при изменении давления в ее полости, является следствием изменения формы сечения. Под действием измеряемого давления внутри трубки эллиптическое или плоскоовальное сечение, деформируясь под действием силы
F = P·S,
где S – площадь воздействия давления, приближается к круговому сечению (малая ось эллипса или овала увеличивается, а большая –уменьшается) [1].
Грузопоршневые манометры
Принцип действия грузопоршневых манометров основан на уравновешивании измеряемого давления силой веса положенных на поршень грузов. Грузопоршневые манометры обладают высокой точностью воспроизведения давления и широким диапазоном измерений – от 0,098 до 980 МН/м² (от 1 до 10000 кгс/см²), поэтому они применяются в основном для градуировки и поверки средств измерения давления [2].

Образцовый грузопоршневой манометр (рис. 5) состоит из колонки, укрепленной на станине прибора, в которой имеется вертикальный цилиндрический канал, в нем движется пришлифованный поршень, несущий на верхнем конце тарелку для установки грузов. Верхняя часть колонки снабжена воронкой для сбора масла, просачивающегося через зазор между поршнем и цилиндром. В станине высверлен горизонтальный канал, в расширенной части которого движется посредством винтового штока поршень 7, уплотненный манжетами. Канал в станине соединяется с каналом колонки и каналами двух бобышек, предназначенных для укреп­ления поверяемых манометров. Кроме того, с каналом станины соединен канал воронки 8, которая служит для заполнения системы маслом. Каналы для отсоединения их от канала станины снабжены игольчатыми вентилями 9-12. Назначение вентиля 13 – спуск масла из прибора. Максимальное давление, создаваемое грузами, 4,90 МН/м² (50 кгс/см²). Рассчитывается по формуле:

где f_эф – эффективная площадь сечения штока поршня. Для поверки манометров на большее давление пользуются поршневым прессом, отсоединив от прибора поршневую колонку 1 вентилем 10. В качестве при­бора сравнения применяют образцовый пружинный манометр: его присоединяют к одной из бобышек 4, а поверяемый прибор – к другой бобышке [3].



Рис. 5 . Схема образцового грузопоршневого манометра:

1 – колонка; 2 – поршень; 3 и 8– воронки; 4– бобышки;

5 – канал; 6 – тарелка; 7 – поршень; 9 – 13 – вентили
Электрические манометры
Принцип действия приборов основан на измерении электрических величин, связанных с измерением давления [2]. Чувствительные элементы электрических манометров производят непосредственное преобразование давления в какую-либо электрическую величину, функционально связанную с давлением. Различают емкостные датчики давления, пьезоэлектрические и др.

Емкостный манометр
Емкостные преобразователи используют метод изменения емкости конденсатора при изменении расстояния между обкладками. Известны керамические или кремниевые емкостные первичные преобразователи давления и преобразователи, выполненные с использованием упругой металлической мембраны. При изменении давления мембрана с электродом деформируется и происходит изменение емкости.

В элементе из керамики или кремния пространство между обкладками обычно заполнено маслом или другой органической жидкостью (рис. 6).

Рис. 6. Емкостный керамический преобразователь давления
Пьезоэлектрический датчик давления
Н а рис. 7 показано устройство пьезоэлектрического датчика давления с двумя кварцевыми пластинами [4].

И
Рис. 7. Пьезоэлектрический датчик давления


змеряемое давление действует на мембрану 1, представляющую собой дно корпуса датчика. Кварцевые пластины 2 зажаты между металлическими прокладками 3. Средняя прокладка 3 соединена с выводом 4, проходящим через экранированную втулку 5 из изоляционного материала. Крышка 6 соединяется с корпусом и через шарик 7 передает давление пластинам, благодаря чему измеряемое давление распределяется по поверхности кварцевых пластин более равномерно.

Кварцевые пластины обычно расположены таким образом, что в измерительную схему подается отрицательный потенциал. Положительный потенциал подается на корпус датчика. Для уменьшения утечки зарядов необходима очень качественная изоляция. С этой же целью поверхность кварцевых пластин тщательно полируют. Использование двух (а иногда и больше) пластин повышает выходную ЭДС, поскольку выходные сигналы пластин складываются [4].

Пьезоэлектрический датчик подобен электрическому конденсатору. Количество электричества q, появившееся под воздействием механической силы, заряжает грани пьезоэлемента и соединенные с ним проводники до напряжения U, определяемого как

где С – емкость между проводниками (включая емкость пьезоэлемента).
Устройство и принцип действия датчика

избыточного давления «Сапфир-22 ДИ»
Датчик САПФИР-22ДИ (рис.8) для измерения избыточного давления состоит из измерительного блока 4 и унифицированного электронного устройства 5. Внутри основания 2 блока 4 размещен мембранный тензопреобразователь 7, полость 8 которого заполнена кремнийорганической жидкостью и отделена от измеряемой среды гофрированной мембраной 10. Мембрана приварена по наружному контуру к основанию 2. Чувствительным элементом тензопреобразователя является пластина из монокристаллического сапфира с кремниевыми пленочными тензорезисторами, прочно соединенная с мембраной 10. Основное свойство тензорезисторов – способность изменять свое электрическое сопротивление в зависимости от степени прогиба мембраны тензопреобразователя [5].

Измеряемая величина (давление среды в технологическом аппарате или трубопроводе) подается в камеру 11 фланца 9 измерительного блока и через жидкость, заполняющую тензопреобразователь, воздействует на мембрану, вызывая ее прогиб и изменение электрического сопротивления тензорезисторов. Электрический сигнал от тензопреобразователя передается из измерительного блока в электронное устройство 5 по проводам через вывод 6. Электронное устройство преобразует этот сигнал в токовый выходной сигнал манометра, значение которого зависит от измеряемого давления [5].



Рис. 8. Датчик САПФИР – 22ДИ:

1 – прокладка; 2 – основание; 3 – полость;

4 – измерительный блок; 5 – электронное устройство;

6 – гермовывод; 7 – мембранный тензопреобразователь;

8 – полость тензопреобразователя; 9 – фланец;

10 – мембрана; 11 – камера



Методы и средства поверки манометров
Под поверкой понимается определение метрологическими организациями погрешностей средств измерений и установление пригодности их к дальнейшей эксплуатации. Поверка измерительных приборов может осуществляться двумя способами [2].

Первый способ заключается в измерении при помощи поверяемого прибора соответствующих физических величин, воспроизводимых их мерами. При этом меры должны иметь определенный разряд и класс точности. Значения мер выбираются равными значениям контролируемых отметок шкалы поверяемого прибора. За основную погрешность прибора принимается наибольшая разность между его показанием и соответствующим этому показанию размером образцовой меры [2].

Второй способ состоит в сличении показаний поверяемого и образцового приборов при подаче на их вход одних и тех же величин. За основную погрешность поверяемого прибора в этом случае принимается максимальное отличие его показания от соответствующего показания образцового прибора.

При поверке важным является вопрос выбора оптимального соотношения между классами точности поверяемого и образцового средств измерений. Считается, что предел основной допускаемой приведенной относительной погрешности поверяемого прибора должен втрое-вчетверо превышать класс точности образцового прибора [2].

Содержание работы

1. 
   Изучить устройство и принцип действия деформационных манометров.
   
2. 
   Произвести поверку технического или образцового манометров с трубчатой одновитковой пружиной по образцовому пружинному манометру.
   

Описание экспериментальной установки

1. 
   Подать сжатый воздух к стенду поворотом маховичка вентиля 1 против часовой стрелки. Очистка воздуха осуществляется фильтром 2 (рис. 9).
   
2. 
   Плавно поворачивая маховичок редуктора 3 по часовой стрелке, установить давление, соответствующее первой поверяемой числовой отметке шкалы прибора.
   
3. 
   Записать показания поверяемого прибора 4 и образцового манометра 5 в таблицу результатов поверки.
   
4. 
   Повторить операции 2 и 3 на других поверяемых числовых отметках шкалы прибора.
   
5. 
   Выдержать поверяемый прибор под давлением, равным верхнему пределу измерений, в течение пяти минут.
   
6. 
   Продолжить поверку на тех же числовых отметках шкалы поверяемого прибора, но при плавном понижении давления (обратный ход). Понижение давления достигается поворотом маховичка редуктора 3 против часовой стрелки.
   

Рис. 9. Пневматический стенд для поверки манометров

7. 
   После проведения поверки выключить питание стенда сжатым воздухом поворотом маховичка вентиля 1 по часовой стрелке.
   

Обработка и оформление результатов поверки
Обработка и оформление результатов поверки производится в следующей последовательности.

1. 
   Определить основную абсолютную погрешность при прямом ₁ и обратном ₂ ходе стрелки прибора:
   

₁=Р – Р₁,
₂=Р – Р₂,
где Р – показания поверяемого прибора; Р₁, Р₂ – показания образцового прибора соответственно при прямом и обратном ходе.

2. 
   Найти вариацию показаний:
   

V=| Р₁ – Р₂ |.

3. 
   Вычислить приведенную наибольшую погрешность:
   

где _max – наибольшая из абсолютных погрешностей, полученных экспериментально; Р_{ШК. MAX} – верхний предел измерения поверяемого прибора.

4. 
   Рассчитать приведенную наибольшую вариацию:
   

_{ } ,
где V_max – наибольшая из вариаций, полученных экспериментально.

5. 
   Установить предел допускаемой основной абсолютной погрешности поверяемого прибора:
   

где К – класс точности поверяемого прибора.

6. 
   По результатам поверки и расчетов сделать вывод о соответствии поверяемого прибора классу точности, указанному на его шкале. Заполнить протокол по образцу (таблица).
   

7. 
   Составить отчет по лабораторной работе, который включает дату выполнения, номер, название и цель работы, протокол поверки с заключением о годности поверяемого прибора.
   

Таблица

ПРОТОКОЛ
поверки манометра типа_______ №_______ с пределами измерения от _______до________кгс/см² класса точности _____.

Поверка производилась по образцовому манометру типа ______, № ___________ с верхним пределом измерений ______________.

Показания поверяемого прибора Р, кгс/см2	Показания образцового прибора				Погрешности поверяемого прибора
	Прямой ход		Обратный ход		Абсолютная		Вариация V, кгс/см2
	деления шкалы	Р1, кгс/см2	деления шкалы	Р2, кгс/см2	Прямой ход 1, кгс/см2	Обратный ход 2, кгс/см2
Задается преподавателем

Заключение:

Наибольшая приведенная основная погрешность прибора _____%, наибольшая приведенная вариация _____%, предел допускаемой основной абсолютной погрешности поверяемого прибора _____кгс/см².

Прибор (не)соответствует классу точности, указанному на его шкале.

Поверку производил Подпись

Контрольные вопросы

1. 
   Классификация приборов для измерения давления по типу чувствительного элемента.
   
2. 
   Дать определение понятия «давление». Единицы измерения давления и соотношения между ними.
   
3. 
   Классификация манометров по виду измеряемого давления.
   
4. 
   Определение понятия «поверка». Способы поверки средств измерения.
   
5. 
   Возможные источники систематических погрешностей приборов с упругим чувствительным элементом.
   
6. 
   Классификация погрешностей измерения.
   
7. 
   Систематические погрешности, причины их возникновения и способы устранения.
   
8. 
   Что понимается под абсолютной, относительной и приведенной относительной погрешностями? Что такое вариация показания прибора?
   
9. 
   Что такое класс точности прибора?
   
10. 
    Устройство и принцип действия грузопоршневого манометра МП – 2,5.
    
11. 
    Порядок выполнения поверки.
    
12. 
    Устройство, принцип действия и область применения приборов с упругими пружинными чувствительными элементами.
    
13. 
    Требования к специальным приборам для измерения давления.
    

ЛИТЕРАТУРА

1. 
   Кулаков, М.Н. Технологические измерения и приборы для химических производств / М.Н. Кулаков. – М.: Машиностроение, 1974. – 464 с.
   
2. 
   Приборы измерения и контроля систем управления технологическими процессами: метод. указания к лабораторным работам / сост. В.М. Анкудинов [и др.]; Казан. гос. технол. ун-т. – Казань, 2002. – 60 с.
   
3. 
   Герке, А.Р. Технические средства контроля в системах управления технологическими процессами: учебное пособие / А.Р. Герке [и др.] – Казань: Казан. гос. технол. ун-т, 2007. – 80 с.
   
4. 
   Келим, Ю.М. Типовые элементы систем автоматического управления: учебное пособие для студентов учреждений среднего профессионального образования / Ю.М. Келим. – М.: ФОРУМ; ИНФРА-М, 2002. – 384 с.
   
5. 
   Ившин, В.П. Интеллектуальная автоматика в курсовых и дипломных проектах: учебное пособие / В.П.Ившин [и др.] – Казань: Казан. гос. технол. ун-т, 2009. – 298 с.