Курс лекций для студентов специальности 092108 Теплогазоснабжение и вентиляция
 Скачать 4.93 Mb.
|
|
3.1. Определить поправочный множитель для чашечного манометра, если диаметр широкого сосуда D = 100 мм, диаметр измерительной трубки d = 5 мм, а также величину измеренного давления при подъеме рабочей жидкости (воды) в измерительной трубке на 150 мм. Исходя из соотношения (3.5), очевидно, что при повышении рабочей жидкости в измерительной трубке на какую-либо высоту, в широком сосуде рабочая жидкость опустится на величину, соответствующую 0025 , 0 100 5 2 2 2 2 = = D d этой высоты, т.е. на 0,25 %. При этом истинное давление, подведенное к манометру, составит + = 2 2 1 1 D d h g p ρ = ) ( 475 , 1 0025 , 1 150 , 0 81 , 9 1000 кПа = ⋅ ⋅ ⋅ = На практике чашечные манометры , несмотря на то , что их шкала градуирована в миллиметрах водяного столба , заполняются спиртом плотностью 0,81 г / см 3 , а образцовые приборы для увеличения точности отсчета снабжаются зеркальной шкалой Микроманометры являются лабораторными приборами и предназначаются для измерения малых давлений , разрежений или незначительных разностей давлений , определяемых несколькими миллиметрами водяного столба Применять описанные выше U- образные и чашечные манометры для измерения указанных давлений не оправдано из - за большой погрешнос ти этих приборов Для уменьшения погрешности в таких приборах применяют специальные оптические ус тройства , или трубке чашечного манометра придается наклонное положение При производстве технических измерений и измерений , требующих относительно быстрого отсчета , нашли широкое применение микроманометры с наклонной трубкой , так как микроманометры , снабженные оптическими устройствами , в этом случае неудобны 132 На рис .3.7 схематически показан микроманометр с переменным наклоном измерительной трубки типа ММН и его общий вид При измерении давления его импульс подводится к широкому сосуду , а при измерении разрежения - к наклонной трубке В случае измерения разности давлений большее давление подводят к широкому сосуду , а меньшее - к трубке Рис . 3.7 - Схема и общий вид микроманометра с наклонной трубкой : 1 - широкий сосуд ; 2 - наклонная трубка ; 3 - постамент ; 4 - установочная стойка ; 5 - установка нуля ; 6 - регулировочный цилиндр ; 7 - регулировочный винт ; 8 - многоходовой кран Под действием измеряемого давления уровень рабочей жидкос ти в трубке , наклоненной к горизонту под углом α , поднимется по вертикали на высоту h 1 , а в широком сосуде опустится на h 2 Т огда раз ность высот в приборе будет равна : h = h 1 + h 2 ,где h 1 = n·sin α ( здесь n – перемещение рабочей жидкости в наклонной трубке , α – угол наклона измерительной трубки ). Если F 1 – площадь сечения измерительной , а F 2 – площадь сечения широкого сосуда , то высота подъема жидкости в трубке определится в соответствии с выражением 133 ) (sin 2 1 F F n h + ⋅ = α или ) (sin 2 1 F F n g h g p + ⋅ ⋅ ⋅ = ⋅ ⋅ = α ρ ρ (3.6) В данном приборе с изменением наклона трубки изменяется предел измеряемых давлений Чем меньше угол наклона α, тем меньше предел измерения и тем выше точность измерений при одной и той же шкале и рабочей жидкости Однако , угол наклона α < 15 0 приводит к увеличению неточности показаний за счет размывания ( вытягивания ) мениска в измерительной трубке Шкала микроманометра ММН градуируется в мм водяного с толба для рабочей жидкос ти – спирта Микроманометры данного типа выпускаются с классом точности 0,5 и 1,0. Для более точных измерений в лабораторных условиях применяются чашечные микроманометры с оптическим устройством , например микроманометр типа АЛД конструкции Е Ф Долинского , имеющие класс точности 0,05 и 0,1. При использовании жидкостных приборов , предназначенных для измерения давления , необходимо принимать во внимание неизбежные погрешности вследствие неточности отсчета по шкале высоты столба жидкости При производстве точных измерений , кроме этого , необходимо учитывать погреш ности , обусловленные влиянием температуры и ускорением силы тяжести Как было сказано выше , при измерении давления или разрежения жидкостными приборами за меру давления принимают высоту столба жидкости h, выраженную в миллиметрах водяного столба или миллиметрах ртутного столба , при этом столб ж идкости относят соответственно к 4 0 С для воды или к 0 0 С для ртути и нормальному ускорению силы тяжес ти (9,8066 м / с 2 ). В действительнос ти же высота столба жидкости по манометру отсчитывается при некоторых рабочих значениях температуры и ускорения силы тяжести Поэтому необходимо непосредственный отсчет по манометру корректировать , т е приводить его показания к нормальным условиям При этом длину шкалы 134 жидкостного прибора обычно приводят к 20 0 С , т к деления шкалы наносятся и выверяются при этой температуре Если h t - разность уровней рабочей ж идкости в приборе , отсчитанная при температуре t, то разнос ть уровней h 0 при нормальной температуре t 0 в общем виде будет равна : ) ( 1 ) 20 ( 1 0 0 t t t h h t − ⋅ + − ⋅ + ⋅ = β α (3.7) или [ ] { } ) 20 ( ) ( 1 0 0 − ⋅ − − ⋅ − ⋅ = t t t h h t α β , (3.8) где α – коэффициент линейного расширения материала шкалы , град -1 ; β – коэффициент расширения рабочей жидкости при 20 0 С , град -1 Определив величину h 0 при нормальной температуре t 0 и ускорении свободного падения в месте измерения , находят высоту с толба h H , соответс твующую нормальному ускорению падения по формуле g g h h ϕ ⋅ = 0 Н , (3.9) где g и g φ – ускорение свободного падения нормальное и в данной местности , соответс твенно , м / с 2 Подс тавляя значение h 0 из формулы (3.7) в (3.8), соответс твенно получим : [ ] { } ) 20 ( ) ( 1 0 Н − ⋅ − − ⋅ − ⋅ ⋅ = t t t g g h h t α β ϕ (3.10) 3.3.2. Барометрыртутные Барометры предназначаются для измерения атмосферного давления Применение их в технике необходимо главным образом при определении абсолютного давления Ртутные барометры различают двух типов : чашечные и сифонные Наиболее распространенными являются чашечные барометры На рис .3.8 показан ртутный чашечный барометр В барометре этого типа стеклянный сосуд и трубка заключены в металлическую оправу 3. В верхней 135 части этой оправы имеется сквозная прорезь 1 для наблюдения поверхности мениска ртути Вдоль прорези на оправе нанесены деления шкалы с учетом изменения уровня ртути в сосуде 2. В прорези оправы помещен специальный визир 5, снабженный нониусом , передвигаемый при помощи винта 4. Рис . 3.8 - Барометр ртутно - чашечный Этим винтом осуществляется точная наводка визира на вершину мениска ртути , обеспечивая тем самым над - лежащую точность отсчета Барометр должен находиться в вертикальном положении , для чего он свободно подвешивается на кольце 6. Снаружи к прибору прикреплен термометр 7, по которому контролируется температура ртутного столба и шкалы барометра Шкалы барометров градуируют в миллиметрах ртутного столба или в миллибарах За меру барометри - ческого давления , как известно , принимают высоту ртутного столба , выраженную в миллиметрах или миллибарах при 0 0 С и нормальном ускорении силы тяжести В действительнос ти же высота ртутного столба по барометру отсчитывается при иных значениях температуры и ускорения силы тяжести Поэтому , как и в предыдущем случае , непосредственный отсчет по барометру необходимо корректировать , т е приводить его показания к нормальным условиям , пользуясь для этой цели формулой : [ ] g g t h h φ α β ⋅ ⋅ − − ⋅ = ) ( 1 б Н , (3.11) где h б - высота ртутного столба , отсчитанная по барометру при температуре t, мм; β - коэффициент расширения ртути ; α – коэффициент линейного расширения материала шкалы барометра ; 1 2 3 4 5 6 7 136 остальные обозначения соответс твуют , принятым в формуле (3.10). Значение ускорения свободного падения для данной местности может быть определено по следующей формуле [ ] ) 10 2 cos 0026 , 0 1 7 H g g ⋅ ⋅ − ⋅ − ⋅ = − φ φ , (3.12) где φ – географическая широта ; Н – высота над уровнем моря , м Для точного определения барометрического давления по ртутному барометру необходимо вводить поправки : - на инструментальную погрешность прибора С 1 ( указывается в паспорте прибора ); - на температуру С 2 , определяемую в соответствии с формулой С 2 = h t · ( β – α ) · t; - на ускорение свободного падения С 3 , определяемое в соответс твии с формулой : С 3 = h 0 · ( g g φ -1). Таким образом , действительная величина барометрического давления с учетом всех поправок должна определяться в соответствии с выражением : 3 2 1 б Н С С С h h + + + = (3.13) При необходимости узнать барометрическое давление в данной местности поправка С 2 в уравнение (3.13) не вводится 3.4. Приборыдавлениясупругимичувствительнымиэлементами Приборы давления основаны на использовании деформации или изгибающего момента упругих чувствительных элементов ( УЧЭ ), воспринимающ их давление среды и преобразующих его в перемещение или усилие Эти приборы применяют в различных отраслях техники для широкого диапазона измерения давления – от 50 Па до 1000 МПа Они изготовляются в виде манометров , вакуумметров , тягомеров , напоромеров , тягонапоромеров и мано - вакуумметров Приборы давления с УЧЭ подразделяются на следующ ие типы : 137 - приборы прямого действия показывающие и самопишущие , у которых перемещение центра или свободного конца УЧЭ вызываемое действием давления , преобразуется в перемещение отсчетного устройства ( стрелки ) для показания или для показания и записи измеряемой величины на диаграммной бумаге ; - приборы давления прямого действия и реле давления ( без отсчетных устройств ), снабженные электроконтактами и предназначенные в основном для сигнализации отклонения давления от заданного значения , а также для работы в схемах защиты , блокировки или позиционного регулирования - первичные приборы давления , с отсчетными устройс твами или без них , снабженные передающими преобразователями с унифицированными выходными токовыми или пневматическими сигналами для дис танционной передачи информации Приборы этого типа могут использоваться в системах автоматического регулирования и управления , а также подключаться ко вторичным приборам и к вычислительной технике В зависимости от назначения приборы давления с упругими чувствительными элементами подразделяются на образцовые и рабочие В качес тве упругих чувствительных элементов в этих приборах используются мембраны , мембранные коробки , сильфоны и трубчатые пружины , которые также применяются в дифманометрах Одной из основных характеристик упругого чувствительного элемента является зависимость перемещения его рабочей точки λ от действующей нагрузки р ( давления или разнос ти давлений ). Статическая характеристика УЧЭ λ = f ( р ) в зависимости от его конструкции и способа нагружения может быть линейной и нелинейной Обычно предпочитают УЧЭ с линейной статической характерис тикой , а в случае нелинейной характеристики для получения равномерной шкалы прибора применяются различные спрямляющ ие устройства Важными параметрами , определяющими рабочие качества упругого чувствительного элемента , являются его жесткость и чувствительнос ть - 138 величина , обратная жесткости Если статическая характерис тика УЧЭ линейна , то жесткос ть равна отношению силы давления к соответствующему перемещению : Па/м) ( λ p k = (3.14) Чувствительнос ть упругого элемента представляет собой величину , обратную жесткости : м/Па) ( p S λ = (3.15) При нелинейной статической характеристике УЧЭ жесткость и чувствительнос ть определяются по следующим выражениям : Па/м) ( λ d dp k = и м/Па). ( dp d S λ = (3.16) Перемещение рабочей точки ( участка ) УЧЭ под действием давления или разности давлений определяется влиянием сосредоточенной силой давления , определяемой по следующим выражениям : эф F p q ⋅ = или эф F p q ⋅ ∆ = , (3.17) где q – сила давления на УЧЭ , Н ; ∆ р – перепад ( разность ) давлений , Па ; F эф – эффективная площадь УЧЭ , м 2 Рис . 3.9 - Статическая характеристика УЧЭ с гистерезисом Для обеспечения надежной работы упругого чувствительного элемента необходимо , чтобы величина напряжений , возникающих в материале его под действием внешних и в нутренних сил , не превышала предела упругости Вследствие несовершенства упругих свойств реальных материалов статическая характеристика λ = f ( р ) чувствительного элемента при увеличении и уменьшении 139 нагрузки в пределах упругих деформаций неоднозначна и образует так называемую петлю гис терезиса ( см рис . 3.9). Величина гис терезиса является важной характерис тикой , т к он определяет погрешнос ть прибора Существенное влияние на гистерезис оказывают химический состав , структура материала и значение напряжений в материале чувствительного элемента Гистерезис выражается обычно в процентах и вычисляется по следующей формуле : 100 м ⋅ ∆ = макс акс Г λ λ δ (3.18) Определение величин ∆λ макс и λ макс производится экспериментальным путем в соответс твии с рис . 3.9. Несовершенство свойств материала УЧЭ может влиять и на изменение его деформаций во времени при приложении одинаковых нагрузок Такое явление называется последействием Различают следующие виды последействия : упругое , пластическое и релаксацию При упругом последействии упругие элементы после снятия напряжения в течение некоторого времени возвращаются в исходное состояние , в результате чего с трелка прибора не сразу возвращается на нуль Упругое последействие , складываясь с « чистым » гистерезисом , дает увеличение петли гистерезиса Стабильность характеристик упругого чувствительного элемента во времени может измениться вследствие пластической ползучести материала , которое может возникнуть при нормальной температуре и напряжениях , меньших предела упругости Это связано с неоднородностью с труктуры материала и появлением в его микрообъемах остаточных напряжений при изготовлении Пластическое течение материала во времени проявляется в форме пластического последействия и релаксации Под пластическим последействием понимают явление , при котором некоторая часть деформации в чувствительном элементе сохраняется при полной его разгрузке по ис течении любого интервала времени Известно , что 140 увеличение пластической деформации приводит к уменьшению упругой деформации , а вместе с тем к уменьшению напряжений в материале чувствительного элемента По истечении дос таточно длительного времени напряжения в чувствительном элементе могут полностью исчезнуть Ослабление напряжений с течением времени при условии пос тоянной деформации называется релаксацией напряжений Интенсивная релаксация напряжений в упругом чувствительном элементе может быть причиной выхода его из строя и разрушения Для уменьшения релаксации и последейс твия чувствительные элементы при изготовлении подвергаются стабилизации – специальной технологической обработке , при которой пластическое течение материала заканчивается Упругие чувствительные элементы изготавливаются из пластичных материалов , обладающих необходимой упругостью К таким материалам относятся дисперсионно - твердеющие сплавы бронзы Бр Б 2; Бр Б 2,5, сталь Н 36 ХТЮ и др При использовании приборов давления с упругими чувствительными элементами могут возникать дополнительные температурные погреш ности , связанные с изменением линейных размеров чувствительного элемента |