килибровка манометров. Исправлена 6. Приборы для измерения давления и разрежения
 Скачать 322.5 Kb.
|
|
Лабораторная работа ПРИБОРЫ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ И РАЗРЕЖЕНИЯ Цель работы: Ознакомление с принципом действия и конструкцией приборов для измерения давления и разрежения, а также с методикой поверки грузопоршневых манометров. Инструменты и принадлежности к работе Поверяемый манометр. Образцовый пружинный манометр типа МО, класса 0,4. Образцовый грузопоршневой манометр III разряда, класса 0,2, типа МП-60. Основные понятия и классификация приборов для измерения давления Под давлением жидкости, газа или пара понимают величину, характеризующую интенсивность сил, действующую на какую-нибудь часть поверхности тела по направлениям, перпендикулярным этой поверхности. Давление определяется отношением силы, равномерно распределенной по нормальной к ней поверхности, к площади этой поверхности. Единицей давления в СИ является паскаль (Па). Паскаль — давление, вызываемое силой 1 Н, равномерно распределенной по поверхности площадью 1 м2 и нормальной к ней. Различают атмосферное, избыточное, вакуумметрическое и абсолютное давление. Атмосферное (барометрическое) давление рб— это давление окружающей среды. Оно непостоянно и зависит от высоты местности над уровнем моря, географической широты и метеорологических условий. Абсолютное давление ра— измеряемое давление среды. Оно может быть больше или меньше атмосферного. Избыточное давление ризб определяется как превышение измеряемого давления среды над атмосферным, т. е. ризб = ра—рб, Вакуумметрическое давление рвхарактеризует разрежение (вакуум) в среде, т. е. рв= рб—ра. Вакуумметрические давления можно выразить относительной величиной в процентах:  (6.1)Приборы для измерения давления классифицируются по принципу действия, по уровню измеряемого давления, классу точности. По принципу действия приборы делятся на: жидкостные, у которых измеряемое давление сравнивается с гидростатическим давлением столба жидкости; грузопоршневые, которые основаны на сравнении измеряемого давления с давлением, создаваемым аттестованными грузами, действующими на калиброванный плунжер; деформационные (пружинные), у которых измерение давления производится по деформации различных упругих элементов, возникающей под действием регистрируемого давления; электрические, основанные на прямом или косвенном преобразовании давления в какую-либо электрическую величину. Приборы данного типа широко применяются в лабораториях для исследовательских целей; 5) прочие, к которым можно отнести тепловые, акустические, оптические и др. По уровню измеряемого давления приборы делятся на: манометры, предназначенные для измерения избыточного давления. Верхний предел измерения этих приборов до 1000 МПа; вакуумметры – приборы для измерения разрежений (вакуумметрических давлений); диапазон измерений от 0 до —0,1 МПа; напоромеры и тягомеры — приборы для измерения малых давлений и разрежений от +0,04 до —0,04 МПа; мановакуумметры — приборы для измерения избыточного давления (0,06—2,4 МПа) и разрежения (до —0,1МПа); манометры абсолютного давления; барометры — приборы, предназначенные для измерения атмосферного давления; дифференциальные манометры — приборы, обеспечивающие измерение разности двух давлений; микроманометры — лабораторные приборы повышенной точности для малых избыточных давлений. По метрологическому назначению все, существующие типы манометров можно разделить на три группы: 1) технические (рабочие); 2) лабораторные (контрольные); 3) образцовые (предназначенные для поверки других манометров). Установлен следующий ряд классов манометров: 0,005; 0,02; 0,05; 0,15; (6,16); (0,2); (0,25); 0,4; (0,5); 0,6; 1,0; 1,5; (1,6); 2,5; 4,0; 6. В скобках указаны классы приборов, использующихся реже других. Под классом точности прибора понимают предельное значение допустимых основных и дополнительных погрешностей его, выраженное в процентах от диапазона измерений данного прибора. Так, манометр класса 2,5 с предельными значениями шкалы 0 и 1 МПа может иметь относительную погрешность до 2,5 % от 1 МПа. Выбор класса прибора зависит от требуемой точности измерений и возможности осуществления всех условий (технических, экономических и организационных), необходимых для достижения этой точности. Одновременно с делением по классам точности образцовые приборы в зависимости от положения в поверочной схеме классифицируются по разрядам. Жидкостные манометры В жидкостных манометрах, или дифманометрах, измеряемое давление или разность давлений уравновешивается давлением столба жидкости. Измерение давления с помощью жидкостных манометров основано на изменении высоты столба (уровня) рабочей жидкости в стеклянной измерительной трубке в зависимости от прилагаемого давления. В качестве манометрической (рабочей) жидкости чаще всего используются: этиловый спирт, дистиллированная вода, ртуть. Использование этих веществ связано со стабильностью их физических свойств, незначительной вязкостью, несмачиваемостью стенок. Процесс измерения давления можно осуществить с высокой степенью точности. Простота устройства и легкость измерения являются причиной широкого распространения жидкостных манометров. К приборам этого типа относятся двухтрубные (U-образные, рисунок 6.1 а) и однотрубные чашечные (рис. 6.1 б) манометры, а также микроманометры.  а) б)Рисунок 6.1 - Схема U-образного (а) и однотрубного чашечного манометра (б) Двухтрубный манометр предназначен для измерения избыточных давлений или разности давлений. Шкала прибора обычно выполняется подвижной. Перед началом измерений производят проверку нуля, соединив с атмосферой оба колена U-образного манометра. При этом уровни рабочей жидкости устанавливаются на одной горизонтали ab. Перемещая шкалу прибора, совмещают нулевую отметку шкалы с установившимся уровнем жидкости. При соединении одного колена трубки с емкостью, в которой необходимо измерить давление, жидкость перемещается до тех пор, пока измеряемое давление не уравновесится давлением столба жидкости высотой H. Так как уровень жидкости в одной трубке повышается, а в другой понижается, то высота столба Н определяется как разность двух отсчетов. Этот недостаток U-образных манометров частично устранен в чашечном манометре, состоящем из сосудов разного диаметра. Измеряемое давление подается в плюсовой (широкий) сосуд, а разность уровней определяется путем снятия одного отсчета по минусовой тонкой трубке. Для сечения а-б (рисунок 6.1 а) справедливо следующее равенство сил:  (6.2)где ра и рб— абсолютное и атмосферное давление, Па; f — площадь отверстия измерительной трубки, м2; H — высота подъема столба жидкости, м;  — плотность рабочей жидкости, кг/м3; g— ускорение свободного падения, м/с2.Путем преобразования выражения (6.2) получим:  (6.3)Очевидно, что при измерении избыточного давления высота подъема рабочей жидкости не зависит от площади поперечного сечения трубок. Исходя из условий удобства работы с прибором (для ограничения высоты трубок манометра), при измерении избыточного давления 0,15 0,2 МПа рекомендуется в качестве рабочей жидкости использовать ртуть, при более низких давлениях воду или спирт. Чашечный и U-образный манометры не могут использоваться при измерении малых избыточных давлений и разрежений, так как погрешность измерений становится чрезмерно большой. В этих случаях применяются специальные чашечные манометры с наклонной трубкой (микроманометры)  Рисунок 6.2 – Схема микроманометра с наклонной трубкой Использование наклонной трубки (рисунок 6.2) позволяет, уменьшив угол  , при той же высоте подъема столба жидкости hувеличить его длину, что превышает точность отсчета. Измерение длины и высоты столба жидкости связано соотношением h = lsin . Отсюда  . Изменяя угол наклона трубки , можно изменять пределы измерений прибора. Минимальный угол наклона трубки 8—10°. Погрешность прибора не превышает ±0,5% конечного значения шкалы.Деформационные (пружинные) манометры Этот тип прибором походит наиболее широкое применение благодаря простоте конструктивных решений, достаточно высокой точности и надежности, а также небольшим габаритам. Деформационные манометры позволяют проводить измерения в широком диапазоне и передавать и осуществлять дистанционную регистрацию результатов. Работа приборов основана на измерении деформации упругого чувствительного элемента, возникающей в результате воздействия измеряемого давления. Деформация фиксируется отсчетным устройством прибора, градуированным в единицах давления. Деформационные манометры по виду упругого чувствительного элемента принято классифицировать на следующие группы прибором: с трубчатой пружиной, или, собственно, пружинные приборы; мембранные; пружинно-мембранные; сильфонные; пружинно-сильфонные приборы. Манометры с одновитковой трубчатой пружиной (рисунок 6.3) имеют металлическую трубку эллиптического или плоскоовального сечения, согнутую по дуге окружности. Один конец трубки через штуцер жестко соединен с полостью, в которой измеряется давление. Второй запаянный конец трубки свободен и соединен со стрелкой прибора. При изменении давления внутри трубки изменяется ее Кривизна, что фиксируется стрелкой показывающего прибора. Аналогичную конструкцию имеют вакуумметры и мановакумметры.   а) Рисунок 6.3 – Схема манометра с одновитковой трубчатой пружиной (а); схема трубчатой пружины (б); эллиптическое поперечное сечение (в); плоско-овальная поперечное сечение (г) Перемещение свободного конца трубчатой пружины находится в прямой зависимости от давления. Пружина работает в зоне пропорционального изменения напряжения и деформации, вследствие чего градуировка шкалы манометра равномерная. Однако перемещение свободного конца одновитковой пружины невелико (до 5—8 мм). При превышении предела пропорциональности незначительное приращение давления р приводит к появлению остаточной деформации пружины и погрешности измерения. На точность измерений трубчато-пружинными манометрами оказывает влияние упругий гистерезис трубки, определяемый как разность положения' конца трубки при одном и том же давлении при постепенном повышении (прямой ход) и понижении (обратный ход) давления, а также упругое последействие, которое проявляется в том, что при достижении некоторого давления деформация трубки продолжается, несмотря на то, что давление больше не изменяется. Упругий гистерезис и упругое последействие вызывают специфические погрешности всех деформационных манометров. Перемещение свободного конца тонкостенной трубчатой пружины эллиптического (овального) или плоско-овального поперечного сечения при создании избыточного давления p внутри трубки будет:  (6.4)В этой формуле: µ - коэффициент Пуассона материала трубки (для латуни и стали µ=0,3); E – модуль упругости материала трубки; aи b - полуоси поперечного сечения трубки; - радиус кривизны трубки;h – толщина стенки трубки;  - центральный угол трубки; - главный параметр трубки  ; и  - безразмерные коэффициенты, величина которых зависит от формы поперечного сечения трубки и от отношения  .У трубчато-пружинных приборов чувствительность растет с уменьшением толщины стенок трубки, увеличением радиуса и центрального угла кривизны пружины, а также с увеличением отношения осей поперечного сечения трубки. Деформационные приборы изготавливаются для работы в качестве образцовых, контрольных и технических с классами точности от 0,2 до 4. Пределы измерения приборов от 0,1 до 1000 МПа, а по вакуумметрической части шкалы - до 0,1 МПа. Манометры с многовитковой трубчатой пружиной представляют собой приборы, имеющие как бы последовательно соединенные 6 - 9 одновитковых пружин. При этом развивается значительное усилие, что позволяет использовать многовитковые пружины в самопишущих манометрах. Приборы, использующие в качестве чувствительного элемента гофрированные мембраны (рисунок 6.4), мембранные коробки и блоки, применяются для измерения небольших избыточных давлений и разрежений (манометры, напоромеры и тягомеры), а также перепадов давлении (дифманометры). Гофрировка мембраны значительно уменьшает нелинейность характеристики и увеличивает чувствительность. Связь между прогибом и давлением в общем случае нелинейная. Для увеличения прогиба мембраны в приборах измерения малых давлений используется соединение мембран попарно в мембранные коробки, а коробок --- в блоки. Мембранные коробки в зависимости от конструкции могут быть анероидными и манометрическими.  Рисунок 6.4 - Схема анероидной (а) и манометрической мембранной коробки (б) Характеристику мембраны без жёсткого центра с гофрировкой периодического профиля можно рассчитать по формуле:  (6.5)где р — разность абсолютных давлений с двух сторон мембраны; Е —модуль упругости материала мембраны; h—толщина мембраны; R—радиус мембраны;  — прогиб мембраны в центре; и — коэффициенты, зависящие от формы профиля гофрировки, относительной глубины гофрировки и от величины коэффициента Пуассона материала мембраны. Рисунок 6.5 – Формы профиля гафрировки мембран (а); синусоидальная (б); пильчатая (в); трапециедальная (г) Манометры для измерения давлении давления 0.4 МПа, а также вакуумметры и мановакууметры могут иметь в качестве чувствительного элемента гофрированный тонкостенный цилиндрический сосуд (рисунок 6.6). При изменении давления изменяется высота сильфона, и шток перемещается и приводит в движение стрелку отсчетного устройства и перо самописца. а)   б)Рисунок 6.6 – Схема сильфонного манометра (а); разрез сильфона (б) Грузопоршневые манометры Грузопоршневые манометры отличаются высокой точностью и широким диапазоном измерений и используются исключительно в качестве образцовых приборов. Манометры 1-го, 2-го и 3-го разрядов имеют классы точности 0,02; 0,05 и 0,2. Принцип действия этих манометров основан на уравновешивании измеряемого давления с помощью аттестованных грузов. Устройство образцового манометра с простым неуплотненным поршнем показало на рис. 14.7.  В цилиндрическом канале стойки 6 находится поршень 7, верхний конец которого имеет тарелку 9 для установки сменных аттестованных грузов 8. Рисунок 6.7 – Схема грузопоршневого манометра Канал колонки сообщается с полостью цилиндра винтового пресса 15 и с двумя штуцерами 3 и 11, предназначенными для установки пружинных манометров 10. Каналы стойки и штуцера имеют запорные вентили 14, 2 и 12. Для слива рабочей жидкости предусмотрен канал с запорным вентилем 13. В качестве рабочей жидкости используется трансформаторное или вазелиновое масло, которым заполнена вся система, атакже резервуар 4, который может отключаться от системы вентилем 5. На поршень 7, свободно перемещающийся в канале колонки 6, действуют две противоположно направленные силы: сила давления жидкости и вес положенных на поршень грузов.  (6.6)При равновесии поршня, где G и Gi — вес поршня и аттестованных грузов; S— площадь поршня. Формула справедлива в случае, когда можно пренебречь силой трения, возникающей при движении поршня по каналу стойки. Наличие трения между поршнем и стенками канала требует строго вертикальной установки манометра. Поверка деформационных манометров Поверку деформационных (пружинных) приборов производят для определения их пригодности и установления класса точности как при выпуске прибора из производства при выпуске прибора периодически во время применения или хранения. Проверка включает внешний осмотр прибора для обнаружения «иного брака и определенно погрешности. Для определения наличия упругого последействия прибор выдерживается в течение 5 минут под давлением, уменьшенным на 5—10% по сравнению с верхним пределом измерения. При выборе образцового прибора, по которому должна проводиться поверка рабочего манометра, необходимо руководствоваться следующими положениями: а) верхний предел измерений образцового прибора должен быть не менее верхнего предела поверяемого прибора; б) предел допускаемой основной абсолютной погрешности образцового прибора должен быть не более 1/4 предела допускаемой основной абсолютной погрешности поверяемого прибора  при давлении, соответствующем поверяемой отметке шкалы. В качестве устройства для сжатия среды используется пресс. Приборы с предельным давлением до 0,16 МПа (1,6 кгс/см2) можно поверять сжатым воздухом; в качестве образцового прибора могут применяться ртутные манометры и вакуумметры. При поверке манометров с пределом измерения выше 0,16 МПа (1,6 кгс/см2) применяется масляный пресс, заполненный трансформаторным или вазелиновым маслом. Для поверки рабочих манометров может быть применен поршневой манометр. При поверке определяются абсолютная погрешность  и вариация показаний. Абсолютная погрешность определяется как разность между показанием поверяемого прибора и действительным значением давления, определяемым по показанию образцового прибора. Если образцовым прибором является пружинный манометр, то определение действительного значения давления производится при легком постукивании по его корпусу. Вариация показаний определяется как разность показаний поверяемого прибора при повышении и понижении давления при одном и том же действительном значении измеряемой величины. Она не должна превышать допустимого значения абсолютной погрешности средства измерения.Задание по работе Изучить представленные на стенде манометры и дать их полную техническую характеристику. Произвести поверку указанных преподавателем пружинных технических манометров и дать заключение о годности приборов. Порядок выполнения работы 1. Поверку выполнить дважды: по образцовому пружинному манометру с отключенной грузовой частью поршневого манометра и по образцовому грузопоршневому манометру с отключенным образцовым пружинным манометром. 2. Ознакомиться с поверяемым манометром, зарегистрировать в протоколе его характеристики. 3. Подготовить поршневой манометр к работе: установить образцовый пружинный манометр, заполнить гидросистему маслом, для чего открыть на 1,5—2 оборота вентиль 5 на масляном резервуаре (рис. 14.7), вращением маховика / переместить поршень винтового пресса 15 в крайнее левое (по схеме) положение, закрыть вентиль 5. В дальнейшем при поверке вентили не открывать более чем на 1,5—2 оборота во избежание утечек масла через сальники. 4.В соответствии с классом поверяемого прибора наметить контрольные точки на шкале прибора. 5.Произвести поверку прибора по образцовому пружинному манометру, для чего: а) отключить грузопоршневой манометр, закрыв вентиль 14; б) убедиться, что вентили 2 и 12 открыты на 1,5—2 оборота в штуцерах поверяемого и образцового манометров; в) плавным и медленным вращением маховика 1 создать давление в системе, соответствующее первой контрольной точке по показаниям образцового манометра. Зарегистрировать показания. Аналогично пронести поморку по всем намеченным точкам. После регистрации показания прибора соответствующего верхнему пределу, уменьшить давление на 10% и выдержать в течение 5 минут для определения наличия упругого последействия. Пронести аналогичную проверку при уменьшении давления для тех же точек. Снять давление в системе, открыв вентиль 5, закрыть вентиль. 6.Произвести проверку прибора по образцовому грузопоршневому манометру в следующем порядке: а) отключить пружинные манометры, для чего закрыть вентили 2 и 12 на штуцерах. Включить грузопоршневую часть, открыв на 1,5—2 оборота вентиль 14 на грузовой колонке. Заполнить систему маслом, как указано в п. 3; б) положить на тарелку штока груз, чтобы сумме его веса и веса штока с тарелкой соответствовало положение стрелки в первой контрольной точке; в) поворачивая тарелку 9 рукой, вращением маховика / создать в системе такое давление, чтобы поршень с грузами поднялся до уровня риски на штоке. Открыть вентиль 2 на штуцере поверяемого манометра, поддерживая маховиком 1 поршень на прежней высоте. Зарегистрировать показание после прекращения движения стрелок поверяемого манометра. Закрыть вентиль 2; г) добавить на тарелку штока груз, весу которого соответствует положение стрелки в следующей контрольной точке. Произвести поверку, как указано в предыдущем пункте. Далее произвести поверку по всем контрольным точкам. В конце шкалы сделать выдержку в течение 5 минут; д) провести поверну тех же точек при обратном ходе, для чего при закрытом вентиле 2 снять часть груза, оставив на тарелке груз, весу которого соответствует положение стрелки в следующей контрольной точке. Сообщить тарелке вращение и открыть вентиль 2. Если нужно, вращением маховика / снизить давление до тех пор, пока тарелка с грузами не начнет опускаться, но риска на штоке все еще будет видна. Зарегистрировать показания после прекращения движения стрелки. Закрыть вентиль 2 и повторить те же действия для каждой точки. 7. Произвести необходимые расчеты, заполнить протокол поверки (как по образцовому пружинному манометру, так и по грузопоршневому манометру). Дать заключение о годности поверяемого прибора. Если прибор не соответствует обозначенному классу, указать, какой класс имеет прибор или по какой причине прибор признан негодным. Содержание отчета Задание по работе. Описание и схема поверяемого манометра. Схема грузопоршневого манометра. Протоколы поверки с заключением о годности. Контрольные вопросы Классификация приборов: по уровню измеряемого даплоиия; принципу действия; метрологическому назначению. Устройство и принцип работы жидкостных прибором, Устройство и принцип работы пружинных приборов. Методика поверки манометров. Литература Фарзане, Н.Г. Технологические измерения и приборы: Учеб. для студ. вузов по спец. «Автоматизация технологических процессов и производств» / Н.Г.Фарзане, Л.В.Илясов, А.Ю.Азим-заде – М.: Высшая школа, 1989.– 456 с., ил. Хансуваров, К.И. Техника измерения давления, расхода, количества и уровня жидкости, газа и пара: Учебное пособие для техникумов / К.И.Хансуваров, В.Г.Цейтлин – М.: Издательство стандартов, 1990. – 287 с., ил. Богданов, Ю.М. Приборы точной механики / Ю.М.Богданов – М.: Машиностроение, 1960. – 415с |