теплотехника. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1. Лабораторная работа 1 Измерение давления в жидкости и газе Цели и задачи работы

• Название: Лабораторная работа 1 Измерение давления в жидкости и газе Цели и задачи работы
• Анкор: теплотехника
• Дата: 10.01.2023
• Размер: 310.29 Kb.
• Имя файла: ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1.docx
• Тип: Лабораторная работа; #879768

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1
Измерение давления в жидкости и газе
1. Цели и задачи работы
1. Изучение различных конструктивных особенностей приборов для измерений давления в жидкости и газе.

2. Ознакомление с единицами измерения давления.

3. Измерение давления в жидкости и газе, находящихся в состоянии по­коя, различными приборами.
2. Основы теории
2.1. Давление в жидкости и газе и его виды
Давление в жидкости или газе представляет собой характеристику, опре­деляемую как предел отношения сжимающей силы ΔΡ к площади ее действия ΔS при условии, что последняя стремится к нулю, т.е.

. (63)

Если жидкость или газ находится в состоянии покоя, то давление называ­ется гидростатическим. Оно обладает двумя свойствами.

1. Гидростатическое давление внутри жидкости или газа действует нормально к площадке, воспринимающей его.

2. Гидростатическое давление в любой точке жидкости или газа не зависит от
ориентировки площадки, на которую оно действует, т.е. гидростатическое
давление действует одинаково по всем направлениям.

Под действием внешних сил давление в жидкости или газе может изме­няться по направлению одной или нескольких координатных осей.

Давление p в жидкости или однородном (p=const) газе, находящихся в равновесии под действием только силы тяжести, определяется по так называе­мому основному уравнению гидростатики:

, (64)

где z - вертикальная координата (аппликата) рассматриваемой точки внутри жидкости или газа; z0- аппликата точки с известным давлением р0; ρ - плот­ность жидкости или однородного газа; g - ускорение свободного падения.

Для объема покоящейся жидкости, имеющей свободную поверхность, уравнение (64) можно записать следующим образом:

, (65)

где p0 - давление паров жидкости (на свободной поверхности); h - глубина погружения рассматриваемой точки под уровень свободной поверхности жидкости (измеряется по вертикали).

В зависимости от того, что принято за точку отсчета давления, раз­личают следующие его виды:

1) абсолютное - давление, отсчитываемое от абсолютного нуля;

2) манометрическое и вакуумметрическое - давление, отсчитывае­мое от атмосферного (рис. 1).



Рис. 1
Величина манометрического давления ограничена с одной стороны, т.е.

.

Если абсолютное давление меньше атмосферного, то недостаток его до атмосферного называют вакуумметрическим давлением (иногда - разряжени­ем, вакуумом, отрицательным давлением, для воздуха - тягой):

. (67)

Величина вакуумметрического давления ограничена с двух сторон:

.

В открытых сосудах с жидкостью, где давление на свободную поверх­ность , формула (65) имеет вид

,

откуда

, (68)

т.е. в этом случае манометрическое давление внутри жидкости возникает толь­ко от веса столба жидкости, расположенного над рассматриваемой точкой. Та­кое давление называют весовым или избыточным (иногда избыточным на­зывают и манометрическое давление).
2.2. Единицы измерения давления
Согласно формуле (63) давление выражается отношением силы к площади: т.е. единица измерения в различных системах будет:

,

причём .

Кроме того, величина давления определяется и во внесистемных единицах измерения:



причем

Из формулы (68) следует, что , т.е. каждой величине давления Ρ соответствует определенная высота h столба жидкости плотностью . В этом случае единицей измерения давления будет высота столба жидкости. Чаще всего для характеристики давления используется столб воды (м. вод. ст.; мм вод. ст.) или ртути (ммрт. ст.) и т.п.

Из формулы (68) следует, что давление в зависимости от рода жидкости может быть создано ее столбом различной высоты. Так, например, давление, равное 1 атм, создается столбом воды высотой 10 м, так как



или столбом ртути высотой 735,6 мм, так как


2.3. Приборы для измерения давления
Современная наука и техника предъявляют к используемым для измере­ния давления приборам самые разнообразные требования как по величине измеряемого давления (от миллионных долей паскаля сотен тысяч атмосфер), так и по точности его измерения (величина относительной погрешности может достигать тысячных долей процента). Многообразие условий применения при­боров и требований к ним по величине и точности измерения давления привело к созданию огромного количества приборов, различных по принципу действия, точности измерения и конструктивному оформлению.

Условно все типы приборов, предназначенных для измерения давления в жидкости и газе, можно классифицировать по следующим признакам:

1. По роду измеряемой величины:

-барометры - для измерения атмосферного давления;

-манометры - для измерения манометрического давления;

-вакуумметры - для измерения вакуумметрического давления;

-мановакуумметры - для измерения манометрического и ва­куумметрического давления;

-дифманометры - для измерения перепада (разности) давлений в двух
точках.

Для измерения абсолютного давления необходимы два прибора: барометр и манометр, если , или барометр и вакуумметр, если

2. По принципу действия:

-жидкостные - рабочим органом является жидкость;

-механические - рабочим органом является упругий элемент;

-грузопоршневые - рабочим органом является поршень с грузом;

-электрические - рабочим органом является датчик.

3. По классу точности (для механических приборов):

-рабочие (технические, лабораторные) с классом точности К=0,35...6;

-образцовые с классом точности К=0,005...0,30.

Класс точности К выражает наибольшую допустимую основную погрешность (как правило, цена деления шкалы прибора) в процентах величины, соответствующей предельному значению шкалы прибора N:

,

Жидкостные приборы

В жидкостных приборах для измерения давления используется величина столба жидкости или разница уровней жидкости в трубках (как правило, стек­лянных) прибора.

Впервые идея применения жидкостных приборов для измерения давления была высказана в 1640 г. итальянским ученым Э. Торичелли и осуществлена итальянским механиком В. Вивиани (1642 г.) и французским ученым Б. Паска­лем (1646 г.).

Они несложны в изготовлении и вместе с тем точны и надежны. Поэтому имеют широкое применение до настоящего времени.

Принцип действия жидкостных приборов прост. Отсчеты по жидкостно­му прибору необходимо делать по нижней поверхности вогнутого мениска (для воды) или по верхней поверхности выпуклого мениска (для ртути). Положение мениска визуально можно определить с точностью порядка 1 мм. Для повыше­ния точности отсчета до 0,1-0,01 мм, а также для измерения малых давлений используются приборы, шкала которых снабжена нониусом и оптическим при­способлением (лупой).

Рассмотрим некоторые типы жидкостных приборов.

Барометр (рис.2) состоит из заполненных жидкостью плотностью ρ чаш­ки 1 и трубки 2, верхний конец которой запаян, а нижний опущен под уровень жидкости. Атмосферное давление , действуя на поверхность жидкости в чашке, поднимает жидкость в трубке на высоту h.Величина атмосферного дав­ления

, (70)

где h отсчитывается от поверхности уровня жидкости в чашке.



Рис. 2.
Для уменьшения высоты прибора обычно применяют самую тяжелую жидкость - ртуть (ртутный барометр). Фактически на поверх­ность жидкости в запаянной трубке тоже дей­ствует давление, равное давлению насыщенных паров при данной температуре. Например, для ртути при . Этой величи­ной или пренебрегают, или градуируют шкалу барометра не в линейных единицах, а с учетом поправки .

Пьезометр (рис. 3) представляет собой стеклянную трубку 1 диаметром 10-15 мм, нижний конец которой подсоединяется к резервуару 2 с жидкостью, а верхний - открыт. В пьезометре находится та же жидкость, что и в резервуаре (пьезометром нельзя измерять давление в газах). Показание пьезометра отсчитывается по шкале от уровня точки подключения его к резервуару (т. А). Согласно основному закону гидростатики абсолютное давление

,

где - высота столба жидкости в стеклянной трубке, называемая пьезометрической высотой.



Рис. 3. Рис. 4.
Если в резервуаре абсолютное давление над поверхностью жидкости бу­дет равно атмосферному, то уровень в пьезометрической трубке установится на той же высоте, что и в резервуаре, и пьезометрическая высота в точке А будет равна глубине погружения h, данной точки.

Пьезометры используются для измерения давления, при котором требуе­мая высота пьезометра не более 1,5-2,0 м.

Вакуумметр (рис. 4) представляет собой стеклянную трубку 1, один ко­нец которой соединен с областью вакуума 2, а другой опускается в сосуд с жид­костью 3 с атмосферным давлением на поверхности. Вследствие того, что дав­ление в сосуде 2 меньше атмосферного, жидкость в трубке 1 поднимается на некоторую высоту называемую вакуумметрической высотой:

.

Такой вакуумметр иногда называют обратным пьезометром. U-образный мановакуумметр (рис. 5) состоит из стеклянной трубки 1, согнутой наподобие буквы "U", нижняя часть которой заполнена жидкостью плотностью . Один конец трубки соединяется с точкой измерения давления в объеме 2 жидкости или газа, а второй открыт в атмосферу. При уровень жидкости в левом колене понизится, а в первом повысится (прибор называют манометром); уровень жидкости в левом колене поднимется, а в правом - понизится (прибор называют вакуумметром).



Рис 5.

Абсолютное давление в точке присоединения мановакуумметра

(73)

(перед вторым слагаемым принимается знак "+" для манометра и "-" для вакуумметра; знак перед третьим слагаемым зависит от взаимного высотного расположения точки замера давле­ния и ноля шкалы прибора: "+" - ноль прибора выше; "-" - ниже.

Чашечный мановакуумметр (рис.10) - представляет собой чашку 1 диаметром D с ра­бочей жидкостью плотностью . С чашкой со­единена стеклянная трубка 2 диаметром d, Ноль шкалы прибора 3 устанавливается на уровне поверхности рабочей жидкости в чашке до измерения давления.


Рис. 6.

Применяется чашечный мановаку­умметр для измерения давления в га­зах: при давления подсоединяется чашка, а при к точке измерения давления подсоединяется чашка, а при - трубка.

Манометрическое или вакуумметрическое давление на уровне ноля шкалы прибора

Батарейный (многоколенчатый) манометр (рис.7) представляет собой

несколько (не менее двух) последовательно соединенных U-образных маномет­ров.

Абсолютное значение давления в точке подсоединения прибора к объему жидкости или газа
Двухжидкостныймановакуумметр (рис. 8) состоит из чашки 1 диамет­ром dз, заполненной жидкостью плотностью , и трубки 2 переменных диа­метров и частично заполненной жидкостью плотностью и опущенной нижним концом под уровень жидкости в чашке. Верхний конец трубки 2 подводится к системе с измеряемым манометрическим или вакуумметрическим давлением. При этом положение мениска жидкости в трубке изменится на величину h (показание прибора).

Величина измеряемого давления:

.



Рис. 7. Рис. 8.
До начала измерения давления шкалу прибора устанавливают так, чтобы ее ноль совпадал с уровнем жидкости pt, в трубке 2.

Чашечный микромановакуумметр (рис. 9) представляет собой чашеч­ный мановакуумметр (см. рис. 2) с наклонно расположенной стеклянной трубкой.

По шкале наклонного микромановакуумметра вместо малой высоты h отсчитывается большая величина , что позволяет уменьшить относительную ошибку, возможную при измерении малых давлений.



Рис. 9.
Угол наклона манометрической трубки может изменяться. При этом уменьшение угла наклона способст­вует увеличению чувствительности прибора.

Дифференциальный манометр (дифманометр) представляет собой U-образный манометр (см. рис. 5), в котором оба конца стеклянной трубки подсоединены к точкам измерения давлений (рис. 10):

,

где и - превышение (в том числе возможно и отрицательное) точек измерения давления над «нулем» шкалы прибора.



Рис.10
Двухжидкостный микродифманометр (рис. 11) представляет собой спа­ренные разновидности чашечного мановакуумметра (см. рис. 1), обе чашки ко­торых заполнены разными несмешивающимися жидкостями и под­соединены к точкам измерения давлений. Ноль прибора устанавливается на плоскости разделения жидкостей до подсоединения прибора.


Рис. 11.
Применяется микродифманометр для измерения малых перепадов давле­ний в газе:

.

Чем ближе значения плотностей жидкостей и , тем точнее измере­ние перепада давлений (при данном Δp больше величина h).

Двухжидкостный микродифпьезометр (рис. 12) представляет собой спаренные в верхней части два пьезометра (см. рис.3); верхняя часть прибора заполнена жидкостью плотностью .

Применяется микродифпьезометр для измерения малых перепадов давле­ний в жидкостях

.

Чем ближе значения плотностей жидкостей и , тем выше точность прибора.

Если верхняя часть прибора заполнена воздухом (рм=0), то прибор, называемый дифпьезометром, применяют для измерения разницы пьезометрических напоров в жидкостях:

.


Рис. 12.

Колокольный дифманометр (рис. 13), применяемый для измерения разни­цы давлений в газе, состоит из двух тонкостенных колоколов 1 диаметром D, подвешенных на концах коромысла 2 с плечами, равными l; колокола перевернуты и нижними концами опущены в жидкость. Система с измеряемыми давлениями и подсоединяется внутрь подколокольных объемов трубками 3, изменяя погружение их в жидкость. К коромыслу подсоединен стержень 4 длиной а, на котором закреплен груз 5 массой М. Под действием разницы давлений ( ) колокола погружаются на разную глубину и стержень с грузом поворачивается на угол .

Измеряемый перепад давлений в газе

.

Кольцевой дифманометр (рис. 13) состоит из трубки диаметром d, согну­той в кольцо диаметром D, нижняя часть кольцевой трубки на высоту b заполнена жидкостью плотностью ; к ним на расстоянии а при­креплен груз массой M и стрелка. Под действием разницы давлений в газе уровни жидкости в коленах трубки будут разными и отличаться на величи­ну ( ), что вызовет поворот кольца прибора на угол . Применяется кольцевой дифманометр для измерения разницы давлений в газе.



Рис. 13.

Измеряемый перепад давлений в газе

.

Основные правила пользования жидкостными приборами для измерения давления следующие:

1. Прибор должен быть установлен вертикаль­но.

2. До начала измерений ноль шкалы прибора должен совпадать с уровнем жидкости в нем.

3. Перед измерением давления в жидкости необходимо удалить из трубок прибора и тру­бок, соединяющих прибор с местом измере­ния давления, случайные пузырьки воздуха (произвести "проливку" трубок прибора), а перед измерением давления в газе - удалить случайные включения жидкости (произвести "продувку" трубок прибора).

4. Для уменьшения влияния капиллярности на показание прибора по уровню жидкости в трубках целесообразно применять для воды трубки диаметром 10-15 мм, а для ртути - 6-9 мм. Проверку и градуировку приборов следует производить примерно при той же темпера­туре, при которой будет выполняться экспе­римент.
Механические приборы
Механические приборы (манометры, вакуумметры и мановакуумметры) применяются для измерения давления и разряжения главным образом в техни­ческих целях и имеют практически неограниченный диапазон измерения, начи­ная от сотых долей до тысяч атмосфер.

Механические приборы могут применяться для измерения атмосферного давления (в этом случае их называют барометрами-анероидами).

Принцип действия механических прибо­ров для измерения давления состоит в том, что под действием давления происходит де­формация упругого элемента, пропорциональ­ная величине измеряемого давления. Дефор­мация упругого элемента через систему рыча­гов и шестерен поворачивают стрелку прибо­ра, отмечающую на шкале прибора величину измеряемого давления или разряжения. Шкала градуирована по одной из единиц измерения давления (ат, Па, мм рт. ст., мм вод. ст., кгс/см2,...).



Рис.14
Идея применения механического прибора для измерения давления была высказана впер­вые в 1846 г. немецким ученым Р.Щинцом.

По типу упругих элементов механические приборы, применяемые для из­мерения давления, подразделяются на пружинные, мембранные и сильфонные.

Пружинные приборы имеют основную деталь в виде согнутой по дуге ок­ружности полой трубки с поперечным сечением в форме овала или эллипса (так называемая трубка Бурдона, предложенная в 1848 г.).

Пружинные манометры (рис. 14) работают по следующему принципу. Жидкость или газ поступают через штуцер 1 в пружину - трубку Бурдона 2 . При давлении внутри трубки, превышающем атмосферное, трубка-пружина немного распрямляется. Распрямление пружины при помощи пластинки 3 пе­редается на зубчатку 4, приводящую в движение стрелку 5. Ноль шкалы мано­метра соответствует атмосферному давлению, и поэтому отклонение стрелки 5 показывает по шкале только манометрическое (избыточное) давление. Пру­жинные манометры применяются для измерения давления от 1 ат до сотен атмосфер.

Пружинные вакуумметры и мановакуумметры по устройству аналогичны пружинным манометрам. У мановакуумметров одна часть шкалы показывает манометрическое давление, а другая - вакуумметрическое (разряжение).

Мембранные приборы (рис. 15) в качестве упругого элемента имеют мембрану 1 или мембранную коробку, по величине деформации которых судят о ве­личине измеряемого давления. До известного предела прогиб мембран линейно зависит от давления, благодаря чему они нашли широкое применение в манометрах, барометрах и вакуумметрах. Обычно мембранные манометры используют для измерения давления от 0,2 до 30 ат или при измерении давления в хи­мически активных средах, в последнем случае нижняя сторона мембраны покрывается защитным слоем.



Рис. 15.
Мембранные приборы предложены впер­вые в 1847 г. английским механиком В. Вайди.

В сильфонных приборах (рис. 16) в ка­честве упругого элемента используются сильфоны 1, представляющие собой гофрирован­ную коробку, выполненную в виде цилиндра с равномерными складками (гофрами). Под дей­ствием разницы атмосферного и измеряемого давлений сильфон или растягивается, или сжимается, изменяя свою длину l пропорционально величине измеряемого давления. Сильфонные манометры применяются для измерения давления от 0,5 до 5 aт.



Рис.16

Простота устройства и применения, порта­тивность и большой диапазон измеряемого дав­ления являются ценными достоинствами меха­нических приборов, обусловившими их широ­кое применение.

Правила пользования механическими при­борами для измерения давления таковы:

1. Рабочее положение механического прибора, как правило, является вертикальным с направ­ ленным вниз штуцером.

2. Соединительные трубки (от места измере­ния давления до прибора) должны быть це­ликом заполнены) или только жидкостью, или только воздухом, для чего периодиче­ски проводится или «проливка», или «про­дувка» их.

3. Перед началом и после окончания измерений должна проверяться установка стрелки при­бора на "ноль", так как рабочие органы при­боров с течением времени могут постепенно изменять свои упругие свойства или иметь остаточные деформации, а передаточный ме­ханизм подвержен естественному износу.

4. При измерении давления пружинными и сильфонньми приборами в агрессивных средах должно быть предусмотрено устройство в соединительных
трубках гидравлических затворов, защищающих прибор от порчи (например,
ртутно-масляный затвор).

5. При измерении давления в горячих средах, способных нарушить спайки внутри прибора, необходимо предусмотрев снижение температуры среды в соединительных трубках.
Грузопоршневые приборы
Принцип действия грузопоршневых приборов заключается в уравновешивании силы (как правило, веса) силой, создаваемой измеряемым давлением (рис. 17). Прибор состоит из цилиндра 1, плунжера 2 диаметром d грузовой тарелки 3. Измеряемое давление подается внутрь цилиндра под плунжер, а уравновешивается оно грузом G, устанавливаемым на тарелке.



Рис. 17.
Величина измеряемого давления

.

Грузопоршневые приборы являются наи­более точными приборами для измерения больших давлений. Часто их применяют как образцовые для проверки точности других приборов.

Основные правила пользования грузопоршневыми приборами таковы:

1. Масла, используемые в этих приборах, должны быть бескислотными и профильт­ рованными (как правило, при давлении до 250 ат - трансформаторное, свыше - касто­ровое).

2. Перед измерением давления воздух из внутренних полостей прибора должен быть удален, а плоскость грузоприемной тарел­ки установлена горизонтально.

3. Во избежание появления сухого трения плунжер при измерениях давления
должен приводиться во вращательное движение вокруг своей продольной
оси.

Отличительными характеристиками механических и грузопоршневых приборов являются порог чувствительности и вариация.

Порогом чувствительности называется наименьшее изменение значения измеряемого давления, способное вызвать изменение показания прибора, за­метное при визуальном наблюдении. Он обусловлен трением в механизме при­бора и несовпадением зацеплений в его кинематическом механизме от рабочего органа прибора до стрелки шкалы.

Вариацией называется наибольшая разность между повторными показа­ниями прибора при одном и том же значении измеряемого давления, но сначала при прямом ходе измерения (возрастающие величины давления), а затем - при обратном (убывание величины давления). Она вызывается упругим после действием и гистерезисом рабочего органа, а также и теми причинами, от кото­рых зависит величина порога чувствительности.

Электрические приборы

Электрические приборы воспринимают измеряемое давление датчиком (рис. 18), преобразующим величину давления в электрическую величину, кото­рая может непрерывно изменяться вслед за изменением измеряемого давления; по электрической цепи сигнал передается на регистрирующий или электроиз­мерительный прибор.


Рис. 18.
Если собственный электрический выходной сигнал мал, то в электри­ческую цепь включают усилитель.

Вся измерительная цепь питается от источника электрической энергии. Воздействие давления жидкости или газа на датчик приводит либо к возникно­вению электродвижущей силы (такие датчики называются генераторными), либо к изменению некоторых электрических характеристик (такие датчики на­зываются параметрическими).



Рис. 19.
К основным типам генераторных датчиков давления (иногда их называют преобразователями) относятся:

индукционные (рис.19), в которых воздействие давления p вызывает изменение относительного положения обмоток первичной (1) и вторичной (2) цепей δ, что приводит к изменению ЭДС взаимоиндукции во вторичной (измерительной) цепи;

пьезоэлектрические (рис.20), в которых используется открытое еще в 1880 г.
явление пьезометрического эффекта, заключающееся в способности некото­рых кристаллических тел (кварца, турмалина, сигнетовой соли, титанита ба­рия, сульфата лития и др.) образовывать на противоположных сторонах сво­их кристаллов К под действием механической деформации (например, сжа­тия) электрические заряды разных знаков.



Рис. 20.
К основным типам параметрических датчиков давления относятся: индуктивные (рис. 21), в которых используется способность индуктивной ка­тушки - ИК(проволочной спирали с сердечником из ферромагнитных материа­лов или без него) изменять свою индуктивность при изменении ее отдельных параметров (магнитного сопротивления, числа витков, положения сердечника δ и т.п.) под действием измеряемого давления ρ жидкости или газа;



Рис. 21.
ёмкостные (рис. 22), в которых используется свойство конденсаторов изменять свою емкость при изменении расстояния между его обкладка­ми (например, путем прогиба одной из пластин конденсатора, выполненной в виде мембраны) под действием измеряемого давления ρ жидко­сти или газа;



Рис. 22.
сопротивления (рис. 23), в которых используется явление изменения электри­ческого сопротивления некоторых материалов (константан, манганин, нихром, германий и др.), выполненных в виде проволоки или фольги Д.С.,в результате деформации под действием измеряемого давления ρ жидкости или газа.



Рис. 23.
Датчики давления характеризуются разрешающей способностью (рабочим диапазоном измеряемого им давления) и чувствительностью (отношение электрической величины на выходе датчика к давлению на входе датчика).

Электрические приборы находят широкое применение в системах автома­тического контроля, регулирования или управления движением жидкости и газа. Незаменимы они при измерении давления в нестационарных и пульсирующих потоках жидкости и газа (при быстром изменении величины давления).