Деформационные (пружинные) манометры

Лабораторная работа №6

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

1. Поверяемый манометр.

2. Образцовый пружинный манометр типа МО, класса 0,4.

3. 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 р_б — это давление окружающей среды. Оно непостоянно и зависит от высоты местности над уровнем моря, географической широты и метеорологических условий. Абсолютное давление р_а — измеряемое давление сре­ды. Оно может быть больше или меньше атмосферного. Избыточное давление  р_изб определяется как превышение измеряемого давления среды над атмосферным, т. е. р_изб = р_а—р_б, Вакуумметрическое давление р_в характеризует разрежение (вакуум) в среде,  т. е. р_в= р_б—р_а. 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:

1) жидкостные, у которых измеряемое давление срав­нивается с гидростатическим давлением столба жидкости;

2) грузопоршневые, которые основаны на сравнении измеряемого давления с давлением, создаваемым аттесто­ванными грузами, действующими на калиброванный плунжер;

3) деформационные (пружинные), у которых измерение давления производится по деформации различных упругих элементов, возникающей под действием регистриру­емого давления;

4) 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:

1) манометры, предназначенные для измерения избы­точного давления. Верхний предел измерения этих прибо­ров до 1000 МПа;

2) вакуумметры – приборы для измерения разреже­ний (вакуумметрических давлений); диапазон измерений от 0 до —0,1 МПа;

3) напоромеры и тягомеры — приборы для измерения малых давлений и разрежений от +0,04 до —0,04 МПа;

4) мановакуумметры — приборы для измерения избы­точного давления (0,06—2,4 МПа) и разрежения (до —0,1МПа);

5) манометры абсолютного давления;

6) барометры — приборы, предназначенные для изме­рения атмосферного давления;

7) дифференциальные манометры — приборы, обеспечивающие измерение разности двух давлений;

8) 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 р_а и р_б — 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 h увеличить его длину, что превышает точность отсчета. Измерение длины и высоты столба жидкости связано соотношением h = l sin . 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;

a и 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.

 

---

Дата добавления: 2018-02-15; просмотров: 967; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

---

---

Мы поможем в написании ваших работ!