Датчик давления пьезорезистивного типа.
Цель работы: Изучение прибора для измерения давления газа — датчика давления пьезорезистивного типа с цифровой индикацией, конструкция, определение относительной погрешности измерения при различных уровнях давлении.
Теоретические основы
В состав пьезорезистивного датчика давления обязательно входят два компонента: пластина (мембрана) известной площади и детектор, выходной сигнал которого пропорционален приложенному к мембране давлению. Оба эти элемента могут быть изготовлены из кремния. Датчик давления с кремниевой диафрагмой состоит из самой диафрагмы и встроенных в нее диффузионным методом пьезорезистивных преобразователей в виде резисторов. Поскольку монокристаллический кремний обладает очень хорошими характеристиками упругости, в таком датчике отсутствуют ползучесть и гистерезис даже при высоком давлении. Коэффициент тензочувствительности кремния во много раз превышает аналогичный коэффициент тонкого металлического проводника. Обычно тензорезисторы включаются по схеме Уитстона. Максимальное выходное напряжение таких датчиков обычно составляет несколько сот милливольт, поэтому на их выходе, как правило, ставятся усилители сигналов. Кремниевые резисторы обладают довольно сильной температурной чувствительностью, поэтому всегда при разработке датчиков на их основе предусматривают цепи температурной компенсации.
В установленных на стенде датчиках давления воздуха фирмы Festo к пьезорезистивному преобразователю через усилитель подключен аналогово- цифровой преобразователь, сигнал с которого выводится на электронное табло датчика в виде показаний.
Экспериментальная часть
Для изучения датчиков измерения давления воздуха используется пневматическая система стенда.
Последовательность выполнения лабораторно работы:
1. Полностью открыть редукционный клапан КП2.
3. Закрыть краны ВН14,ВН15.
4. Открыть краны ВН12,ВН13.
5. Включить компрессор тумблером «Подача воздуха в ресивер». Дождаться автоматического отключения компрессора.
6. Занести показания ДД4, ДД5 в таблицу 6.1.
7. Плавно закрывая редукционный клапан КП2 (вращая ручку по часовой стрелке), добиться показаний ДД4 и ДД5 на 8-10 кПа больше предыдущих.
8. Занести показания ДД4, ДД5 в таблицу 6.1.
9. Повторить пункты 6 и 7 до достижения давления 90-95 кПа по ДД4 и ДЦ5.
10. Вычислить среднее значение давления по двум измерителям, абсолютную и относительную погрешность каждого измерителя.
11. Сравнить вычисленные погрешности с классом точности измерителя (см. инструкции).
12. Сделать выводы об оптимальных диапазонах измерения давления для различных видов измерителей.
Таблица 6.1. Результаты измерения давления воздуха
| № | РДД4, кПа | РДД5, кПа | РСР, кПа | ΔРДД4, кПа | ΔРДД5, кПа | δРДД4, % | δРДД5, % |
Лабораторная работа №7.
Приборы измерения давления газа. Дифференциальный манометр.
Цель работы: Изучение прибора для измерения давления газа — дифференциального манометра, построенного на базе пьезометров. Изучение принципа действия, определение относительной погрешности прибора, сравнение показаний приборов различного типа.
Теоретические основы
| Рисунок 7.1. Дифференциальный пьезометр. |
Работа дифференциального пьезометра основана на основном уравнении гидростатики. Принцип работы пояснен рисунком 7.1. В соответствии с основным уравнением гидростатики получаем систему уравнений для правой и левой трубки пьезометра:
где р - плотность жидкости в пьезометре, g - ускорение свободного падения.
Вычитая одно уравнение из другого, получаем:
Pl - P2=p·g·(H1 - H2) = p·g·H
Таким образом, зная плотность жидкости, которой заправлен пьезометр, величину ускорения свободного падения, разность давлений определяется разностью высот жидкостных столбов.
Экспериментальная часть
Для заправки пьезометра стенда используется вода, таким образом,
р=1000 кг/м3, ускорение свободного падения с достаточной точностью можно принять равным g=9,81. С учетом этих значений разность давлений воздуха, выраженная в кПа, связана с разностью высот столба жидкости, выраженной в мм, следующим соотношением:
ΔР [Па]=9,81·Н [мм]
В случае, если один из выходов пьезометра соединен с атмосферой, то измеряется относительное давление.
Последовательность выполнения работы:
1. Подать воздух в ресивер, включив компрессор, дождаться автоматической остановки компрессора.
2. Соединить точки отбора давления из коллекторов перед диафрагмами и за диафрагмами с левой и правой трубками пьезометра соответственно.
3. Полностью закрыть дроссель ДР5.
4. Открыть краны ВН12, ВН14. Закрыть ВН13, ВН15.
5. Настроить редукционным клапаном КР2 давление в коллекторе перед диафрагмами на величину давления 25-30 кПа, давление контролировать по датчику давления ДД4.
6. Убедиться, что разности высот столбов жидкости в пьезометре нет.
7. Плавно открыть дроссель ДР5 до возникновения разности столбов жидкости 40-60 мм.
8. Записать показания Д Д4, Д Ц5 и разность высот столбов жидкости в пьезометре в таблицу 7.1.
9. Открыть дроссель до увеличения разности столбов жидкости на 40- 60 мм.
10. Повторить пункты 8, 9 для измерения в 10... 12 точках по разности давлений.
11. Закрыть дроссель ДР5.
12. Сбросить давление клапаном КП2.
13. Вычислить разность показаний ДД4 и ДД5, а также ΔР по разности столбов жидкости, сравнить полученные величины.
14. Сделать выводы.
Внимание! Не превышайте давление настройки редукционного клапана в 40 кПа, поскольку это может привести к разрушению трубок пьезометра.
Регулировку дросселя ДР5 необходимо осуществлять плавно, чтобы разность давлений по датчикам ДД4 и ДД5 не превышала 9 кПа. В противном случае может произойти попадание воды из пьезометрических трубок в датчики давления воздуха.
Таблица 7.1.
| ДД4, кПа | ДД5, кПа | ΔРДД, кПа | Н1, мм | Н2, мм | ΔРПЬЕЗ, кПа | Δ, кПа | δ, % |
Лабораторная работа №8.
Изучение объемного способа измерения расхода воды.
Цель работы: Изучение объемного способа измерения расхода воды, определение влияния величины измеряемого объема и времени измерения на погрешность измерений. Определение объема жидкости между срабатываниями датчиков уровня.
Теоретические основы.
Расход - это физическая величина, определяемая количеством жидкости или газа, проходящих через трубу или русло в единицу времени. Различают объемный расход Q, когда количество вещества измеряется в объемных единицах, и массовый М9 когда оно измеряется в единицах массы.
Объемный способ измерения среднего расхода жидкости - мерная емкость.
Принцип измерения расхода по мерной емкости проиллюстрирован на рисунке 8.1. Пусть в момент времени t1 в мерной емкости содержится объем жидкости V1, и в емкость равномерно поступает жидкость до времени Объем жидкости в емкости в момент времени t2 равен V2, тогда средний расход поступающей жидкости равен:
Изменяя время (t2-t1) замера можно получать средний расход с различной точностью. В емкости установлены два датчика уровня (верхний и нижний), время между срабатываниями которых измеряется электронным секундомером с электрическим управлением. На боковую поверхность мерной емкости наклеена шкала, отградуированная в единицах объема.
Экспериментальная часть
Экспериментальное изучение способов измерения расхода заключается в измерении расхода жидкости по мерной емкости в зависимости от времени измерения и объема, в определении объема жидкости между срабатываниями датчиков уровня.
Последовательность выполнения лабораторной работы:
1. Закрыть краны ВН2, ВН5, ВН7, открыть краны ВИЗ, ВН4, ВН6, ВН10.
2. Включить насос тумблером «Подача воды».
3. Закрыть кран ВНЗ.
4. Переключить электронный секундомер в ручной режим управления, обнулить его показания.
5. Закрыть кран ВН10, начнется наполнение мерной емкости.
6. Подождать изменения количества воды в мерной емкости примерно на 1 литр. При достижении уровнем жидкости какой-либо метки на шкале мерной емкости выключить электронный секундомер, записать значение объема по шкале на мерной емкости, записать значение объема по счетчику воды в таблицу 8.1.
7. Открыть кран ВН10.
8. Повторить измерения пп. 5-7 для разных значений объема 3-4 раза.
9. Переключить электронный секундомер в автоматический режим («Время наполнения мерной емкости»). Сбросить его показания.
10. Закрыть кран ВН10. Дождаться набора емкости и отключения электронного секундомера. Записать показания в таблицу 8.1 в графу ΔtABT.
11. Открыть кран ВН10.
12. Частично закрыть кран ВН4 для уменьшения подачи насоса.
13. Повторить пункты 4-11 для различных закрытий ВН4.
14. Вычислить средний расход по емкости и погрешности измерения расхода для каждого случая.
15. Вычислить объем жидкости между срабатыванием датчиков уровня: ΔVABT=ΔtABT×QCP
16. Выключить насос тумблером «Подача воды».
Таблица 8.1 Измерение расхода воды объемным способом
| Мерная емкость | |||||||
| № | t, c | V1, л | V2, л | ΔV, л | Q, л/мин | ΔQ, л/мин | δQ, % |
| Qср, л/мин | |||||||
| ΔtABT, c | |||||||
| ΔVABT, л | |||||||
| Qср, л/мин | |||||||
| ΔtABT, c | |||||||
| ΔVABT, л | |||||||
| Qср, л/мин | |||||||
| ΔtABT, c | |||||||
| ΔVABT, л |
Лабораторная работа №9.
Изучение способа измерения расхода воды по показаниям счетчика количества воды.
Цель работы: Изучение способа измерения расхода воды по показаниям счетчика количества воды, сравнение с объемным способом измерения. Определение погрешностей измерения.
Теоретические основы.
Расход - это физическая величина, определяемая количеством жидкости или газа, проходящих через трубу или русло в единицу времени. Различают объемный расход Q, когда количество вещества измеряется в объемных единицах, и массовый М, когда оно измеряется в единицах массы.
Принцип работы и конструкция лопастного (пластинчатого) ротационного счетчика количества воды показана на рисунке 9.1. Измеряемая жидкость движется в пространстве, ограниченном цилиндрическими поверхностями корпуса 6 и ротора 8. Внутри ротора расположен неподвижный кулачок 7, на который опираются четыре ролика 9 с закрепленными на них лопатками 1, 2, 4 и 5. Давление жидкости, поступающей через входной патрубок на лопасть 5, приводит ротор во вращение, которое передается на. счетный указатель. Ролики катятся по кулачку, лопасти при этом поочередно занимают место снаружи и внутри ротора. Таким образом, за полный оборот ротора через счетчик проходит количество жидкости, равное разности объемов цилиндра и ротора. Перетеканию жидкости из входного отверстия в выходное препятствует вставка 3.
При изготовлении ротационных счетчиков особо внимание обращают на легкость ход роторов и уменьшение неучитываемых утечек через счетчик. Легкость хода (качественный показатель малого трения в механизме, а, следовательно, и малой потери -давления на счетчике) обеспечивается установкой валов ротора на подшипники качения. Уменьшение же утечек достигается тщательной обработкой и взаимной подгонкой сопрягаемых поверхностей.
Погрешность показаний ротационных счетчиков обычно не превышает-1% в пределах 10-100% номинального расхода. Показания счетчика регулируют сменой шестерен в редукторе счетного механизма.
| Рисунок 9.1. Счетчик с пластинчатыми лопастями |
Экспериментальная часть
Экспериментальное изучение способов измерения расхода заключается в сравнении расхода, измеренного по мерной емкости и по счетчику количества жидкости.
Последовательность выполнения лабораторной работы:
1. Закрыть краны ВН2, ВН5, ВН7, открыть краны ВИЗ, ВН4, ВН6, ВН10.
2. Включить насос тумблером «Подача воды».
3. Закрыть кран ВНЗ.
4. Переключить электронный секундомер в ручной режим управления, обнулить его показания.
5. Закрыть кран ВН10, начнется наполнение мерной емкости.
6. При достижении уровнем жидкости какой-либо метки на шкале мерной емкости включить электронный секундомер, записать значение объема по шкале на мерной емкости, записать значение объема по счетчику воды в таблицу 9.1.
7. Подождать изменения количества воды в мерной емкости примерно на 1 литр. При достижении уровнем жидкости какой-либо метки на шкале мерной емкости выключить электронный секундомер, записать значение объема по шкале на мерной емкости, записать значение объема по счетчику воды в таблицу 9.1.
8. Открыть кран ВН10.
9. Повторить измерения пп. 5-8 для разных значений объема 3-4 раза.
10. Частично закрыть кран ВН4 для уменьшения подачи насоса.
11. Повторить пункты 5-10 для различных закрытий ВН4.
12. Переключить электронный секундомер в автоматический режим.
13. 3акрытьВН10.
14. Отмерить по счетчику воды объем воды, поступившей в емкость за время между включением и выключением секундомера.
15. Вычислить погрешности измерения, сравнить с классом точности счетчика воды (см. инструкции). Сделать выводы.
16. Переключить электронный секундомер в режим «Расход по счетчику воды».
17. Открыть ВН10.
18. На счетчике импульсов нажать кнопку "»", на экране СИ8 будет отображаться текущее значение расхода.
19. Сравнить значение по п. 18 с последним измеренным значением расхода по емкости.
20. Выключить насос тумблером «Подача воды».
| Таблица 9.1 Измерение расхода воды | Счетчик воды | δQ, % | |||||||||||
| ΔQ, л/мин | |||||||||||||
| Q, л/мин | QСР, л/мин | QСР, л/мин | QСР, л/мин | ||||||||||
| ΔV1, л | |||||||||||||
| V2, л | |||||||||||||
| V1, л | |||||||||||||
| Мерная емкость | δQ, % | ||||||||||||
| ΔQ, л/мин | |||||||||||||
| Q, л/мин | QСР, л/мин | QСР, л/мин | QСР, л/мин | ||||||||||
| ΔV1, л | |||||||||||||
| V2, л | |||||||||||||
| V1, л | |||||||||||||
| t, c | |||||||||||||
| № |
Лабораторная работа №10.
Изучение способа измерения расхода воды по величине падения давления на мерной диафрагме.
Цель работы: Изучение измерительной диафрагмы как прибора для измерения расхода жидкости, тарировка измерительной диафрагмы для жидкости методы измерения расхода, определение погрешности измерения расхода с помощью диафрагмы.
Теоретические основы.
Расход - это физическая величина, определяемая количеством жидкости или газа, проходящих через трубу или русло в единицу времени. Различают объемный расход Q, когда количество вещества измеряется в объемных единицах, и массовый М, когда оно измеряется в единицах массы.
Наиболее распространенным методом измерения расхода в трубах является метод его измерения по переменному перепаду давления на сужающем устройстве. Схема расходомера показана на рисунке 10.1. В трубу вставляется устройство, хужающее поток, например диафрагма — диск с отверстием. В месте сужения скорость потока возрастает и его кинетическая энергия увеличивается. Это вызывает уменьшение потенциальной энергии, которая определяется статическим давлением. Давление в суженном потоке меньше, чем давление в потоке до сужения. Разность давлений возрастает с увеличением скорости среды и служит мерой расхода. Сужающее устройство является преобразователем потока (или его расхода) в разность давлений. Разность давлений измеряется дифференциальным манометром, градуированным в единицах расхода.
В качестве сужающего устройства обычно используют так называемые нормальные сужающие устройства: нормальные диафрагмы (рисунок 10.1, а) нормальные сопла (рисунок 10.1, б), трубы Вентури (рисунок 10.1, в).
Рисунок 10.1. Сужающие устройства
Достоинства расходомеров с сужающими устройствами заключаются в их универсальности. Этими расходомерами можно измерять расход любых однофазных, а в ряде случаев и двухфазных сред. Они пригодны для измерения расхода в трубах практически любого диаметра и при любом давлении. Расходомер состоит из сужающего устройства, соединительных трубок и серийно выпускаемого дифференциального манометра, конструкция которого не зависит от измеряемой среды и расхода. Сужающее устройство рассчитывается по стандартной методике. Исходными данными являются условия измерения и входные данные дифференциального манометра. Сужающие устройства изготавливаются потребителем.
Основными недостатками расходомеров с сужающими устройствами являются нелинейная функция преобразования, малое отношение Qmax/Qmin обычно не превышающее 3, и затруднения при измерении пульсирующих и переменных расходов. Основная приведенная погрешность расходомеров этого типа не превышает 1-3%.
Для течения жидкости постоянной плотности расход через диафрагму связан с перепадом давления на диафрагме (Р1 – Р2) следующим соотношением:
Коэффициент К определяется на основе экспериментальной тарировки диафрагмы.
Экспериментальная часть
Для тарировки измерительной диафрагмы предназначена гидравлическая система стенда и компьютерная система сбора информации.
Лабораторная работа по тарировке диафрагмы также может выполняться в ручном режиме измерений, однако это требует значительных затрат времени, методика такой тарировки ничем не отличается от описанной ниже, кроме ручного сбора и обработки информации.
1. Подключить ноутбук к плате АЦП, запустить программу, выбрать пункт меню «Расход воды».
2. Закрыть краны ВН2, ВН4, ВН5 открыть кран ВНЗ.
3. Включить насос тумблером «Подача воды».
4. В случае, если в системе диафрагм есть воздушные пузыри, необходимо открыть краны ВН8, ВН9 и ВН6, ВН7. Попеременно открывая и закрывая краны ВНЗ, ВН4, ВН5 добиться заполнения диафрагм и измерительных трубок жидкостью. После чего закрыть ВН8, ВН9, ВН6, ВН7.
5. Выбрать одну из диафрагм для тарировки. Для определенности изложения выберем ДР1.
6. Открыть краны ВН6, ВН7. Закрыть кран ВНЗ, ВН4, ВН5.
7. Дождаться установления показаний ДД1 и ДД2. На экране компьютера нажать кнопку «Сбалансировать перепад».
8. Открыть ВН4, ВН6. Закрыть ВН7.
9. Переключить электронный секундомер в автоматический режим управления.
10. Открыть кран ВН10. Дождаться слива жидкости из мерной емкости.
11. Нажать кнопку «Начать измерения».
12. Закрыть кран ВН10. Когда емкость наполнится до срабатывания первого датчика уровня, на экране должен начаться отсчет времени для определения расхода.
13. После достижения уровнем жидкости верхнего датчика уровня измерение автоматически остановится. Не нужно нажимать кнопку «Остановить измерения» (эта кнопка нужна для остановки сбора информации при нарушении последовательности выполнения лабораторной работы).
14. На экране компьютера появится значение среднего перепада давления на диафрагме и расхода воды. В случае, если СКО не превышает 5% от среднего значения, нажать кнопку «Добавить точку».
15. Открыть кран ВН10.
16. Частично закрывая кран ВН4 изменить расход, а следовательно, и перепад давления на диафрагме.
17. Повторить пункты 10-16 три-четыре раза.
18. Нажать кнопку «Вычислить коэффициент», на экране отобразится значение коэффициента К для данной диафрагмы, на графике отобразится кривая, построенная по тарировочным точкам.
19. Сохранить данные и график в файлы.
20. Записать значение давления перед диафрагмой и коэффициента АТ.
21. Проанализировать отклонение экспериментально полученных точек от тарировочной кривой, а также влияние количества тарировочных точек на коэффициент К. Сделать выводы.
22. Повторить исследование для второй диафрагмы, сравнить коэффициенты К.
23. Выключить насос тумблером «Подача воды».
Лабораторная работа №11.