В жидкости и газе

ПРИБОРЫ И СПОСОБЫ ИЗМЕРЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ

1. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ РАБОТЫ.

Цель работы заключается в изучении приборов и способов измерения давления в жидкости и газах, а также приобретении практических навыков оценки точности пружинных манометров.

Задачами работы являются изучение физического смысла абсолютного, избыточного (манометрического) и вакуумметрического давления, а также единиц давления; изучение принципа действия и конструкции приборов для измерения давления; выполнить лабораторную проверку пружинных манометров и оценить класс точности манометров.

2. ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Покоящаяся жидкость под действием внешних поверхностных и массовых сил находится в напряженном состоянии, которое в каждой точке внутри жидкости характеризуется гидростатическим давлением. Значение гидростатического давления зависит от давления ρ₀, действующего на свободную поверхность жидкости и от плотности жидкости. Для уровня на глубине h_А (рис.2.1) абсолютное давление в любой точке А может быть определено по формуле

(1)

где ρ – плотность жидкости; g – ускорение силы тяжести.

Формула (1) характеризует основное уравнение гидростатики: по нему можно подсчитать давление в любой точке покоящейся жидкости. Это давление складывается из двух величин: давления ρ0 на внешней поверхности жидкости и давления, обусловленного весом вышележащих слоев жидкости. Давление р₀ передаемся веем точкам объема жидкости и по всем направлениям одинаково. Это положение известно под названием закона Паскаля.

Рис. 1. Схема подсоединения пьезометра.

Если внешнее давление равно атмосферному давлению, то уравнение (1) примет вид

(2)

где ρ_АТМ – атмосферное давление; h_А – высота столба жидкости в пьезометре (стеклянной трубке), имеющем свободное сообщение с атмосферой.

Разность между абсолютным ρ_А и атмосферным ρ_АТМ давлением называется избыточным давлением.

(3)

Пьезометрическая высота h_А может быть определена из уравнения (2)

(4)

Если измеряемое давление меньше атмосферного ( ), то разность между атмосферным и абсолютным давлением называется вакуумметрическим давлением.

(5)

Из формулы (5) следует, что

(6)

где h_ВАК – вакуумметрическая высота столба жидкости.

Единицей гидростатического давления в системе СИ является паскаль (Па). Паскаль равен давлению, вызванному силой 1Н, действующей по нормали на поверхность в 1 м₂ и равномерно распределенной по всей площади этой поверхности. На практике применяют кратные единицы: декапаскалъ – 1 даПа = 10 Па; гектопаскаль – 1 гПа = 10² Па; килопаскаль = 1 кПа = 10³ Па; мегапаскаль – 1 МПа = 10⁶ Па.

На практике для измерения давлений применяют также килограмм–силу на квадратный сантиметр (кгс/см²), Приближённо 1 кгс/см² = 10⁵ Па.

Часто давление в жидкостях и газах численно выражают в виде соответствующей этому давлению пьезометрической высоты по формуле (4). Например, десять метров водяного столба соответствуют 9,81*10⁴ Па или округленно 1*10⁵ Па, сто метров водяного столба приближенно соответствую 1 МПа.

Давление в жидкостях и газах можно измерить различными способами: с помощью пьезометров, ртутных манометров, с помощью грузопоршневых манометров, пружинных и мембранных манометров.

Схема измерения давления с помощью пьезометра понятна из рис 1.

Грузопоршневые манометры применяют как для измерения давления, так и для поверки (аттестации) пружинных и мембранных манометров. Принцип работы грузопоршневых манометров основан на уравновешивании в вертикальной плоскости плунжера с помощью давления жидкости, подводимой снизу, и силы тяжести эталонных грузов, действующих на плунжер сверху. Принцип действия грузопоршневого манометра рассмотрен в разделе 3.

При измерении давлений более 0,2 – 0,3 МПа применяет механические манометры – пружинные или мембранные.

Пружинный манометр (рис. 2) состоит из корпуса 1, шкалы 2, стрелки 3, полой латунной трубки 4, эллиптического поперечного сечения, изогнутой по дуге окружности. Шкала манометра проградуирована в единицах давления. При изменении избыточного давления внутри трубки она деформируется: при увеличении давления разгибается, то есть раскручивается как пружина, а при уменьшении давления закручивается. Это вызвано тем, что длина внутренней стенки трубки АВС меньше, чем наружной ДЕК. Следовательно, сила, действующая на внутреннюю поверхность, меньше силы, действующей на внешнюю поверхность трубки. Поэтому свободный конец трубки будет изменять свое положение и через передаточный механизм поворачивать стрелку на определенный угол, пропорционально измеряемому давлению.

Рис 2. Пружинный манометр.

Вакуумметр имеет аналогичную конструкцию. В этом приборе передаточный механизм обеспечивает наибольшее отклонение стрелки от нуля при понижении давления, то есть когда трубка закручивается.

Преимущества пружинных приборов для измерения давления – малые габариты, универсальность, простота изготовления и эксплуатации, большой диапазон измерений. Недостатком является нестабильность показаний вследствие остаточных статических деформаций трубки или мембраны, а также износа передаточного механизма в процессе эксплуатации.

Поэтому пружинные манометры и вакуумметры регулярно подвергаются поверке (аттестации). Цель поверки – установление принадлежности прибора к присвоенному ему классу точности, который удостоверяется клеймом на циферблате прибора и указывается в его паспорте. Поверка производится путем сравнения показаний поверяемого прибора с показаниями образцового. Разность между показаниями этих приборов Δi представляет собой абсолютную систематическую погрешность в различных точках шкалы поверяемого прибора

(7)

где – среднее значение показаний прибора, фиксируемых в отдельных точках его шкалы при повышении давления , а затем при понижения давлении ; – фактическое давление, подводимое к поверяемому прибору.

Среднее значение давления определяется по формуле

(8)

По абсолютной систематической погрешности определяется класс точности К поверяемого прибора как процентное отношение максимального значения погрешности к минимальному значению N шкалы манометра

(9)

Количество поверочных испытаний, равномерно распределенных по шкале прибора, зависит от класса точности манометров, который предопределяет назначение прибора (табл.1).

Таблица 1.

Классы точности манометров.

ГОСТ	Тип манометра	Пределы допустимой погрешности показаний манометра	Класс точности манометра	Количество поверочных испытаний манометра
6221-72	Образцовый	±0,05	0,05
±0,1	0,1
±0,25	0,25
±0,4	0,04
6221-72	Лабораторный	±0,4	0,4
±0,6	0,6
2405-72	Рабочий (для давления до 100 кгс/см2)	±1
±1,5	1,5
±2,0	2,0
±2,5	2,5
2405-72	Рабочий (для давления свыше 100 кгс/см2 )	±4
±6

3. ЛАБОРАТОРНАЯ УСТАНОВКА

В лабораторных условиях поверка пружинных манометров производится о помощью установки М1–60 (рис. 3).

Основными элементами установки являются: два поверяемых пружинных манометра 1 и 5; грузопоршневой манометр 3; поршневой гидронасос 7 с рычажным ручным приводом; гидробак 8; фильтр 9; запорные вентили 2, 4, 6, 10, 13; гидроклапаны (всасывающий 11 и нагнетательный 12); гидропресс 14 с винтовым ручным приводом и система гидролиний.

Рис. 3. Схема лабораторной установки

4. МЕТОДИКА ВЫПОЛНЕНИЯ ПОВЕРНИ МАНОМЕТРОВ.

Для подготовки установки к лабораторным опытам необходимо проверить и при необходимости выровнять по уровню с помощью винтовых опор, горизонтальное положение установки. При открытых вентилях 10, 13 и при закрытых вентилях 2, 4, 6 ручным насосом 7 прокачать гидросистему установки. Затем закрыть вентиль 10 и открыть вентиль 4 и повторно прокачать гидросистему, пока поршень грузопоршневого манометра 3 не поднимется вверх до положения, определяемого риской А на уровне верхней кромки колонки. Далее необходимо закрыть вентиль 13, открыть вентили 2, 6 и .гидропрессом 14 установить поршень в положение, указанное выше.

Поверку пружинных манометров 1 и 5 осуществляют путем сравнения их фактических показаний с эталонным давлением , создаваемым действием сил тяжести грузов на поршень грузопоршневого манометра 3. При снятых грузах в замкнутой гидросистеме установки под действием массы подвижных частей создается давление 1 кгс/см². В начале поверки визуально определяют показания пружинных манометров и все данные заносятся в соответствующие графы табл. 2.

Таблица 2.

Результаты поверки пружинных манометров.

Номера опытов	Показания манометров кгс/см2	Средние значения показаний манометров	Абсолютная систематическая погрешность манометров
Эталонного	Поверяемых	Прибор № 1	Прибор № 2	Прибор № 1	Прибор № 2
Прибор № 1	Прибор № 2
При нагрузке	При разгрузке	При нагрузке	При разгрузке

Затем на нагрузочный столик необходимо половить четыре эталонных груза (создающих давление в 1 кгс/см² каждый), гидропреоеом 14 приподнять грузы 15 до положения, фиксируемого риской А, и записать показания приборов при данном эталонном давлении (5 кгс/см²). Опыты продолжить при создании давления в системе ступенями по 5 кгс/см². Затем в такой же последовательности провести разгрузку системы, каждый раз фиксируя в табл. 2 показания пружинных манометров.

По формуле (8) определяются средние значения показаний приборов при нагрузке и разгрузке. По формуле (7) определяется абсолютная систематическая погрешность Δ в. каждом опыте. Путем сравнения результатов расчетов находят максимальное значение погрешности . С использованием этого значения по формуле (9) определяется фактический класс точности Кф приборов.

В выводах по данным опытов фактический класс точности маномётра сравнивается с классом точности, указанном в паспорте (на шкале прибора). Если класс точности подтверждается, то манометр допускается к дальнейшей эксплуатации в соответствии с его назначением. Если класс точности снижается, то прибор рекомендуется аттестовать по другому классу в соответствии с табл. 1.

5. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА.

5.1. Цель и задачи работы.

5.2. Основные теоретические положения.

5.3. Схема лабораторной установки суказанием составныхчастей.

5.4. Результаты измерений ивычислений ввиде таблицы.

5.5. Выводы по работе.

6. ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ

6.1. Какие единицы давления применяются в технике?

6.2. Как определить пьезометрическую высоту, если известно избыточное давление в данной точке объема жидкости?

6.3. Как устроен пружинный манометр?

6.4. Как оценить класс точности пружинного манометра?

6.5. Как определяется абсолютная погрешность манометра?