Лабораторная работа № 1 МЕТОДЫИЗМЕРЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ
Цель работы: изучение различных методов измерения давления, ознакомление с приборами - измерителями давления, построение калибровочных кривых манометров, действующих по различному принципу.
Приборы и оборудование: лабораторная установка «МСИ-4», задатчик давления «МЛИ 4/1».
Теоретическое введение
Приборы для измерений давлений классифицируют в зависимости от вида измеряемого давления, принципа действия и назначения.
По виду измеряемого давления приборы подразделяются на манометры абсолютного давления, барометры, манометры, вакуумметры, мановакуумметры, дифференциальные манометры.
Барометры предназначаются для измерения атмосферного давления, манометры избыточных давлений, дифманометры - перепада давлений.
Все приборы для измерения давления, независимо от его вида, можно разделить по принципу действия на жидкостные, пружинные, грузовые, электрические и прочие.
По назначению манометры делят на манометры масла, бензина или другого жидкого топлива, воды, пара, воздуха, кислорода, ацетилена и т.д.
Жидкостные манометры
Среди большого разнообразия приборов, применяемых для измерения давления, простейшими и вместе с тем самыми точными являются U-образные жидкостные манометры. Верхним пределом разности давлений (Р1-Р2) измеряемой U-образными манометрами с визуальным отсчетом показаний считается величина 1,96-105 Н/м (2 кг/см2). Эта величина определяется прочностью стеклянных трубок, условиями получения герметичности в соединениях стекла с металлом или резиной. Основным недостатком U-образных манометров является необходимость снятия при каждом замере двух отсчетов. Этот недостаток частично устранен в чашечном манометре, состоящем из сосудов разного диаметра. Измеряемое давление подается к широкому сосуду, а тонкая
|
|
трубка сообщается с атмосферой. Приэтом перемещение столбца жидкости в трубке оказывается существенно большим, нежели в широком сосуде, в результате чего последним можно пренебречь.
Пружинные манометры.
Работа пружинных приборов основана на уравновешивании давления среды силами, возникающими при упругой деформации специальных элементов. Пружинные манометры и вакуумметры отличаются простотой устройства, надежностью действия, широким измерительным диапазоном и достаточно высокой точностью. Пружинные приборы давления можно классифицировать по виду пружины, преобразующей давление или усилие в перемещение. По этому признаку можно разделить пружинные приборы давления на следующие группы:
1. Приборы с трубчатой манометрической пружиной.
2. Мембранные приборы, в которых преобразование давления в перемещение осуществляется упругой мембраной, анероидной или анометрической мембранной коробкой, блоком анероидных или манометрических коробок.
3. Сильфонные приборы, где упомянутое преобразование осуществляется сильфоном.
4. Приборы, в которых импульсное давление преобразуется в усилие, действующее на стержневую пружину того или иного типа. Из числа распространенных приборов к этой группе относятся:
а) пружинно-поршневые;
б) пружинно-мембранные приборы с гибкой мембраной;
в) пружинно-колокольные,
г) пружинно-сильфонные приборы.
В одновитковых и многовитковых пружинных манометрах измеряемое давление подается во внутреннюю полость пружины. Один конец пружины, соединенный с ниппелем, неподвижен, а другой, запаянный - свободен и соединен с показывающей системой. Пружины изготавливаются из латуни и других медных сплавов, а для высоких давлений - из стали. Поперечное сечение пружины представляет собой эллипс, большая ось которого "а" перпендикулярна к плоскости витка
|
|
пружины. При повышении давления поперечное сечение пружины "округляется" и при этом малая ось "b" эллипса увеличивается, а угол закручивания пружины α уменьшается. Изменения этих величин прямо-пропорциональны друг другу, таким образом, изменение угла закручивания пружины пропорционально начальному значению угла и деформации малой оси сечения трубки.
Шкала пружинного манометра равномерная, так как пружина работает в зоне пропорциональности между напряжением и деформацией. Перемещение свободного конца одновитковой пружины невелико (менее 5-8 мм), поэтому для увеличения угла поворота стрелки манометра применяют передаточные механизмы - рычажный или зубчатый (секторный).
Манометры с одновитковой пружиной изготавливаются образцовые, контрольные и технические; классы точности от 0,2 до 4. Их помещают в корпусах диаметром 60, 80, 100, 150, 200 и 500 мм. Пределы измерения от 1 до 10000 кг/см2. На базе одновитковых пружинных манометров выпускаются вакуумметры и мановакуумметры.
Многовитковая трубчатая пружина представляет собой последовательное соединение 6-9 одновитковых пружин, благодаря чему она имеет сравнительно большое перемещение свободного конца и развивает значительное усилие. В связи с этим многовитковые пружины широко применяются в самопишущих манометрах.
|
|
В лабораторных манометрах упругим элементом является упругая металлическая мембрана, мягкая мембрана (например, резиновая) с дополнительной пружиной. Мембранные манометры применяются для измерения давлений агрессивных и вязких сред; в этом случае упругая мембрана защищается прокладкой.
Недостатками мембранных манометров являются малая чувствительность системы, трудность регулировки, изменение характеристик во времени из-за "усталости" мембраны.
Гармоникообразная мембрана обладает высокой чувствительностью, в связи с чем она широко применяется в технических приборах (сильфонные манометры типа МС, вторичные приборы в пневматической агрегатной системе АУС). Сильфонные манометры типа МС применяются
для измерений давлений до 5 кг/см2, класс точности 1,5 для манометров и
2,5 для вакуумметров и мановакуумметров.
Принцип действия поршневых манометров основан на уравновешивании измеряемого давления калиброванным грузом. Они применяются для измерения высоких давлений (до 10000 кг/см2 и в качестве образцовых и контрольных приборов, классы точности приборов 0,02; 0,05; 0,2. Применение поршневых манометров для технических измерений крайне ограничено.
Электрические манометры.
Описанные методы и приборы зачастую непригодны для измерения быстро меняющихся и очень высоких давлений и разряжений. В этом случае прибегают главным образом к использованию электрических приборов, работа которых основана на зависимости электрических характеристик чувствительного элемента от давления. К числу таких приборов следует отнести, например, пьезоэлектрические манометры и электрические вакуумметры сопротивления.
У пьезоэлектрического манометра при приложении давления на металлических обкладках, соприкасающихся с кварцевыми пластинами (либо с пластинами из сегнетовой соли или турмалина), возникает заряд q, величина которого пропорциональна давлению Р. Измерительный прибор подключают к зажимам пьезоэлектрического манометра через электронный усилитель. Достоинством пьезоэлектрического манометра является малая инерционность.
Действие электрического манометра сопротивления основано на зависимости электропроводности некоторых сплавов от давления среды, окружающей проводник. В качестве материала проводника обычно применяется манганин, сопротивление которого, в зависимости от давления, изменяется по линейному закону.
Описание установки.
Лабораторная установка «МСИ - 4» обеспечивает решение типовых задач измерения давления, исследование характеристик датчиков давления различных типов и обработку результатов измерений. Внешний вид
установки представлен на рис. 1. Установка выполнена в настольном исполнении.
На двух основаниях 1 расположен баллон-ресивер 2 с резьбовыми штуцерами для установки контрольного манометра 3 (манометр образцовый МО), рабочего манометра 4 (манометр МТК), датчиков давления - 5 (тензорезистивный преобразователь давления
3 4 8 * 6 5
Рис. 1. Лабораторная установка.
ПМД2-ИВ1) и 6 (датчик измерения избыточного давления МТ101), а также механического преобразователя давления 7 (разделитель мембранный РМ) с индикатором перемещения часового типа ИЧ-5 8.
Источники питания 9 и 10 служат для электропитания соответственно датчиков давления 5 и б. Ниппель 11 предназначен для подключения к установке устройства нагнетания воздуха.
Показания с датчиков 5 и 6 снимаются с помощью мультиметра 12, входящего в комплект поставки через разъемы "ВЫХОД".
Основные технические данные
1. Диапазон изменения давлений, МПа от 0 до О,25
2. Максимальная погрешность измерения давлений, % 5
3. Установка обеспечивает возможность измерения давления с помощью:
а) стрелочных манометров МО и МТК;
б) датчика измерения избыточного давления МТ101;
в) тензорезистивного преобразователя давления ПМД2-ИВ1;
г) механического преобразователя давления (разделителя мембранного РМ) с индикатором перемещения часового типа.
4. Электропитание тензорезистивного преобразователя давления ПМД2-ИВ1 осуществляется от адаптера питания типа АП-5901.
5. Электропитание датчика измерения избыточного давления МТ101 осуществляется от блока питания типа БПС 24-0,3.
6. Электропитание блоков питания осуществляется от сети переменного тока.
7. Технические данные тензорезистивного преобразователя давления
ГТМД2-ИВ1:
диапазон измеряемых избыточных давлений, МПа 0,06...0,25
напряжение питания, В 5 ±0,1
выходной сигнал, мВ 50...95
8. Технические данные датчика измерения избыточного давления МТ101:
верхний предел измерений, МПа 0,001... 0,25
предел допускаемой основной погрешности ±1,0%
напряжение питания, В 15...42
выходной сигнал, мА 4...20
9. Технические данные манометра МТК:
верхний предел измерений, кгс/см2 2,5
класс точности 2,5
10. Технические данные манометра образцового МО:
верхний предел измерений, МПа 0,25
класс точности. 0,4
11. Технические данные разделителя мембранного РМ:
верхний предел измерений, МПа. •... 0,25
дополнительная погрешность измерения,
вносимая разделителем, ±1%
12. Технические данные индикатора часового ИЧ10:
верхний предел измерений, мм 10
цена деления, мкм 5
класс точности 1,0