11838

Вимірювання тиску в рідинах і газах

Лабораторная работа

Физика

Вимірювання тиску в рідинах і газах. Мета роботи Практичне засвоєння основних законів гідростатики ознайомлення з приладами для вимірювання тиску в рідинах і газах набуття навичок з вимірювання тиску різними приладами. Загальні положення 1.1. Основне рівня

Украинкский

2013-04-12

470.5 KB

46 чел.

Вимірювання тиску в рідинах і газах.

Мета роботи

Практичне засвоєння основних законів гідростатики; ознайомлення з приладами для вимірювання тиску в рідинах і газах; набуття навичок з вимірювання тиску різними приладами.

1. Загальні положення

1.1. Основне рівняння гідростатики

Тиск – це скалярна величина, що характеризує напружений стан суцільного середовища.

Середнє значення тиску рідини або газу на будь-яку площину чисельно дорівнює відношенню нормальної сили Р до площі , на яку діє ця сила:

p = Р/ .

(1)

Гідростатичний тиск в точці чисельно дорівнює взятій з протилежним знаком величині нормального напруження на довільно орієнтованій у даній точці площини і може бути виражений через ліміт:

.

(2)

Гідростатичний тиск в рідинах і газах має такі властивості:

  1.  тиск на будь-яку поверхню діє перпендикулярно до неї та завжди є напруженням стиску (у рідинах і газах у стані спокою не виникають нормальні напруження розтягу);
  2.  значення тиску в даній точці залежить лише від координат точки і є однаковим в усіх напрямках.

При рівновазі рідини, коли на неї з масових сил діє тільки сила земного тяжіння, справедлива рівність, яку називають основним рівнянням гідростатики:

,

(3)

де z – геометрична висота точки, тобто її висота над довільною горизонтальною площиною порівняння О–О; p – гідростатичний тиск у точці; – питома маса (густина) рідини чи газу;  g – прискорення вільного падіння, g=9,81 м/с2.

При практичному застосуванні основне рівняння гідростатики частіше записують у вигляді

p = p0 + gh ,

(4)

де р0 , р – тиск відповідно на вільній поверхні рідини та на глибині h.

Таким чином, тиск на будь-якій глибині дорівнює сумі тиску на вільній поверхні p0 та вагового тиску рh  (тиску відповідного стовпа рідини висотою h):

ph = gh = h ,

(5)

де =g – питома вага рідини, Н/м3. 

1.2. Одиниці вимірювання тиску

В системі СІ одиницею вимірювання тиску є 1 Па (паскаль) – це тиск, який створює сила 1 Н, рівномірно розподілена по поверхні площею 1 м2:

1 Па = 1 Н/м2 = 1 кг/(мс2).

Паскаль – дуже мала величина для вимірювання тиску; на практиці частіше тиск виражають у кратних одиницях: гектопаскалях (1 гПа=100 Па), кілопаскалях (1 кПа=1000 Па), мегапаскалях (1 МПа=106 Па) і гігапаскалях (1 ГПа=109 Па).

З позасистемних одиниць вимірювання тиску найбільш поширеними є:

1) атмосфера технічна (ат) або кілограм сили на квадратний сантиметр (кгс/см2): 1 ат=1кгс/см2 = 98100 Па;

2) атмосфера фізична (1 атм = 101 325 Па) – це нормальний атмосферний тиск на рівні Світового океану;

3) метр водяного стовпа (1 м. вод. ст. = 9810 Па);

4) міліметр ртутного стовпа (1 мм. рт. ст. ≈  Па);

5) бар (1 бар = 100 000 Па);

6) фунт сили на квадратний дюйм (1 lb/sq.in = 0,4536 кгс / (2,54 см)2 =  кгс/см2).

На практиці часто користуються співвідношенням між технічною атмосферою та метрами водяного стовпа: 1 кгс/см2 = 10 м. вод. ст. 

Величину кров’яного тиску в медицині досі визначають в позасистемній одиниці 1 Тор (торрічеллі), де 1 Тор = 1 мм. рт. ст. ≈ 133 Па.

Для будь-якої рідини перехід від значення тиску до висоти відповідного стовпа рідини (до напору h) і навпаки здійснюється за формулою (5).

1.3. Надлишковий і вакуумметричний тиск

Розрізняють абсолютний, надлишковий та вакуумметричний тиск. Абсолютний (повний або термодинамічний) тиск рабс відраховується від абсолютного нуля тиску, що відповідає повному (абсолютному) вакууму.

Надлишковим (манометричним) тиском рн називають різницю між абсолютним та атмосферним тиском в даній точці:

pн = рабс – ра ,

(6)

де ра – атмосферний тиск.

У нижній частині атмосфери Землі – тропосфері – температура, густина та тиск повітря змінюються в досить широких межах залежно від географічної широти місцевості, пори року і часу доби, метеорологічних умов (наявності циклону чи антициклону). Для єдиного уявлення про характеристики атмосфери і для здійснення практичних розрахунків прийнята так звана стандартна атмосфера – умовний розподіл густини, тиску і температури в сухому, чистому повітрі залежно від висоти над рівнем моря. Стандартна атмосфера базується на багаторічних статистичних даних і містить середні значення фізичних параметрів повітря. Стандартна атмосфера встановлює середні значення параметрів атмосфери для широти 45,5о, що відповідають середньому рівню сонячної активності. Початкові параметри повітря згідно зі стандартною атмосферою на рівні моря (H=0) прийнято такими: температура Т0=288 К (t0=15 оС), тиск р0=101325 Па (760 мм.рт.ст.), густина 0=1,225 кг/м3. Зі збільшенням висоти місцевості над рівнем моря атмосферний тиск зменшується за законом, близьким до експоненційного (табл. 1). При незначних висотах (до 500 м) можна користуватися правилом, що зі збільшенням висоти на 1 метр атмосферний тиск стає меншим приблизно на 12 Па.

Таблиця 1

Залежність тиску стандартної атмосфери від висоти над рівнем моря

Висота H, м

0

100

200

500

1000

2000

3000

Тиск ра, Па

101325

100129

98945

95461

89876

79501

70121

Тиск ра, м. вод. ст.

Вакуумметричним тиском рвак називають різницю між атмосферним та абсолютним тиском у даній точці:

pвак = ра – рабс .

(7)

На рис. 1 зображена схема до пояснення понять абсолютного, надлишкового і вакуумметричного тиску. Оскільки з формул (6) і (7) випливає, що pвак = – рн , вакуумметричний тиск називають ще від’ємним надлишковим тиском.

Рис. 1. Схема до пояснення понять абсолютного,

надлишкового і вакуумметричного тиску

З визначення вакуумметричного тиску випливає також, що він не може бути як завгодно великий (на відміну від надлишкового тиску). Максимальне значення вакуумметричного тиску відповідає нульовому значенню абсолютного тиску рабс=0. Тоді теоретично досяжний вакуумметричний тиск чисельно дорівнює атмосферному тиску

(pвак)max = ра .

(8)

На практиці найчастіше мають справу з так званим низьким вакуумом, коли абсолютний тиск більший за 1 мм. рт. ст.

2. Прилади для вимірювання тиску

2.1. Класифікація приладів для вимірювання тиску та вимоги до них

Сучасна наука і техніка ставлять найрізноманітніші вимоги до приладів для вимірювання тиску. Насамперед, це пов’язано з широким діапазоном вимірюваних величин тиску: від міліпаскаля (мПа) до гігапаскаля (ГПа). Зростають вимоги до точності вимірів, ускладнюються об’єкти досліджень, що накладає додаткові умови на конструкційне оформлення приладів. Так, наприклад, прилади, які використовують для вимірювання сталих тисків, виявляються непридатними при вимірюванні пульсацій тиску, причому в реальних процесах зустрічаються пульсації тиску з частотою до 106 Гц.

Розмаїття вимог обумовило велику кількість приладів для вимірювання тиску, різних як за принципом дії, так і за точністю вимірювань і конструктивним оформленням.

Умовно всі прилади для вимірювання тиску можна класифікувати за:

а) видом вимірюваної величини; б) принципом дії; в) класом точності.

Класифікація за видом вимірюваної величини:

а) барометри – прилади для вимірювання атмосферного тиску;

б) манометри і п’єзометри – прилади для вимірювання надлишкового тиску рн;

в) вакуумметри – прилади для вимірювання вакуумметричного тиску рвак (від’ємного надлишкового тиску);

г) мановакуумметри – прилади, за допомогою яких вимірюють як надлишковий тиск, так і вакуумметричний;

д) диференційні манометри – прилади для вимірювання різниці тисків у двох точках.

Для вимірювання абсолютного тиску більшого за атмосферний використовують два прилади – барометр і манометр, а менше атмосферного – барометр і вакуумметр.

Класифікація за принципом дії:

1. Рідинні прилади, які мають гідростатичний принцип дії. У них вимірюваний тиск зрівноважується тиском стовпа рідини, висота якого визначається або безпосередньо, або шляхом розрахунку. Ідея вимірювання тиску за величиною стовпа рідини належить італійському вченому Торрічеллі (1640 р.), а вперше здійснена італійським механіком Вівіані в 1642 р. і французьким ученим Паскалем у 1646 р. Рідинні прилади не втратили свого значення і сьогодні, вони не складні у виготовленні, точні та надійні.

2. Механічні прилади, принцип дії яких полягає в тому, що під дією тиску відбувається деформація деякого пружного елемента, – величина цієї деформації і є мірою вимірюваного тиску.

3. Вантажно-поршневі прилади – це манометри, в яких вимірюваний тиск, діючи на одну сторону поршня, зрівноважується зовнішньою силою, прикладеною з його протилежного боку. В якості рівноважної сили використовують тягарці. Вага тягарця, поділена на площу поршня, визначає величину вимірюваного тиску. Це, як правило, стаціонарні високоточні еталонні прилади.

4. Електричні прилади, принцип дії яких базується на зміні електричних властивостей деяких матеріалів чи на зміні будь-яких електричних параметрів під дією тиску.

5. Комбіновані прилади, принцип дії яких носить змішаний характер (пружинно-електричні, рідинно-електричні та ін.).

Класифікація за класом точності.

За точністю показів усі прилади, що серійно випускаються, поділяються на класи.

Класом точності називається найбільша допустима приведена похибка, виражена у відсотках від діапазону вимірювання даного приладу:

КТ = (max / Д)100%,

(9)

де max – максимально допустима абсолютна похибка вимірювання приладу; Д – діапазон вимірювання.

Установлені класи точності приладів для вимірювання тиску відповідають наступному ряду: 0,005; 0,02; 0,05; 0,1; 0,16; 0,25; 0,4; 0,6; 1,0; 1,5; 2,5; 4,0. Механічні прилади поділяють на технічні, зразкові та еталонні. Зразкові прилади звіряються з еталонними, а також використовують для перевірки технічних. Технічні прилади використовуються безпосередньо для вимірювання тиску. Еталонними є прилади з класом точності КТ<0,16; до зразкових відносяться прилади з КТ=0,16...0,6; технічні прилади для вимірювання тиску мають КТ>0,6.

Наприклад, для приладу, який має клас точності КТ=1,5 допустима похибка вимірювання становить 1,5% від діапазону вимірювання.

2.2. Рідинні прилади для вимірювання тиску

2.2.1. Рідинний барометр

Барометром називається прилад для визначення величини атмосферного тиску. Термін походить від грецьких слів baros – тягар і metron – міра.

Перший ртутний барометр винайшов близько 1640 року італійський фізик і математик Торрічеллі (1608-1647), який власне і відкрив існування атмосферного тиску і вакууму (так звана торрічеллієва пустота).

Найпростіший ртутний барометр складається з відкритої чашки з ртуттю та зі скляної трубки (рис. 2). Якщо довгу скляну трубку, закриту з одного кінця, заповнити ртуттю і опустити відкритим кінцем у посудину з ртуттю, то рівень рідини у трубці понизиться, і над її поверхнею утворюється пустота. Абсолютний тиск у цій пустоті ps дорівнює тиску насичених парів ртуті при даній температурі. Так, при температурі 20 оС для ртуті ps =0,24 Па =  мм. рт. ст.

Рис. 2. Принципова схема

ртутного барометра

Тиск стовпа ртуті зрівноважує атмосферний тиск, що діє на вільній поверхні О–О рідини у чашці. Тоді висота h стовпа ртуті є мірою величини атмосферного тиску:

pа = рs + ртg(h+hкап+h)  ,

(10)

де рт – питома маса ртуті, при температурі 20 оС рт = 13546 кг/м3hкап – висота капілярного опускання ртуті; наближено hкап = 10/d, де d – діаметр трубки, мм; – поправка на опускання рівня ртуті в чашці за рахунок підняття у трубці; hd2/(D2-d2), D  – діаметр чашки. Шкалу ртутних барометрів градуюють здебільшого не в одиницях довжини, а в одиницях тиску з врахуванням поправок hкап  і  h.

2.2.2. П’єзометр

П’єзометр – це найпростіший і один з найбільш точних приладів для вимірювання надлишкового тиску. У п’єзометрі величина тиску в рідині вимірюється висотою стовпа тієї ж рідини (рис. 3). П’єзометр являє собою трубку з прозорого матеріалу діаметром 10...15 мм, що дозволяє практично повністю виключити похибку, зумовлену капілярним підняттям рідини. При менших діаметрах трубок у показ п’єзометра потрібно вносити поправку на капілярний ефект; для води ця поправка становить hкап = –30/d, де d – діаметр трубки п’єзометра, мм.

Висота підняття рідини відносно точки приєднання до резервуару (чи трубопроводу) hп є кількісною мірою надлишкового тиску в даній точці:

рн =   hп ,

(11)

де hпп’єзометрична висота, м. 

Рис. 3. П’єзометр

При вимірюванні п’єзометричної висоти відлік необхідно робити по нижньому рівню вгнутого меніска для рідин, що змочують стінку (наприклад, для води), або ж по верхньому рівню випуклого меніска для рідин, що не змочують стінку (наприклад, для ртуті). Абсолютна похибка вимірювання тиску п’єзометром становить 0,5 мм відповідного стовпа рідини, що для води дорівнює  Па. Основний недолік цього приладу – малий діапазон вимірюваних тисків (до 0,2...0,3 ат).

2.2.3. Рідинні манометри, вакуумметри, мановакуумметри

Рідинний манометр – це прилад для вимірювання надлишкового тиску, в якому величина тиску в посудині з рідиною чи газом визначається висотою стовпа іншої (робочої) рідини. За конструктивними особливостями розрізняють U-подібні (двотрубні) та чашкові (однотрубні) рідинні манометри. На рис. 4 показано найпростіший U-подібний ртутний манометр.

Надлишковий тиск у місці приєднання ртутного манометра до резервуара (у точці А) можна знайти, прирівнюючи за законом сполучених посудин надлишковий тиск у лівому та правому колінах манометра на рівні О–О:

Рис. 4. Ртутний U-подібний манометр

рО = А + 1gh1 )= ртghрт ,

звідки отримують

рА = ртghрт 1gh1 ,

(12)

де 1 – питома маса рідини в резервуарі.

Рідинні прилади можна використовувати також і для вимірювання вакууму в рідинах і газах. Якщо обидва коліна U-подібного приладу достатньо високі, за допомогою приладу можна без здійснення переключень вимірювати і надлишковий тиск, і вакуум; такий прилад називається мановакуумметром.

2.2.4. Мікроманометри

Мікроманометри – це рідинні прилади чашкового типу для високоточних вимірювань невеликого манометричного тиску, вакууму, а також різниці тисків. Мікроманометри – це  переносні прилади, їх застосовують у лабораторній практиці та в промисловості при проведенні випробовувань теплосилових та інших установок для знаходження малих тисків.

Точність вимірювання тиску в мікроманометрах забезпечується двома факторами:

1) вимірювальна трубка приладу встановлюється під кутом до горизонту, при цьому показ мікроманометра l значно перевищує висоту підняття робочої рідини в трубці;

2) робочою рідиною є, як правило, етиловий спирт, який має малу питому вагу, а також незначну висоту капілярного підняття.

При вимірюванні надлишкового тиску в якому-небудь об’єкті тиск від нього підводиться за допомогою гнучкої трубки в чашку приладу 1, а при вимірюванні вакууму – у трубку 2 (рис. 5). При визначенні різниці тисків більший тиск подається в посудину, а менший – у вимірювальну трубку.

Рис. 5. Рідинний мікроманометр з похилою трубкою

Важливою перевагою чашкових рідинних приладів є те, що на них потрібно робити лише один відлік (тоді як в приладах з U-подібною трубкою – два). Зміна рівня робочої рідини в чашці при зміні показу приладу враховується або в розрахунковій формулі, або при градуюванні шкали приладу. При відношенні площі чашки до площі перерізу трубки />400 зміною рівня рідини в чашці можна нехтувати.

Розрахункова формула для визначення величини тиску за показом мікроманометра l:

p = gl sin = glk,

(13)

де  – питома маса робочої рідни; для етилового спирту =789,4 кг/м3; k=sin – стала мікроманометра.

На рис. 5 показано схему мікроманометра з похилою скляною трубкою, який має п’ять діапазонів вимірювання. Прилад складається з посудини 1, вимірювальної трубки 2, закріпленої на поворотному кронштейні, та пристосування 3 для фіксації кута нахилу вимірювальної трубки. Посудина та інші деталі приладу закріплені на основі 4. Для виставлення приладу в строго горизонтальне положення служать два рівні 5 циліндричної форми та два гвинти 6. Для зміни діапазону вимірювання кронштейн з вимірювальною трубкою може бути встановлений під п’ятьма різними фіксованими кутами нахилу до горизонту. Кожному фіксованому куту нахилу вимірювальної трубки відповідає певне значення сталої мікроманометра, яке вказується безпосередньо на пристосуванні 3.

Мікроманометри розглянутого типу мають класи точності 0,5 та 1. Для більш точного вимірювання малих тисків, вакууму чи різниці тисків застосовуються мікроманометри, обладнані оптичним пристроєм і двома шкалами, а також мікроманометри компенсаційного типу.

2.2.5. Рідинні диференційні манометри та п’єзометри

Рідинні диференційні манометри служать для визначення різниці тисків у двох трубопроводах, резервуарах і т.п. Робочою рідиною цих приладів найчастіше є ртуть.

Різниця тисків, що підведені до ртутного диференційного манометра, показаного на рис. 6, визначається за формулою, що випливає з основного рівняння гідростатики:

p =  р1 – р2  = (рто)gh .

(14)

Рис. 6. Рідинний диференційний манометр

Якщо трубка розташована з’єднанням вверх і місце робочої рідини займає повітря, прилад називається диференційним п’єзометром, який вимірює різницю напорів.

2.3. Механічні прилади для вимірювання тиску

Механічні прилади є найбільш поширеними на практиці. Вони мають такі переваги: простота конструкції та використання, портативність, універсальність, практично необмежений діапазон вимірювання, починаючи від кількох кПа і до сотень МПа. За типом чутливого елемента механічні прилади розділяються на пружинні, мембранні і сильфонні.

2.3.1. Манометри з одновитковою пружиною

Перші пружинні прилади для вимірювання тиску з’явилися у середині ХІХ ст. Основною деталлю пружинних манометрів є порожниста трубка 1 з поперечним перерізом у вигляді овалу чи еліпса. На честь автора одного з перших манометрів така трубка називається трубкою Бурдона. Один кінець трубки (рис. 7) закінчується штуцером з різьбою для приєднання до резервуара чи трубопроводу, в якому слід виміряти тиск, а інший запаяний. Вільний запаяний кінець трубчастої пружини за допомогою тяги 4 шарнірно з’єднується з зубчастим сектором 3, який є в зчепленні з шестерінчастим колесом (трибкою 8). На вісь трибки насаджена стрілка 2, яка показує величину тиску на шкалі приладу.

Якщо манометр приєднати до резервуару з надлишковим тиском, то сили тиску зсередини трубки трохи її розпрямляють, і вільний кінець трубки при цьому переміщається, тяга повертає зубчастий сектор і зачеплену з ним трибку. Положення стрілки на шкалі вказує величину вимірюваного тиску.

Рис. 7. Манометр з одновитковою трубчастою пружиною: 1 – трубчаста пружина; 2 – стрілка;

3 – зубчастий сектор; 4 – тяга; 5 – корпус манометра; 6 – штуцер; 7 – основа манометра;

8 – трибка

2.3.2. Пружинні вакуумметри і мановакуумметри

Трубчаста пружина може бути використана й у вакуумметрі, тобто приладі для вимірювання розрідження (від’ємного надлишкового тиску).

Якщо всередину пружини підвести вакуумметричний тиск, то під дією зовнішнього атмосферного тиску вона стискатиметься. Вільний кінець при цьому переміщається не вгору, як у манометра, а вниз. Відповідно і стрілка буде повертатися в протилежний бік (проти руху годинникової стрілки).

Шкала вакуумметра градуюється в кПа, кгс/см2 або мм. рт. ст. Граничне значення шкали (1 кгс/см2=760 мм. рт. ст.) наноситься умовно, оскільки повний вакуум практично недосяжний.

Якщо в тій самій точці можливе виникнення і надлишкового тиску, і вакууму, то використовується прилад, який називається мановакуумметром. Граничне значення шкали манометричного тиску може бути будь-яким і залежить лише від типу використаної в даному манометрі трубки. Знаючи, на який надлишковий тиск розрахована трубка мановакуумметра, можна знайти співвідношення між довжинами манометричної і вакуумметричної шкал. Так, якщо манометрична шкала розрахована на 9 кгс/см2, вакуумметрична шкала буде займати 1/9 від шкали надлишкового тиску, якщо на 15 кгс/см2, то 1/15 і так далі. Отже, чим більший надлишковий тиск вимірює мановакуумметр, тим меншим є розмір вакуумметричної частини шкали і тим нижча точність вимірювання вакууму. З цієї причини верхня межа показів мановакуумметрів не перевищує 24 кгс/см2.

2.3.3. Манометри з багатовитковою трубчастою пружиною

Манометри з багатовитковою трубчастою пружиною є, як правило, пишучими. Чутливим елементом у них є багатовиткова пружина, що являє собою порожнисту трубку овального перерізу з 5–9 витками, розташованими по гвинтовій лінії. Діаметр пружини –30 мм. Багатовиткова пружина довша за одновиткову, тому її вільний кінець при тому ж самому тиску переміщається значно більше. При максимальному за шкалою приладу тиску пружина розкручується на кут 50о. До нерухомого кінця пружини 11 (рис. 8) припаюється капілярна трубка 1, приєднана до штуцера, для підключення до посудини, в якій вимірюється тиск. Вільний кінець трубчастої пружини 12 припаюється до гнучкої в радіальному напрямку з’єднувальної скоби 3, що зв’язує пружину з віссю 4. На вісь кріпиться важіль 5 з кареткою 6, що через тягу 7 і повідець 8 впливає на місток 9 з приєднаною до  нього стрілкою та тримачем пера 10.

Рис. 8. Манометр з багатовитковою трубчастою пружиною: 1 – капілярна трубка; 2 – пружина;        3 – з’єднувальна скоба; 4 – вісь; 5 – важіль; 6 – каретка; 7 – тяга; 8 – повідець; 9 – місток;              10 – тримач пера; 11, 12 – кінці пружини

2.3.4. Мембранні манометри

В якості пружних елементів у манометрах часто використовують мембрани або мембранні коробки. На нижньому фланці мембранного манометра (рис. 9) розташований штуцер для підключення до посудини, у якій вимірюється тиск. Верхній фланець складає одне ціле з корпусом манометра. Між фланцями знаходиться гофрована мембрана 2; фланці 3 щільно стягують болтами. У центрі мембрани закріплений стержень 4, шарнірно з’єднаний з зубчастим сектором 6 передавального механізму. За величиною деформації мембрани визначають тиск. Мембрани для вимірювання різних тисків відрізняються товщиною, діаметром, видом матеріалу і т.п. Діапазон тисків, вимірюваних мембранними манометрами, складає від 20 кПа до 30 МПа. Мембранні манометри використовують при вимірюванні тисків у високов’язких середовищах, тому що прямий і широкий канал у ніпелі забезпечує більш вільний прохід рідини, ніж у трубчастому манометрі. Для вимірювань у хімічно агресивних середовищах нижню сторону мембрани покривають тонкою плівкою захисного матеріалу.

Принцип дії мембранного манометра дозволяє використовувати його також і для вимірювання вакууму. Якщо мембранний манометр приєднати до ємності з розрідженням, то мембрана, сприймаючи зовнішній атмосферний тиск, буде прогинатися всередину, що викликає поворот стрілки у бік, зворотний порівняно з манометром.

Рис. 9. Манометр з пластинчастою мембраною: 1 – штуцер; 2 – мембрана; 3 – фланці;

4 – стержень; 5 – тяга; 6 – сектор; 7 – трибка; 8 – стрілка; 9 – шкала

2.3.5. Сильфонний манометр

У сильфонних манометрах пружним елементом є сильфон 4 (рис. 10), який являє собою циліндр з рівномірними складками (гофрами). Якщо такий сильфон піддати дії надлишкового тиску ззовні чи зсередини, то він  стиснеться чи розтягнеться по висоті, при цьому його горизонтальні поверхні будуть переміщатися паралельно одна одній. Величина переміщення пропорційна до величини вимірюваного тиску. Сильфонні манометри застосовуються для вимірювання тисків від 40 кПа до 0,5 МПа. Зміна діапазону вимірювання досягається за рахунок товщини мембрани, діаметра і розміру гофр, а також твердістю гвинтової пружини, розташованої всередині порожнини сильфона.

Рис. 10. Сильфонний самописний манометр із підйомним передавальним механізмом: 1 – повідець;

2 – втулка; 3 – стержень; 4 – сильфон; 5 – пружина; 6 – кожух сильфона; 7 – штуцер; 8 – гніздо;

9 – дно сильфона; 10 – основа сильфона

2.4. Електричні прилади для вимірювання тиску

Електричні прилади для вимірювання тиску сьогодні набувають найбільшого поширення для вимірювання і дистанційного передавання значення тиску. Первинним елементом таких приладів є так званий датчик тиску – пристрій для сприйняття величини тиску та перетворення його у відповідний електричний сигнал. Вихідним сигналом є, як правило, стандартний сигнал постійного струму в діапазоні 0...5 мА або 0...20 мА, або ж частотний сигнал.

Основні переваги електричних приладів: компактність датчика тиску; висока стабільність параметрів: температурна, часова, при циклічних навантаженнях; незначна температурна залежність; широкий вибір нормованих електричних виходів, а також роз’ємів для підведення тиску;  довговічність та ін.

Для прикладу на рис. 11 показано датчики тиску DMP 331i (для малих тисків) і DMP 333i (для високих тисків), які знаходять широке застосування практично у всіх галузях промисловості.

Рис. 11. Датчики тиску DMP

Датчики підходять як для статичного, так і для динамічного вимірювання тиску і застосовуються для всіх середовищ тиску, сумісних з неіржавіючою сталлю. Основним елементом датчиків DMP 331і і DMP 333і є датчики тиску DSP 401 і DSP 404, які конструктивно виконуються в балоні з неіржавіючої сталі з привареною мембраною, що відокремлена наповнювачем з інертної оливи. При дії тиску напівпровідниковий датчик DSP 401 дає вихідний сигнал приблизно 100 мВ (DSP404 –200 мВ). Даний сигнал обробляється цифровим способом (16-бітним АD перетворенням) за допомогою мікропроцесора. Обробка забезпечує корекцію температурної залежності сенсора й електроніки з високою точністю. Виправлений сигнал обробляється АD перетворювачем на стандартний вихідний сигнал. Крім аналогового вихідного сигналу є можливість виходу типу RS.

Іншим прикладом є кремнієві датчики тиску типу ІПТ, які придатні для вимірювання абсолютного або надлишкового тиску рідин і газів. Датчики мають 12 діапазонів вимірювання тиску (від 0–1 кПа до 0-1500 кПа), лінійну вихідну характеристику, високу стабільність параметрів: температурну, часову та при циклічних навантаженнях. Важливою перевагою є мініатюрний корпус (151518 мм) та мала маса приладу – 2 г.

В датчиках даного типу використано єдиний чотирьохконтактний тензоерс-елемент, вихідний електричний сигнал якого є пропорційним до деформації мембрани під дією тиску середовища. Тензоерс-елемент інтегрований зі схемою балансу початкового сигналу при відсутності надлишкового тиску. Компенсація температурної залежності тензочутливості здійснюється з допомогою зовнішнього резистора. Номінальний вихідний сигнал датчика – (50± 10) мВ при напрузі живлення 6 або 9 В. Гістерезис по тиску та коефіцієнт нелінійності навантажувальної характеристики не перевищують 0,1% від величини сигналу при номінальному тиску (СНТ). В діапазоні температур від 243 до 373 К похибка вимірювання тиску не перевищує 1% СНТ, а зміна початкового сигналу – не більше 0,2% СНТ.

2.5. Правила користування приладами для вимірювання тиску

2.5.1. Правила користування рідинними приладами

  •  Прилад має бути встановлений вертикально і заповнений робочою рідиною до нульової відмітки шкали.
  •  Отвір для приєднання приладу до ємності має бути невеликим, вісь отвору повинна бути перпендикулярною до стінки, а краї отвору мають бути гладкі без задирок.
  •  У результати вимірів вносяться поправки на систематичні похибки, викликані зміною температури робочої рідини, капілярністю (при використанні трубок з діаметром меншим 10 мм для води та 6 мм для ртуті), пониженням рівня рідини в чашці.

2.5.2. Правила користування механічними приладами

  •  Місце встановлення механічних приладів має бути добре освітленим, в зоні досяжності для огляду обслуговуючим персоналом та розташованим подалі він джерел вібрації.
  •  При виборі приладу з одновитковою трубчастою пружиною необхідно, щоб робоча межа надлишкового тиску була не більше 3/4 верхньої границі вимірювання приладу при постійному тиску і не більше 2/3 верхньої границі вимірювання при змінному тиску. При вимірюванні різних значень тиску доцільно, щоб прилад працював у другій третині шкали. При роботі приладу в першій третині шкали зростає відносна похибка вимірювань, а при роботі приладу в зоні верхньої границі є загроза виходу його з ладу.
  •  При проведенні вимірювань прилад має бути встановлений в робоче положення: вертикально, штуцером вниз.
  •  Перевіряють встановлення стрілки на нуль шкали до і після проведення вимірювань.
  •  При вимірюванні надлишкового тиску рідина в з’єднувальній трубці вивільняється від бульбашок повітря. При вимірюванні вакуумметричного тиску з’єднувальна трубка заповнюється повітрям.
  •  При знятті показів кут зору спостерігача має бути перпендикулярним до циферблату приладу і проходити при цьому через вказівний кінець стрілки.
  •  Якщо з’єднувальна трубка приладу заповнена рідиною, вносять поправку на висоту розташування приладу. Наприклад, якщо центр шкали манометра знаходиться на величину h вище від місця відбору тиску, то дійсний тиск в точці приєднання приладу на h більший, ніж за показом приладу.

2.5.3. Перевірка пружинних манометрів

При перевірці технічного манометра його покази порівнюють з показами зразкового манометра, на підставі чого роблять висновок про приналежність приладу до присвоєного йому класу точності. Основні вимоги до вибору зразкового приладу:

1) верхня границя вимірювань зразкового приладу має перевищувати верхню границю вимірювання приладу, який підлягає перевірці;

2) максимально допустима похибка зразкового приладу повинна бути принаймні в 4 рази меншою за максимальну похибку даного технічного приладу.

При виконанні перевірки пружинних манометрів слід дотримуватися таких правил:

1) установка для перевірки має бути розташована подалі він джерел вібрації;

2) температура в приміщенні має бути в межах 17…23 оС;

3) відлік показів приладів беруть після легкого постукування по приладу зігнутим пальцем;

4) при перевірці лабораторних і зразкових манометрів покази приладів відраховують з точністю до 1/10 поділки шкали.

3. Опис лабораторної установки

Схема лабораторної установки подана на рис. 12. Установка складається з напірного трубопроводу 1, на якому встановлено вентиль 2 для можливості зміни тиску.  У верхній частині труби зроблено отвір зі штуцером 3, до якого приєднано гребінку 4 з трьома гніздами 5 для приєднання трьох різних приладів: технічного манометра 6, зразкового манометра 7 та п’єзометра 8. П’єзометр використовується лише при невеликому надлишковому тиску в трубопроводі (до 2 м.вод.ст.), при більшому тиску він відключається з допомогою кульового крана 9.

Рис. 12. Схема лабораторної установки

4. Порядок виконання роботи

1. При закритому  кульовому крані 9 повністю відкривають вентиль 2.

2. Записують покази манометрів 6 і 7. При надлишковому тиску меншому за 0,2 кгс/см2 відкривають кульовий кран 9 і визначають надлишковий тиск також і за допомогою п’єзометра 8.

3. Поступово закриваючи вентиль 2, для 8-10 ступенів закриття записують покази манометрів 6 і 7 та п’єзометра 8.

5. Математична обробка результатів

1. Знаходять абсолютну похибку вимірювання тиску технічним манометром у порівнянні зі зразковим:

р = ,

(15)

де рЗ , рТ – надлишковий тиск, визначений відповідно за допомогою зразкового та технічного манометрів.

2. Відносна похибка вимірювання тиску технічним манометром

р = .

(16)

3. Приведена похибка вимірювання тиску технічним манометром

k = / Д ,

(17)

де Д – діапазон вимірювання тиску технічним манометром.

За результатами 8-10 вимірювань різних значень тиску роблять висновок про відповідність технічного манометра встановленому класу точності.

Журнал  лабораторної  роботи  № 1

Опис зразкового манометра:

________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________

Опис технічного манометра:

________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________

№ досліду

Показ зразкового манометра

 рЗ, кгс/см2

Показ технічного манометра

рТ, кгс/см2

Показ п’єзометра h, см

Абсолютна похибка

р, кгс/см2

Відносна похибка

р , %

Приведена похибка

k, %

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

9.

10.

Висновки до лабораторної роботи

________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________

6. Контрольні запитання

  1.  Сформулюйте і поясніть основне рівняння гідростатики.
  2.  Яка різниця між технічною та фізичною атмосферою?
  3.  Як виразити тиск через висоту стовпа рідини?
  4.  Що таке стандартна атмосфера?
  5.  Як визначається надлишковий тиск?
  6.  Яке максимально можливе значення вакуумметричного тиску?
  7.  Чому дорівнює надлишковий тиск у точці, якщо абсолютний тиск становить 3200 гПа?
  8.  Чому дорівнює вакуумметричний тиск у точці, якщо абсолютний тиск становить 300 мм.рт.ст.?
  9.  За якими ознаками класифікують прилади для вимірювання тиску?
  10.  З допомогою яких приладів можна виміряти абсолютний тиск?
  11.  Як прилади для вимірювання тиску класифікуються за принципом дії?
  12.  Що таке клас точності приладу?
  13.  За яким принципом працює найпростіший ртутний барометр?
  14.  Яка відмінність між п’єзометром та рідинним манометром?
  15.  За рахунок чого досягається висока точність вимірювання тиску мікроманометром?
  16.  Запишіть розрахункову формулу для визначення різниці тисків за показом ртутного диференційного манометра.
  17.  Поясніть принцип роботи пружинного манометра.
  18.  Опишіть будову мембранного манометра.
  19.  Від чого залежить діапазон вимірювання тиску сильфонним манометром?
  20.  Який найбільший допустимий тиск можна виміряти пружинним манометром зі шкалою від 0 до 10 кгс/см2?
  21.  Сформулюйте основні правила користування рідинними приладами для вимірювання тиску.
  22.  Сформулюйте основні правила користування механічними приладами для вимірювання тиску.
  23.  Який принцип дії та основні переваги електричних приладів для вимірювання тиску?
  24.  Опишіть схему лабораторної установки.
  25.  Як зробити висновок про відповідність технічного манометра встановленому класу точності?

Література

  1.  Константінов Ю.М., Гіжа О.О. Технічна механіка рідини і газу. – К.: Вища школа, 2002.– 277 с.
  2.  Лабораторный курс гидравлики, насосов и гидропередач. Учеб. пособие для машиностроит. вузов. Под ред. С.С. Руднева и Л.Г. Подвиза. – М.: Машиностроение, 1974. – 416 с.
  3.  Левицький Б.Ф., Лещій Н.П. Гідравліка. Загальний курс. – Львів: Світ, 1994.– 264 с.
  4.  Мандрус В.І., Лещій Н.П., Звягін В.М. Машинобудівна гідравліка. – Львів: Світ, 1995.
  5.  Науменко І.І. Технічна механіка рідини і газу. – Рівне: РДТУ, 2002. – 528 с.
  6.  Преображенский В.П. Теплотехнические измерения и приборы. – М.: Энергия, 1978. – 704с.
  7.  Чугаев Р.Р. Гидравлика (Техническая механика жидкости). – М.-Л.: Энергоиздат, 1982.– 672 с.

Навчальне видання

Вимірювання  тиску в  рідинах  і  газах

Методичні вказівки

до лабораторної роботи № 1 з дисциплін “Технічна механіка рідин і газів”, “Гідрогазодинаміка”, “Гідравліка, гідро- та пневмоприводи”

для студентів базових напрямів “Водні ресурси”, “Будівництво”, “Енергетика”,

“Автоматизація та комп’ютерно-інтегровані технології”, “Інженерна  механіка”

стаціонарної та заочної форм навчання

Укладачі :   

Жук Володимир Михайлович

Пасічнюк Андрій Семенович

     

Редактор

Комп’ютерне складання

Здано у видавництво ХХ.ХХ.ХХХХ. Підписано до друку ХХ.ХХ.ХХХХ.

Формат 70100/16. Папір офсетний. Друк на різографі.

Умовн. друк. арк. ХХ.ХХ. Обл.-вид. арк. ХХ.ХХ.

Наклад ... прим. Зам. .......

Видавництво Національного університету "Львівська політехніка"

Поліграфічний центр

Видавництва Національного університету "Львівська політехніка"

вул. Ф. Колесси, 2, 79000, Львів


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

18967. Сущность и классификация имиджа 79 KB
  Сущность и классификация имиджа Имидж – внешний образ создаваемый субъектом с целью вызвать определенное впечатление мнение отношение у других. Имидж – эмоционально окрашенный образ кого – либо/ чеголибо сложившейся в массовом сознании и способный оказать влия
18968. Понятие общественности в паблик рилейшнз 61 KB
  Понятие общественности в паблик рилейшнз Усилия специалистов PR должны быть направлены на установление двусторонних контактов с общественностью. Общественность группа людей оказавшихся в различных ситуациях осознающих неопределенность и проблемность ситуаци...
18969. Интернет-технологии, применяемые в связях с общественностью 166 KB
  Интернеттехнологии применяемые в связях с общественностью Internet представляет из себя динамично развивающееся средство представления информации и следовательно публикация сайта это сильная рекламная акция которая привлекает внимание к деятельности вашей компан...
18970. Нарушение правовых и этических норм в ходе избирательной кампании 40.5 KB
  Нарушение правовых и этических норм в ходе избирательной кампании К технологиям такого рода относятся как нарушающие букву закона так и формально не вступающие в противоречие с действующим законодательством. Объектом так называемых грязных технологий служат избира
18971. Кодексы профессионального поведения и этики ПР-специалиста 55.5 KB
  Кодексы профессионального поведения и этики ПРспециалиста Для такой специфической доверительной основанной на межличностных отношениях сферы как ПР законодательных норм бывает недостаточно. В практике ПР нередко возникают немалые противоречия между целью и эт
18972. Эффективность рекламы и связей с общественностью 101.5 KB
  Эффективность рекламы и связей с общественностью Реклама – распространяемая в любой форме с помощью любых средств информация о физическом или юридическом лице товарах идеях и начинаниях рекламная информация которая предназначена для неопределённого круга лиц и ...
18973. Создание и управление комплексом интегрированных маркетинговых коммуникаций 60.5 KB
  Создание и управление комплексом интегрированных маркетинговых коммуникаций ИМК комплекс объединяющий средства коммуникации от рекламы до упаковки позволяющее с согласованными и убедительными сообщениями обратиться к целевой аудитории. Цель: объединить разрозн...
18974. Принципы формирования, цели и задачи бренда 53 KB
  Принципы формирования цели и задачи бренда Брэнд это название термин символ или дизайн либо комбинация всех этих понятий обозначающие определенный вид товара или услуги отдельно взятого производителя либо группы производителей и выделяющие его среди товаров
18975. Фирменный стиль: понятие и содержание 40 KB
  Фирменный стиль: понятие и содержание Фирменный стиль это совокупность устойчиво воспроизводимых отличительных характеристик общения манер поведения традиций свойственных фирме позиционирующих ее в коммуникационном пространстве современной экономики. Фирменны...