36842

ИЗУЧЕНИЕ И ПОВЕРКА МАНОМЕТРОВ

Лабораторная работа

Физика

Давлением называется физическая величина характеризующая интенсивность нормальных распределенных сил с которыми одно тело действует на поверхность другого. Если силы распределены вдоль поверхности равномерно то давление на любую часть поверхности определяется следующим образом: P=G F 1 где F площадь поверхности G сумма приложенных сил. Давление в один ньютон на квадратный метр в системе СИ получила название Паскаль [Па]. = 1013 бар = 0101 МПа Классификация манометров По принципу действия манометры делятся на : Жидкостные...

Русский

2013-09-23

298 KB

133 чел.

Лабораторная работа №3.

ИЗУЧЕНИЕ И ПОВЕРКА МАНОМЕТРОВ.

  1.  Введение.

Цель работы.

  1.  Изучение принципа действия и устройства деформационных манометров с одновитковой трубчатой пружиной.

1.2. Изучение измерительных преобразователей давления «Сапфир» с электрическим выходом.

1.3. Изучение принципа действия и устройства грузопоршневого манометра.

1.4. Поверка манометра с одновитковой трубчатой пружиной с помощью грузопоршневого манометра.

  1.  Основные определения.

Давлением называется физическая величина, характеризующая интенсивность нормальных распределенных сил, с которыми одно тело действует на поверхность другого.

Если силы распределены вдоль поверхности равномерно, то давление на любую часть поверхности определяется следующим образом:

P=G / F (1)

где F- площадь поверхности, G - сумма приложенных сил.

Единица давления определяется как единица силы, равномерно распределенная на нормальной к ней поверхности с единичной площадью. Давление в один ньютон на квадратный метр в системе СИ получила название Паскаль [Па].

Соотношения между единицами измерения давления следующие:

1 кгс/см2 =1 атм. технич =0,9678 атм. физич.=10 м вод. ст.=9,8* 10000 н/м2=0,098 МПа

1 мм.рт.ст.= 133,322 н/м2

1.033 кгс/см2 = 766 мм рт.ст. = 1 атм. физич. = 1,013 бар = 0,101 МПа

Классификация манометров

По принципу действия манометры делятся на :

Жидкостные, работают по принципу компенсации измеряемого давления, давлением столба жидкости.

Грузопоршневые. основаны на уравновешивании измеряемого давления, давлением веса поршня и калиброванных грузов.

Деформационные (пружинные), измеряемое давление или разность давлений уравновешивается деформацией упругого элемента. В качестве упругих элементов применяют: трубчатые пружины (одно- и многовитковые), мембраны, мембранные коробки, сильфоны.

Электрические, действие которых основано на изменении электрических параметров ( R, L, С ) в зависимости от измеряемого давления.

По метрологическому признаку манометры делятся на три группы: технические, лабораторные, образцовые.

Основные метрологические понятия

Класс точности - обобщенная характеристика средства измерений, выражаемая пределами его допускаемых основной и дополнительных погрешностей, а также другими характеристиками, влияющими на точность.

Абсолютная погрешность - погрешность средства измерений, выраженная в единицах измеряемой физической величины.

Относительная погрешность - погрешность измерения, выраженная отношением

абсолютной погрешности измерения к действительному значению измеряемой величины.

Приведенная погрешность - относительная погрешность, в которой абсолютная погрешность средства измерений отнесена к условно принятому значению величины, постоянному во всем диапазоне измерений или в части диапазона.

Например, манометр класса 0,25 с предельным значением шкалы 10кгс/см может иметь значение приведенной погрешности 0,25% от 10 кгс/см2, что в абсолютной мере соответствует 0,025 кгс/см2

Установлен следующий ряд классов точности манометров: 0.005, 0.02, 0.05, 0.15 0.25,0.4,0.6, 1.0, 1.5,2.5,4.0

Поверка - определение погрешностей средства измерений. В лабораторной работе поверка осуществляется следующим образом, определяется опытным путем максимальное значение приведенной погрешности и сравнивается с классом точности приборов.

Класс точности пружинного манометра - 1,5 .

Класс точности манометра "Сапфир" - 0,5.

Класс точности грузопоршневого манометра - 0,02.

Например, если хотя бы в одной точке при равномерном измерении во всем диапазоне измерения с определенным шагом приведенная погрешность превысит значение 1,5% для пружинного манометра или 0,5% для "Сапфира", то можно сделать вывод о метрологической непригодности прибора.

3. Манометр с одновитковой трубчатой пружиной.

Наиболее распространенным видом приборов для измерения давления являются деформационные (пружинные) манометры. Диапазон использования приборов от 100 Па до 1000 МПа. Погрешности составляют от 0,16% до 4%.

Упругий чувствительный элемент представляет собой трубку эллиптического сечения, согнутую по дуге окружности на определенный угол способную деформироваться под влиянием разности между внутренним и внешним давлениями. Деформация ограничена пределами от долей до нескольких миллиметров, поэтому приборы снабжены передаточными механизмами, которые служат для передачи деформации упругого элемента.

Рис. 1 Секторный передаточный механизм трубчатого манометра

Рис. 2 Манометрическая трубчатая пружина

В секторном передаточном механизме деформационного манометра (Рис. 1) свободный конец трубчатой пружины 1 шарнирно связан с тягой 2. Другой конец этой тяги также шарнирно связан с хвостовиком 4 зубчатого сектора 5.
Длина хвостовика и жесткость пружины подобраны так, что при максимальном изменении давления сектор 5 поворачивается на своей оси 3 на угол 10-15° в ту или другую сторону. При этом сцепленное с сектором зубчатое колесо с малым числом зубцов (трибка) 7 поворачивается на угол 270 -300°. На этот же угол от начала до конца шкалы поворачивается и стрелка манометра 6, жестко укрепленная на оси трибки 7.

Для сокращения зазора передаточного механизма, ось трибки снабжается натяжной спиральной многовитковой пружиной. Раскручивание трубчатой пружины связано с тем, что при увеличении давления она стремится превратить свое эллиптическое сечение в круглое (Рис. 2). При этом малая ось увеличивается, большая - уменьшается. Так как длина трубки неизменна, то в ней возникают внутренние напряжения, приводящие ее к раскручиванию. Величина угла раскручивания определяется по формуле (1).

 (2)

где а- начальный угол скручивания трубки , b - величина малой оси эллипса трубки.

4.Измерительные преобразователи "Сапфир".

Преобразователи предназначены для работы в системах автоматического контроля, регулирования и управления технологическими процессами и обеспечивают непрерывное преобразование значения давления в унифицированный сигнал тока.

Преобразователь "Сапфир-22 М" имеет несколько модификаций: ДА - абсолютное давление, ДИ - избыточное давление, ДВ - разряжение, ДИВ- давление разряжение, ДД - разность давлений (дифманометр).

Преобразователь состоит из измерительного блока и унифицированного электронного преобразователя.

Измеряемое давление подается в камеру измерительного блока (см. Рис. 3) и преобразуется в деформацию чувствительного элемента, что приводит к изменению электрического сопротивления тензорезисторов тензопреобразователя, размещенного в измерительном блоке. Электронный преобразователь преобразует это изменение сопротивления в унифицированный токовый выходной сигнал.

Чувствительным элементом тензопреобразователя является пластина из монокристаллического сапфира с кремниевыми пленочными тензорезисторами, прочно соединенная с металлической мембраной тензопреобразователя.

Схема преобразователя "Сапфир - 22М - ДИ " представлена на рис.3

Мембранный тензопрербразователь 2 размещен внутри корпуса 6. Внутренняя полость 3 его заполнена кремнийорганической жидкостью и отделена от измеряемой среды металлической гофрированной мембраной 4, приваренной по наружному контуру 6. Полость 5 сообщена с атмосферой. Измеряемое давление воздействует на мембрану 4, вызывая ее прогиб и изменение сопротивления тензорезисторов . Электрический сигнал подается из измерительного блока в электронный преобразователь 1 по проводам.

Связь между изменением сопротивления тензорезистора и его деформацией устанавливается соотношением

Конструктивно преобразователь состоит из измерительного блока и электронного устройства, которое преобразует изменение сопротивления тензомоста в сигнал тока. Чувствительные элементы тензопреобразователей чаще всего включают по мостовой схеме (Рис.4).

Если диагональ (АВ) моста (R1-R4) не нагружена, напряжение ее можно определить из выражения (4)

     (4)

Если в качестве активного элемента, изменяющегося под действием внешней нагрузки является одно сопротивление (например R1), то функция преобразования моста будет нелинейной.

Рис.4 Мостовая схема включения чувствительных элементов

Допустим, мост имеет четыре активных плеча (например, R1=R+A/?, R2=R-AR, R3=R-AR, R4=R+AR). Для обеспечения линейной зависимости UB от AR требуется чтобы

     (5)

При выполнении этих условий имеем:

(6)

Выходным сигналом такой схемы является напряжение, которое далее преобразуется в универсальный токовый сигнал и подается на отдельный преобразователь тока в код (цифровая индикация и питание преобразователя). Структурная схема преобразователя может быть упрощенно представлена в виде цепочки последовательно включенных блоков (Рис. 5)


5. Грузопорншевой манометр.

Поверку манометров обычно проводят с помощью грузопоршнеиых манометров, являющихся образцовыми средствами измерения (класс точности 0.02).

Грузопоршневой манометр (рис.б) состоит из корпуса 1 внутри которого имеется цилиндрическая полость 2 с поршнем 10, перемещающимся при вращении маховика 11. Полость 2 через цилиндрический канал 4 сообщается с грузовой колонкой 5 и двумя каналами 6, имеющими штуцеры для присоединения манометров через вентили 16 и 17. Масленка 12 служит для заполнения всей замкнутой системы маслом через вентиль 15. Для этого необходимо открыть вентиль 15 и вращением маховика 11 против часовой стрелки вывести поршень 10 в крайнее положение, вентиль 15 закрыть. Прибор готов к работе.

Давление в системе создается или поршнем 10, который движется при вращении маховика 11 по часовой стрелке или поршнем 7, который движется при нагрузке тарелки 8 грузами 9.

Погрешность поверяемого манометра определяется разностью его показаний и величиной давления Р в масляной системе в соответствии выражением (7).

 (7)

где G - вес калиброванных грузов 9 и грузовой тарелки 8 с поршнем 7, S- эффективная площадь поршня (0,5 см2).

Во время поверки тарелка с грузами не должна лежать на упоре, ее нижний край необходимо установить против одной из отметок указателя 14 путем вращения маховика. При измерении для уменьшения трения необходимо поворачивать тарелку с грузами.

Рис. 6 Схема грузопоршневого манометра


Описание лабораторного стенда.

Стенд (рис. 7) состоит из грузопоршневого манометра 1, к которому подключен поверяемый манометр с одновитковой трубчатой пружиной 6. Давление в системе создается грузопоршневым манометром при помощи калиброванных грузов 5.

Собственный вес тарелки равен - 0,5 кгс, а сечение поршня - 0,5 см2, что обеспечивает давление (без дополнительных грузов) равное 1 кгс/см . В комплекте имеются малые грузы по 0,5 кгс, обеспечивающие давление 1 кгс/см2 и большие по 2,5 кгс, обеспечивающие давление 5кгс/см

Рис. 7 Схема лабораторного стенда

6. Порядок проведения работы.

  1.  Ознакомиться с принципом действия и конструкцией поверяемых приборов и лабораторного стенда.
  2.  Подготовить таблицу 1 для записи результатов измерений.

Таблица 1

Давление калиброванных грузов Р0, кгс/см2

Показания манометра

с одновитковой трубчатой пружиной Рп, кгс/см2

Основная приведенная погрешность,%

Показания вторичного прибора преобразователя «Сапфир» I, mА

Основная приведенная

погрешность,

%

Прямой ход

Обратный ход

Прямой ход

Обратный ход

  1.  Заполнить систему грузопоршневого манометра маслом из масленки 12 для этого необходимо открыть вентиль 15 (рис.6). Поршень 10 вывести в крайнее положение вращением маховика 11 против часовой стрелки и закрыть вентиль масленки 15. Вентили 16, 17 открыть.
  2.  Вращением маховика 11 (рис.6) по часовой стрелке добиться такого положения приподнятой тарелки 8, чтобы она находилась во взвешенном состоянии, а ее нижний край был против одной из отметок указателя 14. При этом обеспечивается давление в Ро = 1 кГ/см2.
  3.  Положить на грузовую площадку малые калиброванные грузы с учетом, что каждая создаст дополнительное давление в 1атм при этом вращением маховика 3 устанавливается прежнее положение тарелки относительно указателя 14.
  4.  При помощи грузов аналогичным образом в диапазоне от 5 до 40 атм. устанавливать калиброванные значения давления с шагом 5 атм, добавляя грузы (прямой ход). Для точного измерения после каждой нагрузи тарелки грузами необходимо вращать тарелку. Результаты измерений занести в таблицу 1.
  5.  После минутной выдержки системы на предельном значении давления произвести поверку при (обратном ходе), постепенно снимая грузы с тем же шагом. Результаты измерений занести в таблицу 1.
  6.  Определить основную приведенную погрешность, как отношение абсолютной погрешности к диапазону измерения выраженную в процентах, для каждой точки и

полученные значения занести в таблицу 1.

Для манометра с одновитковой пружиной приведенная погрешность находится по формуле (8).

  (8)

где

Рn - показания поверяемого прибора, кгс/см2

Р0 - давление создаваемое калибровочными грузами кгс/см2

Рmax - максимальное значение давления на шкале прибора (40 кгс/см2)

Pmin - минимальное значение давления на шкале прибора (0 кгс/см2)

Для преобразователя с выходным сигналом тока приведенная погрешность находится

по формуле (9).

  (9)

где

Iип - измеряемый ток, тА.

I0 - действительное значение тока (0.4 мА на каждые 1 кгс/см2) Lax - максимальное значение тока на шкале прибора (20 мА) 1т,„ - минимальное значение тока на шкале прибора (4 мА)

6.9. Сравнить класс точности прибора с максимальным значением полученных погрешностей и сделать вывод о пригодности поверяемых приборов.

7. Контрольные вопросы.

7.1.Что такое класс точности, приведенная, относительная и абсолютная погрешности

  1.  Классификация манометров?
  2.  Устройство и принцип действия манометра с одновитковой трубчатой пружиной?

7.4 .Устройство и принцип действия измерительного преобразователя "Сапфир"?

  1.  Как преобразуется давление в электрический сигнал?
  2.  Устройство и принцип действия грузопоршневого манометра?

Литература

  1.  Сборник лабораторных работ по курсу «Автоматизация производственных процессов» под редакцией Попадько В. В.
    1.  Лабораторные работы по курсу «Технологические измерения и приборы» под редакцией Салащенко В. А., ч.5, 1979.
    2.  Гонек Н. Ф. Манометры.-JI; Машиностроение, 1979.