 |
Манометры с одновитковой трубчатой пружиной.
|
|
|
|
АСТРАХАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
Кафедра «Автоматизация технологических процессов»
ИЗУЧЕНИЕ И ПОВЕРКА
ПРИБОРОВ И ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ДАВЛЕНИЯ
Методические указания к лабораторным
занятиям по курсу «Технические измерения и приборы» для студентов специальности 220301.65 и направления 220700.62 «Автоматизация технологических процессов и производств»
Астрахань 2013
Авторы: ассистент каф. АТП Павлова Т.С.
Рецензент: зам. зав. кафедры АТП, к.т.н., доцент Прохватилова Л.И
Изучение и поверка приборов и преобразователей давления: метод. указания к лабораторным занятиям по курсу «Технические измерения и приборы» для студентов специальности 220301.65 и направления 220700.62 «Автоматизация технологических процессов и производств» / АГТУ; Сост.: Т.С. Павлова.- Астрахань, 2013.- 23с.
Указания содержат сведения необходимые для изучения и устройства и принципа действия приборов и преобразователей давления, приобретения практических навыков по экспериментальному исследованию приборов для измерения давления.
Методические указания утверждены на заседании профильной методической комиссии «Автоматизация и управление»
«15» марта 2013 г, протокол №.1
I. ЦЕЛЬ И СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.
1.1. Изучение устройства и принципа действия грузопоршневого МП-60, деформационного манометра и измерительного преобразователя избыточного давления Сапфир – 22ДИ.
1.2. Приобретение практических навыков по работе с деформационным и грузопоршневым манометром МП - 60, измерительным преобразователем избыточного давления Сапфир – 22ДИ
ИНДИВИДУАЛЬНЫЕ ЗАДАНИЯ.
Домашнее задание.
|
|
|
2.1.1. Изучить устройство и принцип действия грузопоршневого, деформационного манометров и измерительного преобразователя избыточного давления Сапфир – 22ДИ. Ознакомиться с конструкциями различных УЧЭ, представленных на стенде в лаборатории.
2.2. Лабораторное задание.
2.2.1. Ознакомиться с метрологическими характеристиками деформационного и грузопоршневого манометров, тензорезисторного преобразователя.
2.2.2. Поверить деформационный манометр прямым абсолютным методом.
2.2.3. Построить графики статических характеристик деформационного манометра при прямом и обратном ходе, а также номинальную статическую характеристику. Определить погрешность и вариацию.
2.2.4. Поверить измерительный преобразователь избыточного давления Сапфир – 22ДИ.
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ.
Давление как параметр, характеризующий состояние различных веществ, определяется силой, равномерно распределенной по нормальной к ней поверхности. Техника измерений давления (и разрежения) касается исключительно измерений гидростатических давлений (закон Паскаля).
Различают следующие виды давления: абсолютное Рабс., под которым подразумевается полное давление, отсчитываемое от абсолютного нуля. Оно равно сумме избыточного Ризб. и атмосферного Ратм. давлений, т.е.:
Рабс=Ризб+Ратм
Избыточное давление- превышение давления, н-р в аппарате, над давлением окружающей среды – атмосферным давлением.
Состояние, когда абсолютное давление газа ниже атмосферного, называется вакуумом (или вакуумметрическим давлением), т.е.:
Рвак=Ратм-Рабс,
Средства измерений, предназначенные для получения измерительной информации о всех видах давлений, называются манометрами. Манометры для измерения давления, отсчитываемого от абсолютного нуля, называются приборами абсолютного давления; для измерения разности между абсолютным давлением, большим абсолютного давления окружающей среды и абсолютным давлением окружающей среды - приборами избыточного давления; для измерения давления разреженного газа - вакуумметрами.
|
|
|
Манометры избыточного давления в газовых средах с верхним пределом не более 40 кПа называется напоромерами, а вакуумметры газовых сред с верхним пределом измерения не более - 40 кПа – тягомерами, манометры для измерения избыточного давления и давления разреженного газа – мановакуумметрами. Прибор, имеющий пределы измерения не более ±20 кПа, называется тягонапоромером. Средства измерений, предназначенные для измерения разности двух давлений, называются дифференциальными манометрами или дифманометрами. Эти приборы находят широкое применение для измерения расхода жидкостей, паров и газов по методу переменного перепада давления, создаваемого на специальных измерительных сужающих устройствах, а также при измерениях уровня, плотности и т. п.
По принципу действия средства измерений давления подразделяются на следующие основные группы: жидкостные, грузопоршневые, деформационные, электрические и тепловые и др.
Жидкостные манометры
Принцип действия этих манометров основан на уравновешивании измеряемого давления или разности давлений давлением столба жидкости. Они имеют простое устройство и высокую точность измерения, широко применяются как лабораторные и поверочные приборы. В качестве запорных жидкостей применяются вода спирт, масла и ртуть. Компрессионные манометры, в которых для измерения абсолютного давления разреженного газа, его подвергают предварительному сжатию ртутью, применяются лишь в специальных случаях. Жидкостные манометры разделяются на U-образные, колокольные и кольцевые.
Грузопоршневые манометры.
В лабораторной практике при поверке и градуировке различных манометров, а также в некоторых случаях и в производственной практике применяются грузопоршневые манометры.
Рис.1 - Схема уравновешивания давления в грузопоршневом манометре.
Сила дейсвующая на поршень определяется как
где N -нормальная сила (H), действующаяна поверхность площадью F эф (м2).
В цилиндрической колонке 1 (рис. 1), где находится масло, размещен вертикальный поршень, площадь поперечного сечения которого F. Он притерт к внутренней поверхности с минимальным зазором. На нижний торец поршня действует измеряемое давление P. Для уравновешивания этого давления на верхней части поршня размещают тарелку 2 с грузом 3 вескоторых (G1 + G2). Уравнение равновесия с учетом силы жидкостного трения Т на боковую поверхность поршня, возникающей при протекании масла через зазор между поршнем и цилиндром под действием измеряемого давления Р имеет вид:
|
|
|
P∙F = G1 + G2 – T
Откуда
P∙F + T = G1 + G2;
;
где: F(эф) - эффективная площадь поршня, m1, m2 - масса поршня и грузов, g - ускорение свободного падения
Теоретическими и экспериментальными исследованиями доказано, что сила жидкостного трения, T прямо пропорциональна действующему давлению, поэтому эффективная площадь поршня F(эф) не зависит от давления и в процессе измерения не изменяется.
При измерениях, когда поршень с грузом измерительной колонки находятся во взвешенном состоянии, для устранения вредных сил трения поршня о стенки канала стойки, поршень приводят во вращение. Вращением поршня добиваются равномерности заполнения жидкостью зазора (кольцевого пространства, окружающего поршень). Если поршень в какой-либо точке своей поверхности приближается к цилиндру, то рабочая жидкость, хорошо смачивающая поршень в силу его вращения увлекается в сужающееся пространство зазора т.к. жидкость обладает вязкостью, то при этом создаётся усилие, отталкивающее поршень от стенки цилиндра (отталкивающий эффект), следовательно, поршень непрерывно остается во взвешенном состоянии.
Для избежания износа грузопоршневой пары, в момент запуска ни в коем случае не прижимать поршень к стенкам цилиндра. Для этого следует приводить во вращение поршень двумя руками и прикасаться к грузам или к тарелке с самыми малыми, и по возможности одинаковыми с обеих сторон усилиями.
Замечено что иногда приведенная площадь поршня, определенная методом гидростатического уравновешивания при вращении по часовой стрелке, отличается более чем на допустимую величину от приведенной площади, определяемой при вращении поршня в обратном направлении, т. к. состояние формы рабочих поверхностей поршневых пар могут отличаться от идеальных. С целью исключения ошибок во всех случаях работы с грузопоршневыми приборами предписывается осуществлять вращение поршня (если смотреть на него сверху) только по часовой стрелке.
|
|
|
Деформационные манометры
Принцип действия деформационных манометров основан на использовании деформации чувствительных элементов или развиваемой ими силы под действием измеряемого давления среды, преобразующих давление в пропорциональное перемещение или усилие. Таким образом, в деформационных приборах измеряемое усилие F уравновешивается механическими напряжениями в материале чувствительного элемента
F=Kж x,
где Kж - жесткость упругого элемента, x – величина деформации упругого элемента
Выходной величиной деформационных манометров являются:
— перемещение заданной точки УЧЭ,
— напряжение материала в заданнойточке УЧЭ.
Зависимость L = f (P), где L - перемещение в заданной точке УЧЭ и действующим на него давлением P (или разности давления Р ) называется статической (упругой) характеристикой элемента.
Наиболее распространенными УЧЭ манометров являются:
— трубчатые пружины – одно- и многовитковые, спиральные и т.д.;
— сильфоны одно- и многослойные;
— мембраны (плоские с жестким центром, гофрированные и т.д.);
— мембранные коробки и мембранные блоки с жидкостнымзаполнением и т.д.;
Закон Гука, гласящий, что под влиянием нагрузки упругие тела испытывают деформацию, пропорциональную величине нагрузки (в нашем случае величине давления), как известно, справедлив только до определенного предела увеличения нагрузки (предел пропорциональности). Механические свойства материала пружины зависят от его химического состава характера механической и термической обработки, которым была подвергнута пружина при изготовлении, а также от температуры, при которой пружина должна работать. Сообщая пружине постепенно нарастающее давление (P) и измеряя перемещение ее свободного конца (L) можно получить зависимость L = f(P). Исследования показали, что до определенного давления Pmax для разных материалов эта зависимость линейна. Выше этого предела, являющимся в данном случае пределом пропорциональности, деформация начинает расти быстрее давления. Если описываемое исследование выполнять очень тщательно, то даже в пределах пропорциональности, после того, как деформация быстро достигнет величины, приблизительно соответствующей сообщенному давлению, деформация продолжает медленно возрастать, асимптотически приближаясь к окончательной, предельной величине, хотя давление не изменяется. Это явление упругого последействия, величина которого тем больше, чем ближе давление находится к пределу пропорциональности данной трубки. Если затем давление понижать, то конец трубки на величину Lg не возвратится в то положение, которое он занимал вначале при р =0. Потребуется несколько часов (иногда несколько суток) прежде чем конец трубки приблизится на величину Lg к первоначальному положению. Точно до первоначального положения конец трубки не дойдет в течение сколь угодно большого промежутка времени. Это явление остаточной деформации, вызываемое ползучестью материала. Она тем больше, чем больше давление и температура.
|
|
|
Вышеизложенным объясняется то, что у технических манометров верхний предел измерения ограничивается половиной давления, соответствующего пределу пропорциональности работающих в них трубчатых пружин. Кроме того, для обеспечения необходимого на практике запаса надежности и долговечности показаний технических манометров, рабочий предел измерений избыточного давления не превосходил 3/4 верхнего предела измерений манометра при постоянном давлении и 2/3 верхнего предела измерения прибора при переменном давлении.
При многократных измерениях остаточная деформация накапливается, что приводит к значительным погрешностям.
Ход упругой характеристики УЧЭ в пределах упругой деформации при прямом и обратном ходах его нагружения при одних и тех же значениях давления неоднозначен. Эта неоднозначность приводит к появлению погрешности, называемой гистерезисом. Гистерезис вызывается микропластическими деформациями нагруженного УЧЭ т.е. внутренним трением в материале. Его определяют экспериментально по статической характеристике УЧЭ:
Рис. 2- Статическая характеристика УЧЭ.
ΔLгис=ΔLпр - ΔLобр.
Коэффициент преобразования чувствительного элемента по давлению S(p) определяют по формуле:
где; Кi - жесткость УЧЭ, она определяет динамические свойства последнего. Чем выше жесткость, тем меньше инерционность измерительной системы;
mL и тр - масштабы перемещения и давления статической характеристики УЧЭ;
i - координата (точка) характеристики.
Манометры с одновитковой трубчатой пружиной.
Трубчатая пружина 2 (рис.3) представляет собой стальную или латунную полую трубку с поперечное сечением в виде эллипса или удлиненного овала, согнутую по окружности таким образом, что большая полуось сечения перпендикулярна плоскости изгиба. При увеличении избыточного давления внутри трубки, эллиптическое или плоскоовальное сечение деформируется, приближается к круглому, что ведет к раскручиванию трубки. При создании в трубке разрежения трубка скручивается. Механические характеристики трубок и величина перемещения свободного конца зависят от ряда факторов, из которых наиболее важными являются отношение полуосей трубки, толщина стенок, модуль упругости материала и радиус изгиба дуги трубки.
Один конец пружины впаян в основание 7 прибора. На этом же основании смонтирован механизм передачи со стрелкой 2 и круглый корпус 5 манометра. Измеряемая среда подводится во внутреннюю полость пружины 1 через ниппель 6. Свободный конец пружины соединен через поводок (тягу) 4 с зубчатым сектором 3, находящимся в зацеплении с трубкой (шестеренкой) 8. На оси шестерни закреплена стрелка 2. Шестеренка прижимается к зубчатому сектору стальной пружиной (на рисунке не показана) один конец которой припаян к шестерне, а другой – к неподвижной плате прибора (устраняет люфт в зубчатой передаче).
Под давлением измеряемой среды пружина стремится выпрямиться, её свободный конец отклоняется и через тягу 4 поворачивает шестерню 8 на угол, пропорциональный величине давления. При повороте шестерни стрелка, сидящая на её оси, тоже поворачивается и указывает на шкале величину измеряемого давления.
По такому принципу устроены вакуумметры, мановакуумметры, контактные манометры и манометры с контрольной стрелкой
.
Рис.3- Манометр с одновитковой трубчатой пружиной:
1-трубчатая пружина, 2-стрелка, 3-зубчатый сектор, 4 –тяга (поводок),
5-корпус, 6 –ниппель, 7 –основание манометра, 8 –трибка (шестеренка)
Электрические манометры
Электрические манометры, основанные на использовании зависимостей электрических параметров преобразователей давления от измеряемого давления среды, получили распространение не только в лабораторной практике, но и в промышленных условиях для технических измерений. В настоящее время используются манометры пьезоэлектрические, сопротивления, емкостные и ионизационные.
|
|
|
