Министерство образования и науки Республики Казахстан Семипалатинский государственный университет имени Шакарима

Министерство образования и науки Республики Казахстан
Семипалатинский государственный университет имени Шакарима
Кафедра ТФНТ и АТП
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
к выполнению лабораторной работе «ИЗУЧЕНИЕ КОНСТРУКЦИИ И
ПРИНЦИПА ДЕЙСТВИЯ ПРИБОРОВ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ»
для студентов технологических специальностей
Семипалатинск,
2002
Золотов А.Д. Методические указания к лабораторной работе «Изучение
конструкции и принципа действия приборов для измерения давления» для
студентов технологических специальностей, СГУ имени Шакарима -16 c.
Лабораторная работа 5. Изучение конструкции и принципа действия приборов для измерения давления
Цель работы. Изучение принципа деятельности, конструкции, области
применения приборов для измерения давления и разряжения, овладения
практическими навыками по поверке приборов.
5.1 Теоретические сведения
Давлением P называют силу F, действующую на какую-либо поверхность к площади этой поверхности:
(5.1)
P FS
Различают давление абсолютное, барометрическое, избыточное и вакууметрическое.
Абсолютным давлением Pà называется полное давление, под которым
находится жидкость, газ или пар. Оно равно сумме давлений избыточного и
атмосферного или барометрического:
(5.2)
P Ð Ð
à
è
á
Барометрическим давлением Рб называется давление, которое производит масса воздушного столба атмосферы.
Избыточным давлением Ри называется разность между абсолютным и
барометрическим давлением:
(5.3)
P Ð Ð .
è
à
á
Вакууметрическим Рв называется разность между барометрическим и
абсолютным давлением, меньшим атмосферного.
Для измерения давления и разряжения в международной системе едиÍ
ниц /СИ/ используется Паскаль (Па): 1Ïà  1 2
ì
По роду измеряемой величины приборы для измерения давления и разряжения делятся:
- манометры – для измерения абсолютного и избыточного давления;
- вакууметры – для измерения разряжения;
- мановакууметры – для измерения избыточного и вакууметрического
давления;
- тягомеры – для измерения малых разряжений газов;
- напоромеры – для измерения малых избыточных давлений газа;
- тягонапоромеры – для измерения вакууметрического и малого избыточного давления газа;
- барометры – для измерения давления атмосферного воздуха;
- дифференциальные манометры (ДМ) – для измерения разности двух
давлений ни одно из которых не является давлением окружающей среды.
По принципу действия приборы для измерения давления делятся на
следующие основные группы:
- жидкостные – приборы, в которых измеряемое давление уравновешивается гидростатическим давлением столба жидкости;
- деформационные – приборы, в которых давление измеряется по величине деформации упругих элементов или по развиваемой ими силе;
- электрические – приборы, действие которых основано либо на преобразовании давления в какую-либо электрическую величину, либо на изменении электрических свойств материала под действием давления;
- грузопоршневые – приборы, действие которых основано на уравновешивании измеряемого давления внешней силой, действующей на поршень.
5.1.1 Жидкостные манометры
Они имеют простое устройство и высокую точность измерения, широко применяются как лабораторные и поверочные приборы. В качестве запорных жидкостей применяются вода, спирт, масла, ртуть. Жидкостные манометры разделяются на U-образные, колокольные и кольцевые.
U-образный жидкостной манометр является простейшим прибором
этого типа (см. рисунок 1). Он состоит из стеклянных измерительных трубок
1 и 2 , соединенных внизу и укрепленных на вертикальной доске 4, на которой находится миллиметровая шкала 3 с нулевой отметкой посередине. До
этой отметки измерительные трубки заполняются рабочей жидкостью. Если
трубка 2 сообщается со средой большего давления, а трубка 1 со средой
меньшего давления, то в первой уровень жидкости понизится, а во второй
повысится, в результате чего общая высота отсчета равна сумме отклонений
уровней в каждой трубке от нулевой отметки. Тогда:
Ðà  Ðá    g  h ,
(5.4)
где h - высота столба рабочей жидкости, м;
g - ускорение свободного падения, м/с2;
 - плотность рабочей жидкости, кг/м3.
Рб
1
Ра
h
2
Рисунок 1 - U-образный жидкостной манометр
Они чаще всего используются для измерения перепадов давлений и
разряжений. В этом приборе (рисунок 2) колокол 1, подвешенный на постоянно растянутой пружине 2, частично погружен в разделительную жидкость
3 (трансформаторное масло), налитую в сосуд 4. При р1= р2 колокол прибора
будет находиться в равновесии. При возникновении разности давлений равновесие сил нарушается и появляется подъемная сила, которая будет перемещать колокол. При перемещении колокола пружина сжимается. Когда
подъемная сила сделается равной противодействующему усилию пружины,
колокол займет новое положение равновесия, переместившись на высоту H.
Разность давления и перемещение связаны следующей зависимостью:
ð
1
 ð2 FB  GK  K L  H ,
(5.5)
где FВ – внутренняя площадь колокола, м2,
GК – сила тяжести колокола, H,
К – жесткость винтовой пружины, H/м,
L – длина начального растяжения пружины, принимаемая равной начальной глубине погружения колокола, м.
Изменением жесткости пружины и внутренней площади колокола
можно измерять пределы измерения прибора и его чувствительность.
2
Р
2
H
3
4
L
Р
1
1
Рисунок 2- Колокольные манометр
P1
P2
h
А
G
Рисунок 3 - Кольцевые манометр
Кольцевые манометры предназначены для измерений малых давлений,
разряжений и разности давлений. Кольцевой прибор (рисунок 3) состоит из
полого замкнутого кольца 1, разделенной вверху перегородкой 2. Кольцо
подвешено на опоре 3 в геометрическом центре. По обе стороны от перегородки в кольцо входят трубки 4 и 5, служащие для соединения кольца с полостью, в которой измеряют давление или разряжение. К нижней части кольца прикреплен груз 6. Полость кольца до половины заполнено жидкостью.
При соединении полостей кольца с пространствами с разным давлением р1 и р2, уровень жидкости в одной половине кольца снижается, а в другой
повышается:
(5.6)
ð1  ð2    g  h.
В то же время сила от разности давлений, действующая на перегородку, создает вращающийся момент:
M P   ð1  ð2 s  r ,
(5.7)
где s – площадь сечения перегородки;
r – средний радиус кольца.
Под действием этого момента кольцо поворачивается вокруг точки
опоры по часовой стрелке. Поворот кольца создает противодействующий
момент:
(5.8)
M G  G  a  sin  ,
где G – сила тяжести груза,
a - расстояние от точки опоры до центра тяжести груза,
 - угол поворота кольца.
При уравновешивании обоих моментов кольцо устанавливается в новом положении равновесия
(5.9)
Ga
p1  p2 
sr
 sin  .
Так как сила тяжести груза и геометрические размеры кольца постоянны, то:
р1  р2  к sin  .
(5.10)
Измеряемое давление равно синусу угла поворота кольца, поэтому
шкала прибора неравномерная.
Преимущества кольцевых приборов перед поплавковыми – отсутствие
уплотнительных устройств в передаточном механизме и независимость чув-
ствительности прибора от изменений плотности рабочей жидкости и среды
над ней.
5.1.2 Деформационные манометры
Действие их основано на измерении величины деформации различных
видов упругих элементов, пружин, сильфонов, мембран. Деформация упругого элемента преобразуется передаточными механизмами в угловое или линейное перемещение указателя по шкале прибора или других устройств.
В зависимости от применяемых упругих элементов деформационные
приборы бывают с одновитковой трубчатой пружиной, с многовитковой
трубчатой пружиной, с упругой гармониковой (сильфон) мембраной и мембранные.
Достоинства приборов: надежность, простота устройств, большой предел измерения, возможность применения дистанционной передачи и возможности записи показаний.
Принцип действия трубчато-пружинных манометров (рисунок 4) основан на уравновешивании измеряемого давления силой упругой деформации одновитковой или многовитковой манометрической трубчатой пружины.
Трубчатая криволинейная одновитковая пружина эллиптического сечения
изменяет свою кривизну при изменении избыточного давления или разряжения внутри трубки (c и d-большая и малая полуоси).
Формула, определяющая величину изменения угла закручивания пружины y, имеет вид:
(5.11)
y  dy0 d  d ,
где d - малая полуось эллипса пружины, м.
При этом угол  , определяющий направление перемещения конца
трубки, характеризуется следующим уравнением:
  arctg 1 cos y  ysin y .


(5.12)
При увеличении избыточного давления внутри трубки эллиптическое
сечение деформируется, приближается к круглому, то есть малая ось эллипса
увеличивается, а большая уменьшается, что приводит к раскручиванию трубки. При создании в трубке разряжения трубка скручивается. Чем меньше малая ось сечения и больше начальный угол изгиба трубки, тем чувствительнее
трубка.
Манометры с многовитковой трубчатой пружиной отличаются формой упругого элемента, имеющей вид цилиндрической (винтовой) спирали с
6 ÷ 9 витками, изготовленной из плоской трубки. Такую конструкцию чувствительного элемента можно рассматривать как ряд одновитковых пружин,
соединенных последовательно, что позволяет получить значительное пере-
мещение свободного конца трубки – до 15 мм, и перестановочное усилие,
улучшающие условия автоматической записи и дистанционной передачи.
Поэтому такие манометры выпускаются в основном как самопишущие для
передачи показаний на расстояние.
t
y
b
a
p
Рисунок 4 – Трубчато - пружинных манометры
р
Рисунок 5 – Сильфонные манометры
В сильфонных манометрах упругим чувствительным элементом является сильфон, представляющий собой тонкостенный цилиндрический сосуд с
кольцевыми складками (рисунок 5). Для увеличения жесткости внутрь сильфона помещают винтовую цилиндрическую пружину. Сравнительно большой рабочий ход сильфонов позволяет применять их в самопишущих приборах. Сильфонный манометр служит вторичным прибором в системах с
пневматической передачей показаний на расстояние.
Сильфонные приборы применяют также в качестве дифференциальных
манометров. В ДМ, предназначенных для измерения перепада при высоких
статических давлениях. Для предотвращения перегрузки, применяют сдвоенные сильфоны, полости которых заполнены кремнийорганической жидкостью и сообщаются между собой каналом, запираемым клапаном при возрастании деформации сильфонов выше предельной рабочей деформации. При
односторонних перегрузках клапан закрывается, и дальнейшая деформация
сильфонов становится невозможной, так как жидкость, заполняющая сильфоны, практически несжимаема.
В качестве чувствительных элементов в мембранных манометров используются жесткие или мягкие (эластичные) мембраны. Жесткие мембраны
представляют собой упругие чувствительные элементы в виде пластин, изготовленных из специальных сортов стали или бронзы, воспринимающих измеряемое давление и преобразующих его в пропорциональное перемещение
указателя по шкале прибора. Эластичные мембраны представляют собой
плоские или гофрированные диски, зажатые между фланцами. Их изготавливают из капроновых пленок, тефлона, прорезиновых тканей.
Мембранные манометры применяют для измерения небольших избыточных давлений (0,04 МПа) жидких, газообразных и особенно вязких сред.
Для увеличения чувствительности прибора мембраны соединяют в мембранную коробку, которая представляет собой две гофрированные мембраны,
спаянные по краям. Измеряемое давление подается внутрь коробки и заставляет ее расширяться. Величина расширения пропорциональна величине давления.
5.1.3 Электрические манометры
К электрическим манометрам относят приборы, как формирующие на
выходе электрический сигнал, так и приборы, принцип действия которых основан на различных физических явлениях, когда давление преобразуется
прямо или косвенно в какую либо электрическую величину, функционально
связанную с давлением, например изменение электрического сопротивления
проводников при воздействии внешнего избыточного давления, изменение
индуктивности или электрической емкости.
К первой группе относят манометры электрические дистанционные
(МЭД) с дифференциально-трансформаторной системой передачи показаний
на расстояние (рисунок 6), так и манометр электроконтактный, состоящий из
чувствительного элемента в виде одновитковой пружины и трех стрелок с
электрическими контактами. Две стрелки неподвижны, устанавливаются на
верхнем и нижнем предельных значениях контролируемого давления. Третья
стрелка воспринимает измеряемое значение давления и при достижении
верхнего или нижнего уровня замыкает контакты, подавая сигнал о предельном значении давления.
Рисунок 6 - Манометры электрические дистанционные (МЭД)
Ко второй группе относят: манометры сопротивления, действие которых основано на изменении электрического сопротивления под действием
внешнего избыточного давления. В качестве чувствительного элемента используется катушка с однослойной намоткой манганиновой проволоки, диаметром 0,05 мм. Электрическое сопротивление будет изменяться линейно,
согласно уравнению:
(5.13)
R  k  R  p ,
где k - пьезокоэффициент, величина которого зависит от материала проводника, м2/Н;
р – измеряемое давление, Па.
Вследствие небольшой величины пьезокоэффициента манганина подобные манометры применяются для измерения высоких давлений. Для измерения сопротивления можно использовать измеритель электрических сопротивлений, например электронный мост.
Другой чувствительный элемент манометров сопротивления – тензометрический преобразователь. Принцип его действия состоит в преобразовании усилия или пропорциональной ему деформации в изменение сопротивления проволоки, наклеенной на поверхность деформирующегося тела. Тензометр представляет собой тонкую проволоку (диаметром 0,01 ÷ 0,05) мм),
наклеенную на изоляционное основание (бумагу или пластмассу). В качестве
материала для проволоки используют сплавы медно-, хромо-, железоникелевые. К концам проволоки припаивают выводы. В таком виде датчик тензометра наклеивают на поверхность детали, подвергающуюся деформации.
К преимуществам тензометров относят линейность характеристики,
малую инерционность, возможность размещения в труднодоступных местах
и достаточно малая погрешность (  2 %). Недостатки – малая чувствительность и зависимость от температуры.
Пьезоэлектрические манометры, которые работают на использовании
прямого пьезоэлектрического эффекта монокристаллического кварца. На выходе такого манометра получаем изменяющийся от приложенного давления
ток:
dp
(5.14)
I ВЫХ  K( dt ) ,
где К – постоянный коэффициент пропорциональности;
р – давление, Па.
5.1.4 Грузопоршневые манометры
Отличаются высокой точностью и широким диапазоном измерений (от
0,098 до 980 МПа). Они в основном применяются для поверки технических,
контрольных и образцовых пружинных манометров в лабораторных условиях. Измеряемое давление определяется с помощью калиброванных грузов по
величине нагрузки на поршень.
Основными техническими характеристиками приборов являются погрешность измерения, класс точности, чувствительность, вариация.
Погрешностью называется отклонение результата измерения от истинного значения измеряемой величины. Различают абсолютную и относительную погрешность. Абсолютной погрешностью x называется разность между
показаниями измерительного прибора x и истинным значением измеряемой
величины хд:
х  х  х д .
(5.15)
Относительная погрешность – безразмерная величина, равная отношению абсолютной погрешности к истинному значению измеряемой величины:
  õ õ 100 % .
ä
(5.16)
Класс точности – это число, равное пределу допускаемой погрешности,
отнесенному к конечному значению рабочей частоты его шкалы:
 ïð  (õ õ ) 100 % .
max
(5.17)
Порог чувствительности прибора – наименьшее отклонение измеряемого параметра, которое способно вызвать изменение показание прибора.
Вибрация – наибольшая разность между показаниями при повторных
измерениях одной и той же величины и одинаковых внешних условиях, выраженное в процентах.
При использовании и монтаже манометров необходимо выполнять
ряд требований.
Для обеспечения продолжительного срока надежной работы пружинных манометров допустимое рабочее давление должно быть не более ¾
верхнего предела шкалы при постоянном и не более 2/3 при переменном давлении. Для других приборов допустимое рабочее давление должно быть возможно ближе к предельному значению шкалы прибора.
Место отбора давления на объектах измерения давления необходимо
выбирать так, чтобы на результаты измерения не влияли динамические воздействия потока и завихрения, которые образуются вблизи местных сопротивлений (колен, тройников, вентилей). Расстояние это не должно быть
меньше двух диаметров трубопровода.
Перед пружинными манометрами обязательно устанавливать трехходовой кран, с помощью которого манометр плавно включают в работу, производят проверку нулевой точки шкалы, а также продувают импульсные линии. Для защиты манометров от действия высокой температуры газа или пара перед манометром устанавливают сифонную U-образную или кольцевую
трубку.
5.2 Экспериментальная часть
Лабораторная установка, общий вид которой изображен на рисунке 7,
позволяет познакомиться с принципом действия и устройством приборов для
измерения давления, а так же получить навыки поверки технических приборов с помощью образцовых.
Установка содержит приборы для измерения давления, мнемосхему с
изображениями подключения приборов к пневмоемкости, тумблеры переключателя и маховики. На мнемосхеме изображены линии подачи сжатого
воздуха к приборам из пневмоемкости, расположенные внутри установки.
Для обеспечения плавной подачи давления на приборы на линиях установлены пневматические датчики М1 ÷ М4. Подача давления на жидкостные приборы осуществляется с помощью пневматических тумблеров ПТ5, ПТ7.
Сброс давления в линиях производится кнопками ПТ2 ÷ ПТ4.
Сжатый воздух закачивается в пневмоемкость насосом Камовского.
Давление в пневмоемкости контролируется манометром, установленном в
нижнем правом углу мнемосхемы.
Электропитание напряжением 220 В подается на установку с помощью
автоматического выключателя 2, при этом должна загореться сигнальная
лампа 1. В установке предусмотрена схема сигнализации обрыва заземления.
Проверка исправности схемы сигнализации проверки заземления производится с помощью кнопки 3, при этом должно загореться световое табло 4
«Обрыв».
5.2.1 Порядок проведения экспериментов
- Перед проведением экспериментов необходимо убедиться, что маховики пневматических датчиков вывернуты до отказа против часовой стрелки.
- Необходимо строго выполнять последовательность выполнения экспериментов во избежание выхода из строя приборов.
- При проведении экспериментов 1 и 2 необходимо постоянно следить
за величиной давления в пневмоемкости.
- Приступить к выполнению экспериментов можно только после преподавателю о готовности к работе.
Эксперимент 1 - Проверка технического манометра типа ОБМ-1-160 по
образцовому манометру
- Занести паспортные данные прибора в таблицу 1.
- Закачайте сжатый воздух в пневмоемкость, вращая маховик насоса
Камовского и контролируйте давление в пневмоемкости манометром, установленном на мнемосхеме. Давление должно быть в пределах 0,9-1,0 кгс/см2
- Медленно вращая маховик пневмодатчика М3 по часовой стрелке,
установите по техническому манометру значение давления: 0.2, 0.3, 0.4, 0.5,
0.6, 0.7, 0.8 кгс/см2 и снимите показания образцового манометра. Данные запишите в таблицу 2 в графу «прямой ход».
- Вращая маховичок пневмодатчика М3 против часовой стрелки прекратить подачу сжатого воздуха на приборы. Сбросить давление на линии
прибора кнопкой ПТ3.
- Вычислить абсолютную и относительную погрешности. Сравнить
максимальную приведенную погрешность с классом точности прибора и сделать заключение о готовности прибора.
5
10
6
11
7
1
8
9
1
2
1
31
4
1
5
1 –сигнальная лампа подачи напряжения; 2 – автоматический выключатель; 3 – кнопка
проверки схемы сигнализации обрыва заземления; 4 – световое табло «Обрыв заземления»; 5 – самопишущий манометр (диаграмма снята с прибора); 6 – манометр типа ОБМ;
7 – манометр с одновитковой трубчатой пружиной (шкала снята с прибора); 8- образцовый манометр; 9 – электроконтактный манометр типа ЭКМ; 10 – напоромер тип НМ-111;
11 – жидкостной U-образный манометр; 12 – вторичный дифференциальнотрансформаторный прибор типа КСД; 13 – сигнализатор падения давления;
14 – манометр электрический дистанционный типа МЭД, 15 – насос Камовского.
Рисунок 7- Экспериментальная установка
Эксперимент 2 - Изуче6ние схемы сигнализации предельных значений
давления с использованием электроконтактного манометра типа ЭКМ
- Занесите паспортные данные в таблицу 1.
- Убедитесь, что давление в пневмоемкости составляет 0,8-1кгс/см2. В
противном случае подкачайте сжатый воздух насосом Камовского.
- Включите тумблер Т1, должна загореться зеленая лампа нижнего
предела давления и белая лампа подачи питания на схему сигнализации.
Вращая маховичок пневмозадатчика М4 по часовой стрелке подайте давление на прибор. В момент погасания зеленой лампы снимите показания прибора. Продолжайте увеличение давления до тех пор, пока не загорится красная лампа сигнализации превышения давления и подается звуковой сигнал.
Нажатием на кнопку КН2 отключите звуковой сигнал, снимите показания
прибора. Прекратите подачу давления на прибор, вращая маховичок пневмо-
задатчика против часовой стрелке до упора. Сбросте давление в пневмоемкости кнопкой ПТ1и в линии прибора кнопкой ПТ4.
Эксперимент 3 - Поверка мембранного напоромера по U-образному
жидкостному манометру
- Занесите паспортные данные прибора в таблицу 1.
- Убедитесь, что в пневмоемкости давление отсутствует. Осторожно
поворачивайте маховик насоса Камовского. Пневмотумблер ПТ5 переведите
в верхнее положение. Стрелка напоромера начнет отклоняться вправо. При
достижении стрелки 30 кгс/см2 переведите тумблер ПТ5 в нижнее положение.снимите показания жидкостного манометра по нижней части меникса и
занесите в таблицу 2.
- Кратковременным нажатием кнопки ПТ6 задавайте значение давления
по напоромеру и снимайте показания жидкостного манометра. Данные занесите в таблицу 2.
- Пристыкуйте шланг, подходящий к насосу Камовского на трубку
«Разр.».
- Повторите пункты 2 и 3.
- Вычислите абсолютную и относительную погрешности при заданном
диапазоне измерения давления. Постройте график зависимости относительной погрешности т фактического давления. Сравните максимальную приведенную погрешность с классом точности прибора и сделайте заключение о
точности прибора.
5.3 Содержание отчета
В отчете необходимо представить:
- название и цель работы;
по эксперименту 1:
- схему подключения манометров к пневмоемкости,
- таблицы 1 и 2,
- график погрешностей, заключение о годности прибора.
по эксперименту 2:
- схему сигнализации;
- таблицу 1;
- описание работы сигнализации.
Таблица 1
Название прибора
Характеристика
прибора
Тип прибора
Класс точности
Предел измерения
Рабочее положение
Система прибора
Цена деления
Таблица 2
№
Показание проверяемого прибора
Показание образцового
прибора
Абсолютная
погрешность
Относительная
погрешность
5.4 Контрольные вопросы
1 Что называют давлением, каких видов оно бывает?
2 Каких видов бывают приборы для измерения давления по роду измеряемой величины?
3 На какие группы делятся приборы для измерения давления по принципу действия?
4 Дайте характеристику жидкостным манометрам;
5 Дайте характеристику деформационным манометрам;
6 Дайте характеристику электрическим манометрам;
7 Дайте характеристику грузопоршневым манометрам;
8 Что относится к основным техническим характеристикам приборов?
9 Что называют погрешностью измерения?
10 Что называют абсолютной погрешностью измерения?
11 Что называют относительной погрешностью измерения?
12 Что такое класс точности?
13 Что называется порогом чувствительности прибора?
14 Что называют вибрацией?
15 Перечислите основные требования, обеспечивающие продолжительный срок надежной работы манометров.
Список использованной литературы
1 Петров И.К. Технологические измерения и приборы в пищевой промышленности. – М.: Агропромиздат, 1985. 343 с.
2 Кулаков М.В. Технологические измерения и приборы для химических производств. – М.: Машиностроение, 1983. 423 с.
3 Петров И.К., Солошенко М.М., Царьков В.А. Приборы и средства
автоматики для пищевой промышленности. – М.: Легкая и пищевая промышленность, 1981. 416 с.
4 Фарзане Н.Г., Илясов Л.В., Азим-заде А.Ю. Технологические измерения и приборы. – М.: Высшая школа, 1989. 456 с.