Лабораторная работа № 9 Измерение и поверка манометров

Цель и задачи работы

Цель работы состоит в ознакомлении с принципом действия и конструкцией пружинных и жидкостных манометров; получении практических навыков при поверке манометра с одновитковой трубчатой пружиной.

Задачи работы:

- ознакомиться с устройством и работой манометров;

- изучить методические указания по поверке приборов;

- произвести поверку манометра с одновитковой трубчатой пружиной;

- выполнить отчет о работе (прил. 9).

Теоретическая часть

Устройство и работа манометров

По принципу действия их подразделяют на: жидкостные (трубные), пружинные, мембранные, сильфонные, пьезоэлектрические, поршневые, радиоактивные и проволочные (тензоманометры).

Жидкостные (трубные манометры), принцип действия которых основан на уравновешивании измеряемого давления столба жидкости, выпускают нескольких типов: U-образные, однотрубные (чашечные), кольцевые, колокольные и поплавковые. Колокольные и поплавковые манометры применяют реже других.

U-образный манометр (рис. 1) наиболее простой по конструкции; состоит из U-образной стеклянной трубки, заполненной жидкостью, и прямолинейной миллиметровой шкалы. Шкала чаще всего бывает двусторонней с нулевой отметкой посередине. Нижняя часть трубки заполнена до нулевой отметки. К одному концу трубки по гибкой резиновой или пластмассовой трубке подводится давление измеряемой среды. Под действием этого давления жидкость в одном колене трубки понижается, а в другом – повышается. Разность уровней, определяемая по шкале, показывает избыточное давление измеряемой среды [2].

Рис. 1. U-образный манометр

При частых изменениях давления измеряемой среды уровень жидкости в трубках колеблется, в связи с чем трудно производить точный отсчет по шкале в обеих трубках одновременно.

В этом случае более удобен однотрубный (чашечный) манометр (рис. 2). Он состоит из сосуда (чаши), сечение которого во много раз больше сечения трубки. При измерении давления уровень жидкости в трубке малого сечения поднимается на большую высоту, в то время как в чаше большого сечения он опускается незначительно. Поэтому показания прибора можно отсчитывать только по изменению уровня жидкости в трубке малого сечения, пренебрегая изменением уровня в чаше.

Рис. 2. Однотрубный (чашечный) манометр

Если к U-образному или чашечному манометру давление подводится только к одному концу трубки, то измеряется разность подведенного и атмосферного давлений. В этом случае другой конец трубки открыт и сообщается с атмосферой. Если же к обоим концам трубки или чаше и трубки подвести давление контролируемых сред, то манометр будет измерять разность этих давлений. Такие манометры называются дифференциальными.

Кольцевые приборы предназначены для измерения малых давлений, разрежений и разности давлений.

Кольцевой манометр называемый кольцевыми весами (рис. 3), представляет собой металлическую трубку, согнутую в кольцо и установленную на призме. Нижняя половина кольца заполнена жидкостью, в верхней имеется перегородка. При разности давления и жидкость будет перетекать в сторону меньшего давления. Перетекание жидкости приведет к изменению центра тяжести и повороту кольца, а вместе с ним и стрелки прибора, которая по шкале покажет изменение давления. Чтобы получить шкалу прибора равномерной, предусмотрено специальное лекальное устройство. Приборами «кольцевые весы» измеряют давление, разрежение и перепад давления, в последнем случае их называют дифференциальными манометрами. Давление подводят к кольцу посредством гибких резиновых и пластмассовых трубок, а при измерении высоких давлений применяют металлические трубки, выполненные в виде спирали.

Рис. 3. Кольцевой манометр

Пружинно-мембранные приборы отличаются от описанных выше тем, что мембрана, воспринимающая давление, выполнена из гибкого материала (вялая мембрана), а давление уравновешивается цилиндрической винтовой пружиной. Гибкие мембраны обычно изготовляют из резины с тканевой основой, ткани с газонепроницаемой пропиткой или особых пластмасс. Вялые мембраны применяют в тягомерах, напоромерах, тягонапоромерах и дифманометрах. Неметаллические мембраны, как правило, снабжают жестким центром.

В качестве упругих чувствительных элементов пружинных манометров и датчиков давления ГСП используют одновитковую и многовитковую трубчатые пружины, упругую мембрану или мембранную коробку сильфон или вялую мембрану или вялую мембрану с пружиной (рис. 4). К недостаткам мембранных приборов относятся небольшой ход подвижного центра чувствительного элемента, значительное отклонение жесткости мембраны от расчетной и трудность регулирования жесткости мембран.

Электроконтактные манометры используют для сигнализации о достиже­нии минимального или максимального рабочего давления или для двухпозиционного регулирования. Электроконтактный манометр по принципу действия аналогичен указывающему манометру с одновитковой трубчатой пружиной. Контактный манометр может работать только при плавном (без пульсации) изменении давления.

а б

в г д

Рис. 4. Чувствительные элементы пружинных манометров: а – трубчатая одновитковая пружина, б – трубчатая многовитковая винтовая пружина,

в – мембрана коробчатая, г – плоская мембрана, д – сильфон

В пружинном манометре с электрическим преобразователем (рис. 5, а) давление преобразуется на манометрической пружине 10 в пропорциональное усилие F. Последнее, через рычажный передаточный механизм, состоящий из рычагов 1, 2 и 8, автоматически уравновешивается усилием обратной связи, создаваемым в магнитоэлектрическом механизме 9 при взаимодействии протекающего в подвижной катушке тока с полем постоянного магнита. При изменении измеряемого давления перемещается рычажный механизм и связанный с рычагом 8 флажок 5 индикатора рассогласования 6.

а б

Рис. 5. Пружинные манометры: а – с электрическим преобразователем,

б – с пневматической силовой компенсацией

Возникающий на индикаторе сигнал рассогласования усиливается электронным усилителем 7 и поступает в силовое устройство обратной связи и одновременно в линию дистанционной передачи, являясь мерой измеряемого параметра.

На заданный диапазон измерения прибор настраивают изменением передаточного отношения рычажного механизма. Для этого перемещают подвижную опору 3 вдоль рычагов 1 и 2. Передаточное отношение можно изменять в пределах 1:10. Нулевое значение выходного сигнала устанавливают пружинным корректором нуля 4.

В пружинном приборе с пневматической силовой компенсацией (рис. 5, б) давление также преобразуется в усилие, которое через рычажный передаточный механизм, состоящий из рычагов 1 и 2, автоматически уравновешивается усилием, развиваемым давлением воздуха в сильфоне 13 обратной связи. При изменении измеряемого давления перемещаются рычаги рычажной системы и связанная с рычагом 1 заслонка 12 перемещается относительно сопла 11.

Манометры с многовитковой (геликоидальной) трубчатой пружиной отличаются от одновитковых формой рабочего органа, имеющего вид цилиндрической спирали с 6–9 витками, свернутой из плоской трубки. Геликоидальную трубку можно рассматривать как ряд одновитковых трубок, соединенных последовательно. Вследствие этого перемещение свободного конца трубки значительно больше перемещения одновиткового манометра. Манометры с геликоидальной трубчатой пружиной применяют главным образом как самопишущие и для передачи показаний на расстояние. В них обычно используют электрические системы теплопередачи. Максимальное давление до 15,6 МПа.

На рис. 6 приведена принципиальная схема бесшкального манометра (вакуумметра, мановакуумметра) с дифференциально-трансформаторным преобразователем давления в унифицированный выходной сигнал переменного тока.

Давление воспринимается одновитковой трубчатой пружиной 1, перемещение свободного конца которой передается сердечнику 2 дифференциально – трансформаторного преобразователя.

Рис. 6. Схема бесшкального манометра

В приборах с отсчетными устройствами (показывающих) свободный конец трубчатой пружины соединен секторным передаточным механизмом с показывающей стрелкой. В зависимости от верхнего предела измерения применяют трубчатые пружины различной жесткости.

Манометры с одновитковой трубчатой пружиной

В этих манометрах, имеющих наибольшее распространение среди пружинных приборов, чувствительным элементом является трубчатая пружина, представляющая собой полую трубку овального или эллиптического сечения, согнутую по дуге окружности на 180–270° (рис. 7). При этом малая ось эллипса трубки расположена параллельно, а большая ось – перпендикулярно плоскости чертежа. Один конец трубчатой пружины жестко соединен с держателем 1. Держатель имеет резьбовой ниппель с отверстием, предназначенный для крепления прибора на трубопроводе или аппарате, в котором измеряется давление. Свободный конец трубчатой пружины закрыт пробкой с шарнирной осью и запаян. Посредством поводка свободный конец пружины связан с передаточным механизмом, состоящим из зубчатого сектора и сцепленный с ним шестеренки, на оси которой насажана стрелка.

Рис. 7. Манометр с одновитковой трубчатой пружиной: 1 –держатель,

2 – трубчатая пружина, 3 – корпус; 4 – стрелка, 5 – сильфонный волосок,

6 – пробка, 7 – передаточный механизм

Для устранения мертвого хода стрелки, вызванного наличием люфтов в соединениях, передаточный механизм снабжен упругим спиральным волоском. Внутренний конец волоска крепится на оси стрелки, а внешний – на неподвижной плате механизма. Волосок постоянно прижимает шестеренки со стрелкой в направлении, противоположном перемещению звеньев механизма под действием давления, вследствие чего устраняется влияние люфтов в соединениях, стрелка прибора начинает перемещаться одновременно с отклонением чувствительного элемента.

Под действием давления среды, сообщающейся с внутренней полостью трубчатой пружины, последняя несколько распрямляется, свободный конец ее перемещается и тянет за собой поводок, который через передаточный механизм вызывает перемещение стрелки по шкале прибора. Раскручивание трубчатой пружины согнутой по дуге окружности, связано с тем, что при подаче давления она стремиться превратить свое эллиптическое сечение в круглое. При этом малая ось эллипса, расположенная в плоскости чертежа, увеличивается, и волокна пружины, находящиеся на радиусе, переходят на большой радиус окружности, а волокна, находящиеся на радиусе переходят на меньший радиус. Так как длина трубчатой пружины остается неизменной, а один ее конец жестко заделан в держателе, то в пружине возникают внутренние напряжения, приводящие к ее раскручиванию и перемещению свободного конца. Последний и, следовательно, стрелка прибора перемещаются пропорционально изменению измеряемого давления, поэтому манометр имеет равномерную шкалу.

Манометры с одновитковой трубчатой пружиной подразделяются на образцовые и технические с классами точности 0,2–4 и верхними пределами измерениями до 1600 МПа (16000 кгс/см²). Приборы выполнены в корпусах диаметрами 40–250 мм. На базе этих манометров выпускаются вакуумметры и мановакуумметры.

Необходимое лабораторное оборудование и приборы

Для выполнения работы необходимо:

- лабораторный стенд;

- образцовый манометр с одновитковой трубчатом пружиной;

- поверяемый манометр с одновитковой трубчатом пружиной;

- лабораторный стенд.

Меры безопасности

Согласно существующим правилам техники безопасности при работе на действующих электроустановках с напряжением до 1000 В необходимо соблюдать следующие правила:

1. Нахождение посторонних лиц (в частности, студентов, свободных от выполнения работ) в лаборатории без ведома ответственного за лабораторию не разрешается.

2. Запрещается находиться в лаборатории в местах, не предназначенных для работы студентов.

Перед началом работы нужно знать:

1. Принципиальную схему установки настолько, чтобы свободно разбираться, какие элементы установки являются опасными.

2. Места расположения их на стенде.

3. Точки, распределительные коробки (коллекторы) питания (гнезда, клеммы, розетки) и уровни их энергетических потенциалов (напряжение, давление и т.д.).

4. Включать установку только согласно инструкции на работу в присутствии преподавателя или лаборанта.

5. Не заходить за лицевую панель установки.

6. Не оставлять включенный стенд, установку без присмотра. По окончании работы выключить установку согласно инструкции, привести в порядок рабочее место и сообщить об окончании работы лаборанту или преподавателю.

Задание

1. Изучить классификацию манометров.

2. Ознакомиться с устройством манометров.

3. Ознакомиться с принципом работы манометра с одновитковой трубчатой пружиной.

4. Изучить методические указания по поверке приборов.

5. Произвести поверку манометра с одновитковой трубчатой пружиной и результаты занести в таблицу бланка отчета.

Методика выполнения задания

Общие методические указания по поверке приборов

Задачей поверки является установление соответствия между фактическими свойствами прибора и теми свойствами, которыми он должен обладать согласно имеющейся документации.

Таким образом, при проведении измерений приборами всегда имеет место некоторая погрешность, т.е. результат измерения отличается от истинного значения измеряемой величины.

Точность измерения может быть оценена абсолютной, относительной или приведенной погрешностями измерения.

Абсолютной погрешностью ∆Х измерения называется разность между значением величины, полученной в результате измерения X, и истинным значением измеряемой величины Х₀

∆Х =Х– Х₀ (1)

Относительной погрешностью измерения δ называется отношение абсолютной погрешности ∆Х к истинному значению измеряемой величины Х₀, выраженное в процентах

δ=(∆Х/ Х₀)100 %. (2)

Точность прибора, как правило, характеризуется приведенной погрешностью γ, представляющей собою отношение абсолютной погрешности ∆Х к нормирующему значению Х_n, выраженное в процентах

γ=(∆Х/Х_n)100 %. (3)

Нормирующее значение – условно принятое значение, равное или верхнему пределу измерений, или диапазону измерений, или длине шкалы.

Измерительные приборы по степени точности делятся на классы точности: 0.02, 0.05, 0.01, 0.1, 0.2, 0.5, 1.0, 1.5, 2.5, 4.0. Для ряда приборов введены следующие классы точности: 0.16, 0.25, 0.35.

Числа, указывающие класс точности, обозначают наибольшую погрешность, которую может иметь прибор данного класса точности, если он работает в нормальных условиях. Погрешность, которую имеет прибор, работающий в нормальных условиях, называется основной. При отклонении условий работы прибора от нормальных, приборы могут иметь дополнительную погрешность, величина которой устанавливается нормативной документации. Соответствие прибора классу точности, указанному на шкале или в паспорте прибора, подтверждается поверкой.

Наиболее часто применяемым методом поверки является метод сличения, заключающийся в сравнении показаний поверяемого прибора с показаниями образцового прибора.

Класс точности образцового прибора должен быть в 4–5 раз выше класса точности поверяемого прибора.

Поверка манометра с одновитковой трубчатой пружиной

Поверка технических манометров с одновитковой трубчатой пружиной в данной работе производится посредством поршневого пресса (обычно производится посредством грузопоршневых манометров).

Рис. 8. Устройство поршневого пресса: 1 – винт с маховиком, 2 – гайка,

3 – цилиндр, 4 – воронка для залива масла, 5–поршень, 6 – образцовый манометр, 7 – поверяемый манометр, 8 – опоры

Устройство поршневого пресса приведено на рис. 8. К штуцеру 6 присоединяют образцовый манометр, а к штуцеру 7 – поверяемый манометр. При помощи маховика, создавая давление в системе, устанавливают стрелку поверяемого манометра на первую оцифрованную отметку и снимают показания образцового и поверяемого манометров. Аналогичным образом производится поверка следующих оцифрованных отметок поверяемого манометра.

Закончив поверку при возрастающем давлении, выдерживают поверяемый прибор под давлением на предельной отметке его шкалы в течение 5 минут. Затем выполняют аналогичные измерения при обратном ходе, т.е. с постепенным понижением давления.

Определение погрешности и вариации показаний поверяемого манометра с одновитковой трубчатой пружиной выполняется сравнением его показаний с показателями образцового манометра, принимаемыми действительные значения измеряемой величины.

Полученные экспериментальные данные заносят в таблицу и по ним рассчитывают абсолютные и приведенные относительные погрешности прибора, а также вариации его показаний.

Контрольные вопросы

1. Устройство и принцип действия U-образных манометров.

2. Устройство и принцип действия однотрубных (чашечных) манометров.

3. Устройство и принцип действия кольцевых манометров.

4. Устройство и принцип действия пружинных манометров.

5. Назовите виды чувствительных элементов.

6. Для чего предназначен манометр с одновитковой трубчатой пружиной?

7. Назовите классы точности манометров с одновитковой трубчатой пружиной.

8. Устройство и принцип действия манометров с одновитковой трубчатой пружиной.

9. Как поверяют манометр с одновитковой трубчатой пружиной?

10. Каков верхний предел измерения манометров с одновитковой трубчатой пружиной?

Требования к отчету

Отчет должен содержать:

- титульный лист;

- название и цель работы;

- задание на работу с краткими рекомендациями по его выполнению;

- описание устройства и работы манометра с одновитковой трубчатой пружиной, его схему;

- формулы расчетов и таблицы результатов выполнения задания.