Міністерство освіти і науки, молоді та спорту України
Державний вищий навчальний заклад
«Національний гірничий університет»
МЕТОДИЧНІ ВКАЗІВКИ
до виконання лабораторної роботи ВНВ-1
"Вивчення галузі застосування і конструктивних особливостей манометрів, барометрів та вакуумметрів"
з дисципліни "Вимірювання неелектричних величин"
для студентів напрямів підготовки
6.050701 Електротехніка та електротехнології,
6.050702 Електромеханічні системи
геотехнічних виробництв
Дніпропетровськ
2014
Державний вищий навчальний заклад
«Національний гірничий університет»
МЕТОДИЧНІ ВКАЗІВКИ
до виконання лабораторної роботи ВНВ-1
"Вивчення галузі застосування і конструктивних особливостей манометрів, барометрів та вакуумметрів"
з дисципліни "Вимірювання неелектричних величин"
для студентів напрямів підготовки
6.050701 Електротехніка та електротехнології,
6.050702 Електромеханічні системи
геотехнічних виробництв
Рекомендовано до видання методичними комісіями спеціальностей 6.050701 "Електротехнічні системи електроспоживання" та 6.050702 "Електромеханічні системи геотехнічних виробництв"
Дніпропетровськ
Державний ВНЗ «НГУ»
2
Методичні вказівки до виконання лабораторної роботи ВНВ-1 "Вивчення галузі застосування і конструктивних особливостей манометрів, барометрів та вакуумметрів" з дисципліни "Вимірювання неелектричних величин" для студентів спеціальностей 6.050701 "Електротехнічні системи електроспоживання" та 6.050702 "Електромеханічні системи геотехнічних виробництв" / Уклад.: О.Р. Ковальов, Ю.В. Хацкевич, Н.Ю. Рухлова. – Дніпропетровськ: Державний ВНЗ "НГУ", 2014.– 25с.
Укладачі:
А.Р. Ковальов, ст. виклад.
Ю.В. Хацкевич, доц.,
Н.Ю. Рухлова, асист.
Відповідальний за випуск заступник завідувача кафедри СЕП
С.І. Випанасенко, д-р техн. наук, проф.
Мета роботи: Вивчення галузі застосування і конструктивних особливостей трубчатих пружинних манометрів, а також ознайомлення з принципом їх роботи.
Теоретичні відомості Рідинні манометри і барометри.
Рідинні вимірювачі тиску застосовують переважно для вимірювання низького тиску, але їх можна використовувати також для вимірювання невеликих різниць тиску при високому статичному тиску. Ртутні манометри високого тиску довжиною до 500 м, які встановлені в шахтах, або укорочені їх моделі у вигляді каскадних манометрів (до 200 атм) застосовували у минулому як градуіровочні прилади.
Манометрові рідини.
Як запороні рідини в основному застосовують спирт, воду, ртуть або спеціальні рідини з низьким тиском насиченого пару. Вода володіє незначним температурним коефіцієнтом розширення, але поганими капілярними властивостями, тоді як питома вага спирту і толуолу змінюється на 0,1% на 1°С. Відомі рідини, які володіють густиною 2..4 г/см3, проте їх застосовують рідко.
Перевага силікону марки DC200 (Doy Corning Corp.) в порівнянні з етиловим спиртом полягає в тому, що він не змішується з водою. Крім зміни густини, при точних вимірюваннях слід ураховувати зміни лінійних розмірів, силу тяжіння і поверхневе натягнення, що викликаються коливаннями температури.
Манометри з вертикальними трубками..
Випускають різні моделі простих одно- і двотрубних U-подібних манометрів. В дорогих приладах цього типу застосовують пристрої для виключення паралакса, а також движки з ноніусними розподілами для відліку показань. Підвищення точності відліку досягається при використовуванні оптичного збільшувача (рис. 1), а також шляхом механічного, електричного або фотоелектричного считування положення меніска. Краще считування положень меніска досягається також за допомогою мікрометричних пристроїв або конусних щупів, які з'єднані зі шпінделем мікрометра. Механічна фіксація положення меніска за допомогою поплавця дозволяє використовувати рухому шкалу, проектовану на нерухоме матове скло. Проекційний манометр Беца складається з двох концентричних трубок. Поплавець знаходиться у внутрішній трубці і несе на собі скляну шкалу, розподіли якої відповідають різниці тиску 0,1 мм. В магнітному поплавковому манометрі поплавець виконаний у вигляді порожнього магніта і переміщується в трубці з немагнітного матеріалу, що дозволяє передавати зовні переміщення ртутного стовба.
Електричне считування положення меніска може бути забезпечено пристроєм, який складається з вольфрамового дроту, що нагрівається, опущеного в запорну рідину. Частина дроту, яка знаходиться в рідині, охолоджується до температури останньої.
Рис.1.
Невеликі різниці тиску можуть вимірюватися ртутним манометром, в якому рівень ртуті визначається за допомогою сталевих кульових поплавців, положення яких з точністю 0,01 мм фіксуються лінійною диференціально-трансформаторною схемою. В той же час висока чутливість в малому діапазоні вимірювань досягається в манометрі ємкості, в якому поверхня ртуті і поміщена над нею пластина утворює плоский конденсатор змінної ємкості. Рівень рідини може визначатися по віддзеркаленню поверхнею рідини електричного імпульсу на хвилевід, імпеданс якого змінюється в залежності від довжини. При цьому способі відліку відносна діелектрична проникність рідини повинна бути більше 1,1. Багато разів розроблялися рідинні манометри з фотоелектричним считуючим пристроєм, в яких прозорий стовб рідини (води або спирту) використовували як циліндрову лінзу, яка підсилювала падаюче на фотоприймач випромінювання.
Манометри з похилою трубкою.
Ряд фірм випускає прості манометри з похилою трубкою, зокрема для контролю розріджень в топках і печах. При незначних кутах нахилу трубки ці манометри не дуже точні, оскільки виникають похибки, яки обумовлені непрямолінійністю осі трубки. Розрізняють манометри з постійним кутом нахилу, так звані манометри Креля, і манометри, в яких кут нахилу встановлюється ступенево (манометри Рекнагеля).
Велика точність забезпечується в компенсаційних манометрах з похилою трубкою. В приладах цієї групи похила трубка є однією стороною U-подібної трубки, тоді як друга сторона переміщується в процесі вимірювання у вертикальному напрямі до поєднання меніска з нульовою відміткою шкали. Суміщати меніск з нульовою відміткою можна також шляхом зміни кута нахилу трубки. Перевага останнього методу - можливість настройки чутливості відповідно до тиску що виміряється. Ця конструктивна ідея Розенмюллера в даний час знов реалізується.
Вантажні і поршневі манометри.
Конструкції.
Рис. 2. Типи поршневих манометрів.
Ефективна площа поршня залежить від виду його ущільнення (рис.2). В запропонованому французьким фізиком Амагатом поршні (рис.2,а), що вільно переміщується, зазор між ним і циліндром складає 1-5 мкм, унаслідок чого витоки через нещільність при користуванні в'язкою запорною рідиною дуже малі. Ефективний перетин в цій конструкції визначається як середнє арифметичне площ поперечного перетину поршня і циліндра. В поршнях з ущільненням, які в даний час майже не вживаються, ефективна площа визначається площею поперечного перетину поршня або внутрішнього поперечного перетину циліндра залежно від того, чи встановлено ущільнююче кільце в циліндрі (рис.2,б) або на поршні (рис.2,в).
Теорія поршневих манометрів, розроблена, зокрема, Кросом, передбачає введення всіх необхідних поправок, забезпечуючих істинні значення контрольованого тиску. Істотне значення має осьове тертя поршня, яке може бути зменшене безперервним обертанням або крутильними коливаннями. Зменшення тертя досягається також шляхом уприскування під тиском захисної рідини або повітря через рівномірно розподілені по периметру циліндра отвори.
Окрім гладких часто застосовують ступеневі поршні (рис.2,г) одна частина яких має менший діаметр. Тиск що виміряється впливає на різницю площ (d12-d22). Переваги таких поршнів - можливість реалізувати малі ефективні площі, не вдаючись до поршнів малого діаметра. Ступеневі поршні дають також можливість використовувати весь перетин або різницю перетинів поршня як ефективну площу, змінюючи таким чином діапазон вимірювання простим перемиканням вентилів. Недолік манометра зі ступеневим поршнем полягає в трудності його виготовлення: необхідно витримувати допуски по двох діаметрах, що може збільшити тертя. На аналогічному принципі працює гібридний поршневий манометр. Основи конструювання поршневих манометрів зі сттупеневими поршнями висловлені Граментськім, а вантажних манометрів високого тиску (до 100 кбар) – Верещагиним. Окрім сил тертя, на точність вимірювань впливають пружні зміни поперечного перетину поршня. Для вимірювання надвисокого тиску застосовують карбид-вольфрамові циліндри, розширення яких при тиску до 40 кбар визначають ультразвуковим методом. Додаткові похибки виникають також при несиметричному положенні вантажів; при цьому повинне бути також враховано несиметричне тертя.
Вантажопоршневі манометри.
В простих поршневих манометрах з вантажами (рис.3) (стара назва приладу «прес Рухгольца») застосовуються плоскі гирі, які встановлюються уручну. При цьому виникає значний момент інерції, і поршень після однократної дії тривалий час обертається.
При збільшенні тисків, які виміряються, доводиться використовувати поршні малого діаметра, щоб не встановлювати великі гирі. При цьому з'являється небезпека руйнування поршня, унаслідок чого в поршневих манометрах що випускаються промисловістю вантажі встановлюють на спеціальній направляючій штанзі, яка з'єднується з поршнем механічною передачею. Інша конструкція передбачає розміщення вантажів на циліндровій трубі, охоплюючій циліндр і поршень і яка спирається своєю кульовою п'ятою на верхній кінець поршня. При цьому центр тяжіння вантажів зміщується вниз, що збільшує жорсткість конструкції.
Існує ряд манометрів з вантажами що самовстановлюються. Найстаріша конструкція запатентована в 1878 р. і передбачає установку вантажів різного діаметра на стійці, з якою вони послідовно нанизуються на поршень при його підйомі.
Розміри вантажів можуть бути зменшені шляхом використовування передач важелів; проте недоліки нерівноплечих важелевих терезів компенсуються їх достоїнствами лише при подвійній передачі важеля. У вантажних манометрах для вимірювання надвисокого тиску передбачаються тільки подвійні передачі важелів.
У багатьох випадках необхідно виміряти тиск безперервно. Цього може бути досягнуто навантаженням поршня маятниковими гирями. Спеціально для вимірювання різниці тиску у виробництві синтетичного бензину розроблені подібні поршневі манометри, призначені для вимірювання різниці тиску 10-100 бар при абсолютному тиску 700 бар.
Рис. 3. Вантажопоршневий манометр (прес Рухгольца):
1 — циліндр; 2 — поршень; 3 — тарілка; 4 — гирі; 5 — штуцер для заливки робочої рідини; 6 — поршень; 7 — манометр що повіряється; 8 - маховичок.
Вантажопоршневі манометри, які призначені для вимірювання тиску стислого повітря, переважно засновані на принципі важелевих терезів. Стисле повітря подається через вентиль що дроселює в невелику місткість з притертою, укріпленою на коромислі терезів кришкою. Під тиском повітря кришка підіймається і надлишок повітря скидається в атмосферу до встановлення рівноваги між піднімаючим кришку зусиллям і встановленими на важелях вантажами.