книги из ГПНТБ / Граменицкий В.Н. Грузопоршневые измерительные приборы

Р е ш ив это уравнение относительно давления Р и приняв во вни­ мание, что

где m и т0 — соответственно масса груза и поршня с грузоприемным устройством, g— ускорение свободного падения тел; q соответственно плотность воздуха и материала, из которого изго­ товлены грузы и поршень, получим

Рм

здесь

F — приведенная (эффективная) площадь поршня:

3

Обычно при расчетах, кроме расчетов, связанных с аттестацией •первичных эталонов давления, величиной третьего члена в выра­ жени и (1.10) ввиду его малости пренебрегают, что позволяет при­ менять формулу в более простом виде:

Р:=КГ{Г-+/1). (1.11)

Введение понятия приведенной площади поршня позволило при расчетах поршневых пар и при определении давления, измеряемого грузопоршневым манометром, не выполнять вычислений, связанных с учетом сил гидравлического трения /, и / 2 - Следует отметить, что необходимость вычислять F по формуле (1.11) возникает весьма редко . Обычно при аттестациях, испытаниях и поверках образцо­ вых грузопоршневых манометрических приборов эта величина оп­ ределяется экспериментально (за некоторыми исключениями) — методом сличения аттестуемого или поверяемого прибора с грузо­ поршневым прибором более высокого класса точности.

Множитель ( 1 — — ) в формулах (1.8) и (1.9) учитывает но­ рм .

терю веса грузов и поршня с грузоприемным устройством в воз­ духе .

Формула (1.9) справедлива при условии, что между поршнем п цилиндром отсутствуют силы нежидкостного трения. Поэтому в грузопоршневых измерительных приборах применяются поршневые л а р ы с неуплотненными поршнями, а поршню или цилиндру в мо­ мент измерения сообщается вращательное движение.

К а к следует из гидравлической теории смазки [3, 4, 5], при вра­ щении в случае возникновения эксцентриситета во взаимном рас- •положении поршня и цилиндра возникает « о т ж и м а ю щ а я » сила Go™,

30

где il — число оборотов поршня или цилиндра в единицу време-

ни; h •—среднее значение ширины зазора; а — — ( е — эксцентри­

ситет расположения поршня и ц и л и н д р а ) .

Формула (1.12) позволяет при разработке приборов наиболее рационально выбирать конструктивные параметры, при эксплуата­ ции определять оптимальные значения скорости вращения поршня или цилиндра, а т а к ж е вязкость рабочей жидкости, обеспечивая возникновение в поршневых парах о т ж и м а ю щ и х сил, достаточных для обеспечения нормальной работы приборов.

сообщать поршням (или цилиндрам) достаточно большую скорость вращения .

В поршневых парах, заполненных жидкостью, при взаимном пе­

показано далее, в отличие от сил нежидкостного трения не влияют на точность прибора.

Сила гидравлического трения между поверхностями поршня и цилиндра пропорциональна скорости их взаимного перемещения. В момент измерения давления при приближении поршня к положе­

жидкости через зазор и опусканием поршня, как показано выше, учтены введением в уравнение измерения приведенной площади поршня, определяемой формулой (1.10), то сила гидравлического трения может быть принята равной нулю и, следовательно, давле ­ ние, измеряемое грузопоршневым манометром, полностью опреде­ лится уравнением (1.9).

Сила гидравлического трения, возникающая при вращении поршня (или цилиндра) и действующая в тангенциальном, направ ­ лении, вызывает лишь затухание свободного вращения поршня. Характер затухания, согласно теории приборов с неуплотненным поршнем (для манометров с простым поршнем), может быть оценен формулой

11

мулой (1.12), обеспечивает такое взаимное положение поршня и

дом возникает (обычно небольшая) сила нежидкостного трения, что требует применения соответствующих устройств, позволяющих снизить до пренебрежимо малых значений вызываемую этой силой погрешность.

'h

Формулы (1.1) — (1.14) могут быть применены для расчетов грузопоршневых приборов, работающих при таких давлениях, ког­ д а можно пренебречь влиянием деформаций элементов поршневых пар на работу приборов и на их точность.

лений изменяется и дл я определения величины измеряемого давле ­

П е р в а я составляющая характеризует приращение приведенной площади поршня из-за деформации торца поршня:

12

Все приведенные формулы относятся к простейшему случаю — грузопоршневому прибору с простым поршнем в обычном цилиндре.

13

действует на цилиндр не только изнутри, ио и снаружи, в резуль­ тате чего зазор между поршнем и цилиндром при увеличении дав ­

ном цилиндре и с простым поршнем в цилиндре с противодавле­ нием, применяются приборы с так называемым дифференциальным (одноступенчатым и двухступенчатым) поршнем.

В приборах с дифференциальным поршнем измеряемое давление действует или на торец поршня или на кольцевую площадь, рав­ ную разности площадей широкой и узкой частей поршня. Конст­ рукции манометрических приборов этой группы описаны во второй главе.

Расчетные формулы, характеризующие работу приборов с диф ­ ференциальным поршнем, в принципе аналогичны формулам, при­ веденным в данной главе.

Вопросы, связанные с расчетом приборов с дифференциальным поршнем, подробно рассмотрены в работе [1].

14

Г л а в а I I . СПОСОБЫ УРАВНОВЕШИВАНИЯ

СОБСТВЕННОГО ВЕСА ПОРШНЯ

И з уравнения (1.9) следует, что нижний предел измерения грузопоршневого манометра, построенного по схеме, изображенной на рис. 1, ограничен величиной

Отмеченное свойство грузопоршневых манометрических прибо­ ров долгое время препятствовало применению их д л я измерения небольших давлений или разрежений . В результате этого измере­ ния небольших давлений с высокой точностью в течение многих лет проводились исключительно ртутными приборами — м а н о м е т р а м и

имаиовакуумметрами .

Дл я расширения диапазона измерений грузопоршневых мано ­ метрических приборов по предложению автора была разработана принципиальная схема и конструкция грузопоршневого манометра, основанного на дифференциальном методе измерения [14, 15] (в ма­

нометре предварительно уравновешивался собственный вес поршня

сгрузоприемным устройством).

Впервом приборе, разработанном по этому предложению, вес поршня уравновешивался давлением столба жидкости определен­ ной высоты, действующей на поршень. Процесс измерения в этом случае состоит в двухкратном уравновешивании поршня: первый раз при сообщении прибора с атмосферой, второй — при подклю­ чении его к пространству, в котором создано измеряемое давление .

Условие равновесия системы поршень — уравновешивающее устройство в ы р а ж а е т с я следующими уравнениями:

первое уравновешивание

где Ро — давление, действующее на площадь F поршня и уравнове­ шивающее собственный вес G0 поршня и грузоприемного устрой­ ства; G — вес грузов, уравновешивающих давление Р.

15

Из формулы (II.2) видно, что при дифференциальном методе из­ мерения давления, определяемое прибором, не зависит от веса поршня с грузоприемным диском, от физических свойств жидкости, использованной в уравновешивающем устройстве, или вообще от конструкции уравновешивающего устройства. Нижний предел из­ мерения прибора с уравновешенным поршнем принципиально не ограничен.

П р и разработке приборов с уравновешенным поршнем прежде всего надо найти способ уравновесить силу G0 и поддерживать ее постоянной с достаточной точностью, так как эта сила при обоих

Выбор того или иного способа * уравновешивания силы при кон­ струировании грузопоршневого прибора определяется в зависимо­ сти от условий применения прибора, его назначения, класса точно­

* Перечисленные способы уравновешивания собственного веса поршня (кроме последнего) предложены и разработаны во ВНИИГК. Большинство из них приме­ нено в приборах, разработанных в последние 10—15 лет.

16

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ (ПЕРВИЧНЫЙ) ГРУППОВОЙ ЭТАЛОН ИЗБЫТОЧНОГО ДАВЛЕНИЯ

вому цилиндру. К верхней части поршня присоединено грузоприемное устройство. Д л и н а поршня составляет около 200 мм, длина его погруженной части (в рабочем положении) — около 120 мм. Пор ­

Верхний предел измерения к а ж д о г о манометра, входящего в груп­

го первичного эталона избыточного давления был обусловлен необ­

Первичный эталон создавали в такой последовательности.

С применением специально разработанной технологии изготови­ ли группу грузопоршневых манометров, которые тщательно иссле­ довали . З а т е м были отобраны пять манометров с наилучшими ка­ чественными показателями . После этого два наблюдателя на гори­ зонтальном оптиметре проводили многократные измерения диамет­ ров поршней. Д и а м е т р ы каждого поршня измерялись в пяти поя­ сах по двум взаимно перпендикулярным направлениям .

при измерении диаметров поршней и определении ширины зазоров, после вычисления значений приведенных площадей поршней к а ж ­ дого из пяти манометров, включенных в групповой эталон, осуще­

известными) вычислены наиболее достоверные значения приведен­ ных площадей поршней пяти отобранных приборов.

18

применяются для определения приведенных площадей вторичных эталонов избыточного давления методом взаимного сличения.

П о данным, приведенным в [2, 16], первичный эталон избыточ­ ного давления воспроизводит единицу давления со средней квадрэтической погрешностью 0,0006%.

Групповой эталон давления является эталоном переменного со­ става. Манометры, входящие в его состав, по мере износа и ухуд­ шения своих метрологических качеств заменяются новыми, причем выполняется весь комплекс работ по их аттестации.

РАБОЧИЕ (ВТОРИЧНЫЕ) ЭТАЛОНЫ ИЗБЫТОЧНОГО ДАВЛЕНИЯ

Рабочие (вторичные) эталоны избыточного давления предназна­ чены дл я определения методом взаимного сличения при аттеста­

В исключительных случаях рабочие эталоны могут использо­ ваться непосредственно дл я измерения избыточного давления . Пр и этом измеряемая величина определяется по формуле (1.9) и соот­ ветствует давлению внутри цилиндра на уровне нижнего торца поршня.

Установка состоит из основания, на котором смонтирован ж и д ­ костный пресс для создания и регулирования давления, двух шту­ церов, снабженных устройством для установки по уровню к а ж д о г о из взаимносличаемых приборов, и статоскопа — устройства, пред­ назначенного для наблюдения за взаимным расположением порш­ ней.

взаимного положения поршней с погрешностью не более 0,1 мм.