книги из ГПНТБ / Петунин А.Н. Измерение параметров газового потока. (Приборы для измерения давления, температуры и скорости)

1.4.6. Групповой жидкостный регистрирующий манометр

Попытка сочетать положительные качества жидкостных ба­ тарейных манометров: наглядность, высокую точность, надеж­ ность, простоту эксплуатации и быстрое изменение диапазона измерений путем смещения нулевого уровня столба жидкости с объективной системой регистрации, выдающей информацию в виде, удобном для машинной обработки, привели к созданию жидкостных регистрирующих манометров [14, 47].

Групповой жидкостный регистрирующий манометр ГЖРМ-1 предназначен для автоматической регистрации непосредственно в ходе эксперимента давлений и разрежений на бумажной лен­ те в единицах высоты столба жидкости и на перфоленте в двоич­ но-десятичном коде.

Основные параметры прибора:

1.24 — блок-схема рабочего образца манометра, в которой для регистрации данных используется печатающая машинка вместо группового вала цифровых колес и электромагнитных печатаю­ щих молоточков, изображенных на принципиальной схеме.

Манометрический блок выполнен в виде вертикальной панели

сукрепленными на ней стеклянными трубками 1 и масштабной шкалой. Трубки объединены общим коллектором и сообщаются

срасходным бачком 2, заполненным окрашенной жидкостью. По краям панели расположены направляющие ходовые винты 3, по которым перемещается считывающая каретка 4. На каретке раз­ мещены фотодиодные датчики 6 с усилителями (ФУ), оптиче­ ская система с осветительными лампами 5 и магнито-считываю- щая головка. Перемещение каретки производится электроприво­

дом 13 через редуктор. Привод размещен на нижнем основании манометра.

Весь цикл измерения, регистрации и управления работой всех блоков манометра автоматизирован и осуществляется операто­

43

ром с пульта управления нажатием кнопки «Пуск». Кроме кноп­ ки «Пуск», на пульте оператора расположены: кнопка «Сброс», которой пользуются перед взятием первого отсчета, и сигналь­ ные лампы «Режим» и «Отсчет», включенные в цепи блокиров­ ки движения каретки. Сигнальные лампы разрешают оператору

переход на новый режим или взятие отсчета.

В исходном состоянии считы­ вающая каретка находится в крайнем нижнем положении. На пульте управления горит лампа «Отсчет». Электропривод считы­ вающей каретки не включен. При нажатии кнопки «Пуск» включа­ ется подсвет фотодиодных датчи­ ков, срабатывают соленоиды пе­ рекрытия пневмотрассы, вклю­ чается электропривод 13 для перемещения каретки вверх.

В процессе движения магнитная головка считывает показания трубок манометра и выдает на входной двоично-десятичный ре­ гистр счетчиков СИ электрические импульсы, количество кото­ рых пропорционально высоте столбов жидкости в трубках. В момент совмещения светового луча с мениском жидкости фо­ тодиодный датчик через блок управления записью БУЗ выдает командный сигнал па запоминающее устройство ЗУ, которое за­ поминает информацию счетчика импульсов. В момент достиже­ ния кареткой крайнего верхнего положения замыкается верхний концевой выключатель 11, отключаются соленоиды перекрытия пневмотрассы, формируется командный импульс на регистрацию и подсчет показаний фотодиодных датчиков. На пульте управле­

44

Редуктор давления поршневого типа (рис. 1.26) представля­ ет собой свободный дифференциальный поршень, который в ра­ бочем положении находится во взвешенном состоянии. Поршень

Уравнение равновесия сил, действующих на дифференциаль­ ный поршень без учета сил трения, имеет вид

46

Давление в измерительной камере уравновешивается столбом жидкости в манометре

Из (1.27) и (1.28) можно получить основное уравнение мано­ метра с редуктором

метра, описанных выше, и погрешностей, обусловленных вклю­ чением в схему манометра редуктора. Систематические погреш­ ности обусловлены изменением гидростатической силы масла при перемещении поршня, а также влиянием температуры на раз­ меры поршня, вязкость масла и зазоры между поршнем и кор­ пусом. Первая погрешность устраняется поправками. Темпера­ турная погрешность, вызванная изменением размеров поршня, пренебрежимо мала, а остальные температурные погрешности не поддаются расчету. Их относят к разряду случайных и ха­ рактеризуют разбросом экспериментальных точек при градуи­ ровке манометра.

Для уменьшения вредного влияния сил трения редуктор уста­ навливается на вибратор, колеблющийся с частотой 50 Гд и ам­ плитудой 0,5 мм.

Средняя квадратическая погрешность измерения маномет­ ром с редуктором на предельное давление ~2,5 -105 Па по ла­ бораторным градуировкам не превышает ±0,15%, а по резуль­ татам эксплуатации в стендовых условиях не более ±0,35%. Характеристика манометра, выражающаяся уравнением (1.29), линейная.

Схема манометра с мембранным редуктором давления изо­ бражена на рис. 1.27. Измеряемое избыточное давление, или большее из двух давлений при измерении разности давлений, по­ дается в полость сильфона 2. Один конец сильфона припаян к корпусу I, а другой — к жесткому центру 4 мягкой резиновой мембраны 3, зажатой между двумя половинами корпуса. На же­ стком центре укреплена колонка 5 с роликами, перемещающи­

47

мися по внутренней поверхности трубки, являющейся частью корпуса редуктора. Верхний конец колонки соединен с крышкой

1.4.8. Погрешности измерения жидкостными манометрами

Погрешности измерения жидкостными манометрами склады­ ваются из случайных погрешностей отсчета показаний, измене­ ния в процессе использования манометра величины капилляр­ ной депрессии и физико-химических свойств жидкости, а также из систематических погрешностей, вызванных недостоверным знанием плотности жидкости, ее коэффициента объемного рас­ ширения и коэффициента линейного расширения шкалы мано­

48

метра. Ниже рассматриваются погрешности жидкостных мано­ метров и причины, их вызывающие.

1. Плотность жидкости определяет диапазон измерения ма­ нометра. Чем больше измеряемое давление, тем больше при од­ них и тех же длинах трубок манометра должна быть плотность жидкости. Плотности широко используемых в манометрах жид­ костей хорошо изучены, и погрешности их определения не пре­

49

Погрешность, вызванная капиллярной депрессией, зависит от диаметра трубки и высоты мениска и возрастает с уменьшением

диаметра трубок.

Для трубок с внутренним диаметром 4 мм, залитых ртутью, погрешность может достигать 2 мм и более [22]. Она практиче­ ски может не учитываться в ртутных манометрах с внутренним диаметром трубок 8 мм и в манометрах, залитых водой при диа­ метре трубок >-15 мм. Трубки малого диаметра ( > 5 мм) ис­ пользуются в спиртовых манометрах.

Погрешности, вызванные капиллярной депрессией, сущест­ венны в чашечных барометрах и бачковых манометрах, в кото­ рых берется один отсчет высоты столба жидкости, а также в U- образных манометрах с некалиброванными трубками. В U-образ- ных манометрах при постоянном диаметре трубок по высоте погрешность, вызванная капиллярной депрессией, может не рас­ сматриваться. Однако надо иметь в виду, что величина этих по­ грешностей зависит от чистоты внутренних поверхностей трубок и чистоты жидкости. Загрязнение трубок искажает силы поверх­ ностного натяжения и форму мениска и затрудняет отсчет по­ казаний. Нужно особенно следить за чистотой ртутных маномет­

3.Коэффициент объемного расширения жидкости определяет температурную погрешность манометра.

4.Постоянство физико-химических свойств жидкости, зали­ ваемой в манометры, и отсутствие в ней компонентов, легко ис­ паряющихся в процессе измерения, определяют ее невосприим­ чивость к окружающим условиям и материалам.

5.Температурная погрешность жидкостных манометров яв­ ляется следствием изменения плотности жидкости и изменения размеров шкалы манометра.

Принято плотность ртути относить к 0° С, воды к 4° С, и для этих условий установлены значения различных единиц давления, выраженных через высоту столба ртути или воды.

При изменении температуры происходит объемное расшире­

при температуре t0, в м;

Р — коэффициент объемного расширения жидкости в 1/град.

Однако этот отсчет сделан по шкале, нагретой до темпера­ туры /, и с изменившейся ценой делений по сравнению с ее зна­

50

чением при температуре t0', при которой деления были нанесены. Следовательно,

а— коэффициент линейного расширения шкалы (для стек­ ла а = 8-1СС6 1/град, для латуни а = 10 - 10—6 1/град).

Окончательное выражение имеет вид

1-г a (t — t'0)

(1.36)

1+ ? (t — С)

7. Погрешность за счет ускорения силы тяжести возникает вследствие того, что при выражении различных единиц давления через высоту столба жидкости в манометре ускорение силы тя­ жести принято равным gH= 9,80665 м/с2. При этом значении gu и при плотности ртути ун =13595,1 кг/м3 при 0° С был установлен эквивалент давлению в виде столба ртути высотой 0,73556 м, равный одной технической атмосфере, или ~ 105 Па.

Если при отличном от нормального значения ускорения силы тяжести gy измерена высота столба жидкости h\, то истинная ве­ личина столба жидкости определяется по выражению

По этой исправленной величине столба жидкости можно перехо­ дить к другим единицам измерения давления.

Средняя квадратическая относительная погрешность измере­ ния жидкостным 3-метровым манометром без влияния поправок на изменение силы тяжести и температуры среды не превышает 0 ,15 ... 0,2%. Однако следует учитывать, что эти погрешности возрастают при использовании только части шкалы манометра, как это показано в табл. 1.9.

В работе [43] рекомендуется соотношение между размера­ ми элементов микроманометра, залитого спиртом, при котором

F

где V — объем микроманометра в м3;

d —■внутренний диаметр трубки в м;

F — сечение бачка, изготовленного из стали, в м2.

51

Т а б л и ц а 1.9

Предельная погрешность без введения поправки ±2,1 ±1,15 ±0,65 ± 0 ,4 на температуру в %

1.4.9.Замечания по эксплуатации жидкостных манометров

1.Во избежание погрешности в определении высоты столба жидкости в U-образных манометрах из-за непостоянства диамет­ ра трубок по длине отсчет показаний следует брать по обеим трубкам, а не по одной.

2.Трубки, подводящие давление в манометры, не оборудо­ ванные предохранительными клапанами, должны на возможно большем участке иметь уклон к манометру для обратного отека­ ния жидкости при выбросе. В противном случае возможны ис­ кажения результатов последующих измерений. В связи с этим необходимо следить за чистотой соединительных трубок и за тем, чтобы в них не оставалась жидкость, которая может кон­ денсироваться, скапливаться в извилинах и заполнять трубки полностью и л и частично.

3.При точных измерениях давлений следует внимательно от­ носиться к инерционности всех элементов измерительной си­ стемы: приемника, соединительной трассы и манометра.

Погрешности, вызванные запаздыванием, складываются из нескольких погрешностей. Одна из них является результатом того, что отсчет берется ранее момента выравнивания давлений

вманометре и в объекте, где оно измеряется. Вторая опреде­ ляется тем, что за неизбежное время выдержки может изменить­ ся измеряемое давление и полученный результат не будет согла­ сован с измерениями других величин, осуществляемых прибора­ ми с меньшим запаздыванием. Третья погрешность зависит от возможного изменения окружающей температуры. Изменение температуры жидкости в микроманометре вызывает увеличение объема жидкости и изменение капиллярных явлений в маномет­ рической трубке, в результате чего изменяется нулевой отсчет.

52