Теплотехнические измерения и приборы лабораторный практикум. Учебное пособие

Если сигнализация включена, то превышение измеряемой тем­ пературой выставленного порога будет вызывать мерцание индика­ тора и тревожные звуковые сигналы.

В случае выхода измеряемой температуры за диапазон измерений

данной модели прибора на индикаторе появляется предупреждение в виде ┐┐┐┐ или └└└└.

При разряде батареи питания ниже определенного значения на индикаторе периодически станет появляться знак минус во всех знакоместах­ .

Если отпустить кнопку включения прибора, лазерный целеуказа­ тель выключается и прибор переходит в режим работы «Фиксация последнего замера / Работа с памятью». В этом режиме на индика­ торе фиксируется значение температуры, выводимое перед отпуска­ нием кнопки включения. Оператор может видеть это значение на индикаторе и записать его в одну из ячеек памяти прибора либо про­ должить измерение нажатием кнопки включения. В последнем слу­ чае прибор сразу готов к работе, т.е. не надо ждать 2–3 с, как после первого включения. В любом случае при отсутствии нажатия кнопок прибор автоматически отключается через 30 с.

Перед каждым измерением необходимо контролировать правиль­ ность выставленного значения излучательной способности измеря­ емой поверхности. Измерения, проведенные с иным значением, бу­ дут недостоверны.

Установленное значение излучательной способности выводится на индикаторе в течение примерно 1 с после включения прибора (признак – буква «Е» в левом знакоместе индикатора).

Для установки требуемого значения излучательной способности нужно:

•  определить ее необходимое значение для данного материала; •  включить прибор, нажав и удерживая кнопку включения; •  установить режим «Измеряемая температура» (кнопкой «М»);

•  кнопками «–» и «+» выставить по индикатору требуемое значе­ ние излучательной способности.

Измерение температуры в режиме «Измеряемая температура» необ­ ходимо производить следующим образом:

•  включить прибор, нажав и удерживая кнопку включения; •  проконтролировать появившееся при старте установленное зна­

чение излучательной способности, при необходимости откорректи­ ровать его;

•  установить режим «Измеряемая температура» (кнопкой «М»); •  навести пятно лазерного целеуказателя на точку измерения; •  считать значение измеренной температуры с индикатора по хо­

ду измерений либо отпустив кнопку включения (в режиме «Фикса­ ция последнего замера / Работа с памятью»).

61

В процессе измерения нужно учитывать следующее:

•  измерения с неверным значением излучательной способности не достоверны;

•  прибор измеряет осредненную температуру участка поверхности; •  для точного измерения нужно удерживать точку прицеливания минимум в течение времени измерения – 5 с для первого после

включения прибора замера и 1 с для последующих замеров.

Измерение температуры в режиме «Максимальная температура» сле­ дует проводить, как описано выше, включив кнопкой «М» режим «Максимальная температура». На индикатор будет выводиться зна­ чение максимальной температуры, измеренной с момента включе­ ния прибора, либо предыдущего сброса максимального значения (кнопкой «–» при нажатой кнопке включения).

Максимальное значение температуры вычисляется непрерывно с момента включения прибора в любом из двух режимов измерения температуры. Поэтому, не отпуская кнопку включения, можно мно­ гократно переключать режим работы прибора, определяя темпера­ туру как в отдельных точках, так и ее максимальное значение.

Включение / отключение сигнализации превышения пороговой температуры производится следующим образом:

•  включить прибор и перевести кнопкой «М» в режим «Макси­ мальная температура»;

•  нажатием кнопки «+» вызвать на индикатор установленный по­ рог срабатывания – в левом знакоместе индикатора будет буква «L»; •  кнопками «–» и «+» установить требуемое пороговое значение

либо задать нулевое значение для отключения сигнализации; •  кнопкой «М» переключить прибор в режим «Измеряемая тем­

пература». Для поиска перегретых поверхностей с сигнализацией превышения пороговой температуры применять только режим «Из­ меряемая температура».

Порядок проведения работы. Обработка полученных результатов

В данной лабораторной работе необходимо провести два опыта. Первый опыт включает настройку прибора и измерение температу­ ры. Для его проведения необходимо выполнить следующие действия.

1.  Определить тип материала, из которого изготовлены лабора­ торные образцы.

2.  Произвести нагрев образцов до температуры +60…+80 °С. 3.  Настроить прибор на излучательную способность объекта в со­

ответствии с материалом лабораторных образцов.

4.  Рассчитать поле зрения прибора и исходя из него и геометри­ ческих размеров лабораторных образцов определить необходимое расстояние до объекта.

62

5.  Произвести троекратное измерение температуры инфракрас­ ным термометром для каждого образца.

6.  Троекратно измерить температуры лабораторных образцов контактным термометром сопротивлений.

7.  Произвести расчет абсолютной и относительной погрешностей из­ мерения для каждого образца и занести полученные данные в табл. 9.3.

Таблица 9.3. Результаты измерений первого опыта

1

2

3

Среднее

значение

1

2

3

Среднее

значение

1

2

3

Среднее

значение

Во втором опыте определяется излучательная способность объек­ та. Для его проведения необходимо выполнить следующие действия.

1.  Нагреть образцы до температуры +60…+80 °С.

2.  Произвести измерение температуры лабораторных образцов контактным термометром сопротивления.

3.  Рассчитать поле зрения прибора и исходя из него и геометри­ ческих размеров лабораторных образцов определить необходимое расстояние до объекта.

4.  Произвести измерение температуры инфракрасным термоме­ тром для каждого образца, подбирая излучательную способность до тех пор, пока индикатор прибора не покажет известную температуру образца с точностью не ниже ±1 °С.

5.  Полученные данные занести в табл. 9.4.

63

Таблица 9.4. Результаты измерений второго опыта

1

2

3

4

1

2

3

4

Оформление отчета

Отчет должен содержать следующие пункты.

1.Цель работы.

2.Краткий порядок проведения измерений.

3.Результаты измерений и расчеты (табл. 9.3, 9.4).

4.Выводы.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 10

Изучение принципа действия, устройства и поверки деформационных и тензометрических манометров

Цель: изучить принцип действия, устройства и поверки деформа­ ционных и тензометрических манометров.

Общие сведения

Деформационные манометры применяются для измерения дав­ ления жидкости, газа и пара. Существенными достоинствами этих проборов являются простота, надежность конструкции, наглядность показаний, небольшие размеры, а также диапазон измерений до

64

980 МПа, возможность автоматической записи и дистанционной передачи показаний.

Принцип действия деформационного манометра основан на урав­ новешивании измеряемого давления силой упругой деформации одновитковой (трубка Бурдона) или многовитковой (спиральной, геликоидальной) трубчатой пружины, сильфона, мембранной ко­ робки или мембраны (рис. 10.1).

Трубчатые пружины чаще всего выполняются в виде одновитко­ вых, центральная ось которых представляет собой дугу окружности

5

1 2

А

4

3

Р

2Рв

2Рн

Рис. 10.1. Упругие элементы пружинных манометров:

а – одновитковая трубчатая пружина (трубка Бурдона) – вид сбоку и вид в разрезе; б – узел многовитковой пружины – вид сбоку и вид в разрезе; в – мембранная коробка; г – одиночная мембрана; 1 – пружина; 2 – скоба; 3 – ось; 4 – неподвижный угольник; 5 – ниппель

65

с центральным углом, равным 200–270°. Из числа этих пружин наи­ более широко распространены пружины Бурдона эллиптического и плоскоовального сечения. Эллиптические пружины применяют в приборах для измерения избыточного давления до 6 МПа, а толсто­ стенные пружины овального сечения – для давления 160 МПа. Один конец пружины Бурдона закрепляют неподвижно, а другой, свобод­ ный, закрыт пробкой и запаян.

После деформации пружины под воздействием измеряемого дав­ ления трубчатая пружина уменьшает свою кривизну, раскручиваясь в определенном направлении. Изменение угла закручивания пружи­ ны вызывает перемещение ее свободного конца, связанного с помо­ щью передаточного механизма с указательной стрелкой. Перемеще­ ние свободного конца трубчатой пружины под действием давления находится в прямой зависимости от этого давления, благодаря чему шкала манометра получается равномерной. Однако указанная зави­ симость сохраняется только до известного предела, называемого пределом пропорциональности (рис. 10.2), после которого то же воз­ растание давления приводит к более быстрому росту перемещения конца пружины. Это вызывает появление остаточной деформации. Предел пропорциональности трубчатой пружины является одной из ее важнейших характеристик и зависит в основном от площади се­ чения трубки, толщины стенок, механических свойств материала и радиуса закругления пружины. Максимальное давление, при кото­ ром допустима работа трубчатой пружины, обычно принимается не более половины ее предела пропорциональности.

На точность измерений трубчато-пружинными манометрами большое влияние оказывает упругое последействие трубки, пред­

Предел

пропорциональности

Перемещение конца трубки, мм

Р

Давление, МПа

Рис. 10.2. Графическое отображение предела пропорциональности трубчатой пружины

66

ставляющее собой разность между перемещением ее конца при одном­ и том же давлении в случае постепенного повышения (прямой ход) и понижения (обратный ход) давления. Исчезновение этой раз­ ности происходит через несколько минут или часов в зависимости от механических свойств трубки. Упругое последействие является одним из основных недостатков трубчато-пружинных манометров, поскольку вызывает непостоянство их показаний. Оно в значитель­ ной мере определяет собой класс точности прибора.

Максимальное перемещение свободного конца трубчатой пружи­ ны в манометрах весьма незначительно (5–8 мм), поэтому для повы­ шения их чувствительности и большей наглядности показаний данное перемещение увеличивается посредством зубчато-секторного или рычажного­ механизма (рис. 10.3). В зубчато-секторных механизмах действие конца трубки 1 передается через поводок 2 и зубчатый сек­ тор 3 с осью вращения в точке 0 на трубку маленькое зубчатое коле­ со 4, жестоко скрепленное со стрелкой 5 прибора (рис. 10.3, а). В ры­ чажных механизмах поводок 2 связан с дугообразным рычажком 3, жестко скреп­ленным со стрелкой 4 (рис. 10.3, б). Угол поворота стрел­ ки в приборах с зубчато-секторным передаточным механизмом состав­ ляет 270–300°, а в приборах с рычажным механизмом – только 90°. Ры­ чажные механизмы применяются в приборах, устойчивых к вибрации.

Деформационные манометры нуждаются в периодической по­ верке, а при возрастании основной погрешности – и в переградуи­ ровке шкалы. Чувствительный элемент этих приборов постепенно

5

4

2

3

3 4

2

Рис. 10.3. Упрощенные схемы передаточных механизмов с одновитковыми пружинами:

а – зубчато-секторные; б – рычажные

67

теряет свои упругие свойства из-за появления остаточных деформа­ ций и износа передаточного механизма прибора. Помимо трубчатых чувствительных элементов для измерения малых давлений и разре­ жений применяют мембранные манометры. Мембраны могут быть плоские, выпуклые, гофрированные, изготовленные из стали и брон­ зы. Кроме металлических мембран при измерении давления до 0,392 МПа используют вялые мембраны, изготовленные из специ­ альной сетчатой ткани (капрон, шелк), покрытой бензомаслостой­ кой резиной или пластмассой. У вялых мембран измеряемое давле­ ние, воздействующее на них, уравновешивается усилием со стороны плоской противодействующей пружины, закрепленной одним кон­ цом на корпусе мембраны. Отклонение другого конца пружины че­ рез поводок передается стрелке.

Для поверки и градуировки деформационных манометров ис­ пользуются образцовые манометры и манометры грузопоршневые.

В основу работы тензометрических преобразователей положен пьезометрический эффект в полупроводниках.

Чувствительным элементом этих манометров является пластина из монокристаллического сапфира с кремниевыми пленочными тен­ зорезисторами, структура которой – кремний на сапфире (КНС). Такая пластина прочно соединена с металлической мембраной, реже используется структура кремний на кремнии (КНК).

Существует два типа тензопреобразователей: тип давления и тип силы. В тензопреобразователях давления измеряемое давление дей­ ствует непосредственно на мембрану, поскольку при измерении дав­ ления в диапазоне 0,4 МПа и выше на мембране с тензопреобразо­ вателем 6–8 мм развивается усилие, достаточное для ее деформации. В тензопреобразователях сапфировая мембрана изгибается под воз­ действием рычага, связанного двумя мембранами, жестко соединен­ ными между собой и находящимися под воздействием атмосферно­ го и измеряемого давлений либо разности давлений.

На рис. 10.4 показана схема измерительного блока преобразова­ теля «Сапфир-652» с верхними пределами измерения от 0,4 до 2,5 МПа.

Мембранный тензомодуль закреплен на основании и отделен от измеряемой среды с помощью двух разделительных металлических мембран. Замкнутые плоскости между тензомодулем и мембранами заполнены полиметилсилоксановой жидкостью. Измеряемая раз­ ность давлений передается на тензомодуль через указанные мембра­ ны и жидкость.

Электрический сигнал тензомодуля через гермовывод передается во встроенное электронное устройство, в котором вырабатывается сигнал 4–20 мА. В преобразователе предусмотрены температурная компенсация, обратная связь по току, узлы настройки «нуля», диа­ пазона измерения и режимов работы микросхемы.

68

Рис. 10.4. Преобразователь разности давлений «Сапфир-652»:

1 – мембранный тензомодуль; 2 – электронное устройство; 3 – гермовывод; 4 – основание; 5 – разделительные мембраны

3 месяца.

Принципиальная схема размещения тензорезисторов на поверх­ ности сапфировой мембраны показана на рис. 10.5.

Недостатком тензопреобразователей (особенно низкопредель­ ных) является значительный температурный коэффициент, состав­ ляющий 0,1 % на 1 °С.

69

Схема лабораторной установки

На рис. 10.6 представлена установка для поверки деформацион­ ного и тензометрического манометров. Она состоит из ручной пнев­ мопомпы, которая создает требуемое избыточное давление в систе­ ме, преобразователя давления эталонного типа ПДЭ­010, калибра­ тора­измерителя типа ИКСУ­260, поверяемого тензометрического рабочего манометра типа АИР­20/М2 и блока питания.

220

24 В

3

5

2

6

4 7

1

220

Рис. 10.6. Схема установки для поверки деформационного и тензометрического ма­ нометров:

1 – калибратор­измеритель; 2 – преобразователь давления эталонный; 3 – блок питания; 4 – поверяемый рабочий манометр; 5 – ручная пневмопомпа; 6 – вентиль точной настройки; 7 – клапан сброса давления

Порядок проведения работы. Обработка полученных результатов

Поверку рабочего манометра проводят следующим образом.

1.На калибратор­измеритель 1 и рабочий манометр 4 подать на­ пряжение питания 220 В (на рабочий манометр через блок питания 3).

2.Ручной пневмопомпой 5 создать требуемое давление согласно табл. 10.1, используя вентиль точной настройки 6.

Таблица 10.1. Значения измеряемого давления в поверяемой точке

3. Основную приведенную погрешность определить при значении измеряемого давления, полученном при приближении к нему как со

70