Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Средства измерений давления. Поверка и калибровка. Учебное пособие
.pdf
Общий вид манометра МП-60 приведен на рис. 33.
а б
Рис. 33. Грузопоршневой манометр;
а – общий вид манометра МП 60: б – схема манометра;
1 – цилиндр; 2 – поршень; 3 – грузоприемное устройство;4 – грузы;
5 – вентиль; 6 – поверяемый манометр; 7 – стойка; 8 – бачок;
9 – устройство для создания давления; 10 – гидравлический пресс;
11 – штурвал; 12 – ручной насос
Основным элементом грузопоршневого манометра является
измерительная поршневая система (ИПС). Она состоит из поршня
и цилиндра (рис. 34).
Рис. 34. Измерительная поршневая система
Изготавливается поршневая система из металла. Цилиндр из
латуни, бронзы или стали. Поршневая система высокоточных
грузопоршневых калибраторов – из карбида вольфрама. Зазор между
поршнем и цилиндром составляет несколько микрон (3…10). Для
исключения сухого трения поршень обычно приводится во вращение.
61
При наложении грузов поршень медленно опускается
δ)π(
п
rF
G
p
g
pttF
m
p
d
i
)
ρ
ρ
1(
)λ(1))(βα(1
м
в
г
cg
pttF
m
p
md
i
σ)
ρ
ρ
1(
)λ))(1-β)((α(1
в
г
i
m
с постоянной скоростью. Жидкость выдавливается из объема,
находящегося под поршнем, и течет в зазоре между поршнем
и цилиндром. На поршень при этом действуют сила веса грузов
и поршня G, сила давления P и сила трения вытекащей жидкости T.
Уравнение равновесия
G = P + T.
Сила давления P = p∙Fп; cила трения T = p (π rδ), где p – давление;
Fп – площадь поршня;
r – радиус окружности поршня;
δ – ширина зазора между поршнем и цилиндром.
Сила трения не зависит от вязкости жидкости. От вязкости
зависит расход жидкости протекающей по зазору «поршеньцилиндр»
и скорость опускания поршня.
Отсюда
G = p(Fп+π∙r∙δ) и
F= (Fп+π∙r∙δ) – приведенная площадь поршня.
Уравнение измерения
Формула для ИПС, работающих на газовой смазке
для ИПС, работающих на жидкостной смазке
где р – создаваемое давление
− сумма массы накладываемых грузов и поршня;
g – местное ускорение свободного падения;
ρв – плотность воздуха;
.
;
ρm – плотность материала грузов;
t – температура ИПС (измерительной поршневой системы) при
проведении измерений;
tг – температура ИПС при определении площади эффективного
сечения (указывается в сертификате калибровки);
62
(α+β) – коэффициенты линейного температурного расширения
1
н
н
g
g
pC
g
(поршень-цилиндр);
F – площадь эффективного сечения ИПС;
λd – коэффициент деформации материала цилиндра при
высоких давлениях;
σ − коэффициент поверхностного натяжения жидкости;
с – окружность поршня.
Внешние влияющие факторы:
– ускорение свободного падения;
– плотность воздуха (зависит от давления, температуры
и влажности);
– температура измерительно-поршневой системы.
Поправки к показаниям грузопоршневых манометров
Поправки, которые необходимо вводить в результаты измерения
(воспроизведения) грузопоршневых манометров следуют из
уравнения измерения.
1. Поправка на ускорение свободного падения.
,
где pн – показание при нормальном ускорении свободного падения;
gн = 9,80665 м/с2 – нормальное ускорение свободного падения;
g – местное ускорение свободного падения.
Ускорение свободного падения зависит от географического
положения, прежде всего от широты места и высоты над уровнем
моря. Значения в разных точках земли могут отличаться на 0,5%
В Москве g=9,8156; в Ленинграде g=9,8193 разница 0,038%.
Средняя по Москве g=9,8155. (примечание Ростест g=9,814949).
Разность значений g по Москве около 0,0005 м/c2, т. е. около
0,005%. Сергиево-Посадский ЦСМ – 9,8167 м/с2.
2. Поправка на деформацию поршня и цилиндра (коэффициент λd).
Вводится при высоких давлениях.
3. Поправка на изменении размеров поршневой пары при
изменении ее температуры коэффициент (α+β).
4. Поправка на плотность окружающего воздуха (ρв). Для этого
необходимо измерить температуры, давление и влажность воздуха.
5. Поправка на высоту столба жидкости.
63
5.2. Нормируемые метрологические характеристики
У грузопоршневых манометров в основном диапазоне измерений
нормируется относительная погрешность. Класс точности равен
пределу допускаемого значения относительной погрешности. Для
большинства Российских манометров основной диапазон
(0,1…1,0)p
допускаемой погрешности равен его значению при 0,1p
. При меньших давлениях предел основной абсолютной
max
.
max
В настоящее время в России в основном используются
грузопоршневые манометры класса точности 0,05 (2-ой разряд) и 0,02
(1-й разряд). Все более широко начинают использоваться
калибраторы класса точности 0,01. Ряд ведущих ЦСМ приобрел
калибраторы класса точности 0,005.
Выпускаемые в Российской Федерации грузопоршневые
манометры обеспечивают пределы погрешности, соответствующие
классу точности при следующих условиях:
Класс точности 0,005 – (20±0,5)ºС;
класс точности 0,01 – (20±1)ºС;
класс точности 0,02 – (20±2)ºС;
класс точности 0,05 – (20±5)ºС.
В тех случаях, когда температура окружающей среды выходит за
эти пределы необходимо вводит поправку.
Для поршневой пары, выполненной из стали
Δр=3∙10–5 ∙(20 – t)∙р.
Для поршневой пары, выполненной из карбида вольфрама
Δр=9∙10–6 ∙(20 – t)∙р.
где Δр ‒ величина поправки;
t – температура окружающей среды;
р – номинальное давление создаваемое грузами.
Потребность в высокоточных эталонах вызвана появлением
и широким использованием высокоточных интеллектуальных
преобразователей давления и перепада давлений с γ =0,025; 0,04; 0,06
и 0,075%.
64
5.3. Поверка грузопоршневых манометров
20
20
μ
μ
ττ
t
t
Поверке подлежат поршневая система и грузы.
Средства поверки
Согласно МИ 2429–97 (МОЗМ R 110) определение приведенной
площади поршня проводится на эталоне, погрешность которого в 2
раза меньше, допускаемой погрешности поверяемого.
Операции поверки
Внешний осмотр.
Определение массы поршня с грузоприемным устройством.
Проверка перпендикулярности опорной плоскости
грузоприемного устройства к оси поршня.
Определяется отклонение от перпендикулярности одним из двух
способов.
При первом способе на опорную плоскость устанавливают
указатель уровня или квадрант в двух взаимно перпендикулярных
положениях. Разность показаний не должна превышать 5 минут
угловых.
При втором способе поршень без грузов приводят в рабочее
положение и отключают от источника давления. Наконечник
индикатора часового типа приводят в соприкосновение с опорной
плоскостью грузоприемного устройства на расстоянии примерно 40
мм от его оси. Поворачивают поршень, делая 1 оборот. Изменения
показаний индикатора не должно превышать 0,05 мм.
Проверка продолжительности свободного вращения поршня
Продолжительность свободного вращения поршня определяют
при давлении, равном 20% от верхнего предела измерений
и начальной скорости вращения 120 об/мин.
Если температура поверяемого манометра (температура воздуха
в помещении) отличается от 20°С водится поправка, учитывающая
изменение вязкости рабочей жидкости.
.
Проверка скорости опускания поршня
Скорость опускания поршня определяют при давлении равном
верхнему пределу измерений при скорости вращения 30…40 об/мин.
65
С помощью статоскопа, (рис. 35) входящего в конструкцию
20
20
μ
μ
t
t
VV
эталонного манометра, измеряется расстояние, на которое опустился
поршень за некоторый промежуток времени.
Рис. 35. Схема определения приведенной площади поршня:
1, 2 – поверяемая и эталонные колонки (измерительные поршневые
системы); 3, 4 – грузы; 5, 6 – дополнительные грузы; 7 – осветители
статоскопа; 8 – экран статоскопа; 9 – тени грузов на экране
При необходимости вводится поправка
.
Поверка порога чувствительности.
Порог реагирования пределяют при давлении, равном верхнему
пределу измерений. После выравнивания скорости опускания
поршней на грузоприемное устройство поверяемого манометра
устанавливают дополнительный груз, соответствующий порогу
реагирования. При этом должно нарушится равновесие поршней.
Определение приведенной площади поршня.
Проводится методом сличения с эталоном путем
гидростатического уравновешивания и набор разновесов.
При поверке грузопоршневого манометра кл. т. 0,05
уравновешивание проводят при 20, 40, 60, 80 и 100 % от верхнего
предела измерения.
66
Накладывая дополнительные грузы (разновески) соответственно
i
i
i
M
M
A
)(
)(
э
п
i
i
M
M
A
)(
)(
э
п
100
A
AAi
АFFэ
на поверяемую или эталонную колонку добиваются одинаковой
скорости опускания поршней.
Рассчитывают отношение суммарных масс грузов поверяемого
(Мп)i и эталонного Мэ)i манометров
.
При расчете учитываются поправки на температуру
и разность высот торцев поршней.
Рассчитывают среднее значение отношения масс
Рассчитывают отклонения отношений масс от среднего значения
.
Максимальное отклонение не должно превышать 0,015 для
класса поверяемого 0,05 и 0,06 для класса поверяемого 0,2.
Согласно МИ 2429–97 (МОЗМ R 110) максимальное отклонение
не должно превышать 0,5 допускаемой погрешности поверяемого.
Рассчитывают приведенную площадь поршня поверяемого
манометра
Если поверяемый манометр не соответствует требованиям, его
разбирают, очищают от рабочей жидкости и повторяют все операции.
Если при повторной поверке характеристик не входят в допуск его
бракуют.
При выполнении требований к манометру более низкого класса
точности, он может быть переведен в соответствующий класс.
5.4. Калибраторы давления «Воздух»
В настоящее время для поверки СИ, предназначенных для
измерений относительно небольших избыточных давлений
и перепада давлений, начали широко применяться калибраторы
давления «Воздух».
67
Принцип их действия основан на уравновешивании поршня
с грузами потоком воздуха, поступающим от компрессора.
Фактически это модификация грузопоршневого манометра. Но для
обеспечения строгой зависимости давления от массы грузов
необходимо обеспечить заданный расход воздуха.
Рис. 36. Принцип действия калибраторов давления «Воздух»:
а – с шаровым дросселем; б – с коническим дросселем; 1 – дроссель;
2 – клапан; 3 – входной дроссель; 4 – грузоприемное устройство;
5 – грузы
В некоторых калибраторах дроссель может быть выполнен в виде
усеченного конуса, как показано на рис. 36б. В состав калибратора
входит комплекты дросселей обеспечивающих различное давление. В
каждый комплект входит 4 дросселя, соответствующие давлениям
0,25; 0,5; 0,75 и 1,0 верхнего предела поверяемого преобразователя.
Значения рв соответствуют стандартному ряду.
Контрольные вопросы к подразделу 5.
1. Опишите принцип действия грузопоршневых манометров.
2. Какие поправки необходимо учитывать при воспроизведении
давления грузопоршневым манометром?
3. Перечислите операции поверки грузопоршневого манометра.
4. При каких значениях температуры обеспечиваются пределы
погрешности соответствующие классу точности грузопропоршневых
манометров.
68
6. КАЛИБРОВКА СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЙ ДАВЛЕНИЯ
К сожалению, в Российской Федерации не опубликованы
нормативные документы посвященные калибровке средств
измерений давления.
В Европе опубликованы два нормативных документа по
калибровке средств измерений давления.
Guidelines on the Calibration of Electromechanical and
Mechanical Manometers. EURAMET Calibration Guide No. 17.
Version 3.0 (04/2017). (Руководство по калибровке
электромеханических
и механических манометров). Основные положения этого документа.
В Руководстве EURAMET методики различаются в зависимости
от целевой неопределенности калибровки.
Базовая методика калибровки при целевой расширенной
неопределенности U ≥ 0,2 % шкалы. Калибровка проводится в 6
точках шкалы при повышении и понижении давления. Повторяемость
определяется по трем измерениям при повышении давления в двух
точках предпочтительно 0 и середина шкалы (между 40% и 60 %
шкалы).
В отчете расширенная неопределенность калибровки не может
быть менее 0,2 %
Стандартная методика калибровки при целевой расширенной
неопределенности 0,05% ≤ U < 0,2 %. Измерения проводится в 11
точках шкалы при повышении и понижении давления. Повторяемость
определяется в четырех точках шкалы (предпочтительно 0%, 20%,
50% и 80% шкалы) по трем измерениям при повышении давления.
В отчете расширенная неопределенность калибровки не может
быть менее 0,05 %
Комплексная (полная) методика при целевой расширенной
неопределенности U менее 0,05% шкалы. Измерения проводится в 11
точках шкалы. В каждой точке проводится 3 измерения при
повышении давления и 3 измерения при понижении давления. Всего
66 измерений.
Если показания (выходной сигнал) могут зависеть от крепления
средства измерений, 3-я серия проводится при другом закреплении.
Отношение инструментальной неопределенности калибруемого
средства измерений к инструментальной неопределенности эталона
должно быть (если возможно) не менее 2.
69
Разность значений эталонного давления в разных сериях
измерений не должна превышать 1 % диапазона калибровки.
Руководство EURAMET Calibration Guide No. 17 фактически
описывает автоматическую калибровку электромеханических средств
измерений давления.
Несмотря на то, что в названии документа присутствует
«Mechanical Manometers» практически все его содержание относится
именно к электромеханическим средствам измерений давления
достаточно высокой точности.
«Методическая инструкция DKD-R 6-1 08 2019. Калибровка
приборов для измерения давления» разработан Национальным
институтом метрологии Германии (PTB). В интернете доступен
русский перевод.
Содержание этих документов отличается по структуре
и содержанию, а их сравнение позволяет сделать вывод, что
инструкция DKD-R 6-1 ближе к практической деятельности
работников Российских метрологических служб и специалистов,
непосредственно занимающимся измерениями в производстве.
Затраты на калибровку значительно ниже. Инструкция DKD-R 6-
1 лучше методически проработана с точки зрения проведения
измерений при калибровке.
Можно рекомендовать инструкцию DKD-R 6-1 для
использования в практической деятельности метрологических служб.
Согласно инструкции DKD-R 6-1 методики (последовательности)
калибровки различаются в зависимости от желаемой
инструментальной неопределенности калибруемого средства
измерений.
Желаемая неопределённость измерений калибруемого манометра
– это та неопределённость, которую можно достичь при
установленных затратах на калибровку (неопределённость
измеренных значений эталона, количество рядов измерений и т. д).
Неопределённость измерений, связанная с измеренными
значениями исходного или рабочего эталона, не должна превышать
1/3 от желаемой неопределённости измерений, предположительно
приписываемой измеренным значениям объекта калибровки.
Отсчет показаний необходимо проводить после установления
режима (достаточно стабильного показания эталона и объекта
калибровки).
70
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]