ЭМИ - Лекции / Лекции Уст-3b-ЭМИ-2009

Установка, содержащая манометры

На рис. 3.1. показана схема стенда, на котором размещены манометры. Их соединяет система коммуникаций. Коммуникации и манометры заполнены маслом. Это масло является веществом, давление Р которого измеряется в эксперименте.

Насос и гидравлический пресс предназначены для создания условий, при которых масло имеет заданное значение давления. В процессе поверки в качестве образцового используется поршневой манометр 8 (тип МП-600). В качестве поверяемого  пружинный манометр (тип 1226) 6.

Рис. 1. Схема установки. 1  масляная емкость насоса; 2  шариковый клапан; 3  ручной насос; 4  запорный вентиль от насоса; 5  запорный вентиль к манометру; 6  пружинный манометр; 7  запорный вентиль к измерительной колонке; 8  измерительная колонка; 9  грузы; 10  цилиндр пресса; 11  винт пресса; 12 маховик пресса; 13  вентиль, соединяющий поршневой манометр с атмосферой; 14 вентиль, отключающий поршневой манометр от установки.

Ручной насос 3 служит для заполнения системы трубопроводов поршневого манометра маслом из емкости 1 и для создания предварительного давления масла в коммуникациях.

Вентили и шариковый клапан 2 предназначены для разъединения и соединения масляных коммуникаций. Вентиль 4 отключает насос от остальной части стенда. Вентиль 13 служит для снижения давления в манометре и сброса масла в бак 1 . Вентиль 5 отключает трубчатый манометр 6 от поршневого манометра. Необходимое давление в опыте создается винтовым гидравлическим прессом, содержащим узлы 10, 11 и 12.

Манометр МП-600 класса точности 0,05 предназначен для измерения избыточного давления, проверки и градуировки пружинных, образцовых и других манометров, имеющих допустимую погрешность 0,1% и более. Верхний предел измерения  600 кгс/см² , нижний предел измерения - 10 кгс/см². Допустимая погрешность измерения манометра МП-600 составляет 0,05% от действительного значения измеряемого давления. Значение рабочей площади поршня составляет F₀ = 0,05 см². Конструкция поршневого манометра изображена на рис. 3.1. Поршень расположен внутри измерительной колонки 8. Снизу поршень находится в контакте с маслом, сверху на поршне располагаются грузоприемное устройство и грузы -цилиндрические диски 9 известной массы.

Метод измерения давления с помощью поршневого манометра состоит в том, что оператор соединяет манометр и исследуемое вещество, изменяет массу грузов и добивается равновесного положения поршня, при этом величина давления считывается с грузов – дисков или вычисляется по расчетному уравнению (3.1) и массе грузов 9.

В процессе измерения давления поршень должен находиться во вращательном движении для снижения силы трения. Для достижения равновесия наряду с грузами – дисками, на которых выбито значение соответствующего давления в кгс/см², могут использоваться грузы в виде гирь.

Связь между массой грузов, рабочей площадью поршня F и измеряемым избыточным давлением Р_изм выражается соотношением:

P_изм = (P_гр + )(), (1)

где P_изм  измеряемое давление масла; P_гр  давление, которое создается грузами-дисками, установленными на измерительной колонке, кгс/см²; m_Г - масса разновесов, кг; F  рабочая площадь поршня, см²;  _ плотность воздуха при комнатных условиях; _гр  плотность материала грузов, g_м - местное ускорение свободного падения.

Множитель () учитывает влияние Архимедовой силы на грузы, расположенные на грузоприемном устройстве.

Масса грузов m_г задана для следующего условия: ускорение в географическом месте измерения равно нормальному ускорению свободного падения, g_o = 9,80665 м/с². В связи с этим для местного ускорения свободного падения g_м для данной географической широты следует вводить поправку в результаты измерения в виде

P_g = P_изм((g_м/ g₀) – 1), (2)

где g_м = 9,8156 м/с² - ускорение для широты Москвы.

При отклонении температуры окружающего воздуха от 20 ^оC должно учитываться термическое расширение поршня и цилиндра в виде зависимости

F =F₀(1 + 2 (T- 273.15)), (3)

где F₀ – площадь поршня при температуре 20 ⁰C, T - температура окружающего воздуха, K; =11,51^-6, 1/K - коэффициент линейного расширения материала поршня и цилиндра. Соответствующая поправка к давлению вычисляется по формуле

_PT = P_изм 2 (T- 273.15). (4)

Пружинный манометр 6 (см. рис. 3.1) предназначен для измерения давления в диапазоне от 0 до 250 кг/см², имеет равномерную шкалу 0...400 делений и допустимую погрешность 0.15 %, которая вычисляется от верхнего предела шкалы.

Метод измерения давления с помощью трубчатого манометра состоит в том, что оператор соединяет манометр с исследуемым веществом, регистрирует положение стрелки манометра в делениях шкалы. Измеренное давление P, кгс/см², рассчитывают, используя цену деления C, (кгс/см²)/дел, шкалы манометра

P = n C. , (5)

Установка, содержащая терморезистор, термопары, ртутный стеклянный термометр и цифровой термометр

Из курса физики известно, что электрическое сопротивление проводника R однозначно зависит от температуры T

R=R₀(1 + (T - T₀) + ...), (1)

где R₀ - сопротивление проводника при температуре T₀, выбранной за начало отсчета, температурный коэффициент электрического сопротивления.

На рис. 1 показан термометр сопротивления  терморезистор 5, изготовленный из платиновой проволоки и включенный в цепь последовательно с катушкой 2, источником напряжения 3 и магазином сопротивлений 4.

Метод измерения температуры, T, вещества с помощью терморезистора состоит в том, что приводят термодатчик в состояние теплового равновесия с веществом, измеряют сопротивление резистора, R, и вычисляют температуру вещества по расчетному уравнению T(R).

На схеме (рис. 1) терморезистор 5 находится в контакте с водой. Блоки установки (катушка 2, источник напряжения 3 и магазин сопротивлений 4) позволяют оператору осуществить режимные и измерительные действия для получения первичных данных (R) для вычисления температуры по расчетному уравнению T(R).

Из курса физики известно, что термоэлектрическая сила (термоЭДС), которая возникает в замкнутой электрической цепи, состоящей из двух разнородных проводников А и В, зависит от разности температур между спаями, T=T-T₀. ТермоЭДС, E, используется как первичный параметр для определения температуры вещества.

На рис. 2.1 показана термопара, у которой горячий спай 8 расположен в термостате и находится в тепловом равновесии с водой, температуру которой необходимо измерить. Холодные спаи 9 размещены в сосуде Дьюара при

Рис.2.1. Схема установки

температуре тающего льда равной 273,15 K. Между термоЭДС и разностью температур спаев существует однозначная связь, называемая эффектом Зеебека, в виде

E=S_ABT, (2)

где S_AB  коэффициент Зеебека, T

Метод измерения температуры, T, вещества с помощью термопары состоит в том, что приводят горячий спай термопары в состояние теплового равновесия с веществом, помещают холодные спаи в тающий лед, измеряют термоЭДС, Е, и вычисляют температуру вещества по расчетному уравнению T(E).

Для определения температуры по измеренным значениям E можно применять уравнение (2.2), если известно значение S_AB. Наряду с этой зависимостью используется расчетное уравнение T(E) или градуировочная зависимость в форме полинома

T=b_{0 +} b₁E + b₂E ²+…. (3)

Входящие в него коэффициенты (b₀,b₁,b₂...) находятся с помощью статистической обработки результатов градуировочных опытов или градуировки.

В метрологии применяется зависимость E(T), называемая функцией преобразования. Она выбирается в виде полинома

E=a₀ +a₁T+a₂ T²+..., (4)

где a₀, a₁, a₂,...  коэффициенты, определяемые с помощью статистической обработки результатов градуировки.

На рис. 2 показана конструкция платинового термометра сопротивления Стрелкова П. Г. На кварцевом каркасе, имеющем форму геликоида 1, навита спираль 2 из платиновой проволоки. Диаметр платиновой проволоки равен 0,05 мм.

Рис. 2. Схема платинового термометра сопротивления

Каркас со спиралью образуют чувствительный элемент термометра сопротивления диаметром 3  4 мм и длиной 50 мм. В верхней части каркаса закреплены приваренные к спирали две пары выводящих проводников 3 из платиновой проволоки диаметром 0,3 мм. Чувствительный элемент помещен в герметичный чехол, который изготовлен из плавленого кварца и заполнен газообразным гелием.