Лабораторная работа изучение принципов действия, конструкции и исследование технических средств измерения давления

Цель работы. Изучить принцип действия, устройство, методы определения метрологических характеристик, правила применения средств измерения давления жидких и газообразных сред. Произвести поверку комплекта механического манометра.

Краткие теоретические сведения

Давление является одним из важнейших параметров технологических процессов в авиационной промышленности. Под давлением в общем случае понимают предел отношения нормальной составляющей силы к площади, на которую действует сила. В таблице 1 приведены соотношения некоторых наиболее часто применяемых единиц давления.

Таблица 1

Единицы давления	кгс/м2 или мм вод.ст.	кгс/см2 или ат (технич. атмосфера)	атм (физическая атмосфера)	мм рт.ст.	н/м2
1 кгс/м2 или мм вод.ст.	1	10-4	0,0968·10-3	373,556·10-3	39,80655
1 кгс/см2 или ат(тех.атм.)	104	1	0,968	735,56	98066,5
1 атм (физическая атмосфера)	10332	1,0332	1	760,00	101325
1 мм рт.ст.	13,6	1,36·10-3	1,316-3	1	133,322
1 н/м2	0,102	10,2·10-6	10,13·10-6	7,50·10-3	1

Различают абсолютное и избыточное давление. Абсолютное давление – параметр состояния вещества (жидкости, газа). Избыточное давлениепредставляет собой разность между абсолютным давлениеми барометрическим давлением(т.е. давлением окружающей среды):

Если абсолютное давление ниже барометрического, то

где – давление (разрежение), измеренное вакуумметром.

По принципу действия приборы для измерения давления делятся на механические, электромеханические и электрические манометры.

Жидкостные приборы отличаются простотой устройства и относительно высокой точностью измерения. Они широко применяются для технологических измерений, служат для градуировки и поверки приборов других систем, для измерения небольших избыточных давлений, разреженный, атмосферного давления.

Для измерения малых величин давления или разрежения применяют жидкостной микроманометр, представляющий собой прибор с наклонной трубкой (рис.1).

Рис.1. Жидкостной микроманометр

Прибор состоит из стеклянного сосуда (чашки), к которому под некоторым углом к горизонту подсоединена стеклянная трубка. Шкала сделана подвижной, чтобы при заполнении прибора жидкостью можно было совместить нуль шкалы с мениском жидкости в трубке. Конец трубки подсоединяется к полости, в которой измеряется разрежение. Входное отверстие чашки служит для подключения при измерении давления. Для точной установки прибора в горизонтальной плоскости он снабжен уровнем и установочным винтом. Вследствие наклонного положения трубки высота столба жидкости, уравновешивающая измеряемое давление, равна

,

где – перемещение мениска жидкости в трубке, отсчитанное по шкале. Давление определяют по формуле

,

где – ускорение свободного падения (9,81 м/с²);

–площадь сечения трубки;

–площадь сечения сосуда;

–плотность жидкости в манометре, кг/м³;

–плотность среды, находящейся над жидкостью, кг/м³.

Для уменьшения погрешности измерения площадь сосуда трубкивыбирают так, чтобы выполнялось соотношение. С учетом этого соотношения ; откуда находим длину столба .

Микроманометры с наклонной трубкой обычно изготавливаются для измерения давления 157 ... 980 н/м² (16 - 100 мм.вод.ст.). Погрешность этих приборов не превышает  1,5% предельного значения шкалы. Для измерения давления или разрежения в более широких пределах пользуются микроманометрами с переменным углом наклона трубки.

Основные инструментальные погрешности появляются из-за неточности изготовления и установки шкал, отсчетных приспособлений и стеклянных трубок. Дополнительные погрешности возникают из-за изменения температуры окружающей среды, что обуславливает изменения линейных размеров шкалы и трубок, объема и плотности замыкающей жидкости.

В механических манометрах измеряемое давление с помощью чувствительного элемента преобразуется в механическое перемещение, вызывающее механическое отклонение стрелок или других деталей механизмов отсчета, записи результата измерений, а также устройств сигнализации и стабилизации давлений в системах контролируемого объекта. В качестве чувствительных элементов механических манометров применяются трубчатые пружины, гармониковые (сильфонные) и плоские мембраны и другие измерительные механизмы, в которых под действием давления вызываются упругие деформации или упругости специальных пружин.

По точности все механические манометры делятся на: технические, контрольные и образцовые. Технические манометры имеют классы точности 1,5; 2,5; 4; контрольные 0,5; 1,0; образцовые 0,16; 0,45.

Манометрические трубчатые пружины представляют собой пустотелые трубки овального или иного сечения, изогнутые по дуге окружности, по винтовой или спиральной линиям и имеющие один или несколько витков. В обычной конструкции, которая наиболее часто применяется на практике, используются одновитковые пружины. Принципиальная и структурная схемы манометра с одновитковой трубчатой пружиной представлены на рис.2.

Рис.2. Механический манометр и его характеристики

К штуцеру 1 припаян конец манометрической пружины 5. Второй запаянный конец К шарнирно связан тягой 3 с рычагом зубчатого сектора 4. Зубья сектора сцеплены с ведомым зубчатым колесом 6, которое насажено на ось 7 стрелки 9. Для устранения колебаний стрелки из-за зазоров между зубьями зубчатой передачи применяют спиральную пружину 2, концы которой связаны с корпусом и осью 7. Под стрелкой находится неподвижная шкала.

Под действием разности давлений внутри и снаружитрубчатая пружина меняет форму своего сечения, в результате чего ее запаянный конецК перемещается пропорционально действующей разности давлений .

Структурная схема механического манометра (рис.2,б) состоит из трех линейных звеньев I, II, III, статические характеристики которых представлены графиками ,и, где– перемещение свободного конца трубчатой пружины,– начальный центральный угол трубчатой пружины. Благодаря линейности всех звеньев общая статическая характеристикаманометра линейна и шкала равномерна. Входной величиной звенаI является измеряемое давление , а выходной – перемещениесвободного (запаянного) конца манометрической пружины5. Тяга 3 с рычагом зубчатого сектора 4 образует второе звено. Входной величиной звена II является , а выходной – угловое отклонение конца манометрической пружины. Входной величиной звенаIII (звено III - это зубчатый сектор, сцепленный с ведомым зубчатым колесом 6) служит угловое отклонение , а выходной – угловое отклонение стрелки9 от нулевой отметки шкалы 8.

Наряду с рассмотренным простым в изготовлении чувствительным элементом применяют более сложные – сильфоны. Сильфоны представляют собой прямолинейные трубки круглого сечения с волнообразными стенками (рис.3).

Рис.3. Сильфон и график его статической характеристики

Величина, обратная жесткости, (– жесткость сильфона) называется чувствительностью сильфона. Для увеличения прочности и долговечности сильфонов, особенно если они работают при больших переменных нагрузках, их изготавливают многослойными. Если сильфон закрыт с обеих сторон и из его внутренней полости воздух удален, то такой сильфон называют барометрическим или анероидным сильфоном. Барометрические сильфоны применяются в качестве чувствительных элементов мановакуумметров. Манометрические сильфоны малой жесткости часто применяются как разделители двух сред.

Для защиты манометрических приборов от действия высокой температуры измеряемой среды применяют специальные устройства. Некоторые из них показаны на рис.4.

Такие устройства могут защищать чувствительные элементы манометров от коррозии измеряемого вещества. В этом случае показанные на рисунке петли или ловушки предварительно заполняются химически стойкой и неагрессивной жидкостью, например, маслом, которое не допустит агрессивный газ к прямому контактированию с чувствительным элементом. Подобного рода защита не всегда достигает цели, т.к. растворяет в себе агрессивные газы, и поэтому с течением времени жидкость начинает вызывать коррозию чувствительного элемента.

Более надежная защита от коррозии достигается путем отделения чувствительного элемента от агрессивной среды гибкой перегородкой, над которой находится вода. Мембранная перегородка должна быть прочной и обладать жесткостью, значительно меньшей жесткости чувствительного элемента манометра, в комплекте с которым она работает.

Рис.4. Устройства для защиты манометров от высокой температуры

и агрессивной среды

При измерении давления вязких жидких веществ (например, масло) в условиях низких температур окружающей среды, масло охлаждается и закупоривает маслопровод, связывающий объект контроля с манометром. Это приводит вначале к запаздываниям в показаниях, а затем к прекращению их изменений. Для исключения этого недостатка применяют несколько способов. В одном из них полости чувствительного элемента и соединительного трубопровода заполняют незамерзающей жидкостью. В некоторых случаях используют (рис.5) гидравлическую дистанционную передачу, где в качестве передающей жидкости используется, например, толуол.

Жидкая среда, находящаяся под давлением , воздействует на сильфон, сжимает его и вытесняет толуол в полость манометрической пружины, вызывая ее деформацию и отклонение стрелки. Корпус, в котором находится сильфон, называется приемником давления.

Рис.5. Манометры масла и бензина с гидравлической дистанционной передачей: 1 - центральный щит; 2 - толуол; 3 - масло; 4 - объект контроля

Разновидностью механических манометров с гидравлическими передачами является манометр бензина, с помощью которого измеряется разность давлений бензина и противодавления. Вместо сильфона для разделения двух сред (бензина и толуола) применяют манометрическую коробку малой жесткости, связанную при помощи капиллярного трубопровода с манометрической коробкой указателя.

Манометры типа ДИМ (дистанционные индуктивные) не требуют использования ПММ (передаточно–множительные механизмы), в них отсутствуют трущиеся пары. Это обеспечивается использованием дифференциального индуктивного преобразователя давления. Манометры охватывают диапазон измеряемых давлений до 30 МПа с пульсациями до 700 Гц.

УЧЭ (упругий чувствительный элемент) манометров типа ДИМ в зависимости от диапазона измеряемых давлений являются мембраны или мембранные коробки. Указателем является магнитоэлектрический 2-катушечный логометр с подвижным магнитом.

Принципиальная электрическая схема манометра типа ДИМ приведена на рис.6. При деформации УЧЭ перемещается якорь, вызывающий изменение воздушных зазоров дифференциального индуктивного преобразователя, а соответственно и индуктивностей катушек L1 и L2 (рис.6). Катушки образуют два плеча мостовой схемы, в которой двумя другими плечами служат резисторы R1 и R2. Так как логометр работает на постоянном токе, а индуктивный преобразователь питается переменным током, то в схеме в качестве выпрямителей используются диоды VI и V2. При изменении индуктивностей катушек L1 и L2 меняются токи в катушках L3 и L4 логометра (в рамках логометра). Подвижный магнит Е1 со стрелкой устанавливается по результирующему вектору магнитного потока катушек логометра.

Рис.6 Принципиальная электрическая схема манометра типа ДИМ

Погрешность манометров типа ДИМ при нормальных условиях не превышает ±4%. Размах шкалы указателя 120°.

Манометры типа МИ имеют такой же преобразователь давления, как и манометры типа ДИМ. В качестве указателя используется ферродинамический логометр. Его мостовая схема (рис. 7, а) образована двумя индуктивными катушками L1, L2 преобразователя и двумя половинками неподвижной катушки возбуждения L3, L4 ферродинамического логометра. Подвижная катушка L5 находится в диагонали моста и охватывает внутренний магнитопровод ВМ (рис. 7, б). Она может поворачиваться в зазоре между внутренним (ВМ) и наружным (НМ) магнитопроводом. При наличии тока возникает вращающий момент , зависящий от токов в катушке возбуждения2 и в подвижной катушке 1 и от угла поворота последней. На подвижную катушку1 будет действовать также противодействующий момент , появляющийся в результате стремления подвижной катушки1 втянуть в себя железный сердечник 3. Установившееся положение катушки 1 под углом определяется равенством. Погрешности манометров типа МИ меньше, чем манометров типа ДИМ (около ±3%), что объясняется увеличением размаха шкалы 0°. Изменение напряжения источника питания одинаково влияет моменты и и практически не отражается на показаниях прибора.

При монтаже индуктивные преобразователи давления должны располагаться друг от друга и от других магнитных материалов на расстоянии, исключающем влияние внешних магнитных полей.

Рис.7Манометр типа МИ:

а – принципиальная электрическая схема;

б – схема ферродинамического логометра

Погрешности электромеханических манометров состоят из погрешностей механических манометров и погрешностей электрических составных элементов.

К методическим погрешностям электромеханических манометров можно отнести погрешность от изменения направления вектора результирующего магнитного потока в логометре из–за влияния неподвижного постоянного магнита при изменении напряжения питания бортовой сети. Направление вектора результирующего магнитного потока определяется геометрической суммой векторов магнитного потока неподвижного магнитаи суммарного потокакатушек логометра. При изменении напряжения питания величина потокаизменяется. Величина потока не меняется. Это вызывает поворот потокана дополнительный угол, пропорциональный величине изменения потока. В целях уменьшения этой погрешности неподвижный постоянный магнит обычно имеет малую величину потока, достаточную лишь для возвращения стрелки в нулевое положение.

К инструментальным погрешностям механических элементов преобразователя давления добавляются погрешности от силы трения в потенциометрическом преобразователе, сил трения, небаланса и люфтов в опорах указателя. Использование электрических элементов обусловливает инструментальные погрешности от электромагнитных сил взаимного притяжения (отталкивания) и температурные погрешности, вносимые электрической схемой. В целях уменьшения этих погрешностей используют дифференциальные электрические преобразователи давления, а также включаемые в электрическую схему термокомпенсаторы.

При эксплуатации электромеханических манометров может произойти нарушение токопроводящей системы, приводящее к неисправностям манометров. Так, при отсутствии питания (обрыв в проводах); нарушении контакта щетки с потенциометром или потере контакта в штепсельном разъеме; при засорении трубопроводов подводящих измеряемое давление; при разрушении УЧЭ стрелка указателя при подаче входного давления не трогается с нижнего упора.

Сигнализаторы давления вследствие разрегулировки контактной группы и изменения зазоров между подвижными и неподвижными контактами могут срабатывать на нерасчетных давлениях.