11.3. Метрологическое обеспечение средств измерений давления
Основу метрологического обеспечения средств измерений давления составляет группа государственных эталонов, в состав которой входят один первичный и пять специальных эталонов.
Государственный первичный эталон единицы давления представляет собой комплекс средств измерений, включающий группу из пяти поршневых приборов переменного состава, набор гирь и специальную аппаратуру для создания и поддержания гидростатического давления.
Воспроизведение единицы измерения давления с наивысшей точностью в области избыточных давлений 1062,5×108 Па осуществляется государственным первичным эталоном, включающим грузопоршневые манометры, специальный набор мер массы и установку для поддержания давления. Для воспроизведения единицы давления вне указанного диапазона от 10-8 до 4×105 Па и от 109 до 4×109 Па, а также разности давлений до 4×104 Па используются специальные эталоны. Передача единицы измерения давления от эталонов рабочим средствам измерения осуществляется многоступенчато: от первичного и специальных эталонов вторичным эталонам, затем последовательно образцовым средствам с первого по четвертый разряды включительно и затем рабочим средствам измерения.
Последовательность и точность передачи единицы измерения давления от эталонов к рабочим средствам с указанием способов поверки и сравнения показаний определяются общегосударственными поверочными схемами, т.е. соответствующими ГОСТу. Поскольку на каждой ступени передачи единицы измерения погрешности возрастают в 2,5¸5 раз, соотношение между погрешностями рабочих средств измерения давления и первичного эталона составляет 102¸103.
Грузопоршневые манометры
В грузопоршневых манометрах измеряемое давление уравновешивается силой тяжести неуплотненного поршня с грузами. Манометры используются в качестве образцовых средств воспроизведения единицы давления в диапазоне от 101 до 1013 Па, а также для точных измерений давления в лабораторной практике.
Схема поршневого манометра, имеющего диапазон измерения 6 МПа (МП-60), представлена на рис. 11.3. Поршень 1 с тарелкой 2 для грузов 3 перемещается внутри цилиндра 4. Поршневая пара подгоняется таким образом, чтобы зазор между поршнем 1 и цилиндром 4 не превышал 0,01 мм.
При таком зазоре, даже при высоких давлениях, скорость опускания поршня, из-за утечки рабочей жидкости, не превышает 1 мм/мин. Для обеспечения равномерного зазора между цилиндром и поршнем последний в момент измерения вращают по часовой стрелке. В манометрах с диапазоном измерения 0,6 МПа и выше вращение поршня осуществляется вручную. В манометрах с диапазоном измерения 0,06 и 0,25 МПа вращение поршня производится электрическим двигателем.
Внутренняя полость поршневого манометра тщательно заполняется рабочей жидкостью (керосином, касторовым или трансформаторным маслом). Заливка жидкости производится при открытом вентиле 5 через отверстие в дне резервуара 6; поршнем 7 винтового пресса 8 жидкость засасывается внутрь манометра. С помощью пресса 8 в процессе измерения обеспечивается подъем поршня 1 с грузами до высоты, заданной указателем. К стоякам 9 с запорными вентилями 10 подключаются поверяемые манометры. Вентиль 11 служит для слива жидкости из поршневого манометра.
Для получения заданного давления на тарелку 2 с учетом ее массы с поршнем накладываются грузы, создающие определенную силу тяжести. При суммарной массе поршня с грузами m создаваемое давление
p = mg / S,
где S – эффективная площадь поршня 1, равная сумме площади торца поршня и половины площади зазора; g – ускорение свободного падения.
Учитывая, что калибровка грузов производится для нормального ускорения свободного падения, при измерениях должны вводиться поправки на местное ускорение свободного падения.
Площадь поршня в рассмотренной конструкции манометров составляет 0,5 и 1 см2, что обеспечивает отсутствие прогиба поршня под тяжестью грузов. Класс точности манометров 0,02; 0,05. Давление во внутренней полости грузопоршневых манометров может создаваться винтовым прессом 8 без использования грузопоршневой колонки. В этом случае вентилем 12 колонка отключается, а создаваемое давление измеряется образцовым манометром, подключенным к одному из стояков 9.
Рис. 11.3. Схема грузопоршневого манометра МП-60
Низкая погрешность воспроизведения и измерения давления с помощью грузопоршневых манометров определяется высокой точностью задания массы грузов, площади сечения поршня и ускорения свободного падения.