Untitled.FR10

ТЕМА 111. ГИДРОСТАТИЧЕСКОЕ ДАВЛЕНИЕ И ПРИБОРЫ ДЛЯ ЕГО ИЗМЕРЕНИЯ

Цель работ: Знакомство с приборами, их конструктивными осо­бенностями и методами измерения давления

Лабораторная работа №1

Приборы для измерения давления

Цель лабораторной работы: Знакомство с приборами, их конструк­тивными особенностями

Общие сведения

Выполнение гидравлических экспериментов включает измерения численных значений уровня свободной поверхности жидкости в резер­вуаре или открытом русле, давления в различных точках жидкости, мест­ной скорости потока, количества жидкости, расхода жидкости и т. п. Эти измерения производят с помощью приборов и методов, рассматриваемых в настоящем разделе.

Как бы тщательно не выполнялись измерения, их результаты неиз­бежно будут отличаться от действительных значений измеряемых величин, то есть будет иметь место определенная погрешность измерения.

Погрешность определения величин может быть обусловлена неточ­ностью приборов, влиянием окружающей среды, погрешностями измере­ний.

Погрешности, обусловленные самими приборами, в значительной степени зависят от класса точности приборов. Здесь различают приборы рабочие и образцовые. Рабочие используются для практических измере­ний, образцовые - для контроля показаний рабочих приборов.

Погрешности приборов складываются из основных и дополнитель­ных погрешностей.

Основные погрешности вызваны несовершенством принятого спосо­ба измерения; неточностью изготовления, сборки и установки прибора; не­совершенством отсчетного устройства.

Дополнительные погрешности связаны с влиянием окружающей сре­ды (температура, влажность и т. д.) на показания приборов.

Погрешности приборов как основные, так и дополнительные являя- ются систематическими погрешностями, в большинстве случаев они могут быть сведены к минимуму.

Погрешности измерений являются случайными погрешностями, ис­ключить которые нельзя и необходимо оценить. В условиях гидрав­лической лаборатории института при средней опытности лиц, выполня­ющих замеры, можно принимать величину абсолютной погрешности по данным табл.3.1.

Таблица 3.1

Погрешности основных лабораторных приборов и устройств используемых в лаборатории гидравлики ИСИ СФУ

Наименование приборов и устройств		Цена деления		Абсолютная погрешность
Термометр		1°		0,25"
Пьезометры		1 мм		0.25 мм
Мерная линейка		1 мм		0,25 мм
Секундомер		0,2 сек		0,1 сек
Мановакуумметр		100 лил рт. ст.		) 0 мм. рт. ст.
Манометр I	ОД am		0.05 am
Манометр II	0,02 am		0,010 am

Ниже даются схемы устройства, принципы работы и условия при­менения только для тех приборов и устройств, которые имеются в гид­равлической лаборатории кафедры и используются для выполнения лабо­раторных работ.

Приборы для измерения давлений

Приборы для измерения давлений (рис.3.1) можно классифициро­вать по разным признакам. По характеру измеряемого давления эти при­боры подразделяются на:

а) приборы для измерения атмосферного давления - барометры;

б) приборы для измерения избыточного давления - манометры;

в) приборы для измерения вакуума - вакуумметры;

г) приборы, измеряющие как избыточное давление, так и вакуум - мановакуумметры;

д) приборы для измерения абсолютного давления - манометры абсо­лютного давления;

е) приборы для измерения разности давлений - дифференциальные манометры.

По принципу действия различают приборы:

а) жидкостные; б) механические; в) электрические; г) комбинирован­ные.

Жидкостные приборы основаны на гидростатическом принципе дей­ствия, заключающемся в том, что измеряемое давление уравновешивается давлением создаваемым в приборе силой тяжести столба жидкости высотой h определенного удельного веса у, то есть давление у основания столба жидкости заданной высоты равно измеряемому давлению. Поэтому величина давления может быть выражена высотой столба жидкости h (мм рт. ст., м. вод. ст.).

Механические приборы могут быть пружинные, мембранные, грузо- поршневые.

Упругие элементы пружинных и мембранных приборов подвер­гаются действию измеряемого давления, и величина их деформации слу­жит мерой давления.

В грузопоршневых приборах измеряемое давление, действующее на поршень, уравновешивается приложенной к нему внешней силой (обычно грузом), которая и служит мерой давления.

Действие электрических приборов основано на измерении в точках присоединения приборов электрических свойств некоторых материалов, например, зависимость омического сопротивления

некоторых сплавов от давления среды, окружающей проводник. Электрические приборы используются для измерения высоких давлений.

К комбинированным приборам относятся приборы, принцип дейст­вия которых носит смешанный характер, например, электромеханические приборы и т. п.

По классу точности бывают:

а) приборы рабочего класса точности (0,35; 0,5; 1; 2; 2,5; 4; 6; 10);

б) приборы высокого класса точности (0,005; 0,02; 0,05; 0,1; 0,2;

0,35).

Первые используются в рабочих приборах, вторые - в образцовых.

Рассмотрим некоторые наиболее употребительные приборы.

Ртутный барометр (рис. 3.1,а) состоит из открытой в атмосферу чашки, заполненной ртутью, и из стеклянной трубки, верхний конец которой запаян, а нижний опущен в чашку под уровень ртути. Воздух из трубки удален, поэтому свободное пространство трубки заполняется на­сыщенным паром ртути, давление которого ру. _р чрезвычайно мало (р_у. _р = 0,000002<шй при t = 20"Q.

Атмосферное давление, действуя на поверхность ртути в чашке, под­нимает ртуть в трубке на высоту h, при которой давление столбика ртути уравновешивается атмосферным давлением. Для отсчета этой высо-ты служит линейная шкала. Расчетное уравнение для барометра имеет вид:

(3.1.1)

где АЛ) - поправка на капиллярность, равная 10/d; Ah₂ - поправка на опускание ртути в чашке, равная — d²); D - диаметр чашки; d - диа-

2

Рис. 3.1. Жидкостные приборы для измерения давления:

а) ртутный барометр; б) пьезометр; в) дифференциальный жидкостный мано­метр; г) ртутный мановакуумметр; д) обратный дифференциальный манометр; е) микроманометр

метр трубки.

Обычно шкала барометра градуирована не в линейных единицах, а в единицах давления с учетом поправок Ahi и ДЬг.

Пьезометр (рис. 3.1,6) применяется для измерения избыточного дав­ления и представляет собой стеклянную трубку, установленную чаще все­го вертикально, с открытым верхним концом. Нижний конец трубки соеди­няется с местом измерения давления. Для отключения прибора и удаления из соединительной трубки воздуха устанавливается трехходовой кран 2. Под действием давления жидкость в трубе поднимается на высоту h, изме­ряемую по линейной шкале. Величина избыточного давления р_эти в любой точке А объема жидкости равна:

(3.1.2)

здесь у - удельный вес жидкости; h - показание пьезометра; hi - глубина точки А над уровнем нуля шкалы прибора. Пьезометрическая высота в точке А:

(3.1.3)

Для получения давления достаточно эту величину умножить на удельный вес жидкости, заполняющей пьезометр. Пьезометр высотой 1,5 2,0м позволяет измерить давления до 0,15-Ю,2ати. Величину h \ постоян­ную для данной точки называют поправкой на положении прибора. Знак поправки зависит от взаимного (вертикального) расположения точки А и нуля прибора, (если точка А ниже нуля прибора, то поправка положи­тельная).

Если трубка прибора имеет малый диаметр до 12мм, то в показание прибора вносится поправка на капиллярность, равная для воды.

U-образный мановакуумметр (рис. 3.1,в) представляет собой U-об- разную стеклянную трубку 1, заполненную до некоторого уровня рабочей жидкостью, более тяжелой, чем жидкость, давление которой измеряется. Одно из колен трубки (на чертеже левое) соединяется с местом измерения, другое (правое) открыто в атмосферу. Для отключения прибора и удаления воздуха на соединительной трубке в верхней точке устанавливается трех­ходовой кран. 2. Если давление р на уровне рабочей жидкости в левом ко­лене поднимется, а в правом опустится, то разность высот уровней жид­кости в коленах определяет показание прибора h.

Величина избыточного давления р_и,б на уровне рабочей жидкости в левом колене:

где Ур - удельный вес рабочей жидкости. Знак плюс (+) в формуле соот­ветствует избыточному давлению, знак минус (-) - вакууму.

Избыточное давление р_изо в рассматриваемой точке А жидкости рав­но:

где 7„ - удельный вес жидкости, заполняющей резервуар и левое колено прибора до уровня рабочей жидкости с удельным весом у_р; h| - разность уровней точки А и ра-бочей жидкости, в левом колене. Пьезометрическая высота над точкой А:

При измерении давления воды ртутным манометром можно с доста­точной точностью пользоваться выражением:

Знак поправки h_t зависит от взаимного (вертикального) расположе­ния точки А и уровня рабочей жидкости в левом колене. Ртутные маномет­ры позволяют измерять давление до 2 -*- 2,5кгс/см .

Дифференциальный жидкостный манометр применяется для изме­рения разности давлений. На рис. (рис.3.1,2) изображена схема такого ма­нометра, состоящего из U-образной стеклянной трубки, примерно до сере­дины заполненной рабочей жидкостью. Колена трубки присоединяются к местам измерения разности давлений, под действием которых рабочая жидкость в коленах перемещается.

При Zi = Z₂ формула упрощается:

а разность пьезометрических высот будет равна:

Чтобы определить величину измеряемой разности давлений, исполь­зуют зависимость:

По показанию прибора можно также вычислить разность гидростати­ческих напоров в измеренных точках:

Для ртутно-водяного прибора можно с некоторым приближением ис­пользовать зависимость:

Разновидностью дифференциального манометра является так назы­ваемый обратный дифференциальный манометр (рис.3.1.с)), который представляет собой две стеклянные трубки, присоединенные нижними концами к местам замера давления pi и рг.

где h = h| - Иг - показание прибора; Z| - Z₂ - разность высот уровней мер­ных точек.

При Z| = Z2 получим:

Под действием разных давлений pi и рг жидкость в трубах устанав­ливается на разных высотах h| и Иг, и определить разность давлений мож­но, ис-пользуя зависимость:

Легко видеть, что показание h прибора не зависит от величины дав­ления р воздуха, последний подводится к прибору для того, чтобы пони­зить уровни жидкости в трубках, тем самым уменьшая их необходимую высоту.

Отсчеты в жидкостных приборах делаются по нижней точке вогну­того мениска или наивысшей точке выпуклого мениска.

Достоинства и недостатки жидкостных приборов:

Основным достоинством жидкостных приборов для измерения давле ний являются простота конструкции и высокая точность измерения, одна­ко они удобны только при измерении небольших давлений.

Для увеличения точности при измерении малых давлений (при пока­зании приборов до 500лш вод столба) в качестве рабочих в приборах применяют легкие жидкости (например, спирт) или приборы с наклонной трубкой и наклонной шкалой (рис.3.1,б). Избыточное давление в сосуде с помощью манометра с наклонной шкалой вычисляется по зависимости:

где у_р - удельный вес рабочей жидкости; С - показание прибора по наклон­ной шкале; а - угол наклона трубки к горизонту.

Из уравнения 3.1.15 видно, что точность прибора увеличивается с уменьшением угла наклона трубки. Приборы с наклонной трубкой приме­няются для измерения пьезометрических высот величиной 25 150лш вод столба. Приборы, применяемые для измерения малых давлений, называ­ются микроманометрами.

Основными недостатками жидкостных приборов является узость диапазона измеряемых давлений, не превышающих 3-^4 атмосферы для ртутных манометров.

При больших давлениях приборы становятся слишком громоздкими. К недостаткам жидкостных приборов также можно отнести хрупкость и необходимость использования ртути, пары которой ядовиты.

Правила пользования жидкостными приборами:

Для увеличения точности замеров по жидкостным приборам необ­ходимо:

а) места установки приборов должны быть удобны для производства замеров;

б) отверстия для присоединения приборов должны быть малыми, расположены нормально к стенкам резервуара и достаточно чисто обра­ботаны;

в) перед измерением с помощью манометра избыточного давления и дифманометра необходимо удалять воздух из прибора и соединительных труб;

г) при измерении с помощью вакуумметра необходимо обеспечивать -заполнение соединительной трубки воздухом.

Пружинные приборы для измерения давления

Приборы с трубчатой пружиной (рис. 3.2,а) состоят из полой ме­таллической трубки, имеющей в сечении овальную форму, и согнутой по дуге окружности. Большая ось овала трубки должна быть перпендикулярна плоскости расположения оси трубки. Один конец трубки запаян, через вто-

Рис. 3.2. Манометры а) пружинный; б) мембранный

рой конец трубка соединяется с пространством, в котором измеряется дав­ление. Открытый конец трубчатой пружины 1 присоединен к держателю 2, который прикреплен к корпусу манометра. Держатель 2 имеет штуцер с резьбой для присоединения прибора к месту измерения давления. Как внутри штуцера, так и внутри держателя имеется канал, сообщающийся с внутренним пространством полой трубки 1. Запаянный конец трубки 1 с помощью поводка 3 соединен с передаточным механизмом, на оси кото­рого закреплена указательная стрелка 4.

Под действием избыточного давления жидкости, заполняющей внут­реннюю полость трубчатой пружины, овальное сечение трубки деформи­руется. Под влиянием указанной деформации внешняя длина трубки уве­личивается, а внутренняя - уменьшается. Возникающие растягивающие и сжимающие напряжения вызывают появление момента, раскручивающего трубку, при этом перемещается ее запаянный конец, а вместе с ним пово­док и указательная стрелка. Угол поворота стрелки пропорционален изме­няемому давлению. Шкала, нанесенная на циферблате, градуирована в единицах давления.

Аналогичное устройство имеет трубчатый вакуумметр.

Трубчатые приборы, измеряющие как избыточное давление, так и ве­личину вакуума, называются мановакуумметралш.

Мембранные (рис. 3.2,6) приборы состоят из упругой мембраны 1, за­крепленной между фланцами верхней и нижней части корпуса прибора, штуцера 2, поводка 3, зубчатого сектора 4, шестерни 5 и стрелки 6. Мем­бранная камера совместно со штуцером присоединена к корпусу с внешней стороны, поворотный механизм расположен внутри корпуса прибора. По­водок 3 соединен с мембраной. Под действием подводимого давления про­исходит деформация мембраны, что вызывает отклонение стрелки, сколь­зящей по шкале. Мембранные приборы применяются для измерения избы­точных давлений не выше 25am.

Достоинства и недостатки пружинно-мембранных приборов

К достоинствам приборов следует отнести: а) большой диапазон из­меряемых давлений; б) портативность и универсальность приборов; в) про­стоту устройства.

Основным недостатком приборов является непостоянство их показа­ний, вследствие постепенных изменений упругих свойств пружинящего элемента, возникновения остаточной деформации, износа передаточного механизма.

Правила пользования приборами:

а) плавное включение и выключение приборов. После измерения давления прибор должен быть отключен;

б) при измерении давления прибор должен быть установлен верти­кально;

в) места установки приборов должны быть свободны от вибраций, сотрясений, легко доступны и хорошо освещены;

г) перед отсчетом избыточного давления жидкость в соединитель­ной трубке должна быть освобождена от воздуха, а при измерении вакуума заполнена воздухом;

д) перед началом и после окончания измерения стрелка прибора дол­жна устанавливаться на нуле;

е) при измерении давления горячих жидкостей необходимо предус­мотреть понижение температуры в соединительной трубке;

ж) при измерении давлений в агрессивных средах необходимо преду­смотреть защиту приборов от порчи, например, путем устройства гидрав­лических затворов;

з) при измерении пульсирующих давлений необходима установка дросселей или перегородок с малыми отверстиями, препятствующими быстрому изменению давления;

и) в показание прибора вносится поправка на его положение, если соединительная трубка заполнена жидкостью. При заполнении воздухом поправка не вносится;

к) места отбора давлений должны быть выполнены в виде малых, от­верстий, расположенных нормально к стене резервуара и тщательно обра­ботанных.

Лабораторная работа №2 Измерение давления

Цель работы: Приобретение навыков по измерению гидростатичес­кого давления жидкостными приборами в замкнутом объеме. Определить: давление в жидкости по показаниям пьезометра, разность давлений в двух точках жидкости по показаниям дифференциального манометра и вели­чину вакуума по показаниям вакуумметра.

Общие сведения

Гидростатика - раздел гидравлики, изучающей законы равновесия покоящейся жидкости, в которой действуют силы двух видов: массовые и поверхностные. Первые действуют на каждую частицу жидкости во всем рассматриваемом объеме и пропорциональны массе (силы тяжести, силы инерции). Вторые приложены к поверхностям и пропорциональны пло­щади (силы давления на свободной поверхности, давления на различные предметы). Предел отношения силы Р к площади © при значении ш, стре­мящемся к нулю

есть гидростатическое давление в рассматриваемой точке, являющееся одной из основных характеристик и покоящейся, и движущейся жидкости (как капельной, так и газа), изменяющееся как по объему, так и во време­ни.

За единицу измерения давления в международной системе принят паскаль (Па = Н/м²).

Гидростатическое давление обладает двумя свойствами:

1) элементарные силы всегда ориентированы по нормали к площадке и направлены только внутрь жидкости, то есть, являются сжимающими. Таким образом, гидростатическое давление с точки зрения механики - это нормальное сжимающее напряжение в покоящейся жидкости;

2) величина гидростатического давления жидкости не зависит от ориентации площадки находящейся в объеме жидкости и одинаково по всем направленииям.

В гидравлике различают абсолютное, избыточное, манометрическое и вакуумметрическое давления.

Абсолютное или полное гидростатическое давление р_абс в любой точке покоящейся жидкости отсчитывается от абсолютного вакуума и оп­ределяется по формуле:

где р₀ - абсолютное (дополнительное) давление на поверхности жидкости; у - удельный вес жидкости; h - глубина погружения точки под уровень жидкости.

Манометрическое или избыточное давление р_м — это давление сверх атмосферы р_ат., т. е.

или

Если давление на поверхности жидкости равно атмосферному (в от­крытых резервуарах), то манометрическое давление будет равно:

Абсолютное (полное) давление может быть и меньше атмосферного Рабс < 1рат. и называется оно вакуумметрическим давлением р_вак. Вакуум- метрическое давление означает недостаток до 1 ата.

Для измерения давления могут использоваться любые системы фи­зических единиц. Например, для измерения атмосферного давления, изме­няющегося во времени и зависящего от высоты местности, введено поня­тие нормального атмосферного давления, соответствующего геодезичес­кой отметке уровня моря и равного одной физической атмосфере: ее обоз­начение 1 атм. Численное значение физической атмосферы может быть выражено в разных системах единиц измерения, например: 1 атм = 760 мм.рт.ст. = 1,03 кГ/см' = 101325 Па и т.п.

В технике используется так называемая техническая атмосфера, ее обозначение am и ее численные значения равны: 1 am = 1 кГ/см = 736 мм. рт.ст. = 98100 Па = 10 м.вод.ст. = 0,981 бар.

В соответствии с практическими потребностями в технике сложи­лись три шкалы (системы отсчета) давления: абсолютная (обозначение а та), избыточная (ати) и вакуумметрическая (атв).

В абсолютной шкале давление может иметь любые положительные ' численные значения от нуля до бесконечности (см. рис.3.3).

Рис. 3.3. Шкалы по определению давлений

В избыточной шкале давление отсчитывается от уровня, соответст­вующего в абсолютной шкале значению 1 ата в положительном направ­лении до бесконечности, а в отрицательном - до уровня р_абс ⁼ 0 ата. Сле­довательно, в этой шкале давление может изменяться от (—1) до бесконечности.

Вакуумметрическое давление р_юк отсчитывается также от уровня 1 ата, но в обратную, по значению с избыточным, сторону. Следовательно, в этой шкале давление может изменяться от нуля до значения р_вак = +\атв (что соответствует значению 0 ата).

Применяемые в гидротехнической практике единицы измерения да- ления и их взаимосвязь следующие: 1 кГ/см² = 1 ат= ЮООкГ/.м² = 98100Н\м².

Это удельное давление соответствует высоте столба жидкости: водя­ного ^— 10м; ртутного — 736лш.

Описание устройства

Для выполнения лабораторной работы используется устройство, ко­торое выполнено прозрачным и имеет полость 1, в которой всегда сох­раняется атмосферное давление, и резервуар 2, частично заполненный во­дой (рис. 3.4). Для измерения давления и уровня жидкости в резервуаре 2 служат жидкостные приборы 4, 5 и 6. Они представляют собой прозрачные

Рис. 3.4. Схема устройства для измерения давления в замкнутой системе

1 — полость с атмосферным давлением; 2 — опыт­ный резервуар; 3 — клапан; 4 - пьезометр; 5 - уровнемер; 6 — мановакуумметр

вертикальные каналы со шкалами, разме­ченными в единицах длины.

Однотрубный манометр (пьезометр) 4 сообщается верхним концом с атмосферой, а нижним - с резервуаром 2. Им определяется манометрическое давление р_м Ш pgh_p на дне резервуара.

Уровнемер 5 соединен обоими конца­ми с резервуаром и служит для измеренич

уровня жидкости Н в нем.

Мановакуумметр 6 представляет собой U-образный канал, частично заполненный жидкостью. Левым коленом он подключен к полости 1, а правым - к опытному резервуару 2 и предназначен для определения мано­метрического р_м = pgh_M или вакуумметрического р„ = pgh„ давлений над свободной поверхностью жидкости в резервуаре 2. Давление в резервуаре можно изменять путем наклона устройства.

Порядок выполнения работы