Измерение давления деформационными приборами

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

-------------------------------------

ВОРОНЕЖСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ АКАДЕМИЯ

-------------------------------------

КАФЕДРА ИНФОРМАЦИОННЫХ И УПРАВЛЯЮЩИХ СИСТЕМ

ИЗМЕРЕНИЕ ДАВЛЕНИЯ

Методические указания по выполнению

Лабораторной работе

Для студентов, обучающихся по направлениям:

Энерго-ресурсосберегающие процессы в химической

технологии, нефтехимии и биотехнологии» (специальности 240801 - «Машины и аппараты химических производств»; 655800 - «Технология сырья и продуктов животного происхождения»;

Технология молока и молочных продуктов»,

Технология рыбы и рыбных продуктов»,

Технология мяса и мясных продуктов»

Дневной и заочной форм обучения

ВОРОНЕЖ

УДК 681.3.66.01

Измерение давления [Текст]: методические указания к лабораторной работе/ Воронеж. гос. технол. акад.; сост. А. Н. Гаврилов, Ю. В. Пятаков, Воронеж, 2008. 28 с.

Методические указания разработаны в соответствии с требованиями ООП подготовки инженеров по направлениям 655400 - «Энерго-ресурсосберегающие процессы в химической технологии, нефтехимии и биотехнологии» (специальности 170500 - «Машины и аппараты химических производств»), 655800 - «Технология сырья и продуктов животного происхождения» (специальности 260303 - «Технология молока и молочных продуктов», 260301 - «Технология мяса и мясных продуктов»), заочной формы обучения. Они предназначены для усвоения теоретических знаний дисциплины цикла ОПД. В методических указаниях рассматриваются технические средства автоматизации для измерения давления и передачи его на расстояние, особенности их поверки, монтажа и эксплуатации.

Табл. 1. Ил. 4. Библиогр.: 5 назв.

Составители доценты А. Н. Гаврилов, Ю.В. Пятаков

Научный редактор д.т.н. В. Ф. Лебедев

Рецензент доцент к т.н. Н. Р. Бобровников

Печатается по решению

редакционно-издательского совета

Воронежской государственной технологической академии

© Гаврилов А. Н.,

Пятаков Ю. В., 2008

Цель:

1) изучить принцип действия и конструкцию устройств, используемых для измерения давления;

2) выполнить поверку манометра с одновитковой трубчатой пружиной.

Введение

Автоматизация производственных процессов пищевой промышленности неразрывно связана с измерением различных физических величин и комплексных показателей качества продукции. Для этих целей используются различные первичные преобразователи, измерительные приборы и устройства, правильная эксплуатация которых основана на некоторых положениях измерительной техники и метрологии.

Наука об измерениях, методах, средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности называется метрологией.

Под измерениями понимают нахождение значения физической величины опытным путем с помощью специальной техники.

Измерить какую-либо величину, значит сравнить её с другой однородной величиной (мерой), принятой за единицу измерения.

Мера – средство измерений, предназначенное для воспроизведения физической величины заданного размера.

При измерении следует четко разграничивать понятия: истинное и действительное значение физической величины, текущее значение или результат измерений.

Истинным значением физической величины называются значения, идеальным образом отражающие свойства данного объекта, как вколичественном, так и в качественном отношениях. Они не зависят от средств нашего познания и являются той абсолютной истиной, к которой мы стремимся, пытаясь выразить их в виде числовых значений. Истинное значение получить невозможно.

Действительным значением физической величины называется значение, найденное экспериментально по образцовому прибору и настолько приближающееся к истинному, что для данной цели оно может быть использовано вместо него.

Текущими значениями физической величины называются результаты, полученные с определенным интервалом времени.

Средство измерений – техническое средство, используемое при измерениях и имеющее нормированные метрологические свойства.

Принцип измерений – совокупность физических явлений, на которых основаны измерения.

Измерительный прибор – техническое средство измерений, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, доступной для непосредственного восприятия наблюдателем.

Измерительные приборы различают на аналоговые и цифровые, показывавшие и регистрирующие, интегрирующие и другие.

Измерительный прибор допускающий только отсчитывание показаний называют показывающим, а записывающий показания – регистрирующим.

Шкала измерительного прибора представляет собой совокупность меток и чисел, нанесённых на циферблат отсчётного устройства по линии или окружности и изображающих ряд последовательных значений измеряемой величины.

На шкале прибора указывается измеряемый параметр, класс точности, система прибора, рабочее положение, градуировка и т.д.

Чувствительностью измерительного прибора называется отношение линейного или углового перемещения стрелки прибора к значению измеряемой величины, вызвавшему это перемещение

, ,

где – чувствительность измерительного прибора;

– линейное перемещение стрелки прибора;

– угловое перемещение стрелки прибора;

– изменение измеряемой величины.

Ценой деления шкалы называется разность значений величины, соответствующих двум соседним отметкам шкалы.

Различают следующие виды измерений:

– прямые;

– косвенные;

– совокупные;

– совместные.

Прямые измерения – это измерения, при которых значения измеряемой величины определяют непосредственно из опытных данных.

Измеряемая величина сравнивается с единицей измерения, при помощи меры или измерительного прибора, шкала которого отградуирована в единицах измерения

Прямые измерения осуществляются одним из четырех методов:

1. непосредственной оценки - измеряемая величина преобразуется в выходную величину прибора;

2. дифференцальный (разностный) – прибор непосредственно определяет разность между измеряемой и некоторой известной величиной - мерой;

3. противопоставления - измеряемая величина сравнивается с мерой при одновременном воздействии на прибор сравнения;

4. компенсационный (нулевой) - измеряемая величина сравнивается с мерой при этом результирующий эффект воздействия на прибор сравнения доводят до нуля.

Косвенные измерения – это измерения, при которых измеряемую величину определяют на основании известной зависимости между этой величиной и величинами подвергаемым прямым измерениям.

Совокупные – это измерения, при которых искомая величина определяется путём решения системы уравнений, полученных из совокупности прямых измерений одной или нескольких однородных величин.

Совместные – это одновременное измерение двух и более неоднородных величин для отыскания зависимости между ними.

Любые измерения сопровождаются погрешностями.Они возникают из-за несовершенства систем и средств измерения, непостоянства условий наблюдения и субъективных ошибок наблюдателя.

Погрешности делят на:

1) Случайные – имеют случайную природу и причина их неизвестна. Это погрешности, принимающие при повторных измерениях различные взаимонесвязанные значения, возникающие из-за вибрации, влияния электромагнитных полей и т.д. Случайные погрешности нельзя исключить из результатов измерений, но можно несколько уточнить, используя методы оценки случайной погрешности.

2) Промахи (грубые) – вызваны неправильными отсчетами по прибору. Причины их появления кроются в ошибке наблюдателя, неисправности устройств измерений и т.п. Для уменьшения промахов необходимо проводить наблюдения два-четыре раза.

3) Систематические – обусловлены несовершенством методов определения, конструкции прибора. Эти погрешности, остающиеся постоянными или изменяющиеся по определённому закону. Различают инструментальные погрешности и погрешности вследствие внешних причин.

Точность измерительного прибора может быть оценена абсолютной, относительной и приведённой погрешностями.

Абсолютная погрешность – это алгебраическая разность между показаниями прибора А_i и действительным значением А_о измеряемой величины по показаниям образцовых приборов:

.

Абсолютная погрешность выражается в единицах измеряемой величины и может быть как положительной, так и отрицательной.

Относительная погрешность – это отношение абсолютной погрешности к показаниям образцового прибора, выраженное в процентах:

.

Приведённая относительная погрешность – это отношение абсолютной погрешности к диапазону шкалы прибора, выраженное в процентах:

,

где - начало и конец шкалы измеряемого прибора.

Наибольшее и наименьшее значения диапазона измерений называется пределом измерений прибора.

Вариацией называется наибольшая, полученная экспериментально, разность между показаниями измерительного прибора, соответствующая одному и тому же действительному значениям измеряемой величины, при прямом и обратном ходе в неизменных условиях:

,

где - показания измерительного прибора при прямом и обратном ходе.

Вариация должна быть меньше допустимой основной погрешности.

Погрешности показаний делятся на:

- основные (погрешности свойственные устройству, находящемуся в нормальных условиях эксплуатации: температуре окружающей среды, атмосферном давлении, влажности и т.д);

- дополнительные(погрешности возникают при отклонении одной из величин например, температуры или влажности от допустимых пределов).

Качество устройства измерения оценивают классом точности, который указывается в паспорте или на циферблате. Чаще всего под классом точности понимают значение максимально допустимой приведённой относительной погрешности.

Классы точности приборов лежат в диапазоне от 0,2 до 4. Наибольшее распространение получили приборы с классами точности 0,2; 0,5; 0,6; 1,0; 1,5; 2,0; 2,5. Чем меньше класс точности, тем точнее прибор.

Для определения погрешности измерительных приборов следует периодически подвергать их поверке.

Поверка – это операция сравнения показаний средств измерений с образцовыми средствами, для определения их погрешности.

В официальных инструкциях по поверке различных измерительных приборов, утверждённых Государственным комитетом стандартов, мер и измерительных приборов РФ, приводится комплекс мероприятий, цель которых – установить работоспособность прибора и достоверность его показаний.

Для выполнения поверочных операций необходимо располагать измерительными устройствами более высокого класса точности. Класс точности поверяющего прибора должен быть в 3-4 раза выше класса точности поверяемого прибора.

Если при поверке прибора, которая должна проводиться строго по регламенту, приведённая относительная погрешность больше заявленного класса точности, то прибор переводят в ближайший следующий класс. Если приведённая относительная погрешность больше 4, то прибор бракуется. Чем точнее устройство, тем чаще его нужно проверять.

Если класс точности прибора не указан, то абсолютная погрешность равна половине цены деления шкалы.

В зависимости от класса точности приборы делятся на эталонные, образцовые и рабочие.

Рабочие приборы предназначены для практических целей измерений физических величин.

Образцовые приборы предназначены для поверки и градуировки по ним рабочих приборов.

Эталонные приборы служат для воспроизведения и хранения единиц измерений с наивысшей точностью, а также для поверки образцовых приборов.

Градуировкой измерительного прибора называется операция, посредством которой делениям шкалы прибора придаются значения, выраженные в единицах измеряемой величины.

Поверка градуировки измерительных приборов заключается в определении его наибольшей приведённой погрешности и сравнении её с указанным классом точности. Прибор считается пригодным для эксплуатации, если его основная (наибольшая) приведённая погрешность не превышает его класса точности.

Основные понятия давления

Под давлением P в общем случае понимают предел отношения нормальной составляющей усилия F к площади S, на которую действует усилие:

.

За единицу измерения давления в Международной системе единиц (СИ) принят Паскаль (Па).

1Па = 1Н/1м².

В настоящее временя используются также и внесистемные единицы: кг/см², мм вод. ст., мм рт. ст. и бар. Эти единицы связаны следующими соотношениями:

1 кгс/ см² (техническая атмосфера)= 98 066,5 Па ≈ 10⁵Па;

1 мм вод. ст. = 9,80665 Па ≈ 10Па.

1 мм рт. ст. = 133,322 Па,

1 бар = 10⁵ Па.

При измерении давления необходимо различать абсолютное, избыточное и атмосферное давление (барометрическое), а также вакуум.

Абсолютное давление Р_абсол – параметр состояния вещества (жидкостей, газов и паров). При измерении Р_абсол за начало отсчета принимается нулевое давление, которое можно себе представить как давление внутри сосуда после полной откачки воздуха. Естественно, достигнуть Р_абсол = 0 невозможно.

Барометрическое давление Р_бар – давление, оказываемое атмосферой на все находящиеся в ней предметы.

Избыточное давление Р_изб – разность между абсолютным давлением Р_абсол и атмосферным давлением Р_бар (т. е. давлением окружающей среды)

Р_изб = Р_абсол – Р_бар.

Если абсолютное давление ниже атмосферного, то давление Р_вак – называется разряжением:

Р_вак = Р_бар - Р_абсол.

Глубокое разряжение принято называть вакуумом.

Все приборы для измерения давления классифицируются по принципу действия и по роду измеряемой величины.

По принципу действия приборы подразделяются:

1) жидкостные, основанные на уравновешивании давления столбом жидкости;

2) деформационные, измеряющие давление по величине деформации различных упругих элементов или по развиваемой силе;

3) поршневые, в которых измеряемое давление уравновешивается внешней силой, действующей на поршень;

4) электрические, основанные или на преобразовании давления в какую-либо электрическую величину, или на изменении электрических свойств материала под действием давления.

По роду измеряемой величины приборы подразделяются:

1) манометры (приборы для измерения абсолютного и избыточного давления);

2) вакуумметры (приборы для измерения давления разряжения);

3) мановакуумметры (приборы для измерения избыточного давления и давления разряжения);

4) напорометры (приборы для измерения малых избыточных давлений);

5) тягомеры (приборы для измерения малых давлений разряжения);

6) тягонапорометры (приборы для измерения малых избыточных давлений и разрежений);

7) дифманометры (приборы для измерения разности давлений);

8) барометры (приборы для измерения атмосферного давления).

Измерение давления деформационными приборами

В деформационных приборах давление определяется по деформации упругих чувствительных элементов или по развиваемой ими силе, которые преобразуются передаточными механизмами в угловое или линейное перемещение указателя по шкале прибора. В качестве упругих элементов используют трубчатые пружины, мембраны, мембранные коробки и сильфоны.

По виду упругого чувствительного элемента деформационные приборы делятся на следующие группы:

1) приборы с трубчатой пружиной (рис. 1, а, б);

2) мембранные приборы, упругим элементом которых служит мембрана (рис. 1, в), мембранная коробка (рис. 1 г, д), блок мембранных коробок (рис. 1, е, ж);

3) пружинно-мембранные с гибкой мембраной (рис. 1, з);

4) приборы с упругой гармониковой мембраной (сильфоном) (рис. 1, к);

5) пружинно-сильфонные (рис. 1, и).

Приборы с чувствительным элементом в виде гофрированных мембран, мембранных коробок и мембранных блоков применяют для измерения небольших избыточных давлений и разрежений (манометры, напоромеры и тягомеры), а также перепадов давления (дифференциальные манометры). Зависимость прогиба мембраны от измеряемого давления в общем случае нелинейная. Число, форма и размеры гофра зависят от назначения прибора, пределов измерения и других факторов.

Чтобы увеличить прогиб в приборах для малых давлений, мембраны попарно соединяют в мембранные коробки, а коробки в мембранные блоки. Мембранные коробки могут быть анероидными (рис. 1, г) и манометрическими (рис. 1, д). Анероидные коробки, применяемые в барометрах, герметизированы и заполнены воздухом или инертным газом при давлении 1 Па. Деформация анероидной коробки происходит под воздействием разности давления окружающей ее среды и давления в полости коробки. Так как давление в полости коробки очень мало, можно считать, что ее деформация определяется атмосферным давлением. Деформация анероидной или манометрической коробки равна сумме деформаций составляющих ее мембран.

Мембранные манометры наиболее удобны для измерения давления вязких жидкостей или химически агрессивных сред.

Другой вид упругих элементов манометров составляют особые гофрированные коробки, называемые сильфонами. Сильфон представляет собой цилиндрический тонкостенный сосуд, на боковой поверхности которого выдавлены глубокие параллельные волны (рис. 1, к). При воздействии осевой нагрузки, внешнего или внутреннего давления длина сильфона изменяется, увеличиваясь или уменьшаясь в зависимости от направления приложенной силы. Для уменьшения гистерезисных явлений внутри сильфона устанавливают пружину (рис. 1, и).

Манометры выбираются в зависимости от величины и вида измеряемого давления для обеспечения требуемого запаса прочности упругих элементов и увеличения их долговечности.

При измерении плавно меняющихся давлений измеряемое давление должно быть не менее 3/4 верхнего предела шкалы. При измерении давлений, меняющихся скачкообразно, измеряемое давление должно быть не менее 2/3 части шкалы выбранного манометра.

3. Приборы с трубчатыми пружинами

Одним из наиболее распространенных видов деформационных приборов для измерения давления являются манометры с трубчатой пружиной 1 (с трубкой Бурдона.) рис. 2.

 

 

Рис.2 Манометр с трубчатой пружиной

 

На рисунке 3 представлена принципиальная схема манометра с одновитковой трубчатой пружиной. Упругим элементом является полая трубка 1 овального или эллиптического сечения, согнутая по дуге окружности 180-270⁰. Трубки манометров, рассчитанных на давление до 500 кПа (50 кгс/см²), изготовляют из меди, а трубки манометров, рассчитанных на большее давление, - из стали. Свойство изогнутой трубки некруглого сечения - изменять величину изгиба при изменении давления - обусловлено изменением формы сечения. Под действием избыточного давления трубка деформируется таким образом, что малая ось её поперечного сечения (а) стремится к увеличению, а большая (в) к уменьшению (т.е. эллипсоидное поперечное сечение трубки стремится к круглой форме сечения), в результате чего одновитковая трубчатая пружина раскручивается, а её свободный конец перемещается, а величина центрального угла уменьшается. Это перемещение в определенных пределах пропорционально измеряемому.давлению. Поэтому максимальное рабочее давление манометра ниже предела пропорциональности с некоторым запасом прочности.

Рис. 3. Принципиальная схема манометра с одновитковой трубчатой пружиной

 

Один конец полой трубки 1 закреплён в корпусе 8. Держатель корпуса снабжён ниппелем 7 с резьбой для присоединения манометра к объекту с измеряемым давлением и отверстием для соединения внутренней полости трубки с ниппелем. Другой свободный конец трубки закрыт пробкой 2.

Перемещение свободного конца трубки незначительно и составляет для различных конструкций 3-7 мм. Для увеличения разрешающей способности манометров применяют передаточный механизм, который увеличивает масштаб перемещения конца трубки.

Секторно-зубчатый передаточный механизм состоит из тяги 4, соединённой с концом трубки посредством шарнира 3, сектора 10 с осью вращения 9. Тяга 4 с осью вращения 5 соединена с сектором 10 шарнирно винтом 6. Зубчатый сектор находится в зацеплении с шестернёй 14. На оси шестерни жестко укреплена стрелка 12. С осью шестерни соединена пружина 13. Другой конец пружины крепится на основание корпуса 8. Пружина предназначена для уменьшения вариации в передаточном механизме. Изменением расстояния от оси 9 до винта 6 зубчатого сектора подгоняют показания прибора в конечной точке шкалы 11.

Манометры с многовитковой (геликоидальной) трубчатой пружиной отличаются от одновитковых манометров формой рабочего органа, имеющего вид цилиндрической (винтовой) спирали с 6-9 витками, свёрнутой из полосковой трубки. Геликоидальную трубку можно рассматривать как ряд одновитковых трубок, соединённых последовательно. Вследствие этого перемещения свободного конца трубки значительно больше, чем у манометра с одновитковой пружиной. Манометры с геликоидальной трубчатой пружиной применяются главным образом как самопишущие.

 

1 | 2 |

Поиск по сайту:

---