Порядок выполнения работы

Лабораторная работа №1.

ПРИБОРЫ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ

Цель работы:

1. Изучить устройство и принцип действия приборов для измерения давлений.

2. Научиться по показаниям приборов определять давление.

3. Освоить пересчёт единиц из­мерения давления при пользовании различными системами изме­рения.

Теоретическая часть

Гидростатическим давлением p называют сдавливающее напряжение, которое возникает в жидкости под воздействием внешних сил. Его величину можно измерить соответствующими приборами или рассчитать по основному уравнению гидростатики.

p = p₀ + rgh (1)

где p₀ – давление, действующие на свободную поверхность жидкости, Па (рис. 1); r – плотность жидкости, кг/м³; h – расстояние по вертикали от рассматриваемой точки до свободной поверхности жидкости, м.

На практике существуют две шкалы для измерения давления. Первая шкала носит название абсолютной шкалы давлений. Началом ее служит полное отсутствие давления, т.е. за нача­ло шкалы принят абсолютный нуль давлений (рис. 2).

Шкала избыточных давлений удобна при расчете технологических устройств. Как правило, на внутреннюю стенку устройства действует абсолютное давление жидкости, а с внешней стороны стенкидействует атмосферное давление воздуха. Поэтому напряжение в материале стенки создается за счет избыточного давления – разности абсолютного давления внутри устройства и атмосферного давления с внешней стороны.

Избыточное давление определяется по формуле:

. (2)

Если в формуле (1) р_о = р_атм , то избыточное давление p = rgh.

Вакууметрическое давление определяется по формуле:

р_вак= р_атм – р_абс= – р_изб. (3)

Единицей измерения давлений в системе СИ служит паскаль (Па) 1Па = 1Н/м². Эта единица очень мала, поэтому применяют укрупненные единицы: кПа (килопаскаль) – 1кПа = 1·10³ Па, МПа (мегапаскаль) – 1МПа =1·10⁶ Па. Давление, равное 1·10⁵ IIa, называют баром (бар).

В настоящее время не везде система СИ внедрена в измеритель­ную технику и механические манометры имеют шкалу, градуиро­ванную в технической системе, где единицей давления являет­ся килограмм-сила на квадратный сантиметр (кгс/см²). Дав­ление, равное 1 кгс/см², называется технической атмосферой (ат): 1ат = 1кг/см² = 9,81Н/см² = 98 100 Па.

Широкое распространение получил способ измерения давления в линейных единицах жидкостного столба. Переход к ли­нейным единицам осуществляется по формуле

h = p/rg, (4)

где р – измеряемое давление, Па; r – плотность жидкости, кг/м³; h – линейная единица жидкостного столба, м.

Высота водяного столба, соответствующая атмосферному давлению (p_атм = 98100 Па), равна

а ртутного столба

Для измерения каждого ив названных давлений применяется различные приборы, которые классифицируются по трём основным признакам: род измеряемой величины; принцип действия; класс точности.

По первому признаку необходимо знать, какое давление нужно измерять: атмосферное, абсолютное, избыточное или вакууметрическое. Так, атмосферное давление измеряют прибором, который называется барометром-анероидом. Для измерения избыточного давления применяются манометры, пьезометры, микроманометры, мановакуумметры.

Чтобы измерить абсолютное давление, необходимо иметь два прибора: манометр и барометр – если абсолютное дарение больше атмосферного, и вакуумметр а барометр – если абсолютное давление меньше атмосферного.

По второму признаку, т.е. по принципу действия, все при­боры делятся на пять групп: жидкостные, механические, поршневые, комбинированные и электрические.

Наиболее широко распространены жидкостные и механические приборы. Поэтому ограничимся рассмотрением только этих двух групп.

К жидкостным относятся приборы, основанные на гидроста­тическом принципе действия, заключающееся в том, что измеряемое давление уравновешивается давлением столба жидкости.

Идея измерения давления по высоте столба жидкости впервые была высказана в 1640 г. итальянским ученым Э.Торрчелли и осуществлена итальянским механиком Вивиани в 1642г. и Французским ученым Паскалем в 1646 г. До настоящего времени жидкостные приборы не утратили своего значения и находят широкое применение. Это объясняется простотой их устройства, точностью и надежностью намерения давлений. К жидкостные приборам относятся: пьезометры, U-образные манометры и вакуумметры, наклонные микроманометра, дифференциальные манометры.

Пьезометры – наиболее простые приборы, представляющие собой тонкие стеклянные трубки диаметром 10-15мм, присоединенные одним концом к резервуару, давление в котором необходимо измерить. Второй конец трубка сообщается с атмосферой (рис. 3). Трубка помещается щит с нанесенной на нем измерительной шкалой. Под действием давления жидкость в трубке поднимается на высоту h , измерив которую определяют величину избыточного давления в точке А в метрах жидкостного столба. Пьезометр удобен для измерения небольшим давлений до 10–20 кПа; для измерения больших давлений трубка пьезометра слишком длина.

Рис. 3

В этих случаях применяет жидкостные манометра, в которых измеряемое давление уравновешивается жидкостью большей плотности (такой жидкостью обычно является ртуть, так как ее плотность в 13,6 раза больше плотности воды). Поэтому при измерении одних и тех же давлений трубка в ртутном манометре получается значительно короче. На рис. 4 показан ртутный манометр, который представляет собой U–образную трубку.

Рис. 4

Под действием давления больше атмосферного уровень ртути в левом колене понизятся, а в правом – повысится. Гидростатическое давление в точке А cо стороны сосуде равно

p_А = p + rgh,

а со стороны трубки в точке В

p_В = p_атм + rgh_рт,

Но жидкость в сосуде находятся в равновесии и точки А и В лежат в одной горизонтальной плоскости. Значит,

,

или

Отсюда

,

но

тогда

(5)

Для измерения давления в двух сосудах применяют диффе­ренциальные ртутные манометры (рис.4)

Рис. 5

Давление в точке А равно

а в точке В

,

Но , тогда ,

или , где .

Тогда

(6)

Описание прибора измеряет давление с точностью до 0,1мм. В случаях, когда измеренное давление нужно получить с более высокой точностью, пользуются микроманометрами о наклонной шкалой (рис.5)

Рис. 6

Здесь длина столбика рабочей жидкости связана с пьезометри­ческой высотой соотношением , где a – угол наклона шкалы к горизонту. Поэтому, чем меньше будет угол a, тем точнее можно измерить давление. Величина дает значение перепада давления в линейных единицах столба жидкости, заполнявшей микроманометр. Однако в технике принято измерять давление в единицах водяного столба:

(7)

где .

Значение К обычно приводится на кронштейнах прибора против соответствующих углов установки каменной шкалы.

Основными преимуществами жидкостных приборов являются простота устройства и высокая точность. Однако они измеряют небольшие давления и обладают недостаточной прочностью. Применяются в основном в лабораторной практике.

При измерении больших давлений широкое распространение получили механические приборы, которые делятся на мембранные и пружинные. Принцип их действия заключается в том, что действию давления подвергается упругий элемент (мембрана, пружина), деформация которого пропорциональна величине измеряемого давления.

Рис. 7

Пружинные приборы имеют ряд преимуществ, важнейшими из которых являются: портативность, простота устройства и применения, а главное огромный диапазон измерения. Основным чувствительным элементом в пружинном манометре (рис. 7) является изогнутая латунная трубка 1 овального сеченая. Одним концом трубка соединяется через фланец 6 с сосудом, в котором необходимо измерить давление, а второй ее конец запаян. Под действием давления больше атмосферного трубка стремиться разогнуться, в результате чего создается момент сил и движение ее конца рычагом 2 передается на зубчатую передачу 3, приводящую в движение стрелку 4, по отклонению которой судят о величине давления. Нуль шкалы манометра соответствует нормальному атмосферному давлению, и стрелка показывает на шкале 5 только избыточное давление.

Пружинные вакуумметры по конструкции не отличаются от пружинных манометров. Однако под воздействием вакуума трубка сжимается, вызывая перемещение стрелки в противоположном направлении.

Пружинные приборы, которые могут измерять избыточное и вакуумметрическое давления, называются мановакуумметрами.

По сравнению с жидкостными, механические приборы менее точны, потому что их металлические элементы, воспринимающие давление, подвержены остаточной деформации.

По точности показаний серийно выпускаемые приборы делятся на классы. Классом точности прибора k называется число, выражающее максимальное значение возможной погрешности в процентах от предельного значения N шкалы прибора.

. (8)

Класс точности прибора обозначается на его шкале цифрой, но знак % обычно не пишется.

Установленные классы точности приборов давления соответствуют следующему ряду: 0,02; 0,05; 0,1; 0,2; 0,35; 0,4; 0,5; 1,0; 1,5; 2,5; 4,0; 6,0. Для измерения в промышленных условиях чаще всего применяют технические приборы, которые имеют класса точности от 0,5 до 6,0.

Порядок выполнения работы

1. Изучают устройство и принцип действия всех приборов для измерения давления.

2. Охарактеризовать выданный преподавателем прибор и определить его абсолютное отклонение из (8).

3. Выполнить, используя соотношения между размерностями для измерения давления, перевод заданной величины давления в размерность, которые приведены в табл. 1.

Таблица 1

Контрольные вопросы

1. Напишите основное уравнении гидростатики и объясните его смысл. 2. Что называется абсолютным давлением, избыточным давлением? Единицы измерения. 3. Что называется вакуумметрическим давлением? Единицы измерения. 4. Как классифицируются приборы для измерения давлений? 5. Какое давление измеряет пьезометр, манометр, вакуумметр, микрома­нометр? 6. Что такое класс точности прибора? 7. Принцип работы пьезометра. 8. Принцип работы пружинных приборов. 9. Какая связь существует между абсолютным и избыточным давлениями? 10. Может ли быть абсолютное давление отрицательным? 11. Как пересчитать показание манометра в Па, мм.рт.ст., м вод. ст.? 12. Как пересчитать показание пьезометра в атм., Па, мм рт.ст. м вод.ст? 13. Как определить давление в измеряемой точке в Па по показанию U-образного манометра? 14. Как определить разность давлений в двух сосудах по показанию дифманометра?

Лабораторная работа №2

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: