Лабораторная работа № 1 измерение давлений и тарировка измерительных приборов

Цель работы: повышение уровня знаний о приборах для измерения дав­лений, освоение метода измерения давлений.

Задачи работы

1. Закрепление сведений о приборах для измерения давления.

2. Приобретение начальных навыков измерения медленно меняющегося давления и тарировки измерительных приборов.

3. Приобретение начальных навыков измерения быстропеременного дав­ления и тарировки измерительного тракта.

4. Освоение методики статистической обработки результатов измерений с использованием ПЭВМ.

Теоретические сведения о давлении

Давление – сила, с которой жидкость воздействует на помещенную в нее поверхность единичной площади в направлении к нормали к поверхности. Жидкость, налитая в сосуд, испытывает давление атмосферы, а каждая частица жидкости испытывает давление, создаваемое весом вышележащих частиц, (рис. 1.2) [1].

Превышение давления над атмосферным называют избыточным. Давление на поверхности жидкости, т.е. на границе раздела с окружающей сре­дой, может быть как больше, так и меньше атмосферного. В последнем случае оно называется вакуумным.

За единицу давления в международной системе единиц (СИ) принят паскаль (Па) – давление, вызываемое силой 1 Н, равномерно распределенной по нормальной к ней поверхности площадью 1 м². Наряду с ней применяют килоПаскаль (кПа) и мегаПаскаль (МПа) (приложе- ние 1).

1 Па= 1 Н/м²=10^-3кПа=10^-6мПа.

В технике продолжают применять внесистемные единицы – техническую атмосферу (ат) и бар (бар).

1 ат = 1 кгс/см² = 10000 кгс /м²;

1 бар -10³Па = 1,02 ат.

Для измерения давления применяют разнообразные приборы:

– для измерения атмосферного давления – барометры;

– для измерения избыточного давления – разности между абсолютным давлением и атмосферным давлением – манометры, вакууметры (при давлении ниже атмосферного) или мановакууметры. Эти приборы принципиально не раз­личаются, но имеют разные настройки нулевого уровня (уровня отсчета) дав­ления. Если измеряемое давление мало, прибор называют микроманометром;

– для измерения разностей давления в двух точках служат дифференциаль­ные манометры.

Принцип работы барометра основан на деформации сильфонной трубки, внутренний объем которой герметизируют. При известном давлении окружающей среды стрелка прибора сразу выставляется на величину этого давления. При изменении атмосферного давления сильфон расширяется или сжимается, что вызывает отклонение стрелки в одну или другую сторону. По принципу ра­боты манометры разделяются на пружинные и жидкостные.

Пружинные манометры или мановакууметры, чувствительным элементом которых является трубка Бурдона полая пружина, используют явление ее распрямления под действием давления, создаваемого в трубке или вне её. Они наиболее распространены в технике, перекрывают весь диапазон практически необходимых давлений, но требуют периодической проверки правильности по­казаний.

Жидкостные манометры используют явление уравновешивания измеряемого давления давлением столба жидкости в мерной трубке. Они предельно просты и могут быть изготовлены самостоятельно в любых условиях, отличаются точностью показаний и не требуют тарировок и проверок. Их недостаток – ограниченный диапазон измерений.

Быстропеременные давления измеряются специальными измерительны­ми комплексами, включающими датчики давлений, самописцы и, при необхо­димости, согласующие приборы. Датчики давлений преобразуют измеряемое давление в электрический сигнал, который регистрируется самописцем. Для ра­боты с такими измерительными комплексами необходимо освоить методику та­рировок и расшифровок записей.

Для тарировки на применяемом измерительном комплексе записывают 2-10 показаний давления известного уровня и строят тарировочный график дав­лений в функции от уровня записи сигнала. В процессе расшифровок любой уровень записи сигнала переводят в давление, пользуясь тарировочным графи­ком.

В нашей работе в качестве измерительного комплекса (рис. 1.3) для изме­рения быстропеременных давлений используются датчики давления (2), усили­тель (5) и осциллограф (1) со светочувствительной бумагой. Изменение давления преобразуется в перемещение светового луча гальванометра (6) на экране и в прорези кассеты со светочувствительной бумагой, причем перемещение луча происходит в направлении, поперечном относительно направления протяжки бумаги. В результате на светочувствительной бумаге регистрируется запись переменного давления в функции времени (осциллограмма) (рис. 1.4).

На этой же осцилограмме записываются тарировочные уровни сигнала, позволяющие расшифро­вать запись. Все результаты лабораторных измерений подвергаются статистической обработке [2]. Её целью является отсеивание недостоверных результатов, оп­ределение средних величин и ошибок измерений, а также других более сложных статистических показателей – доверительного интервала _, соответствующе­го доверительной вероятности , который накрывает истинное значение пара­метра , корреляционных связей параметров.

Формулы статистической обработки измерений

1. Исходный ряд значений параметра:

всего n значений параметра,

2. Среднее значение параметра:

. (1.1)

3. Среднее квадратичное отклонение (среднее отклонение произвольно взятого значения параметра от среднего):

. (1.2)

4. Доверительный интервал:

, (1.3)

где t_ – число средних квадратичных отклонений, которые нужно отложить в одну и другую стороны от среднего значения для того, чтобы вероятность по­падания среднего значения параметра в полученный интервал была равна .

При нормальном распределении значения t_ равны

=0,9; t_ = 1,643

=0,95; t_ = 1,960

=0,99; t_ = 2,576

В технических расчетах рекомендуется принимать  = 0,95.

Описание лабораторной установки для измерения

быстропеременных давлений

Схема лабораторной установки представлена на рис. 1.3. Она включает на­сосы (3) и (4), вентили питания водой (7) и (8), мембранный датчик давления (2), тензометрический усилитель (5), осциллограф (1) с гальванометром (6), образцовый ма­нометр (9).

В данной работе для измерения быстропеременных давлений использу­ется измерительный комплекс, состоящий из датчика давления, тензометрического усилителя УТ-4, светолучевого осциллографа НО44. Мембранный датчик давления преобразует измеряемое давление в электрический сигнал малой ве­личины, который увеличивается в тензометрическом усилителе. Сигнал с уси­лителя поступает в осциллограф со светочувствительной бумагой. В результате на светочувствительной бумаге изображается осциллограмма записи переменного давления в функции времени (рис. 1.4). На этой же осциллограмме записываются тарировочные уровни сигнала, позво­ляющие расшифровать запись.

Последовательность выполнения работы

1. Включить в электрическую сеть приборы измерительного тракта.

2. Произвести запись на осциллограмме нулевого уровня сигнала (ли­ния 1, рис. 1.4).

3. Открыть вентиль (7).

4. При открытом вентиле (7) включить насос (3) и выполнить следующие операции.

4.1 Произвести запись на осциллограмме уровня сигнала (линия 2, рис. 1.4).

4.2 Снять показания с образцового манометра (9) и занести в таблицу 1.1.

5. Открыть вентиль (8).

6. При открытых вентилях (7),(8) и работающем насосе (3), включить насос (4) и произвести запись сигнала на осциллограмме (линия 3, рис. 1.4).

7. Проявить осциллографную бумагу.

8. Расшифровать записи на осциллограмме в следующей последователь­ности.

8.1 Определить тарировочный коэффициент по формуле.

; (1.4) где m, Р, Н – выбираются из табл. 1.1.

8.2 Снять пять показаний (h) исследуемого сигнала и занести в табл. 1.1.

8.3 Перевести измеряемое давление, выраженное перемещение луча на осциллограмме и представленное в таблице 1.1 в виде дискретного числового ряда в давление, измеряемое в кгс/см², используя тарировочный коэффициент по формуле:

P = mh. (1.5)

8.4 Обработать результаты измерений на ПЭВМ и заполнить табл. 1.1.

Таблица 1.1

Результаты измерений

Параметр		Единицы измерения	Способ определения	Результаты измерений					Результаты статистической обработки
				1	2	3	4	5	М	s
Показания образцового манометра	Давление до включения насоса Р1	кгс/см2	измерение
	Давление Р2 после включения насоса	кгс/см2	измерение
Давление, выраженное в перемещении луча на осциллограмме Н		см	измерение
Тарировочный коэффициент, m		кгс/см2
Давление, выраженное в перемещении луча на осциллограмме, h		см	измерение
Измеряемое давление, Р		кгс/см2	P=mh

Описание лабораторной установки измерения медленно

меняющихся давлений

Схема лабораторной установки представлена на рис. 1.5. Она включает вентиль (1) питания водой от водопровода, сливной вентиль (9), вентиль жидкост­ного манометра (6) соединяющий жидко­стной манометр (8) с измерительной шкалой (7), вентиль (5), соединяющий резервуар (3) с атмосферой, манометр (2) и мановакууметр (4).

Последовательность выполнения работы

При подготовке к пуску установки измерения медленно меняющихся давлений (рис. 1.5) необходимо убедиться в том, что резервуар установки не заполнен жидкостью. Затем произвести измерение медленноменяющихся давлений и тари­ровку измерительных приборов.

1. Тарировка механического манометра жидкостным.

1.1 Перекрыть вентили (6),(9).

1.2 Открыть вентиль (5).

1.3 Открыть вентиль (1) и заполнись резервуар установки жидкостью на произвольную высоту h= 0,81,3 м и вентиль (1) закрыть.

1.4 При закрытом вентиле (1) выполнить пять измерений давления жидкост­ным и механическими манометрами (2).

1.5 Результаты измерений внести в табл. 1.2.

2. Тарировка манометрической части мановакууметра.

2.1 Перекрыть вентили (5), (6), и (9).

2.2 Открыть вентиль (1) и заполнить резервуар установки жидкостью на высоту h = 0,8 1,3 м и вентиль (1) закрыть.

2.3 При закрытом вентиле (1) выполнить пять измерений давления жидкостным и механическим манометрами.

2.4 Результаты измерений занести в табл. 1.2.

2.5 Обработать результаты на ПЭВМ и заполнить табл. 1.2. Обозначения: М – математическое ожидание параметра;  – среднее квадратичное отклонение значений параметра.

3. Тарировка вакууметрической части мановакууметра.

3.1 Перекрыть вентиль (9).

3.2 Открыть вентили (5) и (6).

3.3 Открыть вентиль (1) и заполнить резервуар установки жидкостью на высоту h =0,8 1,3 м и вентиль (1) закрыть.

3.4. Вентиль (5) закрыть.

3.5 Вентиль (9) открыть.

3.6 При открытом вентиле (9) выполнить (5) измерений давления жидкостным (8) и механическим мановакууметром (4).

3.7 Результаты измерений занести в табл. 1.3.

3.8 Обработать результаты на ПЭВМ и заполнить табл. 1.3.

Таблица 1.2

Результаты измерений

Параметр	Единицы измерения	Результаты измерений					Результаты статистической обработки
		1	2	3	4	5	М	s
Высота столба жидкости в водомерной трубке, Н	м
Давление по механическому манометру, Рм	кгс/см2
Расчетная величина давления, Рр	кгс/см2
Поправка к механическому манометру DР1,	кгс/см2

Таблица 1.3

Результаты измерений

	Параметр	Единицы измерения			Способ определения		Результаты измерений										Результаты статистической обработки
							1		2		3		4		5		М		
	Высота столба жидкости в водомерной трубке, Н	м			измерение
	Давление по механическому манометру (2), РМ изм	кгс/см2			измерение
	Давление по механическому манометру (4), РМв изм	кгс/см2			измерение
	Расчетная величина давления, РМв расч	кгс/см2

Поправка к механическому мановакууметру, Р2

кгс/см2

Контрольные вопросы

1. Какое давление (абсолютное или избыточное) показывает механиче­ский (жидкостной) манометр?

2. Как перевести показания манометра в международную систему единиц (СИ)?

3. Для чего используется измерительный комплекс с осциллографированным изменением параметров?

4. Что представлено на осциллограмме записи давления?

5. Для чего выполняется статистическая обработка результатов измере­ний.

Литература

1. Байков, О.В. Лабораторный курс гидравлики и насосов / О.В. Байков и др. – М: Госэнергоиздат, 1961 – 248 с.

2. Статистическая обработка экспериментальных данных: методические указания по выполнению лабораторной работы. – Орел: ОФМИП, 1992. – 20 с.

3. Физический энциклопедический словарь / Под ред. А.М. Прохорова. – М.: Советская энциклопедия, 1983. – 928 с.