ИЗМЕРЕНИЕ ДАВЛЕНИЯ

Раздел 3. МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ЛАБОРАТОРНЫМ РАБОТАМ ПО ТЕХНИЧЕСКОЙ ТЕРМОДИНАМИКЕ

Лабораторная работа № 1

ИЗМЕРЕНИЕ ДАВЛЕНИЯ

Задание

1. Измерить несколько величин разряжения в баллоне водяным и пружинным вакуумметрами.

2. По показаниям водяного вакуумметра и барометра определить соответ­ствующие значения абсолютного давления в баллоне в Паскалях и техничес­ких атмосферах. Выразить одно из этих давлений в мм рт.ст. и физических атмосферах.

3. По данным водяного и пружинного вакуумметра построить поправоч­ную кривую для пружинного прибора.

Основные теоретические положения

В практике теплотехнического эксперимента различают абсолютное, избыточное и вакуумметрическое давление.

Абсолютное давление является одним из основных параметров состояния рабочего тела. С точки зрения термодинамического взаимодействия разность давлений двух тел - это движущая сила механического взаимодействия между ними. Молекулярно-кинетическая теория рассматривает давление как совокуп­ный результат ударов молекул газа о поверхность, с которой они соприка­саются. В количественном отношении давление определяется как сила, приложенная по нормали к единице поверхности соприкосновения. Величина абсолютного давления р пропорциональна среднему числу молекул в единице объема газа n и средней кинетической энергии теплового движения молекул mω²/2:

(1.1)

Если в этом уравнении положить n = 0 то и р = 0.

Отсюда следует, что абсолютное давление р отсчитывается от нуля, чем и объясняется его название. Поскольку непосредственное измерение абсолют­ного давления связано с определенными техническими трудностями, на прак­тике обычно пользуются давлением, отсчитываемым не от нуля, а от величины атмосферного, или барометрического давления р_бар. В связи с этим приходится различать вакуумметрическое давление р_в. (разряжение, вакуум) и избыточное (манометрическое) давление р_и. Связь между названными величинами легко уяснить из рисунка 1.1.

Рисунок 1.1 – Связь между давлениями

Вакуумметрическим давлением называется разность между атмосферным давлением и абсолютным, причем р_бар > р. Избыточным давлением называется разность между абсолютным давлением и атмосферным, причем р > р_бар. Вели­чина абсолютного давления р определяется расчетом по формулам, указанным на рисунке 1.1.

Приборы для измерения давления различаются по назначению и принципу действия. Приборы, предназначенные для измерения избыточного давления, называются манометрами, для измерения атмосферного давления – барометрами, для измерения вакуума – вакуумметрами. Для измерения разности давлений используют дифференциальные манометры (дифмано­метры). Манометры, измеряющие малые давления, называются микромано­метрами.

Принцип измерения давления основан на уравновешивании усилия, создаваемого давлением рабочего тела на некоторую площадку, весом столба жидкости или деформацией различного рода пружин. Для измерений неболь­ших избыточных давлений и разрежений используют U-образные жидкостные манометры (рисунок 1.2) и чашечные жидкостные манометры (рисунок 1.3).

В качестве рабочей жидкости применяют чаще всего воду (иногда – ртуть, спирт и другие жидкости). Внутренний диаметр стеклянной трубки должен быть не менее 8 мм, так как при меньшем диаметре начинают проявляться капиллярные свойства жидкости. При заполнении U-образного манометра особое внимание следует обращать на чистоту внутренней поверхности трубки и рабочей жидкости, так как загрязнения искажают форму мениска и могут привести к погрешностям измерения.

Избыточное давление р_и в баллоне, измеряемое с помощью U-образного манометра, можно выразить в миллиметрах столба рабочей жидкости h (рисунок 1.2 б) или в паскалях по следующей формуле:

(1.2)

где g – ускорение свободного падения, м/с²;

h – разность уровней жидкости, м;

ρ, ρ_с – соответственно плотность рабочей жидкости и среды над рабочей жидкостью, кг/м³.

Разряжение в баллоне р_в = р_бар - р (рисунок 1.2 а) уравновешивается весом столба жидкость h. Если плотность жидкости ρ, то имеем равенство:

(1.3)

Рисунок 1.2 – Жидкостные U-образные приборы для измерения давления (вакуумметр (а) и манометр (б)):

1 – стеклянная трубка; 2 – рабочая жидкость (ртуть); 3 – шкала; р_бар, р – соответственно атмосферное давление и давление в баллоне; 4 – положение менисков при р_бар = р.

При использовании жидкостных приборов следует помнить, что плот­ность жидкости зависит от температуры. Следовательно, одно и то же давление рабочего тела может соответствовать разным столбам жидкости h. Поэтому показания жидкостных приборов с помощью поправочных таблиц или формул приводятся к одной и той же температуре (обычно 0 ^оС). Для этого нужно предварительно вспомогательным прибором измерить температу-

ру столба жидкости.

Жидкостные приборы, в отличие от пружинных, не содержат механи­чески соединенных твердых частей, поэтому обладают большей точностью и постоянством показаний. Точность отсчета показаний U-образного манометра (вакуумметра) невооруженным глазом обычно составляет ±(1 ÷ 2) мм столба рабочей жидкости или ±(10 ÷ 20) Па.

Чашечный манометр (рисунок 1.3) представляет собой U-образный манометр, у которого одно колено выполнено в виде широкого сосуда. Измеряемое давление, действуя на поверхность рабочей жидкости в широком сосуде, заставляет ее подниматься вверх по стеклянной измерительной трубке. Поскольку сечение сосуда намного больше сечения трубки, то изменением уровня в сосуде можно пренебречь и измерение давления свести к отсчету высоты жидкости в измерительной трубке без существенного ухудшения точности измерений.

Рисунок 1.3 – Чашечный манометр

1 – стеклянная трубка; 2 – рабочая жидкость; 3 – градуировочная шкала; 4 – широкий сосуд (чаша) для барометрической жидкости.

Для измерения малых перепадов давления (от 10² до 2·10³ Па) воздуха используют микроманометры. В качестве рабочей жидкости используют этиловый спирт. Разность высот уровней рабочей жидкости уравновешивает измеряемое давление и, согласно схеме (рисунок 1.4), равна:

(1.4)

Рисунок 1.4 – Микроманометр с наклонной трубкой

1 – наклонная стеклянная трубка; 2 – широкий сосуд (чаша) для барометрической жидкости.

Если F₁ и F₂ – площади сечений наклонной трубки и сосуда, то вследст­вие равенства объемов nF₁ = h₂F₂, поэтому h = n(sinα + F₁/F₂). Следовательно, избыточное давление (Па), измеряемое микроманометром

(1.5)

Этой формуле можно придать иной вид, если измерять давление в кгс/м², прировнять ускорение свободного падения g = 9,8066 м/с² и принять F₁/F₂ = 0, что имеет место при F₁/F₂ > 1/400, тогда

(1.6)

где k = ρg sinα – постоянная прибора.

Механические приборы измерения давления основаны на принципе деформации различного рода упругих чувствительных элементов и изготавливаются в виде тягомеров, напоромеров, барометров, манометров, вакуумметров и мановакуумметров. Эти приборы применяют в широком диапазоне измерения, как в лабораторных, так и в промышленных условиях. Они просты, дешевы и портативны.

Наибольшее распространение при измерении давления от 0 до 1000 МПа получили манометры с трубчатой пружиной. Манометры в зависимости от их назначения подразделяются на образцовые типа М0 классов точности 0,16; 0,25 и 0,4; повышенной точности типа МТИ классов точности 0,6 и 1, а так же технические классов точности 1; 1,6 и 2,5. Манометры образцового типа М0 выпускают с верхним пределом измерений от 0,1 до 60 МПа.

На рисунке 1.5 показано устройство манометра с трубчатой пружиной Бурдена. Один конец трубчатой пружины 1 закреплен в держателе 6, который снабжен штуцером 7 для соединения с объектом измерения давления. Запаян­ный конец пружины соединен поводком 5 с передаточным механизмом, состоящим из сектора 4 и зубчатого колеса 2, на оси которого закреплена стрелка манометра 3.

Рисунок 1.5 – Манометр с одновитковой трубчатой пружиной:

1 – трубчатая пружина Бурдена; 2 – зубчатое колесо; 3 – стрелка; 4 – зубчатый сектор; 5 – поводок; 6 – держатель; 7 – штуцер.

Под влиянием избыточного давления трубчатая пружина деформируется и через секторный передающий механизм поворачивает стрелку манометра. У манометров такого типа угол поворота стрелки практически пропорционален измеряемому давлению, поэтому шкала таких манометров равномерная. Вакуумметры и мановакуумметры с одновитковой трубчатой пружинной имеют аналогичную конструкцию.

Применяя приборы с трубчатой пружиной, следует иметь в виду, что в условиях переменной температуры изменяется модель упругости чувстви­тельного элемента (пружины), что вызывает необходимость введения поправок к показанию прибора. Кроме того, стабильность показаний рассма­триваемых манометров нарушается явлениями гистерезиса и остаточной деформацией, поэтому манометры следует подвергать проверке и, при необходимости, градуировке не реже одного раза в год.

В мембранных дифманометрах в качестве чувствительного элемента применяется мембрана, связанная через поводок с зубчатым сектором и зубчатым колесом со стрелкой. Изменение давления вызывает деформацию мембраны и перемещение показывающей стрелки. В сильфонных манометрах упругим элементом является гармониковая пружина (сильфон), ход которой пропорционален приложенному давлению.

Принцип действия поршневых манометров основан на уравновешивании сил, создаваемых, с одной стороны, измеряемым давлением, а с другой – грузами и поршнем, расположенным в цилиндре. О величине измеряемого давления можно судить по величине веса грузов и поршня или по перемещению последнего. Поршневые манометры делятся на образцовые и рабочие. Образцовые используются для поверки и градуировки пружинных манометров. Рабочие поршневые манометры служат для измерения давления в промышленных условиях. Из-за сложности и сравнительно высокой цены поршневые манометры не нашли широкого применения в измерительной

практике.

В промышленности и технике нашли применение и манометры других типов, например, электрические манометры (электрические индикаторы давления). Они позволяют измерять быстропеременные давления, высокие и сверхвысокие давления. Принцип их действия основан на различных физических явлениях, например, изменении сопротивления проводников при воздействии внешнего давления, изменении электрической емкости, явлении индукции и др.

Примером является электрический прибор ИКД-27 (измерительный комплекс давления). Блочная схема прибора ИКД-27 приведена на рисунке 1.6. Измеряемое давление воспринимается упругим чувствительным элементом (ЧЭ), перемещение которого (h) преобразуется индукционным преобразователем (ИП) в электрический сигнал постоянного тока, пропор­циональный измеряемому давлению.

Питание индукционного преобразователя осуществляется от генера­тора (Г), который преобразует постоянное стабилизированное стабилизатором (С) напряжение 9 ± 0,5 В в переменное напряжение с амплитудой порядка 12 В и частотой 28 кГц. Выходное напряжение индукционного преобра­зователя (ИП) выпрямляется выпрямителем (В) и поступает на выходные клеммы прибора в виде напряжения постоянного тока, пропорционального измеряе­мому давлению. Это напряжение регулируется вольтметром.

Рисунок 1.6 – Блочная схема прибора ИКД-27:

С – стабилизатор; Г – генератор; ИП – индукционный преобразо­ватель; В – выпрямитель; ЧЭ – чувствительный элемент.

Единицы измерения давления устанавливаются в соответствии с опреде­лением этой величины по схеме:

В международной системе единиц измерения СИ давление измеряется в Паскалях (Па). Паскаль равен давлению, вызываемому силой 1 Н, равномерно распределенной по поверхности площадью 1 м², расположенной перпен­дикулярно направлению силы (1 Па = 1 Н/м²). Поскольку для технических приложений эта единица слишком мелкая, применяется другая единица измерения давления – 1 КПа = 10³ Н/м², 1 МПа = 10⁶ Н/м² и т.д. Используются также внесистемные единицы давления: техническая атмосфера (ат), равная 1 кгс/см²; метр водного столба (м вод.ст.) и миллиметр ртутного столба (мм рт.ст.), отнесенные к следующим условиям: для воды к 4 ^оС, для ртути к 0 ^оС, и ускорению свободного падения, равному 9,80665 м/с². Связь между единицами давления дается в приложении I.

Дата добавления: 2014-11-14; просмотров: 1017; Нарушение авторских прав

Мы поможем в написании ваших работ!