Лабораторная работа 3. Поверка образцового манометра

Лабораторная работа 3. Поверка образцового манометра

Цель работы: Изучить состав образцового манометра; углубление знаний по основам датчиков давления, приобретение навыков экспериментального исследования частных задач.

Задание: определить коэффициент

Задание:

1. Изучить принципу действия манометры на метрологическом стенде датчиков давления.

а) По техническому описанию образцового манометра изучить его состав, при этом уделить особое внимание на комплектующие устройства и на выполняющие ими функции;

б) Изучить рекомендации по поверке датчиков давления.

 

1 Основные понятия измерение давления

Давление является одним из важнейших физических параметров, и его измерение необходимо как в расчетных целях, например для определе­ния расхода, количества и тепловой энергии среды, так и в технологиче­ских целях, например для контроля и прогнозирования безопасных и эф­фективных гидравлических режимов напорных трубопроводов, исполь­зуемых на предприятии.

Давлением Р называют отношение абсолютной величины нормаль­ного, то есть действующего перпендикулярно к поверхности тела, вектора силы F к площади S этой поверхности. При равномерном распределении сил давление равно частному от деления нормальной составляющей силы давления на площадь, па которую эта сила действует.

 

2 Виды измеряемых давлений

На практике давления газообразных и жидких сред могут измеряться относительно двух различных уровней (рис. 1.1):

- уровня абсолютного вакуума, или абсолютного нуля давления

- идеализированного состояния среды в замкнутом пространстве, из которо­го удалены все молекулы и атомы вещества среды;

- уровня атмосферного, или барометрического давления (ГОСТ 8.271-77).

Рис. 3.1. Виды измеряемых давлений в точках 1, 2, 3 физического процесса

ДБ - давление барометрическое; ДА — давление абсолютное: ДИ - давление избыточное; ДВ - давление вакуумметрическос; ДД - давление дифференциальное

 

Давление, измеряемое относительно вакуума, называют давлением абсолютным (ДА). Барометрическое давление (ДБ) - это абсолютное дав­ление земной атмосферы. Оно зависит от конкретных условий измерения: температуры воздуха и высоты над уровнем моря. Давление, которое больше или меньше атмосферного, но измеряется относительно атмо­сферного, называют соответственно избыточным (ДИ) или давлением раз­режения, вакуумметрическим (ДВ). Очевидно, что ДА=ДБ+ДИ или ДА=ДБ-ДВ. При измерении разности давлений сред в двух различных процессах или двух точках одного процесса, причем таких, что ни одно из давлений не является атмосферным, такую разность называют дифферен­циальным давлением (ДД).

3 Классификация средств измерения давления

Для прямого измерения давления жидкой или газообразной среды с отображением его значения непосредственно на шкале, табло или индика­торе первичного измерительного прибора применяются манометры (ГОСТ 8.271-77). Если отображение значения давления на самом первич­ном приборе не производится, но он позволяет получать и дистанционно передавать соответствующий измеряемому параметру сигнал, то такой прибор называют измерительным преобразователем давления (ИНД) или датчиком давления. Возможно объединение этих двух свойств в од­ном приборе (манометр-датчик).

Манометры классифицируют по принципу действия и конструкции, по виду измеряемого давления, по применению и назначению, по типу

Рис. 3.2. Классификация манометров отображения данных и другим признакам (рис. 3.2).

 

По принципу действия манометры можно подразделить на:

- жидкостные (измеряемое давление уравновешивается гидро-статически столбом жидкости (воды, ртути) соответствующей высоты);

- деформационные (давление определяется по величине деформации
и перемещения упругого чувствительного элемента (УЧЭ) - мембраны,
трубчатой пружины, сильфона);

- электрические (давление определяется на основании зависимости
электрических параметров: сопротивления, емкости, заряда, частоты – чув-ствительного элемента (ЧЭ) от измеряемого давления).

- грузопоршневые (измеряемое или воспроизводимое давление гид­
ростатически уравновешивается через жидкую или газообразную среду
прибора давлением веса поршня с грузоприемным устройством и комплек­
том образцовых гирь);

По виду измеряемого давления манометры подразделяют на:

- собственно манометры (приборы для измерения избыточного и аб­
солютного давления);

- вакуумметры (приборы для измерения разрежения);

- мановакуумметры (приборы для измерения давления и разреже­
ния);

- барометры (приборы для измерения атмосферного давления);

- дифференциальные манометры (дифманометры) (приборы для из­
мерения разностного давления);

- напоромеры (приборы для измерения небольших (до 20-40 кПа) из­
быточных давлений газовых сред);

- тягомеры (приборы для измерения небольших (до 20-40 кПа) раз­
режений газовых сред);

- тягонапоромеры (приборы для измерения небольших (до 20-40
кПа) избыточных давлений и разрежений газовых сред);

- микроманометры (дифманометры с малым перепадом давления).
Технические характеристики всех этих средств измерения давления

определяются соответствующими общими техническими условиями (ГОСТ 2405-88, ГОСТ 18140-81 и др).

По области применения манометры подразделяют на:

- общепромышленные или технические (работающие в про­
мышленных условиях при перепадах температур и влажности окружаю­
щей среды, вибрациях, загрязнении внешней среды и т.п.);

- лабораторные (приборы повышенной точности для использования в
комфортных и стабильных условиях лабораторий);

- образцовые (для поверки рабочих манометров);

- эталонные (хранители единиц давления с целью передачи их образ­
цовым приборам);

- специальные (применяются в экстремальных условиях: на железно­
дорожном транспорте, судах, котельных установках, при работе с кислот­
ными и другими агрессивными средами).

По типу отображения значений измеряемого давления манометры подразделяют на:

- прямопоказывающие (с визуальным считыванием данных непо­
средственно по аналоговой (стрелочной) или цифровой шкале прибора);

- сигнализирующие (электроконтактные) (с выдачей управляющего
электрического сигнала путем замыкания или размыкания контактов при
достижении измеряемым давлением заранее установленного контрольного
значения);

- регистрирующие (самопишущие) (с записью в память значений
давления как функции времени и их отображением на электронном табло).

Манометры выполняют функцию локального контроля и в большин­стве случаев из-за отсутствия возможности дистанционного доступа к их показаниям (за исключением манометров с унифицированным выходным электрическим сигналом) не могут использоваться для целей современной автоматизации. Такую возможность обеспечивают измерительные преоб­разователи давления.

Классифицируются эти приборы по принципу действия, виду изме­ряемого давления и типу выходного сигнала (рис. 3.3). ИПД различаются, кроме того, по используемым единицам измерения и ряду основных тех­нических параметров (ГОСТ 22520-85).

По принципу действия или способу преобразования измеряемого давления в выходной сигнал ИПД подразделяются, прежде всего, на:

- деформационные (деформационные перемещения упругого чувст­
вительного элемента (мембраны, сильфона, трубки Бурдона) трансформи­
руются с помощью дополнительных промежуточных механизмов и преоб­
разователей в электрический или электромагнитный сигнал);

- электрические (измеряемое давление, оказывая воздействия на чув­
ствительный элемент, изменяет его собственные электрические параметры: сопротивление, ёмкость или заряд, которые становятся мерой этого давле­ния).

В последние годы получили развитие и другие принципы создания ИПД: волоконно-оптические, гальваномагнитные, объемного сжатия, аку­стические, диффузионные и т.д.

Рис.3.3. Классификация измерительных преобразователей

давления

По виду измеряемого давления ИПД подразделяются на:

- преобразователи абсолютного давления (ДА);

- преобразователи избыточного давления (ДИ);

- преобразователи вакууметрического давления (ДВ);

- преобразователи избыточного/вакууметрического давления (ДИВ);

- преобразователи дифференциального давления (ДД);

- преобразователи гидростатического давления (ДГ).

По выходному сигналу ИПД подразделяются на:

- аналоговые (измеряемое давление преобразуется в аналоговый
унифицированный пневматический или электрический сигнал);

- цифровые.

Основной парк действующих ИПД относится к аналоговым с уни­фицированным токовым сигналом С..5, 0...20 или 4...20 мА. В последнее десятилетие наметился переход к ИПД с цифровым выходом. Широкое распространение получил цифровой протокол HART. Этот открытый стан­дартный гибридный протокол двунаправленной связи предусматривает пе­редачу цифровой информации поверх стандартного аналогового сигнала 4...20 мА, Бурно развивается системная интеграция первичных преобразо­вателей с использованием различных разновидностей промышленных се­тей (Foundation Fieldbus, ModBus, Profibus и др.). При этом используется полностью цифровой коммуникационный протокол для передачи инфор­мации в обоих направлениях между ИПД и системами управления, суще­ственно облегчая взаимозаменяемость приборов разных мировых произво­дителей. В отечественных цифровых ИПД пока преобладают такие цифро­вые интерфейсы, как ИРПС (интерфейс радиальной последовательной свя­зи) и RS-232C.

Манометры с трубчатой пружиной - один из наиболее распростра­ненных видов деформационных приборов. Чувствительным элементом та­ких приборов является согнутая но дуге окружности и запаянная с одного конца трубка 1 (трубка Бурдона) эллиптического, плоскоовального сечения или круглого сечения (рис. 3.4). Третий вид трубок выполняют из легиро­ванной стали и используют для измерения высоких давлений (свыше 98 МПа).

Рис. 3.4. Трубчатая пружина Бурдона: а - эллиптического сечения; б — плоскоовального сечения; в - круглого сечения; 1 - трубка; 2 - держатель

Одним концом трубка заделана в держатель 2, оканчивающийся ниппелем с резьбой для присоединения к полости, в которой измеряется давление. Внутри держателя есть канал, соединяющийся с внутренней полостью трубки. Если в трубку подать жидкость, газ или пар под избыточным давлением, то кривизна трубки уменьшается и она распрямляется; при создании разрежения внутри трубки кривизна ее возрастает, и трубка скручивается. Свойство изогнутой трубки некруглого сечения изменять величину изгиба при изменении давления обусловлено изменением формы сечения. Под действием давления внутри трубки эл­липтическое или овальное сечение, деформируясь, приближается к круговому, что приводит к раскручиванию трубки, т.е. угловому перемещению ее свободного конца на небольшую величину Δ;.

В трубках круглого сечения, благодаря эксцентричному каналу, из­быточное давление, действуя на заглушку свободного конца трубки, созда­ет момент, вызывающий уменьшение ее кривизны. Это перемещение в оп­ределенных пределах пропорционально измеряемому давлению.

Перемещение свободного конца до определенного предела пропорционально давлению Δ =k·Р. При дальнейшем повышении давления линейная зависимость нарушается - деформация начинает расти быстрее увеличения давления. Предельное давление, при котором еще сохраняется линейная зависимость между перемещением конца трубки и давлением, называется пределом пропорциональности трубки Р_п. Предел пропорциональности является важнейшей характеристикой трубки. При переходе давления за предел пропорциональности трубка приобретает остаточную деформацию и становится непригодной для измерения. Чтобы не допустить возникновения остаточной деформации, наибольшее рабочее давление Р _{т ах} (разрежение или разность давлений) назначают ниже предела пропорциональности Р_п. Отношение Р_и/Р_тах ⁼ к называется коэффициентом запаса. Во всех случаях коэффициент к должен быть больше единицы. Для максимального увеличения долговечности трубки и снижения влияния упругого последействия принимают к = 1,35 ÷2,5.

В соответствии с этим шкалу манометра (верхний предел измерения) выбирают таким образом, чтобы рабочий предел измерения (наибольшее рабочее давление) был не более 3/4 верхнего предела измерения при по­стоянном давлении и не более 2/3 верхнего предела измерения при пере­менном давлении.

Верхние пределы измерения манометра выбирают из ряда: (1; 1,6; 2,5; 4 и 6) • 10^п, где п - целое положительное или отрицательное число.

Перемещение Δ свободного конца трубки под действием давления весьма невелико, поэтому в конструкцию прибора введен передаточный механизм, увеличивающий масштаб перемещения конца трубки. Конст­рукция манометра с трибко-секторным передаточным механизмом показа­на на рис, 3.5.

Манометры с трубчатой пружиной изготовляют на давление до 1000 МПа.

Рис. 3.5. Манометр с трубчатой

пружиной: 1 - ниппель; 2 - держатель; 3 - кор­пус; 4 - ось; 5 - шестерня; 6 - пружи­на; 7 - трубчатая пружина; 8 - запаян­ный конец; 9 - зубчатый сектор; 10 -стрелка; 11 - тяга.

Рис. 3.7. Мембрана и ее прогиб

Мембранные приборы. Приборы с чувствительным элементом в виде плоских и гофрированных мембран, мембранных коробок и мембран­ных блоков применяют для измерения небольших избыточных давлений и разрежений (манометры, напоромеры и тягомеры), а также перепадов дав­ления (дифманометры).

Мембрана представляет собой тонкий диск определенного диаметра, выполненный из металла или специ­ального упругого материала, который жестко закрепляется по периметру в измерительном блоке (рис. 3.8). Под воздействием измеряемого давления Pi (при условии Р₁> P₂, где Р₂ - внеш­нее давление) происходит прогиб мембраны на величину h, что в дальней­шем приводит к преобразованию этого перемещения во вращательное движение стрелки прибора.

a) б) Рис. З.8. Упругие мембраны: a - плоская; б - гофрированная

Мембраны делят на упругие и «вялые». Упругие мембраны выпол­няют из тонких металлических пластин (сталь, бронза, латунь). Они обла­дают достаточно большой собственной жесткостью, их статические харак­теристики, представляющие зависимость перемещения h центра мембраны или развиваемой силы от давлений Р₁ и Р₂ или перепада Δ Р=Р₁ - Р₂, обыч­но нелинейны. Применяют плоские и гофрированные упругие мембраны (рис.3.8, а,б). Наличие гофров делает статическую характеристику мембра­ны более линейной.

Упругие мембраны используют, преимущественно, как чувствитель­ные элементы в первичных преобразователях, например, в дифманометрах. «Вялые» мембраны выполняют из прорезиненной тонкой ткани (ка­прон, шелк, полотно). К ним предъявляют два требования - отсутствие собственной жесткости и большая прочность. Эти требования вытекают из основного назначения «вялых» мембран - преобразовывать большие пере­пады давлений в силу при крайне малых перемещениях (порядка сотых долей мм). «Вялые» мембраны обычно снабжены металлическим жестким центром. Они также могут быть плоскими и гофрированными.

Рис. 3.9. Мембранные чувствительные элементы: а - мембранная коробка; б - мембранный блок

Величина прогиба мембраны является сложной функцией дейст­вующего на нее давления, ее геометрических параметров (диаметра, тол­щины, числа и формы гофров), а также модуля упругости материала мем­браны. Число, форма и размеры гофра зависят от назначения прибора, пре­делов измерения и других факторов. Гофрировка мембраны увеличивает ее жесткость, т.е. уменьшает прогиб при одинаковом давлении. Из-за слож­ности расчета в большинстве случаев характеристику мембраны подбира­ют опытным путем.

Для увеличения про­
гиба в приборах для малых
давлений (разрежений)

мембраны попарно соеди­няют (сваркой или пайкой) в мембранные коробки (рис. 3.10,а), а коробки - в мем­бранные блоки (рис. 3.10,6).

Сильфонные приборы. Сильфон - это тонкостенная металлическая камера с гофрированной боковой поверхностью (рис. 3.11). Изготавливают сильфоны из латуни, а также из нержавеющей стали или бериллиевой бронзы. Они применяются в качестве чувствительных элементов приборов давления, которые своевременно и точно реагируют на изменение давле­ния.

При действии нагрузки (внешнего Р₂ или внутреннего Р₁ давления) длина сильфона изменяется, увеличиваясь или уменьшаясь в зависимости от направления приложенной силы. Наличие гофров позволяет перемещать подвижную часть сильфона на значительное расстояние (десятки миллиметров) без заметного изменения его характеристик. Выходная координата сильфона - перемещение h, входные - давления Р₁ и Р₂ или их разность Δ Р.

Рис. 3.10. Сильфон

Существенными недостатками сильфонов являются значительный гистерезис и некоторая нелинейность характеристики. Для увеличения жесткости, уменьшения влияния гистерезиса и нелинейности часто внутрь сильфона помещают винтовую цилиндрическую пружину. В этом случае характеристика сильфона изменяется, так как к жесткости сильфона добавляется жесткость пружины. Жесткость пружины обычно в несколько раз превышает жесткость сильфона, благодаря чему резко уменьшается влияние гистерезиса сильфона и некоторой нелинейности его характеристики. Расчетные формулы основных размеров сильфонов весьма сложны и не всегда подтверждаются опытом. Обычно диаметр сильфонов находится в пределах 20 - 80 мм.

 

4 Источники создания давления

Источники создания давления предназначены для создания избыточного, абсолютного давления и разрежения в образцовом и поверяемом (калибруемом) средстве измерений давления. Входят в состав калибраторов давления, а также поставляются отдельно.

Таблица 1

Фото изделия	Диапазон задания давления, МПа	Габаритные размеры, мм	Масса, кг, не более	Комплект поставки
	Помпа ручная пневматическая. Модель П-0,04
корпус из ABS-пластика с передней алюминиевой панелью. Вентиль точной настройки и лавного сброса давления. Кинематика привода - поршневая плюс винтовая, создание избыточного давления и разрежения с разрешающей способностью 1 Па. Нестабильность создаваемого давления при выходном давлении менее ±400 Па е более 0,4 Па при изменении температуры окружающей среды ±0,25*С в течение 20 с. Две линии выхода давления
от минус 0,04 до 0,04	220x230x110		-помпа; -пневмошлэнг-01* - 2 шт.; -штуцеры No 1, 12, 15; -набор уплотнительных колец ЗИП
	Помпа ручная пневматическая. Модели П-0,25М; П-0,25; П-0,25МП
Алюминиевый корпус. Вентиль точной настройки и плавного сброса давления, кинематика привода - поршневая плюс винтовая. создание избыточного давления и разрежения. 1лавное задание низкого давления. Две линии выхода давления. П-0,25 и П-0.25МП - сборка с подставкой
П-0,25М;П-0,25МП; от минус 0,09 до 0,25. П-0,25: от минус 0,063 до 0,25	П-0,25М; 200x95x50. П-0,25: 245x125x90,	П-0,25М: 0,55. П-0,25: 1,75. П-0,25МГ 0,8.	- помпа; - пневмошланг-01*; - штуцеры переходные* No 1, 14, 15; - набор уплотнительных колец и прокладок; - поставка (только П-0,25; П-0,25МП)
	Насос ручной пневматический. Модели Н-2,5; Н-2,5У
Алюминиевый корпус. Вентиль точной настройки и плавного сброса давления, кинематика привода - рычажно-поршневая плюс винтовая, создание избыточного давления и разрежения. Плавное задание низких давлений
Н-2,5: от минус 0,08 до 1. Н-2,5У: от минус 0,09 до 1	100x230x40	0.6	-насос; -пневмошланг-04* -штуцеры переходные* No 1, 14, 15; -набор уплотнительных колец и прокладок
	Насос ручной пневматический на подставке. Модели Н-2,5П; Н-2.5ПУ
сборка с подставкой и рычагом, удлиняющим ручку насоса, создание высокого давления при малых усилиях. 3 остальном аналогичен модели Н-2,5
Н-2.5П: от минус 0,08 до 2,5. Н-2,5ПУ: от минус 0,09 до 2,5	315x110x40	0,9	-насос; -пневмошланг-04*; -штуцеры переходные* No 1, 14, 15; -штуцеры переходные* No 1, 14, 15; -набор уплотнительных колец и прокладок; -подставка с рычагом
	Насос ручной пневматический. Модель Н-2,5М
Алюминиевый корпус. Вентиль точной настройки и плавного сброса давления. Кинематика привода - рычажно-поршневая плюс винтовая. Создание избыточного давления. Две линии выхода давления. Плавное задание низкого давления.
от 0 до 2,5	100x180x85	0,45	- насос; -пневмошланг-04*; -штуцеры переходные* No 1, 14, 15 -набор уплотнительных колец и прокладок;

 

4.1 Общие указания

4.1.1 При получении насоса необходимо установить сохранность тары. В случае ее повре­ждения следует составить акт и обратиться в транспортную организацию.

4.1.2 Проверить комплектность насоса в соответствии с настоящим руководством.

4.1.3 Все пожелания по усовершенствованию конструкции и характеристик насоса просим направлять в адрес предприятия-изготовителя.

4.2 Подготовка к использованию

4.2.1 Работать с насосом можно в любом пространственном положении, при этом в возду­хе не должно быть вредных примесей, вызывающих коррозии его деталей.

4.2.2 Для создания давления свыше 1.0 МПа рекомендуется положить насос на ровную твёрдую поверхность ручкой со стороны колпачка точной настройки Придерживая насос за кор­пус, нажимать на верхнюю ручку (положение насоса показано на рис 4.1).

4.3 Использование насоса.

4.3 1 Проведение поверки при задании давления.

При работе с калибратором, необходимо вывернуть заглушку (7) из футорки (8).

Рисунок 4.1

 

Установить прокладку на штуцер модуля давления. Ввернуть модуль давления в футорку (8) насоса до упора (модули давления поставляются в составе калибраторов серии "Метран"). Ро­зетку кабеля модуля давления подсоединить к ответной части на электронном блоке калибрато­ра.

Поверяемый прибор подсоединить к щтуцеру (9) через пневмошланг. Если резьба -накидной гайки пневмошланга не подходит для подсоединения к поверяемому прибору, следует использовать один из переходных штуцеров, поставляемых с насосом.

Закрутить игольчатый винт (11) узла точной регулировки (10).

Внимание!

При закручивании игольчатого винта не применяйте значительных усилий, достаточно лёг­кого усилия пальцев для обеспечения герметичности. Чрезмерное усилие при закручивании приведёт.ч быстрому выводу из строя фторопластового уплотнения (вставки).

Создать требуемое избыточное давление в модуле и поверяемом приборе, поработав ручками насоса, при этом необходимо увеличивать усилие на ручки насоса к концу хода поршня. Вращением колпачка (10) узла точной регулировки достичь заданной величиныдавления.

Для затухания термодинамических процессов рекомендуется после создания давления произвести выдержку в течение 10 мин.

Провести поверку прибора в соответствии с методикой поверки прибора.

По окончании поверки сбросить давление в системе до атмосферного, открутив игольча­тый винт (11) и отсоединить поверяемый прибор от пневисшланга.

 

4.4 Проверка работоспособности

4.4.1 Проверка работоспособности насоса проводится посла получения его от изготовите­ля (входной контроль), а также в процессе работы с насосом, для определения его рабочего состояния.

4.4.2 Проверить плавность и легкость перемещения поршня насоса, вращения деталей
узла точной регулировки.

4.4.3 Проверка насоса на герметичность

Подсоединить к штуцеру (поз. 9) через пневамошланг манометр типа МО по ТУ25.05.1б64-74 с верхним пределом измерений не более 6,0 МПа. отверстие М12*1,5 насоса заглушить проб­кой (поставляется с насосом)

Создать насосом давление равное 2,5 МПа.

Система считается герметичной, если после 10 мин. выдержки под указанным давлением, падение давления в последующие 2 мин. по манометру не наблюдается.

Таблица 1

Результаты измерения при поверке манометра МЭД.

 

Показания образцового манометра, кгс/см2	Показания поверяемого манометра, кгс/см2	Погрешность	Вариация
Прямой ход	Обратный ход	Прямой	Обратный
0,4
0,8
1,2
1,6

На следующем этапе проводим обработку результатов наблюдений.

Делаем ряд наблюдений при измерении и заносим данные в таблицу 2.

 

Таблица 2

Результаты наблюдений при измерении манометром типа МЭД.

 

Порядковый № наблюдений при измерении	Нормы параметров из ТУ, НТД, чертежа, технического процесс и т.д.
Пределы измерения, кгс/см2	Цена деления шкалы	Погрешность измерения	Показания пробора менометра	Средний суммарный результат
				0,400
	0-16	0,001	0,002	0,403	0,401±0,007
				0,401