Изучение конструкции и проверка работоспособности

Лабораторная работа
Тема. Изучение конструкции и проверка работоспособности
технического манометра
Цель: 1 Изучить принцип действия и конструкцию одновиткового
трубчатого манометра
2 Изучить принцип действия и конструкцию грузопоршневого манометра
3 Определить работоспособность технического манометра
Теоретическое обоснование
Давление – это сила, действующая на единицу площади.
Приборы для измерения давления обычно классифицируются по принципу действия и по роду
измеряемой величины.
По принципу действия приборы для измерения давления делятся на :
1) жидкостные, основанные на уравновешивании измеряемого давления
гидростатическим давлением столба жидкости;
2) грузопоршневые, в которых измеряемое давление уравновешивается внешней
силой, действующей на поршень;
3) деформационные (пружинные), измеряющие давление по величине деформации
различных упругих элементов или по развиваемой ими силе;
4) электрические, основанные либо на преобразовании давления в какую-нибудь
электрическую величину, либо на изменении электрических свойств материала под действием
давления.
По роду измеряемой величины приборы для измерения давления и разрежения
делятся на:
1) манометры — приборы для измерения абсолютного и избыточного давления;
2) вакуумметры — приборы для измерения разрежения (вакуума);
3) мановакуумметры — приборы для измерения избыточного давления и вакуума;
4) напоромеры (микроманометры) — приборы для измерения малых избыточных
давлений;
5) тягомеры (микроманометры) — приборы для измерения малых разрежении;
6) тягонапоромеры (микроманометры) — приборы для измерения малых давлений и
разрежении;
7) дифференциальные манометры — приборы для измерения разности двух давлений,
ни одно из которых не является давлением окружающей среды;
8) барометры — приборы для измерения барометрического давления атмосферного
воздуха.
Жидкостные приборы
Среди большого разнообразия приборов, применяемых для измерения давления,
простейшими и вместе с тем самыми точными являются U-образные жидкостные манометры,
основные разновидности которых представлены на рис.1.
Верхним пределом разности давлений (P1-P2) измеряемой U-образными манометрами
с визуальным отсчетом показаний считается величина 1,96·105 Н/м2 (2 кг/см2).
Рисунок 1- Типы жидкостных манометров
Эта величина определяется прочностью стеклянных трубок, условиями получения
герметичности в соединениях стекла с металлом или резиной.
U-образный манометр (рис.1а) представляет собой две сообщающиеся трубки,
заполненные до половины затворной жидкостью (вода, ртуть, спирт, трансформаторное
масло). Отсчет производят по шкале, имеющей нулевую отметку в равновесном состоянии.
Разность уровней H определяет измеряемое избыточное давление P1.
где, j - удельный вес затворной жидкости. Основным недостатком U-образных
манометров является необходимость снятия при каждое замере двух отсчетов. Этот
недостаток частично устранен в чашечном манометре (рис.1б), состоящем из сосудов разного
диаметра. Измеряемое давление подается к широкому сосуду, а тонкая трубка сообщается с
атмосферой.
При точных измерениях небольших избыточных давлений и разряжений применяют
специальные чашечные манометры с наклонной измерительной трубкой (рис. 1в). Линейное
перемещение мениска в измерительной трубке такого манометра связано с величиной h
соотношением:
( 1)
где, - угол наклона измерительной трубки. Так как
, то
, благодаря
чему увеличивается точность отсчета. Минимальный угол наклона трубки 8-10°.
Грузопоршневые манометры
Грузопоршневые манометры в основном применяются для градуировки и поверки
различных видов пружинных манометров.
Прибор состоит из колонки, укрепленной на станине прибора. В колонке имеется
вертикальный цилиндрический канал, в котором движется пришлифованный поршень,
несущий на верхнем конце тарелку для установки грузов. Верхняя часть колонки снабжена
воронкой для сбора масла, просачивающегося через зазор между поршнем и цилиндром.
В станине высверлен горизонтальный канал, в расширенной части которого движется
посредством винтового штока поршень 7, уплотненный манжетами. Канал в станине
соединяется с каналом колонки и каналами двух бобышек, предназначенных для укрепления
поверяемых манометров. Кроме того, с каналом станины соединен канал воронки 8, которая
служит для заполнения системы маслом.
1 — колонка; 2 — поршень; 3 и 8 — воронки; 4 — бобышки; 5 — канал; 6 — тарелка;
7 — поршень; 9 — 13 — вентили.
Рисунок 2 - Схема образцового поршневого манометра
Каналы снабжены игольчатыми вентилями 9—12 для отсоединения их от канала
станины. Назначение вентиля 13— спуск масла из прибора. Максимальное давление,
создаваемое грузами, 4,90 МН/м2 (50 кгс/см2). Для поверки манометров на большее давление
пользуются поршневым прессом, отсоединив от прибора поршневую колонку 1 вентилем 10. В
качестве прибора сравнения применяют образцовый пружинный манометр, присоединяя его к
одной из бобышек 4, а поверяемый прибор — к другой бобышке.
Деформационные приборы
Работа пружинных приборов основана на уравновешивании давления среды силами,
возникающими при упругой деформации специальных элементов. Пружинные манометры и
вакуумметры отличаются простотой устройства, надежностью действия, широким
измерительным диапазоном и достаточно высокой точностью.
Пружинные приборы давления можно классифицировать по виду пружины,
преобразующей давление или усилие в перемещение. По этому признаку можно разделить
пружинные приборы давления на следующие группы:
1. Приборы с трубчатой манометрической пружиной (рис. 3а; 3б).
2. Мембранные приборы, в которых преобразование давления в перемещение
осуществляется упругой мембраной (рис. 3в), анероидной или манометрической мембранной
коробкой (рис. 3г; 3д), блоком анероидных или манометрических коробок (рис. 3е, 3ж).
3. Сильфонные приборы, где упомянутое преобразование осуществляется сильфоном
(рис. 3з).
4. Приборы, в которых импульсное давление преобразуется в усилие, действующее на
стержневую пружину того или иного типа. Из числа распространенных приборов к этой
группе относятся:
а) пружинно-поршневые (рис. 3и);
б) пружинно-мембранные приборы с гибкой мембраной (рис.3,.2к);
в) пружинно-колокольные (рис. 3л),
г) пружинно-сильфонные приборы (рис. 3м).
В одновитковых и многовитковых пружинных манометрах измеряемое давление
подается во внутреннюю полость пружины. Один конец пружины, соединенный с нипелем,
неподвижен, а другой, запаянный - свободен и соединен с показывающей системой. Пружины
изготавливаются из латуни и других медных сплавов, а для высоких давлений - из стали.
Поперечное сечение пружины представляет собой эллипс, большая ось которого "a"
перпендикулярна к плоскости витка пружины. При повышении давления поперечное сечение
пружины "округляется" и при этом малая ось "b" эллипса увеличивается, а угол
закручивания пружины уменьшается. Изменения этих величин и
связаны между
собой отношением
( 2)
Таким образом, изменение угла закручивания пружины пропорционально начальному
значению угла и деформации малой оси сечения
Рисунок 3 – Типы деформационных элементов
Шкала пружинного манометра равномерная, так как пружина работает в зоне
пропорциональности между напряжением и деформацией.
Перемещение свободного конца одновитковой пружины невелико (менее 5-8 мм),
поэтому для увеличения угла поворота стрелки манометра применяют передаточные
механизмы -- рычажный или зубчатый (секторный).
Манометры с одновитковой пружиной изготавливаются образцовые, контрольные и
технические; классы точности от 0,2 до 4. Их помещают в корпусах диаметром 60, 80, 100,
150, 200 и 500 мм. Пределы измерения от 1 до 10.000кг/см2. На базе одновитковых пружинных
манометров выпускаются вакуумметры и мановакуумметры.
Манометры с трубчатой пружиной широко применяют для изменения давления и
разрежения в различных производственных процессах. Их преимущество: простота
устройства, надежность в работе, компактность, большой диапазон измерения - от 0,2 до 10
000 кгс/см2 (0,02 - 1000 МПа).
Принцип действия манометров с одновитковой трубчатой пружиной, основан на
уравновешивании неизвестного давления с известной силой упругой деформации трубчатой
пружины. Под действием давления сечение трубки стремиться принять круглую форму,
вследствие чего трубка разворачивается на величину, пропорциональную давлению. При
снижении давления до атмосферного трубка принимает первоначальную форму.
Общий вид манометра с трубчатой пружиной показан на рисунке 4.
Основной деталью манометра является одновитковая трубчатая пружина 3,
представляющая собой согнутую по окружности трубку с сечением в форме эллипса или
овала. Трубчатая пружина изготовляется из бронзы, латуни или стали в зависимости от
назначения прибора и пределов измерения. Один конец трубки впаян в держатель 2 со
штуцером 1, который предназначен для присоединения манометра к источнику давления.
Второй конец трубки свободный, герметически закрыт. Держатель имеет плату 4, которая
винтами крепится к корпусу прибора. На этой плате при помощи двух винтов 5 укреплен
передаточный механизм. К свободному концу трубчатой пружины шарнирно присоединена
тяга 10. Другой конец этой тяги присоединяется к хвостовику зубчатого сектора 3. Хвостовик
зубчатого сектора имеет прорезь (кулису), вдоль которой при регулировке прибора можно
перемещать конец тяги 10. Зубчатый сектор удерживается на оси 9 и входит в зацепление с
маленькой шестеренкой, называемой трибкой. Трибка жестко насажена на ось стрелки. Для
устранения мертвого хода стрелки, при снятии давления, манометр снабжается упругим
волоском в специальной формы, изготовленным из фосфористой бронзы. Внутренний конец
волоска крепится к оси стрелки, а внешний - к неподвижной части прибора.
Под воздействием давления внутри трубки свободный конец её перемещается и тянет
за собой тягу 10 и поворачивает зубчатый сектор и трубку, на оси которой насажена стрелка.
Конец стрелки показывает на шкале прибора величину измеряемого давления. Максимальный
угол раскручивания трубчатой пружины при верхнем пределе измерения (конечном значении
шкалы) составляет 6° - 8°. Увеличение угла поворота стрелки достигается с помощью
передаточно-множительного механизма (зубчатого сектора и трибки).
Рисунок 4 - Манометр с трубчатой пружиной
Многовитковая трубчатая пружина представляет собой последовательное соединение
6-9 одновитковых пружин, благодаря чему она имеет сравнительно большое перемещение
свободного конца и развивает значительное усилие. В связи с этим многовитковые пружины
широко применяются в самопишущих манометрах.
В лабораторных манометрах упругим элементом является упругая металлическая
мембрана, мягкая мембрана (например, резиновая) с дополнительной пружиной. Мембранные
манометры применяются для измерения давлений агрессивных и вязких сред; и этом случае
упругая мембрана защищается прокладкой.
Недостатками мембранных манометров являются малая чувствительность системы,
трудность регулировки, изменение характеристик во времени из-за "усталости" мембраны.
Гармоникообразная мембрана обладает высокой чувствительностью, в связи с чем она
широко применяется в технических приборах (сильфонные манометры типа МС, вторичные
приборы в пневматической агрегатной системе АУС). Сильфонные манометры типа МС
применяются для измерений давлений до 5 кг/см2, класс точности 1,5 для манометров и 2,5
для вакуумметров и мановакуумметров.
Электрические приборы
Принцип действия основан на зависимости электрических характеристик
чувствительного элемента от давления. К числу таких приборов следует отнести
пьезоэлектрические манометры, емкостные и индуктивные манометры ионизационные и
электрические вакуумметры с термосопротивлением.
У пьезоэлектрического манометра при приложении давления на металлических
обкладках, соприкасающихся с кварцевыми пластинами (либо с пластинами изсегнетовой соли
или турмалина), возникает заряд q , величина которого связана с давлением Р соотношением:
(3)
Уде, S -площадь пластинки;
К - пьезоэлектрическая постоянная, для кварца К=2,1 • 10-11к/кг.
Измерительный прибор подключают к зажимам пьезоэлектрического манометра через
электронный усилитель. Достоинством пьезоэлектрического манометра является малая
инерционность
Действие электрического манометра сопротивления основано на зависимости
электропроводности некоторых сплавов от давления среды, окружающей проводник. В
качестве материала проводника обычно применяется манганин. Сопротивление проводника в
зависимости от давления изменяется по линейному закону:
(4)
где,
сопротивление проводника при нормальном атмосферном давлении;
- сопротивление проводника при избыточном давлении Р;
К - пьезокоэффициент, для манганина в пределах от
до
см2/кг.
Ход работы
Определение работоспособности технического манометра
Периодичность поверки технических манометров с одновитковой трубчатой
пружиной - 1 раз в год, мембранных, сильфонных - 1 раз в два года. Поверка должна
проводиться при температуре окружающего воздуха 30˚С.
Поверка приборов производится при соблюдении следующих условий:
- температура окружающего воздуха должна быть в пределах 20±3°С при проверке
приборов класса точности 0,15 и 20±5°С - при проверке приборов класса точности 0,25;
- перед поверкой приборы должны быть выдержаны при указанной температуре не
менее 12 ч;
-в процессе выдержки и поверки температура должна оставаться постоянной или
изменяться за каждые 30 мин. не более чем на 0,5 и ГС для приборов класса точности 0,15 и
0,25 соответственно;
-относительная влажность окружающего воздуха, уровень вибрации, а также скорость
изменения давления при поверке не должны превышать значений, указанных в ГОСТ 6521-72.
Поверка приборов производится в соответствии с ГОСТ 8.161-75.
При подготовке средств измерений к работе необходимо:
• провести внешний осмотр;
• заземлить в соответствии с инструкцией по эксплуатации прибор и установить его в
рабочее положение;
• установить органы управления в исходное положение;
• проверить функционирование (опробовать).
При внешнем осмотре должно быть установлено: количество механических
повреждений корпуса, переключателей; наличие штатных принадлежностей, необходимых для
проведения измерений, оттиска доверительного клейма или соответствующей отметки в
формуляре (паспорте); надежное крепление кабеля питания и гнезд для подключения внешних
цепей к средству измерения. Проверка функционирования органов управления должны
выполняться в соответствии с инструкцией по эксплуатации средств измерений и контроля.
Поверка – это установление пригодности СИТ, на которые распространяется
Государственный Метрологический надзор к применению на основании контроля их метрологических
характеристик. Проводить поверку необходимо в нормальных условиях (температура t=200C,
атмосферное давление 760мм.рт.ст., влажность = 85%).
Внешний осмотр. При проведении внешнего осмотра необходимо проверить четкость
фиксации переключателя, плавность регулировки элементов, расположенных на передней панели.
Общий принцип поверки
1 Поверка манометров образцовых проводятся по действующим ГОСТам и методическим
указаниям сличением показаний деформационных манометров и других деформационных
измерительных преобразователей давления с величиной давления, создаваемого подвижной частью
колонки и грузами, подогнанными под номинальное значение давления.
1 — колонка; 2 — поршень; 3 и 8 — воронки; 4 — бобышки; 5 — канал; 6 — тарелка;
7 — поршень; 9 — 13 — вентили.
Рисунок 3 - Схема образцового поршневого манометра
2 Приборы для поверки и калибровки подключают к безрезьбовым захватам 4
манометра (рис 3) с помощью шайб или переходных втулок из комплекта поставки, установив
предварительно под поверяемые приборы уплотнительные прокладки. При этом поверяемые
приборы разворачивают лицевой стороной, удобной для наблюдения. Смотрим чтобы был
выставлен ноль, если ноль не стоит то корректором нуля выставляется ноль.
3. После подключения приборов необходимо открыть вентили 12 .
На колонку 2 положить 6 груза, подогнанных под номинальное значение давления.
4. Закрыть вентили и с помощью скальчатого ручного насоса 7создать начальное
избыточное давление..
5. При работе, вращая по часовой стрелке рукоятку пресса, плавно повышайте
давление в гидросистеме манометра, вращая рукоятку против часовой стрелки, плавно
понижайте давление.
6. Необходимое эталонное давление задаётся комплектом грузов, подогнанных под
номинальное значение давления, плюс давление, создаваемое самим поршнем с
грузоприёмным устройством.
С помощью пресса поршень колонки во время измерений необходимо поддерживать в
рабочем положении (верхняя кромка ограничительной втулки находится между рисками указателями рабочего хода поршня, предпочтительно, в среднем положении).
Во время снятия показаний поршень должен вращаться со скоростью, не менее 30
об/мин. По окончании работы вращением рукоятки против часовой стрелки, опустить поршень
колонки в крайнее нижнее положение, открыть вентили 12 и 13 сбросить давление.
7 Поверку производят при повышении (прямом ход) и при понижении
давления (обратный ход), т.е. при прямом (п/х) и обратном ходе (о/х).
8 Результаты поверки заносят в таблицу поверки (таблица 1).
9 Определить наибольшую приведенную погрешность прибора и дать заключение
о возможности его дальнейшей эксплуатации
10 Таблица 1 – Результаты поверки
Значение
измеряемой
величины
кгс/см2
Показания образцового
прибора
кгс/см2
прямой ход
обратный
ход
Абсолютная погрешность
прямой ход
Вариация
обратный
ход
0
2
4
6
8
10
Контрольные вопросы
1. На чем основан принцип действия манометра с одновитковой трубчатой пружиной?
2. На чем основан принцип действия грузопоршневого манометра?
3. Что является чувствительным элементом трубчатого манометра?
4. Для чего служит передаточно-множительное устройством?
5. Чем устраняется «мертвый» ход стрелки?
6. Для чего манометры окрашивают в разные цвета?
7. Как выбрать шкалу образцового манометра для поверки технических манометров?
8. При каком значении давления устанавливают стрелку манометра?
9. С какой целью устанавливают угол 90° и как?
10. Как настраивают показания манометра на максимум?
11. Какие правила по технике безопасности необходимо соблюдать при выполнении
работы?