Лабораторная работа № 7 измерение давления

Цель работы - усвоение теоретического материала по разделу термодинамики «Параметры состояния рабочего тела», а также овладение навыками пользования измерительными приборами и датчиками при экспериментальном определении давления.

ЗАДАНИЕ

1. Экспериментальным путем определить избыточное давление воздуха в сосуде при помощи трубчато-пружинных манометров, а также атмосферное давление при помощи барометра.

2. Рассчитать абсолютное давление в сосуде.

3. Сравнить показания манометров, определить погрешности измерений и сделать выводы.

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

Давление относится к числу распространенных измеряемых физических величин. Контроль за протеканием большинства технологических процессов в тепловой и атомной энергетике, химической и пищевой промышленности связан с измерением давления или разности давлений газовых и жидких сред.

Давление характеризует нормально распределенную силу, действующую со стороны тела на единицу поверхности другого.

Если действующая среда - жидкость или газ, то давление, характеризуя внутреннюю энергию среды, является одним из основных параметров состояния.

Различают атмосферное, избыточное, вакуумметрическое и абсолютное давления. Средства измерения давления и разности давлений называются манометрами. Последние подразделяются на барометры, манометры избыточного давления, вакуумметры и манометры абсолютного давления в зависимости от измеряемого ими соответственно атмосферного, избыточного, вакуумметрического и абсолютного давлений. Манометры, предназначенные для измерения давления или разрежения в диапазоне до 40 кПа, называются напоромерами и тягомерами. Тягонапоромеры имеют двустороннюю шкалу с пределами измерения до  20 кПа. Дифференциальные манометры применяются для измерения разности давлений.

В зависимости от принципа, используемого для преобразования силового воздействия давления на чувствительный элемент в показания или пропорциональные изменения другой физической величины, средства измерения давления разделяются на жидкостные, деформационные, грузопоршневые, электрические, ионизационные и тепловые.

1. Жидкостные манометры и дифманометры

В жидкостных манометрах измеряемое давление или разность давлений уравновешивается давлением столба жидкости. В приборах используется принцип сообщающихся сосудов, в которых уровни рабочей жидкости совпадают при равенстве давлений над ними, а при неравенстве занимают такое положение, когда избыточное давление в одном из сосудов уравновешивается гидростатическим давлением избыточного столба жидкости в другом. Большинство жидкостных манометров имеют видимый уровень рабочей жидкости, по которому производится непосредственное снятие показаний. Эти приборы используются в лабораторной практике и при проведении промышленных испытаний.

1.1. Двухтрубные жидкостные манометры и дифманометры

Такие приборы часто называются U-образными. Принципиальная схема такого манометра представлена на рис. 7.1.

Две вертикальные сообщающиеся стеклянные трубки I, 2 закреплены на основании 3, к которому прикреплена шкальная пластинка 4. Трубки заполняются рабочей жидкостью до нулевой отметки. В трубку 1 подается измеряемое давление, трубка 2 сообщается с атмосферой. При измерении разности давлений к обеим трубкам подводятся измеряемые давления. Столб жидкости высотой h уравновешивает разность давлений

Р₁ - Р₂ = gh (7.1.)

где  - плотность рабочей жидкости, кг/м³;

g - местное ускорение свободного падения, м/с²;

Как следует из рисунка

h = h₁ + h₂ (7.2.)

В качестве рабочей жидкости используются вода, ртуть, спирт, трансформаторное масло. Если плотность среды над рабочей жидкостью соизмерима с плотностью последней, то выражение (7.1.) видоизменяется:

P₁ - P₂ = (₁ - ₂)gh, (7.3.)

где _1, ₂ - соответственно плотности рабочей жидкости и среды над ней, кг/м³.

Для исключения влияния капиллярных сил в манометрах используются стеклянные трубки с внутренним диаметром 8…10 мм.

Двухтрубные манометры с водяным заполнением используются для измерения давления, разрежения, разности давлений воздуха и неагрессивных газов в диапазоне до  10 кПа. При заполнении ртутью пределы измерения расширяются до  0,1 МПа; при этом измеряемой средой могут быть вода, неагрессивные жидкости и газы.

Согласно выражению (7.2.) источниками погрешностей двухтрубных манометров являются отклонения от расчетных значений местного ускорения свободного падения, плотностей рабочей жидкости и среды над ней, ошибки в считывании высот h₁ и h₂.

1.2. Однотрубные жидкостные манометры (чашечные)

Применяются для повышения точности отсчета разности высот уровней. У однотрубного манометра (рис. 7.2.) одна трубка заменена широким сосудом, в который подается большее из измеряемых давлений. Трубка, прикрепленная к шкальной пластине является измерительной и сообщается с атмосферой при измерении разности давлений к ней подводится меньшее из давлений. Рабочая жидкость заливается в манометр до нулевой отметки.

Под действием давления часть рабочей жидкости из широкого сосуда перетекает в измерительную трубку. Поскольку объем жидкости, вытесненной из широкого сосуда, равен объему жидкости, поступившей в измерительную трубку

h₁F₁ = h₂F_2, h₁ = h₂F₂ / F₁, (7.4.)

где F_1, F₂ - площади поперечных сечений сосуда и измерительной трубки, м² ;

h₁, h₂ – отклонения уровней жидкости от нулевой отметки, м.

При F₁  F₂, h₁  h₂ и если F₁ / F₂  400, то изменением уровня в широком сосуде пренебрегают и при измерении учитывается только изменение уровня в измерительной трубке.

Минимальный диапазон измерения однотрубных манометров с водяным заполнением составляет 1,6 кПа.

1.3. Микроманометры

Для измерения давления и разности давлений до 3 кПа используются микроманометры, которые являются разновидностью однотрубных манометров и снабжены приспособлениями либо для уменьшения цены деления шкалы, либо для повышения точности считывания высоты уровня за счет использования оптических или других устройств. Наиболее распространенными лабораторными микроманометрами являются микроманометры типа ММН с наклонной измерительной трубкой (рис. 7.3.). Показания микроманометра определяются по длине столбика рабочей жидкости l в измерительной трубке 1, имеющей угол наклона . Исходя из равенства объемов рабочей жидкости, вытесненной из широкого сосуда 2 в измерительную

Рис.7.3. Микроманометр типа ММН

трубку 1, получаем

h₁F₁ = lF_2, h₁ = lF₂ / F₁, (7.4.)

где h₁- изменение уровня в широком сосуде, м;

F_1, F₂ - площади поперечных сечений широкого сосуда и трубки.

Поскольку h₂= l sin.

P₁ - P₂ = ρgl (h₁ + h₂) = ρgl (F₂ / F₁ + sin) (7.5.)

При определенной плотности рабочей жидкости ρ_р, в качестве которой обычно используется спирт, и нормальном ускорении свободного падения g_н все сомножители при l в выражении (7.5.) обозначают коэффициентом К , изменяющимся от 0,2 до 0,8.

На рис. 7.3. кронштейн 3 с измерительной трубкой 1 крепится на секторе 4 в одном из пяти фиксированных положений, которым соответствуют К = 0,2; 0,3; 0,4; 0,6; 0,8 и пять диапазонов измерения прибора от 0,6 кПа до 2,4 кПа. Приведенная погрешность измерения не превышает 0,5 %.

1.4. Поплавковые дифманометры

Они являются разновидностью однотрубных манометров, но не имеют видимого уровня рабочей жидкости (рис. 7.4.).

В широком сосуде I, куда подается большее из измеряемых давлений, плавает поплавок 2. Его перемещение, определяемое измеряемой разностью давлений, передается показывающей стрелке или записывающему

у стройству. Выпускаются показывающие и самопишущие поплавковые дифманометры типа ДП, имеющие семь типоразмеров сменных сосудов, обеспечивающих измерение разности давлений от 6,3 кПа до 0.1 МПа при статическом давлении до 25 МПа. Предельные погрешности приборов не превышают  2 % диапазона измерения.

Основным недостатком показывающих и самопишущих поплавковых дифманометров является наличие вывода механического перемещения из внутренней полости прибора, часто находящейся под высоким статическим давлением.

Достоинствами жидкостных манометров и дифманометров являются их простота и надежность при высокой точности измерений.

При работе с жидкостными приборами необходимо исключать возможность перегрузок и резких изменений давления, что может привести к выплескиванию рабочей жидкости в линию или атмосферу.