DEGTYREV
.pdfВ Международной системе единиц (SI) единица давления - паскаль (1 Па = 1 Н / м2). Эта единица весьма мала, поэтому на практике используют кратные единицы: килопаскаль (1 кПа = 103 Па) и мегапаскаль (1 МПа =
=106 Па). Кроме них применяются внесистемные единицы давления:
∙миллиметр водяного столба: 1 мм вод. ст. = 9,80665 Па;
∙миллиметр ртутного столба (торр): 1 мм рт. ст. = 133,332 Па;
∙килограмм-сила на квадратный сантиметр (техническая атмосфера): 1 кгс/см2 = 1 атм = 98,0665
кПа;
∙бар: 1 бар = 100 кПа;
∙физическая атмосфера: 1 физ. атм = 101,325 кПа.
В данной работе в процессе метрологической аттестации средства измерения давления - манометра - должна быть определена его основная погрешность. Экспериментальное определение основной погрешности производится методом сравнения показаний аттестуемого манометра с показаниями рабочего эталона (эталонного манометра) с последующей обработкой результатов наблюдений. Аттестация проводится в нескольких точках, достаточно равномерно расположенных в пределах шкалы прибора.
Эксперимент выполняется при температуре в помещении (20 ±3)°С; в противном случае в показания образцового манометра должна быть внесена поправка, указанная в его паспорте.
Вкаждой заданной точке проводят многократные наблюдения с последующей статистической обработкой их результатов. Для этого давление в системе плавно увеличивают от нуля до максимального значения, производя отсчет показаний в намеченных точках. Затем систему выдерживают в течение пяти минут под давлением, равным верхнему пределу измерений. Аттестацию продолжают при плавном снижении давления, отсчитывая показания во всех заданных точках. Процедуру повторяют 5...10 раз.
Впроцессе статистической обработки результатов наблюдений в каждой заданной точке выявляют и отбрасывают те из них, которые следует считать выбросами (грубыми ошибками, промахами), и рассчитывают следующие параметры:
∙среднее арифметическое x результатов наблюдений;
∙стандартное отклонение S(x) результатов наблюдений;
∙стандартное отклонение S( x ) среднего арифметического;
∙доверительные границы ±ε случайных погрешностей при заданной доверительной вероятности Р;
∙доверительный интервал å.
Далее рассчитывают инструментальную погрешность погрешности атт аттестуемого манометра.
Результатом метрологической аттестации может быть подтверждение или уточнение характеристик погрешности испытуемого средства измерений. В частности, может быть подтвержден или изменен класс точности манометра.
Средства измерений
Средства измерений давления классифицируют по следующим характеристикам: виду измеряемого давления; принципу действия; классу точности; назначению.
По виду измеряемого давления различают:
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
∙ манометры - измерительные приборы для измерения давления или разности давлений (ГОСТ 8.271-
77);
∙вакуумметры - средства измерений давления разреженного газа;
∙мановакуумметры - приборы, позволяющие измерять как избыточное давление, так и давление разреженного газа;
∙дифференциальные манометры - приборы для измерений разности давлений;
∙микроманометры - приборы для измерений малых давлений;
∙барометры - средства измерений атмосферного давления.
По принципу действия различают манометры:
∙ жидкостные (рис.1), принцип действия которых основан на уравновешивании измеряемого давления давлением столба жидкости (вода, глицерин, ртуть, спирт и др.);
p
h |
h1 h |
|
|
p |
p |
l |
|
h2 |
|
|
h1 |
|
|
h2 |
|
а |
б |
|
в |
Рис.1. Жидкостные манометры: а - U-образный; б - чашечный;
в- микроманометр
∙деформационные (рис.2), в которых силы, создаваемые давлением или разрежением контролируемой среды на чувствительный элемент, уравновешиваются силами упругих деформаций пружин, мембран, сильфонов и других упругих элементов;
p1 p1
|
p2 |
p2 |
а |
б |
в |
|
|
p1 |
|
p1 |
|
|
p2 |
p2 |
|
г |
д |
Рис.2. Деформационные манометры: а - пружинный; б, в - с мембранными коробками; г - мембранный; д - сильфонный
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
∙ грузопоршневые (рис.3), в которых измеряемое давление уравновешивается давлением, создаваемым суммарной массой поршня и калиброванных грузов с учетом сил жидкостного трения;
|
|
1 |
4 |
5 |
6 |
|
||
|
|
2 |
5
3
Рис.3. Грузопоршневой манометр: 1 - калиброванные грузы; 2 - рабочий поршень; 3 - вспомогательный поршень; 4 - штурвал; 5 - клапаны; 6 - поверяемый манометр
∙ электрические (рис.4 и 5), в которых используются электрические эффекты (пьезоэлектрические, тензометрические и др.), возникающие при деформации упругих деталей, вызванной действием на них
давления. |
преобразовательИзмерительный.5.Рис тензометрического |
|
соединительные-2;мембранапроволочки; 3 - внешние |
-5;изолятор-4;выводыкорпус; 6 - штуцер |
|
R:манометра |
|||
|
|
сапфироваяэлектротензометры1-; |
|
|
|
|
- |
|
|
|
|
4 |
|
|
|
|
, R |
|
|
|
|
3 |
|
|
|
|
, R |
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
, R |
|
|
|
2 |
1 |
|
|
|
|
|
|
|
4 |
|
|
|
|
|
3 |
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
Рис.4. Измерительный преобразователь |
пьезоэлектрического манометра: 1, 2 - пьезоэлементы; 3, 4 и 5 - металлические прокладки; 6 - проводник; |
7 - мембрана; 8 - штуцер; 9 - шарик; 10 - крышка |
|
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
Класс точности - обобщенная характеристика средства измерений, отражающая уровень его точности и выражаемая пределами допускаемых основной и дополнительной погрешностей. В большинстве случаев класс точности принимается равным отношению (выраженному в процентах) абсолютной основной погрешности средства измерений к верхнему пределу измерения или диапазону измерений. Для рабочих средств измерений давления ГОСТ 2405-88 устанавливает следующие классы точности: 0,4; 0,6; 1,0; 1,5; 2,5; 4,0. Основная погрешность этих СИ определяется при температуре окружающей среды 20 или 23 °С. Конкретное значение температуры устанавливается в технических условиях на соответствующий тип прибора. Допустимое отклонение температуры зависит от класса точности прибора:
±2 °С - для классов 0,4; 0,6 и 1,0; ±3 °С - для классов 1,5; 2,5 и 4,0.
По назначению манометры подразделяют на:
∙эталонные, которые используются для воспроизведения, хранения и передачи размера единиц давления в целях обеспечения единства измерений; в эту группу включены государственные первичные и специальные эталоны, вторичные и рабочие эталоны;
∙общепромышленные (рабочие), предназначенные для измерения давления непосредственно на рабочих местах.
Наибольшее распространение получили деформационные средства измерений давления (см. рис.2).
Деформация упругого элемента в виде линейного или углового перемещения передается показывающему или регистрирующему устройству, а также может быть преобразована в сигнал измерительной информации для дистанционной передачи.
В качестве чувствительного элемента используют:
∙трубчатые пружины (см. рис.2,а);
∙упругие мембраны и мембранные коробки (см. рис.2,б, в, г);
∙сильфоны (см. рис.2,д).
Трубчато-пружинные манометры принадлежат к числу самых распространенных средств измерений давления. Верхние пределы измерения манометров рассмотренного типа - 60 кПа ... 250 МПа. Класс точности рабочих манометров - 0,6 ... 4; эталонных - 0,16; 0,25; 0,4.
Устройство пружинного манометра с трубчатой пружиной (трубкой) представлено на рис.6.
Рис.6. Конструкция пружинного манометра: 1 - корпус; 2 - держатель; 3 - полая трубчатая пружина; 4 - штуцер; 5 - поводок; 6 - зубчатый сектор; 7 - триб; 8 - стрелка; 9 - шкала манометра; 10 - спиральная пружина
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
В корпусе 1 закреплен держатель 2, в который впаяна одним концом полая трубка 3, согнутая по дуге окружности на угол 180...300°. Другой конец трубки свободен и запаян. Трубчатая пружина может быть одно- и многовитковой, с различной формой поперечного сечения - эллиптической, плоскоовальной тонкостенной (эти пружины называют трубками Бурдона), плоскоовальной толстостенной, с эксцентрическим каналом и др. Под воздействием положительного избыточного давления, подведенного через штуцер 4 к ее внутренней полости, трубка стремится распрямиться (при вакуумметрическом давлении - закрутиться). Перемещение свободного конца трубки через поводок 5 передается зубчатому сектору 6, который посредством зацепления приводит во вращение зубчатое колесо (триб) 7 с закрепленной на нем стрелкой (указателем) 8. Угол поворота стрелки пропорционален измеряемому давлению, значение которого считывается по шкале 9. Для устранения свободного хода передаточного механизма триб подпружинен с помощью спиральной волосковой пружины 10.
Мембранные манометры применяются для измерения небольших избыточных и вакуумметрических давлений. Класс точности данных приборов - 2,5.
Сильфонные манометры предназначены для измерения избыточного и вакуумметрического давления. Класс точности - 1 или 1,5.
Внешний вид лабораторной установки МЛИ-4 для поверки манометров представлен на рис.7. На основании 1 закреплены два ресивера (резервуара для запаса воздуха): малый 2 и большой 3. Соотношение объемов ресиверов 1:10. На каждом ресивере установлены клапаны (ниппели) 4 и 5 для закачивания и стравливания воздуха.
Рис.7. Лабораторная установка МЛИ-4: 1 - основание; 2 - малый ресивер; 3 - большой ресивер; 4 и 5 - ниппели; 6 - эталонный манометр; 7 - аттестуемый манометр; 8 - рабочий манометр; 9 - электронный блок;
10 - кнопка управления клапаном; 11 - светодиод; 12 - тумблер
Оба ресивера оснащены контрольно-измерительными средствами. Давление воздуха в большом ресивере измеряется эталонным 6 и аттестуемым 7 манометрами трубчато-пружинного типа, а также с помощью пневмопреобразователя, который формирует электрический сигнал, пропорциональный давлению
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
в ресивере 3 и поступающий в прецизионный усилитель электронного блока. Давление в малом ресивере контролируется рабочим манометром 8. Оба ресивера связаны между собой воздухопроводом, содержащим последовательно включенные пневмо-дроссель (устройство, регулирующее давление в воздухопроводе) и электромагнитный клапан с местным и дистанционным управлением (на рис.7 не показаны).
Большой ресивер заполняется воздухом с помощью компрессора. Регулируемый пневмодросселем пропуск воздуха из большого ресивера в малый осуществляется с помощью клапана. При включении клапана вырабатывается синхросигнал, поступающий на разъем соединения с персональным компьютером.
Для питания устройства контроля давления в ресиверах и управления электромагнитным клапаном в установке МЛИ-4 смонтирован электронный блок 9. На передней панели блока расположены: кнопка 10 местного управления электромагнитным клапаном и светодиод 11 индикации включенного состояния установки. На задней панели блока расположены: переключатель 12 "Сеть", предохранитель, элемент заземления, а также разъем соединения установки с персональным компьютером (на рис.7 не показаны).
Лабораторное задание
1. Установить последовательно заданные значения Nатт давления (по шкале аттестуемого манометра) и произвести его измерение с помощью эталонного манометра Nэт.
2. Определить основную абсолютную погрешность å аттестуемого манометра при каждом заданном значении давления Nатт.
3. Сделать вывод по результатам метрологической аттестации манометра.
Порядок выполнения работы
1.При домашней подготовке изучить раздел "Теоретические сведения", подготовить форму табл.1.
2.Ознакомиться с устройством установки МЛИ-4 и зарисовать ее схему.
3.Указанные преподавателем значения отметок по шкале аттестуемого манометра занести в форму
табл.1.
4.Подсоединить компрессор к ниппелю 5 установки (см. рис.7). Включить компрессор и довести давление в большом ресивере 3 до максимального значения по шкале аттестуемого манометра. Выдержать это давление в течение 5 минут.
5.Снять отсчет по шкале эталонного манометра 6 и занести его в форму табл. 1. Отсчеты округлять до половины цены деления шкалы.
6.Плавно снизить давление путем стравливания воздуха из большого ресивера через ниппель, доведя его до следующей заданной отметки по шкале аттестуемого манометра. Снять отсчет по шкале эталонного манометра и занести его в форму табл.1.
7.Повторить операции по пунктам 5 и 6 для всех заданных отметок шкалы аттестуемого манометра.
8.Процедуру по пунктам 5...7 повторить заданное число раз.
9.Вычислить значения основной абсолютной погрешности X аттестуемого манометра для всех экспериментальных данных и занести их в форму табл.1.
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
Форма табл.1
Экспериментальные и расчетные данные метрологической аттестации манометра
|
|
|
Отметки на шкале аттестуемого манометра, Па |
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Номер |
Nатт1 = |
|
Nатт2 = |
|
Nатт3 = |
|
Nатт4 = |
Nатт5 = |
|||||||
наблю |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
Показания Nэт эталонного манометра и значения |
Х |
|||||||||||||
дения |
|
|
|
погрешности аттестуемого манометра |
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
Nэт |
|
Х |
|
Nэт |
|
Х |
Nэт |
|
Х |
Nэт |
Х |
Nэт |
|
Х |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
5 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
6 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
7 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
8 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
9 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
10 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Расчетные параметры и их числовые значения
х
S(x)
S(x)
tq P
ε
ΔΣ
x ± ΔΣ
10. Провести статистическую обработку результатов наблюдений:
10.1.Проанализировать полученные значения X и выявить выбросы. Значения, отнесенные к выбросам, в последующих расчетах не учитывать.
10.2.Рассчитать среднее арифметическое значение х наблюдений для каждого заданного значения
давления Nатт,j.
10.3.Вычислить оценку стандартного отклонения S(x) результатов наблюдений для каждого заданного значения давления Nатт,i.
10.4.Вычислить оценку стандартного отклонения S( x ) для серии наблюдений.
10.5.Определить величину коэффициента Стьюдента tq (табл.2), задавшись доверительной вероятностью Рд.
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
10.6. Вычислить доверительные границы ε случайной погрешности результата измерения серии измерений при заданном значении доверительной вероятности Рд.
11. Сформулировать выводы по итогам метрологической аттестации манометра.
Таблица 2
Значения коэффициента Стьюдента
Число степеней |
Доверительная вероятность Рд |
|||||
свободы |
|
|
|
|
|
|
0,9 |
0,95 |
0,98 |
0,99 |
0,999 |
||
v = n – 1 |
||||||
|
|
|
|
|
||
1 |
6,31 |
12,71 |
31,71 |
61,70 |
636,62 |
|
2 |
2,92 |
4,30 |
6,97 |
9,92 |
31,60 |
|
3 |
2,35 |
3,18 |
4,54 |
5,84 |
12,92 |
|
4 |
2,13 |
2,78 |
3,75 |
4,60 |
8,61 |
|
5 |
2,02 |
2,57 |
3,37 |
4,03 |
6,87 |
|
6 |
1,94 |
2,45 |
3,14 |
3,71 |
5,96 |
|
7 |
1,89 |
2,36 |
3,00 |
3,50 |
5,41 |
|
8 |
1,86 |
2,31 |
2,90 |
3,36 |
5,04 |
|
9 |
1,83 |
2,26 |
2,82 |
3,25 |
4,78 |
|
10 |
1,81 |
2,23 |
2,76 |
3,17 |
4,59 |
|
11 |
1,80 |
2,20 |
2,72 |
3,11 |
4,44 |
|
12 |
1,78 |
2,18 |
2,68 |
2,68 |
4,32 |
|
13 |
1,77 |
2,16 |
2,65 |
3,01 |
4,22 |
|
14 |
1,76 |
2,14 |
2,62 |
2,98 |
4,14 |
|
15 |
1,75 |
2,13 |
2,60 |
2,95 |
4,07 |
|
16 |
1,75 |
2,12 |
2,58 |
2,92 |
4,02 |
|
17 |
1,74 |
2,11 |
2,57 |
2,90 |
3,97 |
|
18 |
1,73 |
2,10 |
2,55 |
2,88 |
3,92 |
|
19 |
1,73 |
2,09 |
2,54 |
2,86 |
3,88 |
|
20 |
1,72 |
2,09 |
2,53 |
2,85 |
3,85 |
|
21 |
1,72 |
2,08 |
2,52 |
2,83 |
3,82 |
|
22 |
1,72 |
2,07 |
2,51 |
2,82 |
3,79 |
|
23 |
1,71 |
2,07 |
2,50 |
2,81 |
3,77 |
|
24 |
1,71 |
2,06 |
2,49 |
2,80 |
3,75 |
|
25 |
1,71 |
2,06 |
2,49 |
2,79 |
3,73 |
|
26 |
1,71 |
2,06 |
2,48 |
2,78 |
3,71 |
|
27 |
1,70 |
2,05 |
2,47 |
2,77 |
3,69 |
|
28 |
1,70 |
2,05 |
2,47 |
2,76 |
3,67 |
|
29 |
1,70 |
2,05 |
2,46 |
2,76 |
3,66 |
|
30 |
1,70 |
2,04 |
2,46 |
2,75 |
3,65 |
|
Требования к отчету
Отчет должен содержать:
1)название и цель работы;
2)краткие теоретические сведения;
3)заполненную форму табл.1;
4)расчеты по обработке результатов наблюдений;
5)выводы по итогам метрологической аттестации манометра.
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
Контрольные вопросы
1.Поясните термин "метрологическая аттестация".
2.Что такое давление?
3.Назовите основные виды давления.
4.Назовите единицы измерения давления.
5.Каковы параметры статистической обработки результатов наблюдений?
6.Определите манометр как средство измерений.
7.Назовите виды манометров.
8.Опишите конструкцию трубчато-пружинного манометра.
9.Что определяет класс точности средства измерений?
10.Какие классы точности установлены для рабочих манометров?
11.Назовите основные элементы установки МЛИ-4.
12.Что такое ресивер и каковы его функции?
13.Какие манометры использованы в установке МЛИ-4?
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com