Грузопоршневые манометры

В грузопоршневых манометрах измеряемое давление уравновешивается силой тяжести неуплотненного поршня с грузами. Манометры используются в качестве образцовых средств воспроизведения единицы давления в диапазоне от 10^-1 до 10¹³ Па, а также для точных измерений давления в лабораторной практике.

Схема поршневого манометра, имеющего диапазон измерения 6 МПа (МП-60), представлена на рис. 11.3. Поршень 1 с тарелкой 2 для грузов 3 перемещается внутри цилиндра 4. Поршневая пара подгоняется таким образом, чтобы зазор между поршнем 1 и цилиндром 4 не превышал 0,01 мм.

При таком зазоре, даже при высоких давлениях, скорость опускания поршня, из-за утечки рабочей жидкости, не превышает 1 мм/мин. Для обеспечения равномерного зазора между цилиндром и поршнем последний в момент измерения вращают по часовой стрелке. В манометрах с диапазоном измерения 0,6 МПа и выше вращение поршня осуществляется вручную. В манометрах с диапазоном измерения 0,06 и 0,25 МПа вращение поршня производится электрическим двигателем.

Внутренняя полость поршневого манометра тщательно заполняется рабочей жидкостью (керосином, касторовым или трансформаторным маслом). Заливка жидкости производится при открытом вентиле 5 через отверстие в дне резервуара 6; поршнем 7 винтового пресса 8 жидкость засасывается внутрь манометра. С помощью пресса 8 в процессе измерения обеспечивается подъем поршня 1 с грузами до высоты, заданной указателем. К стоякам 9 с запорными вентилями 10 подключаются поверяемые манометры. Вентиль 11 служит для слива жидкости из поршневого манометра.

Для получения заданного давления на тарелку 2 с учетом ее массы с поршнем накладываются грузы, создающие определенную силу тяжести. При суммарной массе поршня с грузами m создаваемое давление

p = mg / S,

где S – эффективная площадь поршня 1, равная сумме площади торца поршня и половины площади зазора; g – ускорение свободного падения.

Учитывая, что калибровка грузов производится для нормального ускорения свободного падения, при измерениях должны вводиться поправки на местное ускорение свободного падения.

Площадь поршня в рассмотренной конструкции манометров составляет 0,5 и 1 см², что обеспечивает отсутствие прогиба поршня под тяжестью грузов. Класс точности манометров 0,02; 0,05. Давление во внутренней полости грузопоршневых манометров может создаваться винтовым прессом 8 без использования грузопоршневой колонки. В этом случае вентилем 12 колонка отключается, а создаваемое давление измеряется образцовым манометром, подключенным к одному из стояков 9.

Рис. 11.3. Схема грузопоршневого манометра МП-60

Низкая погрешность воспроизведения и измерения давления с помощью грузопоршневых манометров определяется высокой точностью задания массы грузов, площади сечения поршня и ускорения свободного падения.

Контрольные вопросы

1. Какие основные задачи решает метрологическая служба России?

2. Что понимают под единообразием средств измерений?

3. Что такое поверка средств измерений?

4. Для чего предназначены эталоны?

5. Что понимается под поверочной схемой?

6. На какие виды подразделяются поверочные схемы?

7. С какой целью проводится регулировка средств измерений?

8. Какую регулировку проводят для уменьшения аддитивной и мультипликативной погрешности?

9. Что такое градуировка или тарировка средств измерений?

10. Как выбирают соотношение между допустимыми погреш­нос­тями образцового и поверяемого средства измерения?

11. Какой принцип действия грузопоршневого манометра?

Заключение

В основе выбора датчика для обеспечения тех или иных измерений лежит принцип максимального соответствия требований измерений и возможностей (характеристик) датчика.

Адекватный выбор требует априорных знаний как об объекте измерений, так и о датчиках, из числа которых должен быть сделан выбор. Если требуемого соответствия достичь не удается, то необходимо убедиться, что требования к датчику являются принципиально реализуемыми, т.е. не противоречат природе вещей. При наличии такой уверенности приступают к разработке (заказу) недостающего датчика.

Последовательность логических шагов в реализации принципа максимального соответствия требований и возможностей схематически сводится к следующему.

1. Формулируются исходные данные, принципиально очерчивающие область поиска. К их числу относятся ожидаемый диапазон изменения измеряемого параметра и агрегатное состояние объекта измерения, например:

1) содержание газовой фазы в криогенной жидкости 0…100 %;

2) температура жидкого водорода –255…–250 °С;

3) температура воздуха –50…+150 °С.

Результатом этого шага является констатация наличия, как правило, обширной области (совокупности) датчиков определенного назначения, основанных на разных принципах преобразования, диапазон работы которых включает в себя требуемый диапазон измерений.

С каждым последующим шагом возможности выбора будут сокращаться, так как будет сужаться область поиска. Общим объединительным мотивом на всех этапах выбора необходимого датчика является непротиворечивое выполнение требований данного измерения.

2. Проводится обоснование выбора мест измерений параметра на объекте. Здесь может быть несколько важных соображений – экстремальность параметра в данном месте; представительность данного места для описания общей картины процессов на объекте; корреляция данного параметра в данном месте с другими параметрами, измерение которых намечается, и т.д.

Немаловажное значение имеет доступность данного места для размещения датчика. На этом шаге целесообразно рассмотрение альтернативных реализаций измерения требуемого параметра в данном месте.

Например, пусть необходимо измерить температуру потока криогенной жидкости в магистрали малого диаметра при высоком давлении. Анализ может привести к нежелательности нарушения целостности магистрали и приварки к ней штуцера для размещения датчика. Кроме того, может оказаться нежелательным создание гидравлических потерь на погружаемой в поток части датчика. Значит, может рассматриваться альтернативное измерение температуры на внешней стенке магистрали, и задача измерения температуры жидкости модифицируется в задачу идентификации температуры жидкости по измеряемой температуре внешней стенки магистрали.

Однако будем исходить далее из того, что место выбрано и прямое измерение возможно.

3. Из числа известных датчиков для измерений данного параметра выбираются датчики, размещение которых по геометрическим присоединительным размерам возможно. При этом выбираются датчики, имеющие нужную глубину погружения чувствительного элемента, а также, исходя из соображений локальности или осредненности измеряемого параметра, выбирают датчики с чувствительными элементами с сосредоточенными в нужной области параметрами.

4. Из выбранных датчиков отбираются работоспособные в эксплуатационных условиях (механическая надежность). При этом необходимо учитывать как общие климатические (температура окружающей среды, давление, влажность и т.д.), механические (вибрации, удары, линейные и угловые ускорения и т.д.), так и всю совокупность специальных требований (агрессивность среды, скорость набегающего потока, температура и давление среды, цикличность и многоразовость воздействий, проникающая радиация и т.д.).

Необходимо понимать, что совокупное воздействие всех факторов на датчик существенно жестче, чем раздельное воздействие каждого фактора. Датчик должен обладать, по крайней мере, 25%-ным запасом прочности по отношению ко всей совокупности воздействий в течение всего времени эксплуатации.

5. Для квазистатических измеряемых параметров отбираются датчики, обеспечивающие необходимую точность (стабильность функции преобразования в допустимых пределах) в условиях эксплуатации (метрологическая надежность). На этой стадии отбираются датчики, принцип преобразования в которых обеспечивает необходимое метрологическое качество. При этом могут оказаться конкурентоспособными несколько принципов преобразования. Но может оказаться, что ни один из принципов преобразования не подходит по точности. В этом случае может быть предпринята попытка использования наилучших вариантов с последующей необходимостью коррекции результатов измерений. Для этого требуется знание функций влияния и необходима информация о поведении дестабилизирующих факторов в процессе измерений.

6. Для динамических измерений параметров отбираются датчики по динамическим характеристикам на соответствие динамике измеряемого параметра. Динамическая погрешность отобранных датчиков должна соответствовать допустимым значениям. В случае несоответствия должна быть рассмотрена возможность введения корректирующих поправок в результат измерений. Процедура введения поправок предполагает априорные знания о динамике процесса и динамических характеристиках выбранного датчика. Иногда лимитирующим фактором является кратковременность исследуемого процесса.

Вместе с тем точность и динамичность датчика находятся в постоянном противоречии с его механической и метрологической надежностью. В борьбе за выживаемость датчика нередко приходится жертвовать его быстродействием и точностью.

На квазистатические и динамические измерения распространяется принцип дополнительности. Измерительный эксперимент обеспечивает либо высокую точность измерений квазистатического (медленно меняющегося) параметра, либо малую динамическую погрешность (правильное воспроизведение поведения высокодинамичного параметра во времени) при сравнительно невысокой точности измерений. В этом случае точность и динамические свойства взаимно дополняют друг друга и могут «обмениваться» в измерительном эксперименте

7. Отбор датчиков по принципу системной совместимости. Если в результате отбора по предыдущим пунктам остаются еще альтернативные варианты датчиков, то последним соображением для выбора является принцип системной совместимости. В современной технике измерения, как правило, проводятся как многопараметрические, коллективные, тогда отдельные измерительные средства (датчики, коммутаторы, усилители, устройства мультиплексирования, регистрирующие устройства и т.д.) комплектуются в информационно-измерительные системы (ИИС). Применительно к выбору датчиков крайне желательным является единство принципа преобразования в используемых датчиках (по крайней мере, минимальное число принципов преобразования).

Список литературы

1. Друзьякин И.Г. Технические измерения и приборы: учеб. пособие / И.Г. Друзьякин, А.Н. Лыков. – Пермь: Изд-во Перм. гос. техн. ун-та, 2008. – 412 с.

2. Атамалян Э.Г. Приборы и методы измерения электрических величин: учеб. пособие / Э.Г. Атамалян. – М.: Высшая школа, 1982. – 223 с.

3. Датчики теплофизических и механических параметров: справочник в трех томах. Т. I (кн. 1) / под общ. ред. Ю.Н. Коптева; под ред. Е.Е. Багдатьева, А.В. Гориша, Я.В. Малкова. – М.: Изд-во ИПРЖР, 1998. – 458 с.

4. Измерения в электронике, справочник / под ред. В.А. Кузнецова. – М.: Энергоатомиздат, 1987.

5. Информационно-измерительная техника и технологии: учеб. для вузов / В.И. Калашников, С.В. Нефедов, А.Б. Путилин [и др.]; под ред. Г.Г. Раннева. – М.: Высшая школа, 2002. – 454 с.

6. Клаассен К.Б. Основы измерений. Электронные методы и приборы в измерительной технике / К.Б. Клаассен. – М.: Постмаркет, 2000. – 352 с.

7. Левшина Е.С. Электрические измерения физических величин: (Измерительные преобразователи): учеб. пособие для вузов / Е.С. Левшина, П.В. Новицкий. – Л.: Энергоатомиздат, Ленингр. отд-ние, 1983. – 320 с., ил.

8. Преображенский В.П. Теплотехнические измерения и приборы: учебник для вузов по специальности «Автоматизация теплоэнергетических процессов» / В.П. Преображенский. – 3-е изд., перераб. – М.: Энергия, 1978.

9. Промышленные приборы и системы автоматики: справочник / под ред. В.В. Черенкова. – М.: Изд-во ЭАИ, 1987.

10. Промышленные приборы и средства автоматизации: справочник / под ред. В.В. Черенкова. – Л.: Машиностроение, 1987.

11. Спектор С.А. Электрические измерения физических величин. Методы измерений / С.А. Спектор. – Л.: Энергоатомиздат, 1987.

12. Справочник по средствам автоматики / под ред. В.Э. Низе и И.В. Антика. – М.: Энероатомиздат, 1983. – 504 с.

13. Фарзане Н.Г. Технологические измерения и приборы: учеб. для вузов / Н.Г. Фарзане. – М.: Высшая школа, 1989. – 456 с.

14. Цапенко М.П. Измерительные информационные системы / М.П. Цапенко. – М.: Энергоатомиздат, 1985.

Дата добавления: 2014-01-03