Untitled.FR10
.docxТЕМА 111. ГИДРОСТАТИЧЕСКОЕ ДАВЛЕНИЕ И ПРИБОРЫ ДЛЯ ЕГО ИЗМЕРЕНИЯ
Цель работ: Знакомство с приборами, их конструктивными особенностями и методами измерения давления
Лабораторная работа №1
Приборы для измерения давления
Цель лабораторной работы: Знакомство с приборами, их конструктивными особенностями
Общие сведения
Выполнение гидравлических экспериментов включает измерения численных значений уровня свободной поверхности жидкости в резервуаре или открытом русле, давления в различных точках жидкости, местной скорости потока, количества жидкости, расхода жидкости и т. п. Эти измерения производят с помощью приборов и методов, рассматриваемых в настоящем разделе.
Как бы тщательно не выполнялись измерения, их результаты неизбежно будут отличаться от действительных значений измеряемых величин, то есть будет иметь место определенная погрешность измерения.
Погрешность определения величин может быть обусловлена неточностью приборов, влиянием окружающей среды, погрешностями измерений.
Погрешности, обусловленные самими приборами, в значительной степени зависят от класса точности приборов. Здесь различают приборы рабочие и образцовые. Рабочие используются для практических измерений, образцовые - для контроля показаний рабочих приборов.
Погрешности приборов складываются из основных и дополнительных погрешностей.
Основные погрешности вызваны несовершенством принятого способа измерения; неточностью изготовления, сборки и установки прибора; несовершенством отсчетного устройства.
Дополнительные погрешности связаны с влиянием окружающей среды (температура, влажность и т. д.) на показания приборов.
Погрешности приборов как основные, так и дополнительные являя- ются систематическими погрешностями, в большинстве случаев они могут быть сведены к минимуму.
Погрешности измерений являются случайными погрешностями, исключить которые нельзя и необходимо оценить. В условиях гидравлической лаборатории института при средней опытности лиц, выполняющих замеры, можно принимать величину абсолютной погрешности по данным табл.3.1.
Таблица 3.1
Погрешности основных лабораторных приборов и устройств используемых в лаборатории гидравлики ИСИ СФУ
Наименование приборов и устройств |
Цена деления |
Абсолютная погрешность |
||
Термометр |
1° |
0,25" |
||
Пьезометры |
1 мм |
0.25 мм |
||
Мерная линейка |
1 мм |
0,25 мм |
||
Секундомер |
0,2 сек |
0,1 сек |
||
Мановакуумметр |
100 лил рт. ст. |
) 0 мм. рт. ст. |
||
Манометр I |
ОД am |
0.05 am |
||
Манометр II |
0,02 am |
0,010 am |
Ниже даются схемы устройства, принципы работы и условия применения только для тех приборов и устройств, которые имеются в гидравлической лаборатории кафедры и используются для выполнения лабораторных работ.
Приборы для измерения давлений
Приборы для измерения давлений (рис.3.1) можно классифицировать по разным признакам. По характеру измеряемого давления эти приборы подразделяются на:
а) приборы для измерения атмосферного давления - барометры;
б) приборы для измерения избыточного давления - манометры;
в) приборы для измерения вакуума - вакуумметры;
г) приборы, измеряющие как избыточное давление, так и вакуум - мановакуумметры;
д) приборы для измерения абсолютного давления - манометры абсолютного давления;
е) приборы для измерения разности давлений - дифференциальные манометры.
По принципу действия различают приборы:
а) жидкостные; б) механические; в) электрические; г) комбинированные.
Жидкостные приборы основаны на гидростатическом принципе действия, заключающемся в том, что измеряемое давление уравновешивается давлением создаваемым в приборе силой тяжести столба жидкости высотой h определенного удельного веса у, то есть давление у основания столба жидкости заданной высоты равно измеряемому давлению. Поэтому величина давления может быть выражена высотой столба жидкости h (мм рт. ст., м. вод. ст.).
Механические приборы могут быть пружинные, мембранные, грузо- поршневые.
Упругие элементы пружинных и мембранных приборов подвергаются действию измеряемого давления, и величина их деформации служит мерой давления.
В грузопоршневых приборах измеряемое давление, действующее на поршень, уравновешивается приложенной к нему внешней силой (обычно грузом), которая и служит мерой давления.
Действие электрических приборов основано на измерении в точках присоединения приборов электрических свойств некоторых материалов, например, зависимость омического сопротивления
некоторых сплавов от давления среды, окружающей проводник. Электрические приборы используются для измерения высоких давлений.
К комбинированным приборам относятся приборы, принцип действия которых носит смешанный характер, например, электромеханические приборы и т. п.
По классу точности бывают:
а) приборы рабочего класса точности (0,35; 0,5; 1; 2; 2,5; 4; 6; 10);
б) приборы высокого класса точности (0,005; 0,02; 0,05; 0,1; 0,2;
0,35).
Первые используются в рабочих приборах, вторые - в образцовых.
Рассмотрим некоторые наиболее употребительные приборы.
Ртутный барометр (рис. 3.1,а) состоит из открытой в атмосферу чашки, заполненной ртутью, и из стеклянной трубки, верхний конец которой запаян, а нижний опущен в чашку под уровень ртути. Воздух из трубки удален, поэтому свободное пространство трубки заполняется насыщенным паром ртути, давление которого ру. р чрезвычайно мало (ру. р = 0,000002<шй при t = 20"Q.
Атмосферное давление, действуя на поверхность ртути в чашке, поднимает ртуть в трубке на высоту h, при которой давление столбика ртути уравновешивается атмосферным давлением. Для отсчета этой высо-ты служит линейная шкала. Расчетное уравнение для барометра имеет вид:
(3.1.1)
где АЛ) - поправка на капиллярность, равная 10/d; Ah2 - поправка на опускание ртути в чашке, равная — d2); D - диаметр чашки; d - диа-
2
Рис.
3.1. Жидкостные приборы для измерения
давления:
а) ртутный барометр; б) пьезометр; в) дифференциальный жидкостный манометр; г) ртутный мановакуумметр; д) обратный дифференциальный манометр; е) микроманометр
метр трубки.
Обычно шкала барометра градуирована не в линейных единицах, а в единицах давления с учетом поправок Ahi и ДЬг.
Пьезометр (рис. 3.1,6) применяется для измерения избыточного давления и представляет собой стеклянную трубку, установленную чаще всего вертикально, с открытым верхним концом. Нижний конец трубки соединяется с местом измерения давления. Для отключения прибора и удаления из соединительной трубки воздуха устанавливается трехходовой кран 2. Под действием давления жидкость в трубе поднимается на высоту h, измеряемую по линейной шкале. Величина избыточного давления рэти в любой точке А объема жидкости равна:
(3.1.2)
здесь у - удельный вес жидкости; h - показание пьезометра; hi - глубина точки А над уровнем нуля шкалы прибора. Пьезометрическая высота в точке А:
(3.1.3)
Для получения давления достаточно эту величину умножить на удельный вес жидкости, заполняющей пьезометр. Пьезометр высотой 1,5 2,0м позволяет измерить давления до 0,15-Ю,2ати. Величину h \ постоянную для данной точки называют поправкой на положении прибора. Знак поправки зависит от взаимного (вертикального) расположения точки А и нуля прибора, (если точка А ниже нуля прибора, то поправка положительная).
Если трубка прибора имеет малый диаметр до 12мм, то в показание прибора вносится поправка на капиллярность, равная для воды.
U-образный мановакуумметр (рис. 3.1,в) представляет собой U-об- разную стеклянную трубку 1, заполненную до некоторого уровня рабочей жидкостью, более тяжелой, чем жидкость, давление которой измеряется. Одно из колен трубки (на чертеже левое) соединяется с местом измерения, другое (правое) открыто в атмосферу. Для отключения прибора и удаления воздуха на соединительной трубке в верхней точке устанавливается трехходовой кран. 2. Если давление р на уровне рабочей жидкости в левом колене поднимется, а в правом опустится, то разность высот уровней жидкости в коленах определяет показание прибора h.
Величина избыточного давления ри,б на уровне рабочей жидкости в левом колене:
где Ур - удельный вес рабочей жидкости. Знак плюс (+) в формуле соответствует избыточному давлению, знак минус (-) - вакууму.
Избыточное давление ризо в рассматриваемой точке А жидкости равно:
где 7„ - удельный вес жидкости, заполняющей резервуар и левое колено прибора до уровня рабочей жидкости с удельным весом ур; h| - разность уровней точки А и ра-бочей жидкости, в левом колене. Пьезометрическая высота над точкой А:
Знак поправки ht зависит от взаимного (вертикального) расположения точки А и уровня рабочей жидкости в левом колене. Ртутные манометры позволяют измерять давление до 2 -*- 2,5кгс/см .
Дифференциальный жидкостный манометр применяется для измерения разности давлений. На рис. (рис.3.1,2) изображена схема такого манометра, состоящего из U-образной стеклянной трубки, примерно до середины заполненной рабочей жидкостью. Колена трубки присоединяются к местам измерения разности давлений, под действием которых рабочая жидкость в коленах перемещается.
При
Zi
=
Z2
формула
упрощается:
а
разность пьезометрических высот будет
равна:
По показанию прибора можно также вычислить разность гидростатических напоров в измеренных точках:
Для ртутно-водяного прибора можно с некоторым приближением использовать зависимость:
Разновидностью дифференциального манометра является так называемый обратный дифференциальный манометр (рис.3.1.с)), который представляет собой две стеклянные трубки, присоединенные нижними концами к местам замера давления pi и рг.
где
h
=
h|
-
Иг - показание прибора; Z|
-
Z2
-
разность высот уровней мерных точек.
При
Z|
=
Z2
получим:
Легко видеть, что показание h прибора не зависит от величины давления р воздуха, последний подводится к прибору для того, чтобы понизить уровни жидкости в трубках, тем самым уменьшая их необходимую высоту.
Отсчеты в жидкостных приборах делаются по нижней точке вогнутого мениска или наивысшей точке выпуклого мениска.
Достоинства и недостатки жидкостных приборов:
Основным достоинством жидкостных приборов для измерения давле ний являются простота конструкции и высокая точность измерения, однако они удобны только при измерении небольших давлений.
Для увеличения точности при измерении малых давлений (при показании приборов до 500лш вод столба) в качестве рабочих в приборах применяют легкие жидкости (например, спирт) или приборы с наклонной трубкой и наклонной шкалой (рис.3.1,б). Избыточное давление в сосуде с помощью манометра с наклонной шкалой вычисляется по зависимости:
где ур - удельный вес рабочей жидкости; С - показание прибора по наклонной шкале; а - угол наклона трубки к горизонту.
Из уравнения 3.1.15 видно, что точность прибора увеличивается с уменьшением угла наклона трубки. Приборы с наклонной трубкой применяются для измерения пьезометрических высот величиной 25 150лш вод столба. Приборы, применяемые для измерения малых давлений, называются микроманометрами.
Основными недостатками жидкостных приборов является узость диапазона измеряемых давлений, не превышающих 3-^4 атмосферы для ртутных манометров.
При больших давлениях приборы становятся слишком громоздкими. К недостаткам жидкостных приборов также можно отнести хрупкость и необходимость использования ртути, пары которой ядовиты.
Правила пользования жидкостными приборами:
Для увеличения точности замеров по жидкостным приборам необходимо:
а) места установки приборов должны быть удобны для производства замеров;
б) отверстия для присоединения приборов должны быть малыми, расположены нормально к стенкам резервуара и достаточно чисто обработаны;
в) перед измерением с помощью манометра избыточного давления и дифманометра необходимо удалять воздух из прибора и соединительных труб;
г) при измерении с помощью вакуумметра необходимо обеспечивать -заполнение соединительной трубки воздухом.
Пружинные приборы для измерения давления
Приборы с трубчатой пружиной (рис. 3.2,а) состоят из полой металлической трубки, имеющей в сечении овальную форму, и согнутой по дуге окружности. Большая ось овала трубки должна быть перпендикулярна плоскости расположения оси трубки. Один конец трубки запаян, через вто-
Рис.
3.2. Манометры а) пружинный; б) мембранный
рой конец трубка соединяется с пространством, в котором измеряется давление. Открытый конец трубчатой пружины 1 присоединен к держателю 2, который прикреплен к корпусу манометра. Держатель 2 имеет штуцер с резьбой для присоединения прибора к месту измерения давления. Как внутри штуцера, так и внутри держателя имеется канал, сообщающийся с внутренним пространством полой трубки 1. Запаянный конец трубки 1 с помощью поводка 3 соединен с передаточным механизмом, на оси которого закреплена указательная стрелка 4.
Под действием избыточного давления жидкости, заполняющей внутреннюю полость трубчатой пружины, овальное сечение трубки деформируется. Под влиянием указанной деформации внешняя длина трубки увеличивается, а внутренняя - уменьшается. Возникающие растягивающие и сжимающие напряжения вызывают появление момента, раскручивающего трубку, при этом перемещается ее запаянный конец, а вместе с ним поводок и указательная стрелка. Угол поворота стрелки пропорционален изменяемому давлению. Шкала, нанесенная на циферблате, градуирована в единицах давления.
Аналогичное устройство имеет трубчатый вакуумметр.
Трубчатые приборы, измеряющие как избыточное давление, так и величину вакуума, называются мановакуумметралш.
Мембранные (рис. 3.2,6) приборы состоят из упругой мембраны 1, закрепленной между фланцами верхней и нижней части корпуса прибора, штуцера 2, поводка 3, зубчатого сектора 4, шестерни 5 и стрелки 6. Мембранная камера совместно со штуцером присоединена к корпусу с внешней стороны, поворотный механизм расположен внутри корпуса прибора. Поводок 3 соединен с мембраной. Под действием подводимого давления происходит деформация мембраны, что вызывает отклонение стрелки, скользящей по шкале. Мембранные приборы применяются для измерения избыточных давлений не выше 25am.
Достоинства и недостатки пружинно-мембранных приборов
К достоинствам приборов следует отнести: а) большой диапазон измеряемых давлений; б) портативность и универсальность приборов; в) простоту устройства.
Основным недостатком приборов является непостоянство их показаний, вследствие постепенных изменений упругих свойств пружинящего элемента, возникновения остаточной деформации, износа передаточного механизма.
Правила пользования приборами:
а) плавное включение и выключение приборов. После измерения давления прибор должен быть отключен;
б) при измерении давления прибор должен быть установлен вертикально;
в) места установки приборов должны быть свободны от вибраций, сотрясений, легко доступны и хорошо освещены;
г) перед отсчетом избыточного давления жидкость в соединительной трубке должна быть освобождена от воздуха, а при измерении вакуума заполнена воздухом;
д) перед началом и после окончания измерения стрелка прибора должна устанавливаться на нуле;
е) при измерении давления горячих жидкостей необходимо предусмотреть понижение температуры в соединительной трубке;
ж) при измерении давлений в агрессивных средах необходимо предусмотреть защиту приборов от порчи, например, путем устройства гидравлических затворов;
з) при измерении пульсирующих давлений необходима установка дросселей или перегородок с малыми отверстиями, препятствующими быстрому изменению давления;
и) в показание прибора вносится поправка на его положение, если соединительная трубка заполнена жидкостью. При заполнении воздухом поправка не вносится;
к) места отбора давлений должны быть выполнены в виде малых, отверстий, расположенных нормально к стене резервуара и тщательно обработанных.
Лабораторная работа №2 Измерение давления
Цель работы: Приобретение навыков по измерению гидростатического давления жидкостными приборами в замкнутом объеме. Определить: давление в жидкости по показаниям пьезометра, разность давлений в двух точках жидкости по показаниям дифференциального манометра и величину вакуума по показаниям вакуумметра.
Общие сведения
Гидростатика - раздел гидравлики, изучающей законы равновесия покоящейся жидкости, в которой действуют силы двух видов: массовые и поверхностные. Первые действуют на каждую частицу жидкости во всем рассматриваемом объеме и пропорциональны массе (силы тяжести, силы инерции). Вторые приложены к поверхностям и пропорциональны площади (силы давления на свободной поверхности, давления на различные предметы). Предел отношения силы Р к площади © при значении ш, стремящемся к нулю
есть гидростатическое давление в рассматриваемой точке, являющееся одной из основных характеристик и покоящейся, и движущейся жидкости (как капельной, так и газа), изменяющееся как по объему, так и во времени.
За единицу измерения давления в международной системе принят паскаль (Па = Н/м2).
Гидростатическое давление обладает двумя свойствами:
1) элементарные силы всегда ориентированы по нормали к площадке и направлены только внутрь жидкости, то есть, являются сжимающими. Таким образом, гидростатическое давление с точки зрения механики - это нормальное сжимающее напряжение в покоящейся жидкости;
2) величина гидростатического давления жидкости не зависит от ориентации площадки находящейся в объеме жидкости и одинаково по всем направленииям.
В гидравлике различают абсолютное, избыточное, манометрическое и вакуумметрическое давления.
Абсолютное или полное гидростатическое давление рабс в любой точке покоящейся жидкости отсчитывается от абсолютного вакуума и определяется по формуле:
где р0 - абсолютное (дополнительное) давление на поверхности жидкости; у - удельный вес жидкости; h - глубина погружения точки под уровень жидкости.
Манометрическое или избыточное давление рм — это давление сверх атмосферы рат., т. е.
или
Если давление на поверхности жидкости равно атмосферному (в открытых резервуарах), то манометрическое давление будет равно:
Абсолютное (полное) давление может быть и меньше атмосферного Рабс < 1рат. и называется оно вакуумметрическим давлением рвак. Вакуум- метрическое давление означает недостаток до 1 ата.
Для измерения давления могут использоваться любые системы физических единиц. Например, для измерения атмосферного давления, изменяющегося во времени и зависящего от высоты местности, введено понятие нормального атмосферного давления, соответствующего геодезической отметке уровня моря и равного одной физической атмосфере: ее обозначение 1 атм. Численное значение физической атмосферы может быть выражено в разных системах единиц измерения, например: 1 атм = 760 мм.рт.ст. = 1,03 кГ/см' = 101325 Па и т.п.
В технике используется так называемая техническая атмосфера, ее обозначение am и ее численные значения равны: 1 am = 1 кГ/см = 736 мм. рт.ст. = 98100 Па = 10 м.вод.ст. = 0,981 бар.
В соответствии с практическими потребностями в технике сложились три шкалы (системы отсчета) давления: абсолютная (обозначение а та), избыточная (ати) и вакуумметрическая (атв).
В абсолютной шкале давление может иметь любые положительные ' численные значения от нуля до бесконечности (см. рис.3.3).
Рис.
3.3. Шкалы по определению давлений
В избыточной шкале давление отсчитывается от уровня, соответствующего в абсолютной шкале значению 1 ата в положительном направлении до бесконечности, а в отрицательном - до уровня рабс = 0 ата. Следовательно, в этой шкале давление может изменяться от (—1) до бесконечности.
Вакуумметрическое давление рюк отсчитывается также от уровня 1 ата, но в обратную, по значению с избыточным, сторону. Следовательно, в этой шкале давление может изменяться от нуля до значения рвак = +\атв (что соответствует значению 0 ата).
Применяемые в гидротехнической практике единицы измерения да- ления и их взаимосвязь следующие: 1 кГ/см2 = 1 ат= ЮООкГ/.м2 = 98100Н\м2.
Это удельное давление соответствует высоте столба жидкости: водяного — 10м; ртутного — 736лш.
Описание устройства
Для выполнения лабораторной работы используется устройство, которое выполнено прозрачным и имеет полость 1, в которой всегда сохраняется атмосферное давление, и резервуар 2, частично заполненный водой (рис. 3.4). Для измерения давления и уровня жидкости в резервуаре 2 служат жидкостные приборы 4, 5 и 6. Они представляют собой прозрачные
Рис. 3.4. Схема устройства для измерения давления в замкнутой системе
1 — полость с атмосферным давлением; 2 — опытный резервуар; 3 — клапан; 4 - пьезометр; 5 - уровнемер; 6 — мановакуумметр
вертикальные каналы со шкалами, размеченными в единицах длины.
Однотрубный манометр (пьезометр) 4 сообщается верхним концом с атмосферой, а нижним - с резервуаром 2. Им определяется манометрическое давление рм Ш pghp на дне резервуара.
Уровнемер 5 соединен обоими концами с резервуаром и служит для измеренич
уровня жидкости Н в нем.
Мановакуумметр 6 представляет собой U-образный канал, частично заполненный жидкостью. Левым коленом он подключен к полости 1, а правым - к опытному резервуару 2 и предназначен для определения манометрического рм = pghM или вакуумметрического р„ = pgh„ давлений над свободной поверхностью жидкости в резервуаре 2. Давление в резервуаре можно изменять путем наклона устройства.
Порядок выполнения работы