Методы и средства измерений, контроля и испытаний. Измерение давления. Методические указания к выполнению лабораторных работ

Контрольные вопросы: 1. Классификация приборов для измерения давления от вида и величины измеряемого давления. 2. Классификация приборов для измерения давления по принципу действия. 3. Измерительные преобразователи с механическим и пневматическим выходными сигналами, используемые в установке. 4. Конструкция и принцип действия установки. Рекомендуемая литература: 1. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической промышленности. 2. Барласов Б.З., Ильин В.Ч. Наладка приборов и средств автоматизации. М., 1975. 3. Паспорт. Установка УППД для поверки пневматических датчиков.

Министерство образования Российской Федерации Восточно-Сибирский государственный технологический университет

МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЙ, КОНТРОЛЯ И ИСПЫТАНИЙ

Измерение давления Методические указания к выполнению лабораторных работ для студентов направления 653800 «Стандартизация, сертификация и метрология» дневной формы обучения

Составитель: Жаргалов Б.С.

Улан-Удэ 2001

Лабораторная работа № 1 Манометр избыточного давления (грузопоршневой МП-6 класса 0,05). Цель работы: Ознакомление с принципом работы манометров избыточного давления и методикой их поверки. Общие положения: Манометр избыточного давления грузопоршневой МП-6 класса точности 0,05 ГОСТ 8291-83 (в дальнейшем – манометр) предназначен для поверки образцовых пружинных манометров с пределом допускаемой погрешности не менее 0,2% и точного измерения избыточных давлений в диапазоне 40-600 кРа. 1. Устройство и принцип работы. Принцип действия манометра заключается в воспроизведении давления в рабочей жидкости под торцом поршня пропорционального массе поршня с грузоподъемным устройством и установленных на нем грузов. Общий вид манометра с устройством для создания давления показан на рисунке 1. Прибор состоит: 1 – манометр (измерительная колонка); 2 – устройство для создания давления; 4 – поверяемые манометры. Манометр (см. рис. 2) состоит из поршня с грузоподъемным устройством 1, цилиндра 2, втулкиограничителя хода поршня 3 с указанием рабочего положения. Между цилиндром и поршнем отсутствуют механические уплотнения. Канал цилиндра с целью уменьшения гидравлического давления выполнен в виде двух кольцевых выступов

Переключатель В1 должен находиться в нейтральном положении «Стоп». Включается тумблер «Сеть». Переключатель диаграммы устанавливается в положение «автомат». Нажимается кнопка «Пуск». При работе в режиме «I цикл» после окончания цикла двигатель самописца автоматически отключается. Когда включены клапаны, горят сигнальные лампы «Выше» или «Ниже». Для повторения цикла надо нажать кнопку «Пуск». Для того, чтобы прервать автоматический цикл и перейти на ручное управление, следует на мгновенье выключить тумблер «Сеть» и поставить переключатель В6 в положение «Ручное». В случае установки переключателя В6 в положение «Непрерывно», кнопку «Пуск» нажимать не надо. После включения тумблера «Сеть» установка начнет работать в автоматическом режиме с бесконечным повторением цикла поверки. При ручном режиме работы набор, выдержка и сброс давления осуществляется переключателем В1. Полученные два графика погрешности: одного, снятого при непрерывном режиме и другого, снятого при ручном режиме, с остановками на выбранных точках. При сравнении этих двух графиков, величины динамической погрешности на всех проверяемых точка не должна превышать 0,1 %.

19

поворотом одного из винтов корректора нуля на лицевой панели. После корректировки ручка «Поверка нуля» поворачивается в положение «Выкл.». 3.2. Подготовка регистрирующего прибора. Перед включением установки следует проверить, соответствует ли положение перьев положению стрелок. Снятие и установка лентопротяжного механизма, заправка чернилами и регулировка нажима перьев изложены в инструкции по эксплуатации. 3.3. Регулировка скорости набора и сброса давления. Регулировка скорости набора и сброса давления осуществляется после подключения поверяемого датчика. Скорость набора давления регулируется рукояткой дросселя «Выше», а скорость сброса – рукояткой «Ниже» на передней панели. Регулировку следует осуществлять, поставив переключатель В6 в режим «Ручное» управление и включая клапаны переключателем В1. Скорость набора и сброса давления нужно регулировать таким образом, чтобы дополнительная динамическая погрешность не превышала 0,05÷0,1%. Если погрешность превышает указанную величину, следует уменьшить скорость набора и сброса давления и снова проводить скорость сравнением двух графиков. 3.4. Порядок работы. Переключателем «Время выдержки» устанавливается выдержка времени, для этого реле времени оттянуть назад до упора, установить прорезью на штрих, соответствующий выбранной выдержке, задвинуть вперед до упора. Затем ручку реле времени установить на деление 0,25 (начальное положение кулачка реле времени). Переключатель В6 установить положение «I цикл». 18

шириной 2,5 мм каждый, расположенных друг от друга на расстоянии 60 мм. Ограничитель хода поршня выполнен в виде втулки с эксцентричным отверстием, закрепляемой на цилиндре и ограничивающий ход поршня в пределах 15 мм. После установки и закрепления по горизонтальном основании устройства для создания давления выньте поршень из цилиндра. Вверните цилиндр в присоединительное отверстие устройства для создания давления. Заполните рабочей жидкостью систему устройства для создания давления, для этого: а) закройте все вентили; б) залейте рабочую жидкость (трансформаторное масло) в бачок 12; в) откройте вентили 1,5 и ручным скальчатым насосом удалите воздух из соединительных трубок на участках между насосом и воронкой; г) закройте вентиль 1, откройте вентили 2 и 4 и также насосом удалите воздух из соединительных трубок на участке между штуцерами для присоединения поверяемых манометров; д) откройте вентиль 3 и плунжерным прессом подайте рабочую жидкость в присоединительные штуцера (при появлении рабочей жидкости в присоединительных штуцерах закройте вентили 2, 4) и цилиндр манометра, при появлении рабочей жидкости установите поршень с грузоподъемным устройством (предварительно наденьте втулку-ограничитель) в цилиндр, следите за тем, чтобы под поршнем не оставалось воздуха. Поршень манометра вставляйте в цилиндр аккуратно. Количество рабочей жидкости, необходимой для заполнения системы устройства для создания давления не более 0,5 л. 3

Расход рабочей жидкости на каждый поверяемый манометр не более 0,08 л. Погружение поршня в цилиндр производить в момент переливания рабочей жидкости через край цилиндра. Проверить отсутствие воздуха в системе устройства для создания давления – при открытых вентилях 2, 3, 4 и вращении маховика плунжерного пресса 7 по часовой стрелке в отверстиях присоединительных штуцеров должна появиться рабочая жидкость, воздушные пузырьки должны отсутствовать. Манометр установить по уровню. Для этого уровень положить на грузоподъемное устройство манометра и при помощи регулировочных винтов, расположенных на основании устройства для создания давления добиться симметричного расположения пузырьков в зоне центральных штрихов ампул. После чего манометры пружинные присоединяются к штуцерам устройства для создания давления, далее на грузоприемное устройство накладывается определенное количество грузов и плунжерным прессом создается давление, при котором поршень установиться в рабочее положение, определяемое совпадением риски на поршне и указателе на втулке-ограничителе хода поршня. При этом величина созданного давления определяется по обозначениям на грузах и грузоприемном устройстве и массе образцовых гирь. Если грузы подогнаны с учетом нормального ускорения свободного падения, то величина давления (на уровне торца поршня) вычисляется по формуле:    q mqm ρ  ⋅ 10− 3  ⋅ 1 − в , P =  PH ⋅ m + q F ρ µ     где Рн – давление, обозначенное на грузах и грузоприемном устройстве, кРа; 4

- на плите: клапаны – «Ниже», «Выше». Схема работает в трех режимах: 1) Ручной. «Переключатель «Ручное» в среднем положении, переключателем «Стоп» включаются клапаны набора давления и сброса, двигатель лентопротяжного механизма включается установкой переключателя «Диаграмма» в положение «Вкл.». 2) I цикл Переключатели «Ручное» в положение «I цикл», «Диаграмма» - «Авт.», включаем «Сеть», включается клапан набора давления и электродвигатель, когда давление достигнет верхнего предела клапан набора давления отключается, начинается выдержка на верхнем пределе, после выдержки включается клапан сброса. Когда давление достигнет нижнего предела начинается выдержка на нижнем пределе измерений, клапан сброса отключается. Все элементы схемы возвратятся в исходное положение и цикл поверки закончится. 3) Непрерывно. Переключатель «Ручное» в положении «Непрерывно», схема работает как в режиме «I цикл», но циклы следуют один за другим. 3. Порядок работы 3.1. Корректировка нуля. При отсоединенном датчике плавно наворачивают рукоятку «Поверка нуля» в положение «Вкл.». При этом на правой шкале регистрирующего прибора указатель должен остановиться против нулевой отметки. Корректировку нуля осуществляют с точностью 0,05% от диапазона выходного сигнала компаратора (пол-деление шкалы погрешности). Корректировка осуществляется 17

верхнем пределе. После окончания выдержки включается клапан сброса и давление через дроссель стравливается в атмосферу. Ускорение сброса давления достигается включением между клапаном сброса и 2-м дросселем специального клапана, который состоит из двух камер: глухой, в которую подается выходной сигнал, и камеры-сопло, соединенной с клапаном сброса. Натяг пружин обеих камер регулируется таким образом, чтобы о тех пор, пока давление в глухой камере не упадет до 30% от максимального значения выходного сигнала, заслонка прижималась бы к соплу; скорость падения давления при этом определяется только дросселем. При достижении указанного давления заслонка повторителя открывает сопло, и воздух начинает вытекать в атмосферу параллельно дросселю, ускоряя падение давления. 2.3. Электронный блок. Электрическая схема управляет электромагнитными клапанами набора и сброса входного давления и обеспечивает питание двигателя привода диаграммы регистрирующего прибора. Элементы электрической схемы размещены в установке следующим образом: -в электронном блоке: трансформатор, выпрямительные мосты, реле; - во вторичном приборе: концевые выключатели и электродвигатель; на передней панели: реле времени – «Время выдержки в мин» -, включающее электродвигатель и микропереключатель; выключатель – «Сеть»; переключатель – «Стоп»; переключатель – «диаграмма», переключатель – «Ручное»; кнопка – «Пуск», лампы – «Ниже», «Выше», «Сеть». 16

m – масса образцовых гирь, кг; q – 9,80665 м/с2; qm – местное ускорение свободного падения, м/с2; P – приведенная площадь поршня, м2; ρв – плотность воздуха (1,2*10-3 г/см3); ρМ – плотность материала грузов (8 г/см3). 2. Технические требования. Технические требования назначаются согласно ГОСТ 8291-83 «Манометры избыточного давления грузопоршневые. Общие технические требования» и указанные таблице 2.1. Таблица 2.1 Технические характеристики. Технические характеристики

Верхний предел измерения, кРа Нижний предел измерения, кРа Номинальное значение приведенной площади поршня, см2 Класс точности Номинальное значение массы поршня с грузоприемным устройством, кг Допускаемое отклонение действительного значения приведенной площади поршня от номинального значения, см2 Предел допускаемой погрешности значения площади поршня, % Предел допускаемой погрешности измерения от измеряемой величины, % Погрешность значения массы грузов и поршня с грузоприемным устройством, %

Допускаемые значения

600 40 1 0,05 0,4 +0,004 +0,015 +0,05 +0,012

5

3. Условия поверки 3.1. Температура воздуха в помещении от +10 до +30 С. 3.2. Влажность воздуха до 80 %. 3.3 Цилиндр, поршень и ограничительная втулка должны быть промыты бензином и протерты салфеткой. 0

4. Порядок работы. Поверка манометров избыточного давления грузопоршневых типа МП-6 производится согласно ГОСТ 8.479-82 «Манометры избыточного давления грузопоршневые. Методы и средства поверки». 4.1 Внешний осмотр. При внешнем осмотре должно быть установлено соответствие поверяемых манометров требованием ГОСТ 8291-83 в части: • Наличия технического описания и инструкции по эксплуатации, паспорта, свидетельства о предыдущей поверке; • Наличия маркировки манометров, их частей, деталей и грузов; • Отсутствия механических повреждений и следов коррозии на деталях манометров и грузах; • Отсутствие повреждений антикоррозийного покрытия; • Наличие полного набора грузов; • Одинаковой, в пределах одного комплекта, подгонки поршня с грузоприемным устройством и грузов под номинальную массу или под номинальное давление.

6

2.2. Вторичный самопишущий регистрирующий прибор. Вторичный прибор может быть выполнен в двух модификациях. Первая позволяет осуществлять запись погрешности и выходного сигнала в функции времени, вторая дает возможность записи погрешности в функции выходного сигнала. Для реализации первой модификации выполнена следующая доработка серийного прибора: а) изменена скорость ленточной диаграммы до 30 мм/мин; б) для подачи сигнала при достижении нулевого и 100% значения входного сигнала у крайних положений силового рычага измерительного узла установлены микропереключатели. При работе с режиме «I цикл» после окончания цикла поверки привод диаграммной бумаги автоматически отключается. Генератор входного давления. Генератор изменяет давление на входе поверяемого датчика от нуля до верхнего предела и обратно, обеспечивая при этом полную автоматизацию цикла поверки. Основу генератора составляют два электропневмоклапана, управляемые при помощи электрической схемы. В клапаны встроены дроссели. Давление из пневмосети через ограничивающий редуктор и дроссель подается к клапану набора давления. После включения клапана давление начинает нарастать на входе поверяемого датчика. При достижении верхнего предела измерения, когда выходной сигнал поверяемого датчика становится равным 1 кгс/см2, размыкается концевой выключатель, установленный в регистрирующем приборе, и клапан отключается. В этот момент включается реле времени, которое обеспечивает одну из 4-х выдержек на 15

момент сил, действующий на верхний рычаг. Выходное давление Рвых. поверяемого датчика подается в нижний сильфон и преобразуется в момент сил, действующий на нижний рычаг. Передача усилия с верхнего рычага на нижний осуществляется при помощи упругой ленты, работающей на растяжении. Смещение нижнего рычага от его начального положения вызывает изменение расстояния между соплом и заслонкой, и, следовательно, изменение давления на линии сопла. Возникший сигнал, пропорциональный абсолютной погрешности поверяемого датчика и усиленный пневмореле, подается в сильфон обратной связи. Давление, развиваемое в этом сильфоне, через рычаг и гибкую ленту преобразуется в силовой момент, уравновешивающий рычаг. Таким образом система работает в условиях силовой пневмотической компенсации по погрешности. Одновременно, давление, усиленное пневмореле, подается на шкалу регистрирующего прибора. Плечо m рычага перемещением гибкой ленты регулируется так, чтобы изменение давления в нижнем сильфоне на 5% вызывало изменение выходного сигнала СКД на 100%, от 0,2 до 1 кгс/см2. Таким образом, вся шкала погрешности регистрирующего прибора соответствует 5% от верхнего предела измерения датчика. Начальное положение рычагов, соответствующее номинальному коэффициенту, регулируется корректирующей пружиной так, чтобы выходной сигнал СКД был равен 0,6 кгс/см2, что соответствует середине шкалы погрешности регистрирующего прибора. Таким образом, создается возможность регистрировать как положительную, так и отрицательную погрешности коэффициента до величины 2,5 %. Периодическая поверка нуля СКД может осуществляться путем положения груза на рычаг. 14

4.2. Опробование. При опробовании проверяют эксплутационные свойства манометра: • Соединение поршня с грузоприемным устройством должно исключать взаимное относительное перемещение; • Поршень, смазанный рабочей жидкостью, должен свободно, без затираний, вращаться в цилиндре и перемещаться вдоль оси цилиндра; • Грузы должны легко, без заедания, накладываться один на другой на грузоприемное устройство и сниматься без относительного радиального перемещения. 4.3. Определение метрологических характеристик. Отклонение от перпендикулярности опорной плоскости грузоприемного устройства к оси поршня определяют при вертикальном положении поршня одним из двух способов. Первый способ. На опорную плоскость устанавливают уровень или квадрант в двух взаимноперпендикулярных положениях, не приводя поршень во вращение. Разность показаний уровня или квадранта не должна превышать значений, указанных в ГОСТ 8291-83. Второй способ. Манометр отключают вентилем от устройства для создания давления. Устанавливают на штативе индикатор в вертикальное положение. Наконечник индикатора приводят в соприкосновение с опорной плоскостью грузоприемного устройства на расстоянии (40+2) мм от его оси и рукой приводят во вращение поршень с грузоприемным устройством, наблюдая при этом за перемещением стрелки индикатора. Биения верхней поверхности устройства манометра не 7

должны превышать 0,05 мм. 4.3.2. Продолжительность свободного вращения поршня определяют при помощи секундомера при установке поршня поверяемого манометра в положение: совпадение рисок на диске поршня и рамке цилиндра, с допускаемым отклонением +0,5 мм. Поршень манометра нагружают грузами, создавая давление, равное 20% верхнего предела измерений и приводят во вращение по ходу часовой стрелки. За продолжительность свободного вращения поршня понимают интервал времени от момента, соответствующего начальной частоте его вращения, равной (120+10) об/мин, до полной остановки поршня. Начальную частоту вращения поршня определяют подсчетом числа оборотов за 10 сек. Для удобства подсчета между грузами следует положить полоску бумаги. Продолжительность свободного вращения поршня, приведенная к температуре 200С, должна быть не менее 2 мин. Если температура манометра в момент измерений отличается от 200С, то значение продолжительности вращения необходимо привести к температуре 200С пересчетом по формуле:

τ 20 = τ ⋅

η , η20

τ20 - приведенное значение продолжительности где вращения, с; τ - подсчитываемое значение продолжительности вращения, с; η - значение динамической вязкости рабочей жидкости при измерении, Па. с; η20 - значение динамической вязкости рабочей жидкости при температуре 200С, Па . с. 4.3.3. Скорость опускания поршня определяют при 8

К=х/у, где х – входное давление поверяемого датчика; у – выходное давление поверяемого датчика минус 0,2 кгс/см2. с образцовым коэффициентом, который воспроизводится специальным устройством – сильфонным компоратором давления (СКД). Образцовое значение коэффициента К воспроизводится прибором определенных значений эффективных площадей сильфонов F1 и F2 и плеч m и L-m рычагов. Коэффициент К равен, F ⋅l m К= 2 2⋅ . F1 ⋅ l 1 L − m В случае отклонения действительного значения коэффициента К поверяемого датчика от его номинального значения в СКД возникает сигнал ∆у, который регистрируется вторичным прибором Р в виде графика погрешности (канал регистрации погрешности). Второй канал прибора Р регистрирует выходной сигнал поверяемого датчика. Для полной автоматизации поверки установка снабжена генератором давления Г, который плавно изменяет входной сигнал Х от 0 до верхнего предела измерения и обратно. Конструктивно установка имеет следующие основные узлы (Рис. 1): 1) сильфонный компоратор давления; 2) вторичный регистрирующий прибор; 3) электронный блок. 2.1. Сильфонный компоратор давления (СКД) На корпусе СКД, представляющем собой жесткую швеллерную раму, подвешены на ленточных опорах три рычага. Входное давление Рвх подающейся одновременно в поверяемый датчик и в верхний сильфон, преобразуется в 13

Лабораторная работа № 2 Цель работы: Изучить принцип действия установки УППД для поверки пневматических датчиков. 1. Общие положения: Установка типа УППД предназначена для поверки и регулировки манометров и дифманометров с пневматическим выходным сигналом от 0,2 до 1 кгс/см2 по коэффициенту преобразования. Предел измерения 0-1,600 кгс/см2. Класс точности установки 0,16. Установка предназначена для измерения и регистрации двух параметров: погрешности поверяемого датчика в функции времени (канал погрешности) и величины выходного сигнала поверяемого датчика в функции времени (канал выходного сигнала). Диапазон измерения и регистрации выходного сигнала 0-100%. Диапазон измерения и регистрации погрешности поверяемого датчика ± 2,5 %. Источники питания: - сжатый воздух давлением 1,4 ± 0,14 кгс/см2; - однофазная сеть переменного тока 220 ± (11-12) Вт частотой 50 ± 2 Гц; потребляемая мощность не более 70 Вт. Условия проведения поверки: а) температура окружающего воздуха 10 ± 5оС; б) относительная влажность окружающего воздуха до 80%; в) вибрация, тряска и удары отсутствуют. 2. Устройство и принцип работы Установка типа УППД осуществляет поверку датчиков давления по коэффициенту преобразования. Поверка заключается в сличении коэффициента преобразования поверяемого датчика 12

нагрузке, соответствующей верхнему пределу измерений поверяемого материала. При этом запорный вентиль должен быть перекрыт, а частота вращения поршня с грузами быть не менее 20 об/мин. Для определения скорости опускания поршня измеряют расстояние, на которое переместился поршень за некоторый промежуток времени. Расстояние измеряют микроскопом или индикатором, интервал времени опускания поршня отсчитывают по секундомеру. Если температура в момент измерений отличается от 0 20 С, то значение скорости опускания необходимо привести к температуре 200С, пересчитав по формуле:

v20 = v ⋅

η , η20

где v20 – приведенное значение скорости опускания, мм/мин; v - подсчитанное значение скорости опускания, мм/мин. 4.3.4. Приведенную площадь поршня определяют методом сличения поверяемого манометра с образцовым манометром. При этом проводят гидростатическое уравновешивание поршней одним из способов. Прямое уравновешивание масс поршней с грузоподъемным устройством и помещенных на них грузов. Поршни поверяемого и образцового манометров необходимо установить так, чтобы в момент их равновесия нижние торцы поршней располагались в одной горизонтальной плоскости. В противном случае необходимо определить расстояние по вертикали между нижними торцами поршней и внести поправку на значение массы столба жидкости. Взаимное положение поршней должно быть определено с погрешностью не более 1мм.

9

4.3.5. Проверка соответствия действительных значений массы грузов расчетным или номинальным значением. 4.3.5.1. Масса грузов и масса поршня с грузоприемным устройством должны быть подогнаны в зависимости от назначения под номинальное значение массы или давления. 4.3.5.2. Отклонение действительных значений массы поршня с грузоприемным устройством и массы каждого груза, подогнанных под номинальное значение массы, от номинальных значений не должно превышать значений, указанных в ГОСТ 8291-83. 4.3.5.3. Масса поршня с грузоприемным устройством и масса каждого груза, подогнанных под номинальное значение давления, должны быть рассчитаны с учетом полученного нового значения приведенной площади поршня по формулам приведенным в ГОСТ 8291-83. Отклонение действительных значений массы поршня с грузоприемным устройством и массы каждого груза от расчетных значений не должно превышать значений, указанных в ГОСТ 8291-83. 4.3.5.4. Действительные значения массы грузов, поршня с грузоприемным устройством и дополнительных грузов проверяют взвешиванием на образцовых весах с применением образцовых гирь. 4.3.6. При соблюдении всех требований разд.4 предел допускаемой основной погрешности поверяемого манометра не должен превышать значения, установленного в ГОСТ 8291-83. Результаты поверки заносит в протокол, форма которого приведена в обязательном приложении 1. По результатам поверки делается вывод, выписывается аттестат и оформляется отчет.

10

Контрольные вопросы: 1. 2. 3. 4.

Назначение и принцип действия манометров. Принцип действия грузопоршневого манометра. Конструкция грузопоршневого манометра. Какие вводятся поправки при измерении давления? Рекомендуемая литература:

4. Камрадзе А.Н., Фитерман М.Я. Контрольноизмерительные приборы и автоматика. – М.: «Высшая школа», 1980г. 5. Юренов В.Н., Лебедев П.Д. Теплотехнический справочник (в двух томах). – М., Энергия, 1976г. 6. Паспорт. Манометр избыточного давления. Грузопоршневой МП-6. ГОСТ8291-83.

11