Оценка погрешности при прямом методе измерения

Выражение умножим и разделим на диапазон измерения прибора Х _т

γ _х = Δ Х 100 %; Х _т = Δ Х 100 % = Х _т

Х _д Х _т Х _т Х

Так как Δ Х/Х т100% - основная приведенная погрещность, или класс точности прибора 'γ_пр, то после подстановки получаем

γ_х =γ_пр Х _т

Х _т

Следовательно, погрешность измерения при прямом методе из­ мерения равна классу точности прибора, умноженному на отношение диапазона измерения прибора к измеренному значению.

Оценка погрешности при косвенном методе измерения,

Погрешности измерения отдельных величин В, С, D, с помощью которых вычисляется искомая величина А, определяются таким же путем, как при прямом методе измерения. Зная эти погрешности, можно вычислить погрешность измерения искомой величины. Пусть, например, А = В^N С ^т D^P, тогда

γ _А=n γ_в +т γ _с + P γ _D,

где, γ_в, γ _с,γ _D - погреmности измерения величин В, С, D; n, т, Р ­ показатели степени при величинах В, С и D.

Погрешность γ_в, γ _с,γ _D и показатели степени n, т и Р могут быть каБ положительными, так и отрицательными, но при нахождении наибольшей возможной погреmности измерения искомой величины надо всегда учитывать самый неблагоприятный случай, т. е. подста­влять эти величины в формулу со знаком плюс.

ПРИБОРЫ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ ЖИДКОСТИ И ГАЗА

Давлением называется сила, нормально приложенная к единице площади.

В международной системе единиц (СИ) за единицу давления при­нята сила в один ньютон, приложенная к поверхности в 1 м² (Н/м²).

Для технических измерений применяют следующие внесистемные

единицы давления.

1. Техническая атмосфера (ат) или килограмм-сила на квадрат­ный сантиметр (кгс/см²).

2. Физическая атмосфера (атм).

3. Миллиметр ртутного столба (мм рт. ст.).

4. Миллиметр водяного столба (мм вод. ст.).

Различают следующие виды давления: атмосферное, или барометрическое (Рб), избыточное (р), абсолютное (Ра) и разрежение (Рр) (при определенных значениях - вакуум).

Б а р о м е т р и ч е с к о е, и л и а т м о сф е р н о е, д а в л е н и е - давление окружающего воздуха (переменная величина). С удалением от поверхности земли атмосферное давление снижается до глубокого вакуума.

И з б ы т о ч н о е д а в л е н и е - разность между абсолютным давлением и барометрическим Р=Р_а-Р_б

А б с о л ю т н о е д а в л е н и е - полное давление, под ко­торым находится вещество (равное сумме барометрического и избыточного) Р_а = Р+ Р_б

Р а з р е ж е н и е м называют разность между барометрическими абсолютным давлением Р_р = Р_б - Р

В а к у у м - глубокое разрежение - свыше 500 мм рт. ст. (66650 Н/м²).

Приборы для измерения давления классифицируются по следу­ющим признакам.

По роду измеряемой величины

Б а р о м е т р ы - для измерения атмосферного давления; манометры, микромано метры, напоромеры - для измерения избыточного давления;

м а н ов а к у у м м е т р ы - для измерения избыточного да­вления и вакуума;

в а к у у м м е т р ы, т я г о м еры - для измерения разреже­ния и вакуума;

д и фф е р е н ц и а л ь н ы е м а н о м е т р ы - для измерения разности давлений.

По принципу действия

Жидкостные, пружинные, поршневые, и д.р. Жидкостные манометры в этих приборах измеряемое давление равновешивается столбом жидкости. Они подразделяются: на манометры с U-образной трубкой, чашечные, с наклонной трубкой и кольцевые весы.U-o б раз н ы е м а н о м е т р,ы. Эти приборы являются наи­более простыми по конструкции И надежными в эксплуатации. Их применяют для измерения небольших давлений (до 2 кгс/см2­ 196 132 Н/м²), разрежений и перепадов давления.

Принцип действия такого прибора основан на уравновешивании измеряемого давления известным давлением, создаваемым столбом рабочей жидкости (ртуть, спирт, реже - масло, вода).

На рис. показана конструкция U-образного манометра. Он состоит из U-образной стеклянной трубки 1, закрепленной на осно вании 3, и шкалы 2. Двусторонняя шкала имеет миллиметровые деления и нулевую от­ метку в середине. Колено U-образной трубки 2 до нулевой отметки заполнено рабочей жид­костью. При измерении давления или разреже­ния один конец трубки присоединяется к источ­нику давления (разрежения), а второй сво­бодно сообщается с атмосферой. В зависимости от того, измеряется ли избыточное давление или разрежение, уровень рабочей жидкости в трубке, сообщающейся с атмосферой, в пер­вом случае повысится, а во втором понизится.

Показания прибора определяются по миллиметровой шкале. Они зависят от разности высот уровней рабочей жидкости в коленах трубки Н = h₁ + h₂, ее удельного веса γ и температуры и не зависят от поперечного сечения трубки.

Ч а ш е ч н ы е м а н о м е т р ы являются разновидностью U-образных манометров, отличаясь тем, что у них второе колено заменено сосудом (чашкой) диаметром примерно в 20 раз большим, чем стеклянная трубка. Поэтому незначительное измене­ние уровня жидкости в чашке приводит к значительному изменению уровня жидкости в трубке. К штуцеру чашки подсоединяется шланг, связанный с измеряемым давлением, а верхний конец стеклянной трубки имеет выход в атмосферу. Параллельно стеклянной трубке размещена миллиметровая шкала, нулевое деление которой соответствует уровням жидкости в чашке и трубке до начала измерений. При измерении чашечным манометром отсчет Н берется по положению мениска в стеклянной трубке.

Для измерения микродавлений и микроразрежений применяют чашечные манометры с наклонной стеклянной трубкой.

Чем меньше угол наклона стеклянной трубки, тем больше ее длина. Поэтому малому снижению уровня жидкости в чашке соответ­ствует значительное перемещение жидкости по наклонной трубке, что позволяет измерять малые давления.

Пружинные манометры Для измерения избыточного давления, разрежения и вакуума наибольшее распространение в технике получили пружинные манометры. Они просты по устройству, дешевы и надежны в эксплуата­ции. Чувствительными элементами этих приборов могут быть: серповидная трубчатая пружина. (трубка Бурдона), многовитковая трубчатая пружина (геликс), плоская мембрана и гармониковая мембрана (сильфон). Общий принцип действия пр ужинных манометров состоит в том, что под действием измеряемого давления чувствительный эле­мент деформируется и посредством переда точно-множительного механизма деформация преобразуется в круговое движение стрелки вдоль шкалы. При этом перемещение стрелки будет пропорционально деформации чувствитрльного элемента, а следовательно, и измеряемому давлению.

Манометр с серповидной трубчатой пружиной (рис.). Чувствительный элемент - трубчатая пружина изготавливается из фосфористой (иногда бериллиевой) бронзы или латуни, а для давлений свыше 200 кгс/см² (1960.104 Н/м²) из стали. Трубчатая пружина 1 одним кон­цом впаяна в держатель 2, закан­чивающийся ниппелем 3 с резьбой, а второй конец закрыт пробкой, запаяни шарнирно связан с передаточно­множительным механизмом. В состав этого механизма входят поводок 4, сектор 5 и трибка 6, на ось которой одета стрелка 7. Для устранения «мертвых» ходов (люфтов) служит спиральная пружина 8. Действие прибора основано на том, что полая трубчатая пружина, имеющая форму овала, под действием внутреннего давления стремится принять цилиндрическую форму и одновременно из серповидной стать прямолиней­ной. Раскручиваясь, пружина по­ средством передаточно- множительного механизма воздействует на стрелку. Практически трубка под действием измеряемого давления ци­линдрической никогда не становится, а величина ее раскручиванияне превышает 100. Класс точности рабочих манометров 1,5; 2,5; 4. Для проверки рабочих манометров на месте их установки, а также для проведения более точных измерений используют контроль­ные манометры. Эти манометры более тщательно изготовлены и имеют класс точности 0,5 и 1,0. Конструктивно они представляют собой два отдельных манометра с трубчатыми пружинами, вмонтированными в один корпус. Стрелки этих манометров поворачиваются в противоположные сто­роны вдоль своих шкал. При пользовании контрольным манометром показания обеих его стрелок должны быть одинаковыми в противном случае при­бор считается неисправным. Для проверки и градуировки рабочих и контрольных манометров в лабораторных условиях Применяют образцовые манометры с клас­сом точности 0,2 и 0,35. Шкала такого манометра расположена по дуге 3000 с делениями через 10 и цифровыми отметками через 100. В паспорте прибора приводятся таблицы для перевода условных делений шкалы в единицы давления.

Манометры для измерения давления газов по конструкции не отличаются от манометров для измерения давления жидкостей, но имеют некоторые особенности. Так, один и тот же манометр нельзя использовать для измерения давления горючих и негорючих газов. С этой целью циферблаты манометров окрашиваются в разные цвета и на них делается надпись - название газа.

Манометры для измерения давления кислорода тщательно обез­жириваются, так как соединение масла с кислородом приводит к взрыву. На циферблате этих манометров делается надпись «Кисло­род, маслоопасно».

В а к у у м м е т р ы имеют конструкцию, аналогичную мано­метру с трубчатой пружиной (могут быть сильфонные и мембранные), с той лишь разницей, что конец пр ужины при измерении вакуума не раскручивается, а, наоборот, закручивается. Это происходит вследствие того, что атмосферное давление более высокое, чем давле­ние внутри трубки, сплющивает ее в еще большей степени, а следо­вательно, и закручивает свободный конец трубки. Шкала вакуум­метра отградуирована в мм рт. ст.

 

 

М а н о в а к у у м м е т р а м и измеряются давления больше и меньше атмосферного. Правая часть делений шкалы такого при­бора служит для измерения давления, а левая - для разрежения. Соответственно правая часть шкалы проградуирована в единицах давления (Kгс\см²), а левая - в единицах разрежения (мм рт. ст.).

Э л е к т р о к о н т а к т н ы е м а н о м е т р ы (ЭКМ). Для измерения давления и разрежения и одновременно для сигнализа­ции о достижении измеряемым параметром минимально или макси­мально допустимого значения применяют манометры с электриче­скими контактами (ЭКМ).

Измерительная система такого манометра аналогична манометру с трубчатой пружиной. Но помимо одной показывающей стрелки такие манометры имеют еще две стрелки-уставки с электрическими контактами. Положение этих стрелок может меняться оператором путем поворота головки, выведенной за защитное стекло наружу. Обычно одна стрелка-уставна устанавливается на минимально допу­стимое давление, а вторая - на максимально допустимое. В процессеизмерений поназывающая стрелка, поравнявшись с одной из стре­лок-уставок, замыкает контакты, в результате чего посылаетсяимпульс в сигнальное устройство или исполнительный механизм. Класс точности этих манометров - 2,5.

Манометр с многовитковой трубчатой пруж и н о й. Чувствительным элементом такого прибора является много­витновая трубчатая пружина - геликс, расположенная по спиралис числом витков от 2,5 до 9. В связи с тем, что геликс представляет собой как бы ряд последовательно соединенных серповидных трубчатых пружин, свободный его конец может

раскручиваться до 50-600, что обеспечивает большую

чувствительность и точность измерений.

Класс точности таких приборов - 1,5.

На рис. показана кинематическая схема манометра с

трубча­той многовитковой пружиной. Геликс 5 одним

концом припаян к неподвижному основанию,

а второй – свободный конец посред­ством

планки связан сосью 6.При подводе давления

че­рез капилляр 1 к геликсупоследний раскручивается

 

и поворачивает при этом ось. Вращение от оси 6 рычагом 7 и тягой 10 передается ры­чагу 4, жестко посаженномуна одну ось со стрелкой 3. На конце стрелки закреплено перо 11, производящее за­пись показаний на диаграмм­ном бланке 2. Вращение диа­граммного бланка может про­изводиться часовым механиз­мом или синхронным мало­мощным электродвигателем. Если нужно изменить раз­мах пера при одном и том жедавлении, то винтом 9 ме­няют положение ползуна 8 итем самым соотношение плечрычагов.

Манометры с трубчатой многовитковой пр ужиной могут быть показывающими, регистрирующими и с уст­ройством для дистанцион­ной передачи показаний поэлектрическим проводам.

М е м б р а н н ы е м а н о м е т р ы. Эти приборы могут быть с плоской, плоско-гофрированной и гармониковой (сильфоны) мем браной. Первый тип приборов применяют для измерения невысоких давлений (до 25 кгс/см² -2,45 МН/м²) и разрежений (0­760 мм рт. ст. - 0-:-0,1 МН/м²),что вызвано предельно допустимыми значениями остаточных деформаций чувствительного элемента, в ка­честве которого служит тонкая стальная мембрана с антикоррозион­ным покрытием. Будучи зажатой между фланцами корпуса, она вос­принимает одностороннее действие давления и при этом деформи­руется. Прогиб мембраныпосредством передаточно-множительного устройства преобразуется в движение стрелки. Так как максимальное перемещение центральной части мембраны не превышает 1,5­2 мм, то передаточно-множительное устройство имеет большое пере­даточное число, что снижает чувствительность и точность измерений.

Манометры с плоско-гофрированной мембраной используют для измерения давления

в агрессивных или с повышенной вязкостью средах.

Гофры могут быть кру­говой,

трапециевидной и других форм.

 

 

Наличие гофров снижает жесткостьмембраны.

Значительно большая подвижность мембраны

у сильфонов. В связи С этим их обычно используют

для замеров низких давле­ний - от 0,3 до 5 кгс/см²

(от 29420 Н/м² ДО­0,49 МН/м²).

 

Упругий элемент силь­фонов (рис. 39) имеет видцилиндрической гармони­ки 4, помещенной в за­крытый корпус 2. К шту­церу 1 корпуса подводитсяизмеряемое давление, с из­менением которого силь­фон сжимается или растягивается. Во внутреннюю полость сильфона, сооб­щающуюся с атмосферой, вставлена пружина 3, про­тиводействующая его сжа­тию. В донную часть силь­фона упирается шток 5, воздействующий через пе­редаточно – множительное устройство 6, 7, 8 на стрелку прибора 9. Таким образом, емое давление вызывает сжатие сильфона и в конечном поворот стрелки. Сильфонные манометры выпускаются точности 1 и 1,5.

Поршневые манометры Поршневые манометры обладают наибольшей точностью измере­ний, и с их помощью в основном осуществляют поверку рабочих, контрольных и образцовых пружинных манометров. По точности показаний эти манометры делятся на 3 разряда, соответственно с классами точности 0,02; 0,05; 0,2.

Принцип действия поршневых манометров основан на определе­нии давления на жидкость, создаваемого силой тяжести поршняи калибровочных грузов. Схема прибора показана на рис.Основной измерительной

частью поршневого манометра является вертикально

установленная колонка 2, в цилиндрическое

отверстие которой вставлен поршень 3, снабженный

в верхней части тарелью 4. На тарель в процессе

измерений кладутся калиброванные грузы. Поверхность

цилиндрического отверстия и поршня каленые и

имеют высокую точность обра. ботки, за счет чего

дости­гается необходимая плот­ность между этими дета­лями.

Колонка внешней резьбой соединена с прес­совой частью прибора. Помимо винтового пресса 7 здесь расположены вен­тили 6 и штуцера 1 дляподсоединения поверяемыхманометров.

Порядок поверки мано­метров состоит в следу­ющем: к штуцерам подсо­единяют один или два по­веряемых манометра, вворонку 5 заливают мало­вязкое минеральное масло, которым заполняют ка­налы прибора и частичноцилиндр; в канал цилиндра опускают поршень, а на тарель кладут определенное количество тарирован­ного груза. Для того чтобы трение между поршнем и цилиндром свести к минимуму, в процессе измерения поршень старелью и грузами поворачивают вручную. Измеряемое манометрами да­вление можно определить из выражения

р= G₁+G₂

F

где G₁ - вес поршня с тарелью в кгс; G₂ - вес тарированных грузов в кгс; F - площадь поршня в см².