Глава 3. поршневые манометры

Глава 3. ПОРШНЕВЫЕ МАНОМЕТРЫ

Поршневые манометры появились позже жидкостных. Впервые поршневой манометр был применен для измерения давления в 1833 г. Парротом и Ленцем (Российская Академия наук) при изучении сжимаемости воздуха и других свойств газов, причем значение давления для того времени было очень большим (10 МПа) . Однако, в принципе, открытие поршневого метода могло бы произойти значительно раньше. Если О. Герике в своем опыте с откачанными „магдебургскими полушариями” довел число лошадей в каждой упряжке до количества, необходимого Для разъединения полушарий, то он смог бы определить атмосферное давление в .Лошадиных силах” на площадь поперечного сечения шара еще в 1652 г.

Широкое распространение поршневые манометры получили благодаря Амага (Франция) и Рухгольцу (Германия), и особенно последнему, который в 1883 г. организовал промышленный выпуск этих приборов. Дальнейшее развитие поршневой манометрии шло, в основном, в сторону увеличения точности и верхних пределов измерений, а начиная с тридцатых годов текущего столетия поршневые манометры стали вытеснять жидкостные и при точных измерениях давлений, близких к атмосферному давлению'.

Большой вклад в развитие поршневой манометрии внесли проф. М.К. Жохов-Ский, который впервые разработал целостную теорию приборов с неуплотненным поршнем, П.В. Индрик, В.Н. Граменицккй и многие другие их последователи.

В настоящее время в нашей стране и за рубежом поршневые манометры играют ведущую роль при поверке и испытаниях манометрических приборов в широком диапазоне давлений от 1 кПа до десятков тысяч МПа и находят все большее применение в качестве национальных государственных эталонов давления.

3.1. Принцип действия, основы теории и типы поршневых манометров

На рис. 15 изображен простейший поршневой манометр, который состоит из цилиндрического поршня 1, притертого к цилиндру 2 с минимально возможным зазором. Если на нижний торец поршня действует измеряемое дав-р    ление    р,    то    для его уравновешивания к порш

ню должна быть приложена сила Р. Уравнение равновесия с учетом силы трения на боковую поверхность поршня, возникшей при протекании жидкости или газа через зазор между поршнем и цилиндром под действием измеряемого давления, имеет вид

pF = P - Т,    (3.1)

где F — геометрическая площадь поперечного сечения поршня; Т — сила жидкостного трения на боковую поверхность поршня.

После преобразований уравнение (3.1) приводится к виду

где F + Т/р = F₃ф — эффективная (приведенная) площадь поршня.

Теоретические и экспериментальные исследования показывают, что сила жидкостного трения Т пропорциональна действующему давлению. Поэтому эффективная площадь не зависит от давления, а следовательно, измеряемое давление прямо пропорционально уравновешивающей его силе. Здесь не принимаются во внимание деформации поршня и цилиндра, которые необходимо учитывать при измерении высоких давлений.

Наиболее часто измеряемое давление уравновешивают весом грузов, что явно предпочтительно с точки зрения достижения высокой точности измерений, хотя и представляет известны^ неудобства в эксплуатации. Уравнение измерений (3.2) поршневого манометра в этом случае принимает вид

(3-2)

F +

Рис. 15. Простейший поршневой манометр

Р = -

Т_

Р

где т — масса грузов и поршня: g — ускорение свободного падения.

Благодаря высокой стабильности эффективной площади, которая определяется в основном геометрическими размерами папы поршень-цилиндр, а также возможности учет;? внешних влияний расчетными методами, поршневые манометры являются идеальными преобразователями давления в силу.

Наиболее существенное достоинство поршневых манометров состоит в том. что они непосредсть. ино воспроизводят давление по определению: давление равно силе, деленной на площадь поршня. Этот метод так же, как и метод уравновешивания давления столбом 'жидкости, является фундаментальным, т. е. измерение давления в конечном итоге сводится к измерению массы, длины и времени. Вышеизложенное позволяет сформулировать следующее определение.

Поршневой манометр — манометр, в котором действующее на поршень измеряемое давление преобразуется в силу и определяется но значению силы, необходимой для ее уравновешивания. В наиболее распространенных поршневых манометрах давление уравновешивается весом грузов. Такие манометры называются грузопоршневыми.

Уравнения (3.2) и (3.3) по своей структуре идентичны уравнениям измерений жидкостно-поршневых манометров (2.24) и (2.25). Действительно, в обоих, случаях давление определяется по уравновешивающей его силе и площади твердой поверхности. Однако, между ними имеются существенные различия. Одно из обязательных условий, обеснечивай-щих возможность выполнения измерения — сохранение постоянства измеряемого давления при его измерении. В жидкостно-поршневых манометрах зго достигается уравновешиванием измеряемого давления гидростатическим давлением столба жидкости. Например, в колокольном манометре столб образуется в кольцевом пространстве между боковыми поверхностями колокола и сосуда, в которой залита разделительная жидкость (гидростатический затвор). В отличие от этого в поршневых манометрах постоянство давления в измерительной камере поддерживается благодаря гидравлическому сопротивлению протекания жидкости через зазор между поршнем и цилиндром (гидродинамический затвор). При этом ввиду малости зазора (1—2 мкм) гидравлическое сопротивление позволяет поддерживать постоянство давления с допускаемыми отклонениями. Не обеспечивая полную герметичность, гидродинамический затвор обладает очень важным преимуществом — измеряемое давление практически не влияет на размеры прибора, в то время как во всех жидкостных манометрах высота столба жидкости, необходимая для уравновешивания, прямо пропорциональна измеряемому давлению.

Для обеспечения чисто жидкостного трения в зазоре поршневой пары поршень вращают вокруг его оси относительно цилиндра или, наоборот, цилиндр вращают относительно поршня. Благодаря этому возникает эффект „гидравлического клина'’, на котором основана работа любого подшипника скольжения. При этом ось поршня центрируется относительно оси цилиндра, что предотвращает непосредственный контакт между поверхностями поршня и цилиндра, а следовательно, и возможность возникновения „сухого’ нежидкостного трения и связанные с ним дополнительные погрешности.

Рассмотрим более подробно основные теоретические закономерности, связывающие метрологические и эксплуатационные характеристики поршневых манометров с геометрическими параметрами поршневых пар и физическими свойствами измерительной системы (рис. 16).

Согласно теории сила жидкостного трения, действующая на боковую поверхность поршня вдоль его оси Т = nrhp (1 +h/r), или, принимая во внимание, что hjr 1 и вторым членом в скобках можно пренебречь,

T=nrh • р.    (3.4)

Тогда, подставляя значение Т в выражение для эффективной площади поршня (2.32), получим

^эф — яг² + 7Г г h,    (3.5)

где г — радиус поршня; h = R — г — радиальный зазор между поршнем и цилиндром; R -радиус цилиндра.

Эффективная площадь поршня Р_эф является основным параметром поршневого манометра.

Как ввдно из (3.4), сила жидкостного трения не зависит от вязкости протекающей через зазор жидкости и длины зазора I и пропорциональна измеряемому давлению. Поэтому эф-Рис. 16. Связь метрологичес- ф_екТивная площадь поршня (3.5), равная по-ких и эксплуатационных ха-    „

рактеристик поршневых ма- ^лУ^сУ^мме геометрических площадей поршня и

нометров с геометрически- цилиндра, определяется только геометрическими параметрами поршневых ми размерами поршневой пары R и г и не зави-пар и физическими свойст- _Сит ₀т физических свойств рабочей жидкости

вами измерительной систе- _{и изме}ряемого давления, если последнее не на-мы    _    ,

столько велико, чтобы существенно деформировать поршневую пару.

При умеренных давлениях (менее 10 МПа) деформациями поршневой пары в большинстве случаев можно пренебречь. Поэтому можно принять, что эффективная площадь поршня постоянна во всем диапазоне измерений, а следовательно сила, необходимая для уравновешивания давления, прямо пропорциональна измеряемому давлению: Р = F₃ф • р.

В этом состоит одно из важнейших достоинств поршневых манометров. Изменения эффективной площади поршня при больших давлениях относительно малы и легко учитываются расчетными поправками.

Основные эксплуатационные характеристики — утечка рабочей жидкости через зазор поршневой пары и продолжительность свободного вращения поршня по инерции.

Расход жидкости через зазор поршневой пары, который существен при проведении измерений, определяется уравнением

_ -nrh³ • р

(3.6)

6/J.1

где IX — динамическая вязкость рабочей жидкости; 1 — длина зазора между поршнем и цилиндром, остальные обозначения прежние.

Как видно из (3.6), наиболее эффективно расход жидкости может быть уменьшен путем уменьшения зазора h и увеличения вязкости рабочей жидкости ц.

В идеальном случае было бы желательно изготовлять поршневые пары с зазором h, близким к нулю, когда утечка жидкости практически отсутствует, но это технологически неосуществимо. Как показала практика применения и изготовления образцовых поршневых манометров, оптимальный эазор составляет 1—3 мкм. (Для сравнения напомним, что размеры средней бактерии составляют 5—6 мкм и, если бы она не была эластичной, то не смогла бы проникнуть в такой зазор). При этом в зависимости от диапазона измерений применяют рабочие жидкости различной вязкости. Например, при измерении избыточных давлений не более 150—250 кПа в качестве .рабочей жидкости применяется керосин (ju = = 2 • 10~³ Па-с), а при измерении давления до 1000—2000 МПа — касторовое масло (ju = 1 Па-с). Таким образом, влияние увеличения давления на утечку во многом компенсируется увеличением вязкости рабочей жидкости. При этом, как правило, существенно уменьшают радиус поршня, что делает утечку жидкости практически постоянной.

Если давление жидкости измеряется в замкнутом объеме,.то по мере утечки жидкости происходит ее замещение путем опускания поршня и благодаря этому давление уменьшается очень мало. Учитывая (3.6), скорость опускания поршня

Размеры поршневой пары h,r,l и вязкость рабочей жидкости ц выбираются так, чтобы при заданном давлении скорость опускания обеспечивала возможность произвести измерение в положении поршня, близком к расчетному уровню. По скорости опускания поршня контролируют также зазор между поршнем и цилиндром. Согласно (3.7) зазор

р

(3.8)

Обеспечивая в большинстве случаев необходимую точность измерений, этот способ выгодно отличается от определения зазора по результатам измерений радиусов поршня и цилиндра благодаря предельной простоте его реализации.

Одна из важных характеристик поршневого манометра — продолжительность свободного вращения поршня, которая определяется кривой

уменьшения скорости вращения во времени. Указанная закономерность имеет вид

со = со₀ • e~^€t,    _{(3    9)}

_ 2ттг^г-1-ц

^e-~T~h--

где со₀ — начальная угловая скорость вращения поршня; со — угловая скорость вращения поршня в момент времени; J — момент инерции поршня и наложенных на него грузов. Остальные обозначения прежние.

Контрольный вопрос № 4

' Влияет ли вязкость жидкости, протекающей под действием давления через зазор между поршнем и цилиндром, иа эффек-¦ тивную площадь поршня?

Если „да” — см. с. 47. если „нет” — см. с. 50.

Как видно из (3.9), скорость вращения поршня уменьшается тем медленнее, чем меньше вязкость рабочей жидкости и размеры поршня г vi I vi чем больше момент инерции поршня с грузами и зазор И. Следует отметить, что при выборе оптимальных размеров поршневой пары необходимо учитывать их влияние на утечки жидкости через зазор (3.6).

Измерительные системы поршневых манометров могут быть классифицированы по различным признакам: форме и конструкции поршневых пар, уравновешенности собственного веса поршня и способам его уравновешивания, ввдам измеряемой среды, способам уравновешивания измеряемого давления, назначению поршневого манометра, виду измеряемого давления и пр.

Основные конструктивные формы цилиндрических поршневых пар, представленные на рис. 17, позволяют осуществить преобразование измеряемого давления в силу или в давление другого назначения. Функциональные возможности указанных поршневых пар, наиболее часто реализуемые в поршневых манометрах, отражены в табл. 7.

Таблица 7

Вид преобразования измеряемого давления

Форма поршневой пары

Простая одноступенчатая поршневая пара (рис. 17,а)

Двухступенчатая (дифференциальная) поршневая пара (рис. 17, б)

То же

Трехступенчатая (двойная дифференциальная) поршневая пара (рис. 17, в)

То же

При F₁ =F₃

Различные формы поршневых пар при их применении в поршневых манометрах для измерения различных видов давления имеют свои преимущества и недостатки.

К контрольному вопросу № 4

Вам следует более внимательно просмотреть разд. 3.1. При этом особое внимание следует обратить на формулы (3.4) и (3.6). Согласно (3.6) при увеличении вязкости уменьшается расход жидкости через зазор. Поэтому сила трения (3.4) и эффективная площадь (3.5) остаются постоянными.

Измеряемое абсолютное давление преобразуется в силу Р = р_абс ^!

Измеряемое избыточное давление преобразуется в силу следующими способами:

пл =Рк

2)    Р₂ =p_Mtf\

3)    Л = Ри’ ^f '-

Многократное уменьшение измеряемого давления:

Рг ~    ’    Ри

Многократное увеличение измеряемого давления:    _F

Рг = ~^Г- ¦ Ри 1

Измеряемое абсолютное давление преобразуется в силу Р = Рабс *

X {F _г — F,) — р_Ягм ^

X (Fj — t<₃) — р_остм X X (F, -F.)

При Ра_Тм = 0; F, = F₃, Р = Раб: (Fj.-F,)

Измеряемая разность давлений преобразуется в избыточное давление Ри= (Рз ~Pi) ^х -F,)

Над верхним торцом 2 поршня создается вакуум (р_абс ⁼ 0), измеряемое абсолютное давление действует на нижний торец 1 поршня

Давление над верхним торцом 3 поршня равно атмосферному давлению; измеряемое избыточное давление действует на:

1)    нижний торец 1 поршня (штуцер 2 открыт на атмосферу);

2)    кольцевую площадь штуцера 2 поршня (на нижний торец 1 поршня действует атмосферное давление) ;

3)    нижний торец / поршня и на кольцевую площадь штуцера 2 (одновременно)

Измеряемое давление действует на нижний торец I поршня, кольцевая площадь 2 сообщена с атмосферным давлением

Измеряемое давление действует на верхний торец 3 поршня, кольцевая площадь штуцера 2 сообщена с атмосферным давлением^

Давления под нижним торцом 1 и над верхним торцом 4 поршня равны атмосферному давлению; камера 3 откачивается и в камеру 2 подается абсолютное давление р_аб_с-При сообщении камеры 3 с атмосферным давлением измеряется избыточное давление, при сообщении с атмосферным давлением камеры 2 в камере 3 измеряется отрицательное избыточное давление

Давление над верхним торцом 4 равно атмосферному давлению: в камеру 3 подается давление р₃-п камеру 2 - Рабс j на нижний торец 1 поршня действует избыточное давление р_и

Рис. 17. Формы цилиндрических поршневых пар

При измерении избыточного давления наиболее предпочтительны одноступенчатые поршневые пары (рис. 17, а), которые обеспечивают максимальную конструктивную простоту манометров и технологичность их изготовления. При этом масса грузов, которые, как правило, применяются для уравновешивания измеряемого давления, при измерении избыточного давления (р_аg_c > Ртм) прилагается непосредственно к верхнему торцу 2 поршня; а при измерении отрицательного избыточного давления (Рабе ^Рагм) — ^к нижнему ТОрцу 1 ПОрШНЯ.

Контрольный вопрос № 5

Вы располагаете двумя поршневыми манометрами, один из которых имеет эффективную площадь F = 0,05 см², а другой -F = 1 см² . Какой из указанных манометров следует, по Вашему мнению, применить при измерении давления до 60 МПа; F = = 0,05 см² или F = 1 см² ?

Если Вы считаете, что F = 0,05 см², то откройте с. 50, если F = 1 см² — см. с. 52.

При измерении абсолютного давления и разности применение одноступенчатой поршневой пары приводит к существенному усложнению конструкции поршневого манометра и методики выполнения измерений. Так, при измерении абсолютного давления пространство над верхним торцом 2 поршня должно быть вакуумировано, что приводит к необходимости герметизации верхней части прибора, а это существенно усложняет процесс наложения уравновешивающих грузов при измерении давления. в данном случае более предпочтительно применение трехступенча-тои псрфкевой щрм (рис. 17, в), которая позволяет подводить измеря-

емое и опорное давления непосредственно в замкнутые измерительные камеры 2 и 5. При этом обеспечивается свободный доступ к верхнему торцу 4 поршня при наложении уравновешивающихся грузов.

Двухступенчатые (дифференциальные) поршневые пары (рис. 17, б) наиболее часто применяются для многократного уменьшения измеряемого давления при измерении высоких избыточных давлений или увеличения измеряемого давления при измерении низких давлений. Такие преобразователи входят в состав измерительных систем (рис. 18) поршневых манометров, применяемых для измерения низких или высоких избыточных давлений.

!

Рис. 18. Измерительные системы поршневых манометров

В поршневой системе для измерения низких избыточных давлений (рис. 18, а) последнее предварительно двухступенчатой поршневой парой увеличивается в отношении площадей P3/F2 до давления р₁ —р_и • F₃/F₂, которое затем измеряется простым одноступенчатым груэопоршневым манометром. При этом измеряемое избыточное давление

где отношение площадей обычно составляет 1:10 или 1:100 в зависимости от измеряемого низкого давления.

Поршневая система, (рис. 18,6) позволяет, наоборот измерять высокие давления с помощью простых одноступенчатых поршневых маномет-

Этот способ имеет существенные преимущества по сравнению с измерением высоких давлений с помощью простой поршневой пары, так как не требует чрезмерного уменьшения площади поршня F_t при одновременном увеличении массы грузов т. Существенно уменьшаются также и габаритные размеры поршневого манометра.

Одним из важнейших преимуществ указанных поршневых систем, особенно при измерении низких давлений, является возможность взаимного уравновешивания собственного веса поршней, что позволяет довести нижний предел измерений до нуля, а вместе с тем и провести контроль ряда метрологических характеристик при отсутствии давления. Поэтому принцип предварительного уравновешивания собственного веса поршня находит все большее применение.

ров, применяемых при измерении средних давлений. В данном случае измеряемое давление

Помимо указанного выше, применяются также способы предварительного уравновешивания собственного веса поршня рычажным противовесом, давлением столба жвдкости, пружинным механизмом и др. Примеры конструктивного исполнения различных способов уравновешивания веса поршня, а также способов приложения к поршню уравновешивающего измеряемое давление усилия, приводятся в разд. 3.3.

К контрольному вопросу № 4

Ваш вывод правилен. В то же время не забывайте, что при высоких давлениях, когда появляются существенные деформации поршня и цилиндра, изменениями вязкости жидкости пренебрегать уже нельзя.

К контрольному вопросу № 5

Вы сделали правильный выбор. Согласно формуле (1.33) при F = 0,05 см² масса грузов, а, следовательно, и габаритные размеры прибора находятся в разумных пределах.

3.2. Поправки и погрешности поршневых манометров

Показания поршневых манометров, как и любых других приборов, зависят от условий, в которых проводятся измерения. Поэтому, несмотря на то, что поршневые манометры являются наиболее стабильными по сравнению с манометрами других типов, в их показания при измерениях высокой точности необходимо вводить соответствующие поправки, учитывающие влияние условий измерений, к ним относятся влияние температуры окружающей среды, деформации поршня и цилиндра под действием измеряемого давления, а для поршневых манометров, в которых измеряемое давление определяется по весу уравновешивающих его грузов, необходимо учитывать местное ускорение свободного паления и потерю массы грузов в воздухе.

Поправка на температуру. Основная постоянная поршневого манометра — эффективная площадь поршня F — определяется при нормальной температуре t= 20°С. Если при измерениях температура поршневого манометра отличается от нормальной, то эффективная площадь

F = F₂₀ [1 + (а + 0)(/-2О°С)],

где а и (3 — коэффициенты линейного расширения материалов поршня и цилиндра.

Так как площадь поршня увеличивается при увеличении температуры, то при одном и том же давлении увеличится сила, необходимая для уравновешивания давления, а следовательно, температурная поправка должна вводиться со знаком „минус”.

Температурная поправка

Ар, = -р(в + 0) (Г - 20°С).    (3.12)

Следует отметить, что температурная поправка практически не зависит от формы поршневой пары или наличия в измерительной системе более одной поршневой пары, если температура различных частей измерительной системы манометра одинакова.

Если поршень и цилиндр изготовлены из стали (а = (3) = 12 • 10^-6 °С^-1, то температурная поправка

6_Г = —⁼ —2,4 • 10~⁵ (t — 20°С),

т. е. 0,0024 % на 1°С, что в 9 раз меньше чем для жидкостных манометров.

Поправка на изменение эффективной площади поршня от давления. Относительное изменение эффективной площади поршня под действием измеряемого давления S,F_p = ДF_p/F — X • р, где X — коэффициент изменения площади, значения которого зависят от формы конструкции и упругих свойств материала поршневой пары.

Отсюда поправка к измеряемому давлению

б р^-Х-р.    (3.13)

Так же, как и температурная поправка, поправка на изменение эффективной площади поршня от давления отрицательна. Для простой цилиндрической поршневой пары, в которой поршень и цилиндр изготовлены из одного и того же материала, коэффициент изменения площади

X = —4г -+ 2»i),    (3.14)

^? R _ 1

г

где г и R — радиусы поршня и цилиндра (наружные); Е — модуль упругости материала, из которого изготовлены поршень и цилиндр; д — коэффициент Пуассона.

Если наружный радиус цилиндра существенно больше радиуса поршня (R²/r² >¦> 1), то коэффициент изменения площади X »    .    Для стальных поршня и цилиндра Е = 2,1 • 10¹¹ Па; д = 0,3, а коэффициент изменения площади X = 2,67 • 10“¹² Па^-1. Отсюда 8_р = —~Кр — —2,67 X X 10^-12 • р. В зависимости от измеряемого давления поправка на деформацию:

р, МПа    1    10    100    1000

8_р,%    -0,0003    -0,003    -0,027    -0,267

Таким образом, при измерениях с погрешностью более 0,01 % указанной поправкой можно пренебречь, если измеряемое давление не превышает 10 МПа.

К контрольному вопросу № 5

Ваш выбор не рационален. При F = 1 см^г согласно формуле (3.3) масса грузов достигнет 600 кг при измерении давления 60 МПа. Это неприемлемо для поверочных лабораторий и заво-дов-изготовителей.

Поправка на местное ускорение свободного падения. Если при измерениях давление уравновешивается весом грузов, то согласно уравнению измерений грузопоршневых манометров р = mg/F, где т — масса грузов, необходимых для достижения равновесия; g — местное ускорение свободного падения. Поэтому при одних и тех же значениях массы грузов и эффективной площади поршня давление прямо пропорционально местному ускорению свободного падения. Вместе с тем, исходя из требований поверочной практики, поршневые манометры должны обеспечивать воспроизведение давлений, значения которых соответствуют номинальным („круглым”) значениям давления. Поэтому при выпуске поршневых манометров из производства масса грузов рассчитывается из условия т = р_и • F/g, где р_н — номинальное („круглое”) значение давления.

Если ускорение свободного падения в месте измерений заранее не известно, то масса грузов обычно подгоняется под нормальное ускорение свободного падения^_н = 9,80665 м/с². Поэтому при эксплуатации поршневого манометра в месте измерений с ускорением свободного падения# в показания прибора необходимо ввести поправку

4р=р(-|--1);

или    ^н    (3.15)

=

S_H

В пределах нашей страны указанная поправка может быть довольно большой. Например, если# = 9,822 м/с², поправка составляет 8_g = 0,15 %.

Следует отметить, что так же, как и для жидкостных манометров (см. разд. 2.2), значение нормального ускорения свободного падения Ян — 9,80665 м/с² обусловлено применением старых единиц давления (кгс/см² , мм рт.ст., мм вод.ст.). После перехода на единицу давления „Па” международной системы единиц понятие „нормальное ускорение свободного падения” теряет смысл. Поэтому в формулах (3.15) вместо g_u может, в принципе, использоваться любое „круглое” расчетное значение ускорения свободного паденияg_p (9,80; 9,81 м/с²), приемлемое для региона, в котором будет использоваться поршневой манометр. При этом выбранное значение ускорения свободного падения должно быть указано в свидетельстве о поверке.

Поправка на потерю массы грузов в воздухе. Согласно закону Архимеда, на грузы, наложенные на поршень при измерениях, со стороны окружающего воздуха действует подъемная сила, равная весу воздуха в объеме, занимаемом грузами, т. е.

G_B = Уг • Рв ' 8.

где V-i = т/р — объем грузов; р_в — плотность воздуха.

Поэтому масса грузов, уравновешивающая измеряемое давление, уменьшится на G_B, а давление

р = -ЗД-(1--&-).    (3.15)

Поправка на потерю массы грузов в воздухе 6_В = —р_в/р.

При атмосферном давлении 100 кПа плотность воздуха р_в = = 1,2 кг/ м³; для остальных грузов р = 7,85 • 10³ кг/м³. Тогда поправка 6_В = —0,015 %, что необходимо учитывать при высокоточных измерениях.

Таким образом, действительное значение давления, воспроизводимого грузопоршневым манометром, в общем случае

р-~г-—(1 + S_f + б_р +б^ + б_в).    (3.16)

20

где F₂о — эффективная площадь поршня при t = 20°С; #_р — расчетное значение ускорения свободного падения; 8_t, 6_р и 6_В - относительные значения поправок в соответстии с формулами (3.12), (3.13), (3.14) и

(3.15).

В поверочной практике для удобства эксплуатации введение поправок в процессе измерений нежелательно. В этих целях влияние температуры сводится к необходимому минимуму ограничением диапазона температур в условиях поверки, а остальные поправки учитываются соответствующей подгонкой массы грузов при изготовлении поршневого манометра или при его применении в другом месте.

Согласно формуле (3.16) расчетное значение массы грузов должно быть

"VС= ^Pp_g^acF?°- [1-(5_Р⁺5* ^{+ 5}в)].    (3.17)

«рас

где р_рас — расчетное измеряемое давление; g_pac — расчетное ускорение свободного падения.

Если поправкой на деформацию поршневой пары под действием давления бр можно пренебречь, а расчетное ускорение свободного падения gpac соответствует местному ускорению свободного падения g, то

^трас Ррас *    ^    О    )•

8    Р

Заслуживает внимания и другой способ компенсации поправок и б_в, согласно которому последняя производится путем соответствующего выбора эффективной площади поршня. При этом грузы подгоняются под номинальные значения в единицах массы, что упрощает их поверку и позволяет применять при измерениях стандартные разновесы. Расчетная эффективная площадь поршня в этом случае

где т_в — масса грузов, подогнанных под номинал.

При воспроизведении грузопоршневым манометром давлений, кратных единице давления Па, в соответствии с первым способом (3.17*) масса груза, ’соответствующая, например, давлению р = 100 кПа, при g = 9,8155 м/с² и F₂₀ = 1 • 10~⁴ м² будет равна т_рас = 1 • 10^s Па X X (1 • 10^-4 м²/9,8155 м/с²) • (1 + 0,00015) = 1,01895 кг.

В соответствии со вторым способом (3.18) при т = 1 кг и прочих равных условиях эффективная площадь поршня должна быть равна F₂₀ = (1 кг • 9,8155м/с²)/(1 • 10^s Па) (1 - 0,00015) =0,98140 • 10’⁴ м², т. е. меньше, чём в первом случае примерно на 1,9 %.

Это позволяет изготовлять такие поршневые пары при помощи имеющейся на заводах-изготовителях технологической оснастки без существенных дополнительных затрат.

Суммарная относительная погрешность поршневого манометра согласно уравнению измерений (3.2) с учетом дополнительных погрешностей

(3.19)

~ ^v ^{+    +}    ^    8,-,

где 8_N — относительная погрешность определения силы, необходимой для уравновешивания измеряемого давления; 6р — относительная погрешность определения эффективной площади поршня; 2 8,- — дополнительные погрешности.

Основные погрешности поршневых манометров 6_N и 8р, обусловленные поршневым методом измерения давления, имеют место для приборов всех типов.

Погрешность определения силы, уравновешивающей измеряемое давление, зависит от способа уравновешивания. Для наиболее часто применяемого способа уравновешивания веса грузов относительная погрешность

(3.20)

где д_т — относительная погрешность определения массы грузов; 8_g — относительная погрешность определения ускорения свободного падения в месте измерений.

Современная техника измерения массы и ускорения обеспечивает достаточно высокую точность измерений. Погрешности 6и 6^ без особых затруднений могут быть доведены до уровня 10^—5 —10^-6. Поэтому указанные погрешности выбираются, исходя из соответствия их требуемой суммарной погрешности измерений. Отечественными и международными стандартами регламентировано, что 6_Ш не должно превышать 20 % суммарной погрешности, а 8_g — 10 %. Дальнейшее уменьшение погрешности 8_т неоправданно, так как при этом повысится трудоемкость изготовления и поверки грузов. В отношении погрешности 8_g необходимо отметить, что она при высокоточных измерениях (сравнениях поршневых и жидкостных манометров друг с другом) взаимно исключается.

Наиболее весома погрешность определения эффективной площади поршня 8р, которая составляет 40—50 % суммарной погрешности. За исключением поршневых манометров, применяемых в качестве первичных эталонов, эта погрешность в подавляющем большинстве случаев обусловливается погрешностями, связанными с определением эффективной площади поршня путем сличения показаний поверяемого манометра с показаниями манометра более высокого класса точности. Указанные погрешности — погрешности уравновешивания; порог реагирования; погрешности, вызываемые воздействием условий поверки и капиллярными явлениями, а также налипанием смазывающей жидкости на поверхности поршня — носят случайный характер. Однако погрешность определения эффективной площади поршня 8р является систематической в принципе, так как значение эффективной площади поршня F, записанное в свидетельство о поверке, отличается от истинного значения на постоянное значение. Это относится также и к погрешностям значения ускорения свободного падения 8_g и массы грузов 8_т. Правда, последняя погрешность может иметь и случайную составляющую, связанную с произвольным подбором грузов при уравновешивании измеряемого давления.

Таким образом, основные погрешности поршневого манометра Ъ_т, 8_g и 6р носят систематический характер, что и определяет высокую стабильность показаний грузопоршневых манометров.

Дополнительные погрешности 2 б,-, как было указано выше, носят в основном случайный характер.

В процессе уравновешивания давления возникает погрешность, связанная с отклонением наблюдаемого положения поршня от действительного положения равновесия, что обусловливается инерционностью поршневой системы и временем наблюдения, порогом реагирования, точностью отсчетного устройства и другими причинами.

Погрешности, вызываемые условиями поверки, обусловливаются, в основном, точностью определения температуры поршневой пары и ее изменениями за время измерения. В соответствии с (3.12) эта погрешность

Для стальных поршня и цилиндра при At = 0,5 С погрешность 5_Г = = 1,2 • 10^-s (~ 0,001 %), которой для приборов классов точности 0,02 и 0,05 можно пренебречь. Однако для измерений эталонного уровня погрешность измерения температуры At не должна быть < 0,1^еС.

Влияние смазывающей жидкости. На границе свободной поверхности смазывающей жидкости и боковой поверхности поршня вдоль его оси действуют капиллярные силы, которые можно оценить по формуле Р_к = = 2-п ' г • а • cos0, где г — радиус поршня; а — коэффициент поверхностного натяжения; в — угол смачивания.

Эквивалентное этой силе давление равно:

А __^к _ 2о * COSd    /о

^ДРк=-^-=-7-.    (3-22)

а соответствующая относительная погрешность измерения давления

с    2 а ¦ cose

Для смазывающих жидкостей (минеральное масло, керосин) коэффициент поверхностного натяжения а » 0,03 Н/м, а угол смачивания в худшем случае составляет в = 0 (cos0 = 1). При эффективной площади поршня F₃ф = 1 • 10^-4 м² = 1 см² давление, эквивалентное влиянию поверхностного натяжения Ар_к < 0,1 гПа, что существенно при точном измерении (6 < 0,01 %) давлений, значения которых менее р = 100 кПа (атмосферное давление). В этих случаях применяются поршневые пары с эффективной площадью от 2 до 20 см², чем сводится к минимуму влияние неопределенности поверхностного натяжения.

Суммарное влияние случайных дополнительных погрешностей нормируется так, чтобы 2 6 j < 0,35, т. е. не более 30 % погрешности измерений поршневых манометров. Указанное легко достигается для образцовых поршневых манометров классов 0,02 и 0,05, а на эталонном уровне случайные погрешности исключаются увеличением количества измерений. При измерении давлений р > 1 МПа влияние дополнительных погрешностей несущественно.

3.3. Конструктивные особенности поршневых манометров

Благодаря высокой точности и стабильности поршневые манометры находят преимущественное применение в качестве образцовых и эталонных приборов. При этом, как правило, давление, действующее на поршень, уравновешивается весом грузов, который всегда можно определить с необходимой для данных целей точностью.

При измерениях избыточного давления наиболее широко применяются простые одноступенчатые поршневые пары (см. рис. 17, а). На этом принципе основаны образцовые и эталонные манометры с верхними диапазонами измерений от 40 кПа до 250 МПа, а в некоторых случаях до 600 МПа.

Типы и основные характеристики образцовых грузопоршневых манометров избыточного давления, применяемых в нашей стране, приведены в табл. 8.

Т аблица 8

Погрешности манометров нормируются раздельно для основного диапазона измерений р = с : р_тах - р_тах и дополнительного диапазона измерений р = p_min - ср_тах, где с = 0,1; р_т^ — нижний предел измерений; Ртах — верхний предел измерений.

В основном диапазоне измерений нормируется относительная погрешность 6 в % от значения измеряемого давления, численно равная классу точности (см. табл. 8). В дополнительном диапазоне измерений нормируется абсолютная погрешность в Па, равная Др = 6 ср_{т ах}.

Конструкции измерительных поршневых систем зависят от измеряемого давления. При давлениях до 0,6 МПа типична конструкция измерительной поршневой системы манометра МП-6 (рис. 19 ,а).

Поршневая система состоит из стального закаленного поршня 1 и цилиндра 2. В целях уменьшения сил жидкостного трения при вращении поршень притерт к цилиндру по двум узким пояскам, расположенным в верхней и нижней частях цилиндра. К верхней части цилиндра прикреплена ограничительная рамка 3 с указателем положения равновесия поршня 4 и ограничителем 6, а нижняя часть цилиндра выполнена в виде штуцера для присоединения к поверочной установке. На верхней части поршня укреплена грузоприемная тарелка 5 для наложения уравновешивающих грузов. Эффективная площадь поршня манометров этого типа обычно равна I см², так что общая масса грузов не превышает 6 кг.

При давлениях до 6 МПа в манометрах типа МП-60 с целью уменьшения утечек рабочей жидкости поршень притирается к цилиндру по всей длине поверхности их соприкосновения (рис. 19, б). Кроме того, в связи с существенным увеличением массы уравновешивающих грузов (т — = 30 кг при F = 0,5 см²) применяется более прочный ограничитель перемещения поршня, который выполнен в виде втулки с эксцентрическим отверстием для обеспечения сборки поршневой системы.

Рис. 19. Грузопоршневые манометры с непосредственным наложением грузов на поршень

При давлениях до 60 и 250 МПа в манометрах МП-600 и МП-2500 масса грузов, несмотря на уменьшение эффективной площади поршня до F = 0,05 см², доходит дот = 75 кг, что для поршня диаметром 2,5 см недопустимо по соображениям его прочности. Поэтому в конструкциях манометров данного типа применяют промежуточные грузоприемные устройства (рис. 20). Измерительная система манометров состоит из поршневой пары, включающей поршень 1 с эффективной площадью F = = 0,05 см², который воспринимает измеряемое давление, и поршень 2, и грузоприемного устройства, посредством которого вес грузов 8 передается на поршень 1 для уравновешивания давления. Наложение грузов производится на колоколообразную грузоприемную тарелку 7, жестко связанную с опорной штангой 4, которая центрируется и вращается относительно корпуса 5 двумя шариковыми подшипниками 6. Влияние биений, которые могут возникнуть вследствие несоосности поршня 1 и штанги 4 при вращении, устраняется шарнирно соединенной с ними распоркой 3. Устройство эффективно устраняет поперечные нагрузки на измерительный поршень.

При измерении высоких (до 1000 МПа) и сверхвысоких (до 2500 МПа) избыточных давлений применение одноступенчатых поршневых систем нецелесообразно. В зтих случаях наиболее эффективно применение измерительных систем, содержащих двухступенчатые поршневые пары (мультипликаторы) по типу показанных на рис. 18,б.

При измерениях избыточного давления воздуха или инертных газов, близкого по значению к атмосферному давлению (100 кПа), а также отрицательного избыточного давления (разрежения), наиболее часто при-

Рис. 20. Поршневой манометр с про- р_ис. 21. Образцовый грузопоршневой межуточным грузоприемным устрой-    манометр МА-2,5 класса 0,02 '

ством

меняют измерительные системы с уравновешенным поршнем. Например, в образцовом грузопоршневом манометре МП-2,5 класса 0,02 собственный вес поршня уравновешен давлением столба жидкости. Поршневая колонка манометра (рис. 21) состоит из поршня 1 и цилиндра 2, внутренний канал которого выполнен в виде двух узких поясков. На грузоприемную тарелку поршня при измерении давления накладываются грузы 5. Вращение поршня вокруг его оси осуществляется от электродвигателя с помощью шкива 3 и роликового поводкового механизма 4. Нижняя часть цилиндра посредством трубки с вентилем сообщается с цилиндрическим сосудом 6, заполненным рабочей жидкостью (смесь трансформаторного масла с керосином), давление которой уравновешивает собственный вес поршня с грузоприемной тарелкой. В верхнюю часть сосуда 6 по трубке 7 подается измеряемое давление воздуха или инертного газа. Для регулировки высоты столба жидкости в сосуде, необходимой для уравновешивания веса поршня, измерительная система снабжена регулировочным прессом 8 и воронкой. Уравновешивание веса поршня при атмосферном давлении может производиться также наложением на поршень мелких баластных грузиков.

Ьсли вес поршня при ахмос ерном давлении уравновешен, то измеряемое избыточное давление на уровне поверхности жидкости в сосуде II—II определяется весом наложенных на поршень грузов

Рп = ^~ (1--^),    (3-23)

h р

т. е. в отличие от манометров с неуравновешенным поршнем нижний предел измерений становится равным нулю. Давление на уровне нижнего торца поршня I—I, учитывая пропорциональность изменения давления столба воздуха в трубке 7 измеряемому избыточному давлению, равно

Pi = -~(l ~—)+Нр_ъЯ-    (3.24)

F    р    В

ИЛИ

= <³-²⁵>

Указанное справедливо при приведении измеряемого давления и к любому другому уровню. Если этот уровень находится ниже уровня II—II на 1,3 м, то для манометра МП-2,5 поправки на потерю веса грузов в воздухе и на приведение к измеряемому уровню взаимно компенсируются, т. е. pi = mg/F.

При измерении отрицательного избыточного давления (разрежения) в нашей стране нашли применение образцовые грузопоршневые манова-куумметр МВЦ-2,5 класса 0,05 и вакуумметр ВП-1 класса 0,02.

Принципиальная схема мановакуумметра МВП-2,5 (рис. 22) основана на взаимном уравновешивании простой и дифференциальной поршневых пар. Простая поршневая пара, состоящая из притертых друг к другу поршня 1 и цилиндра 2, с помощью трубки сообщается с дифференциальной поршневой парой, состоящей из двухступенчатого поршня 3 и цилиндра 4, которые притерты друг к другу по большему и меньшему диаметрам поршня. Нижняя узкая ступень поршня 3 сообщается посредством трубки с резервуаром 5. Все полости поршневых пар, соединительные трубки и, частично, резервуар заполнены маловязким минеральным маслом, обычно трансформаторным. Для заполнения измерительной системы маслом манометр снабжен сильфонным прессом 7 и воронкой 10, подключенных вентилями б, 8 и 9.

При сообщении резервуара с атмосферным давлением простой и дифференциальный поршни и столб жидкости в резервуаре взаимно уравновешиваются, причем расположение поршней относительно соответствующих цилиндров отсчитывается указателями положения, закрепленными на цилиндрах. Поэтому нижний предел измерений, как и манометра МП-2,5, не зависит от собственного веса поршней.

При измерении избыточного давления, действующего на поверхность жидкости в резервуаре, для его уравновешивания грузы накладываются на грузоприемную тарелку поршня. 3. Давление определяется по формуле

Рис. 22. Образцовый грузопоршневой мановакуумметр МВП-2,5 класса 0,05

Рис. 23. Образцовый грузопоршневой вакуумметр ВП-1 класса 0,02

где т₃ — масса грузов, наложенных на поршень 3\ F₂ — эффективная площадь нижней части поршня 3. Остальные обозначения прежние.

При измерении отрицательного избыточного давления (разрежения), когда давление в резервуаре 5 меньше атмосферного, для сохранения равновесия поршневой системы грузы накладываются на поршень 1, разрежение

^V=Jhjr-' ~^Ър^Рг 0-—)    (3-27)

2    Р

ИЛИ    -V    •

V =    1--^-),    (3.28)

Р

F — F

где т₁ - масса грузов, наложенных на поршень 1; К = ——- — от-

*1

ношение разности эффективных площадей верхней и нижней частей дифференциального поршня 3 к эффективной площади простого поршня 1.

Мановакуумметр МВП-2,5 имеет следующие.метрологические характеристики: диапазон измерения от —100 кПа до +250 кПа; допускаемая основная погрешность ±5 Па при давлении до 10 кПа и ±0,05 % от измеряемого значения при давлении свыше 10 кПа.

Принципиальная схема вакуумметра ВП-1 (рис. 23) основана на уравновешивании веса простого поршня пружинным механизмом. Измерительная система состоит из поршня 3 (с наконечником 9 для наложения грузов 10 и указателем положения равновесия 2), вращающегося вокруг своей оси в цилиндре 5; установленного на втулку 6 от электродвигателя посредством шкива 7 и поводка 8. Вес поршня уравновешен усилием растяжения двух пружин 14, расположенных в трубках 15 и соединенных между собой коромыслом 11, на среднюю часть которого опирается наконечник поршня. К нижней части цилиндра присоединена заполненная маслом воронка 13, что предохраняет от попадания в зазор между поршнем и цилиндром атмосферного воздуха (жидкостный затвор) . Измеряемое разрежение подается в верхнюю часть прибора под колпачок 1 с помощью штуцера 16. Вентиль 4 предназначен для слива жидкости. Положение равновесия поршня регулируется гайками 17 и определяется по шкале отсчетной оптической системы (на схеме не показана).

В отличие от грузопоршневых манометров для измерения давления жидкости, которая практически несжимаема, и потому для замкнутого объема инерционность измерительной системы, несмотря на необходимость применения массивных грузов, достаточно мала, динамические характеристики грузопоршневых манометров для измерения давления воздуха или газа имеют существенное значение.

Одним из важнейших параметров, определяющих динамические характеристики грузопоршневого манометра является жесткость его измерительной системы    _в

^С = <³‘²⁹> где АХ — отклонение поршня от положения равновесия; АР — сила, вызывающая указанное отклонение.

Для измерительной системы со свободно плавающим в воздухе поршнем единственной силой, возникающей при отклонении поршня от положения равновесия, является изменение давления столба воздуха, которая весьма мала, что приводит к относительно большой инерционности показаний.

В измерительных системах манометра МП-2,5 (см. рис. 21) и мано-вакуумметра МВП-2,5 (см. рис. 22) при отклонении поршня от положения равновесия изменяется давление на его площадь столба жидкости, а так как плотность жидкости (трансформаторное масло) в сотни раз больше, чем плотность воздуха, то соответственно увеличивается и жесткость измерительной системы с, равная в данном случае 0,8 Н/м, что соответствует жесткости измерительной системы жидкостного манометра с масляным заполнением.

Дальнейшие возможности увеличения жесткости, а следовательно, и уменьшения инерционности, предоставляет измерительная система вакуумметра (см. рис. 23), в котором поршень уравновешен пружинами с любой, оптимальным образом выбранной жесткостью. Исходя из требуемых габаритных размеров прибора и точности отсчет-ного устройства, жесткость измерительной системы вакуумметра с принята равной 10 Н/м,' что существенно увеличивает его быстродействие. Однако при этом требуется отсчетный микроскоп. По инерционности данный прибор аналогичен ртутному мановакууммегру.

Следует подчеркнуть еще одну отличительную особенность конструкции вакуумметра ВП-1: наличие жидкостного затвора. При давлении воздуха в' пространстве над верхним торцем поршня, меньшим, чем атмосферное давление, в зазор между поршнем 3 и цилиндром 5 поступает не воздух, а масло из воронки 13. Поэтому в отличие от манометра МП-2,5 и мановакуумметра МВП-2,5 отпадает необходимость включения в измерительную систему промежуточного жидкостного столба. Измеряемая разность давлений воздуха действует непосредственно на верхний и нижний торцы поршня.

Измеряемое разрежение (отрицательное избыточное давление) определяется по формуле

К=р_в-р_а6с = ^- О—?-)•    (³‘³°)

где р_в - атмосферное давление окружающего воздуха; р_абс - абсолютное давление над верхним торцом поршня; т — масса грузов 10, накладываемых на наконечник 9. Остальные обозначения прежние.

Рис. 24. Образцовый грузопоршневой    Рис. 25. Образцовый грузопоршневой

барометр БП-ly класса 0,01    манометр абсолютного давления МПА-15

класса 0,01

Аналогичная принципиальная схема положена в основу грузопоршневого барометра БП-ly (рис. 24). В отличие от вакуумметра грузопоршневой барометр предназначен для измерения атмосферного давления, поэтому пространство над верхним торцом поршня 1, притертого к цилиндру 2, откачивается до р_ост < 0,05 гПа, которое измеряется термопарным вакуумметром 10. В целях обеспечения более высокой точности измерений для уравновешивания собственного веса поршня взамен пружин применено рычажное устройство 5 с противовесом 7. Ось рычага 8 покоится на ленточной подвеске 9, необходимая жесткость измерительной системы обеспечивается пружиной 6. Комбинированное уравновешивание веса поршня с помощью противовеса и пружины дает возможность более гибко сочетать чувствительность, а следовательно, и точность отсчета с требуемыми динамическими характеристиками прибора и его габаритными размерами. В барометре БП-ly жесткость измерительной системы с = 4 Н/м, что обеспечивает более высокую, чем у вакуумметра ВП-1 чувствительность при одних и тех же габаритных размерах прибора.

Измеряемое атмосферное давление при установке поршня с помощью отсчетного микроскопа 4 в положение равновесия определяется весом грузов 3 и разновесов 11

Ръ =—^г“-(¹--^?а) + Рост> F    р

где т — масса грузов 3 и разновесов; р_ост — остаточное давление над верхним торцом поршня, определяемое вакуумметром 10.

Помимо измерения атмосферного давления, барометр может быть использован в качестве образцового вакуумметра. В этом случае разрежение определяется по формуле (3.30).

Метрологические характеристики барометра: верхний предел измерений 110—120 кПа (в зависимости от массы комплекта грузов); погрешность измерений — 4 или 10 Па (в зависимости от точности аттестации барометра).

Для измерения абсолютного давления воздуха (газа) в нашей стране серийно выпускаются грузопоршневые манометры МПА-15 класса 0,01 (рис. 25). Поршневая система манометра состоит из трех шарнирно сочлененных, соосных поршневых пар, которые образуют, в отличие от поршневых вакуумметров и барометров, две измерительные камеры. В нижнюю измерительную камеру 1 подается измеряемое абсолютное давление р_абс, а верхняя измерительная камера II откачивается. Поршнем 2, притертого к цилиндру 3, вес грузов 1, который уравновешивает силу, возникающую под действием абсолютного давления на средний измерительный поршень 5, передается на последний, а поршень 7, притертый к цилиндру 8, опирается на коромысло 10 рычажного механизма (на схеме не показан), уравновешивающего собственный вес поршневой системы манометра. С целью компенсации влияния атмосферного давления поршни 2 и 7 имеют одинаковые эффективные площади. Положение равновесия поршневой системы фиксируется проекционным отсчетным устройством (на схеме не показано) по шкале 11, а остаточное давление в камере II определяется термопарным вакуумметром 12.

Абсолютное, а также и атмосферное давления, определяются по формуле

Рабс =    (1    -    ~)    ⁺Росг,    (3-32)

F-f    р

где т — масса грузов, накладываемых на поршневую систему для достижения равновесия; F — эффективная площадь измерительного поршня 5; f — эффективные площади вспомогательных поршней 2 и 7; р_ОС1 — остаточное давление в камере II.

Помимо измерения абсолютного давления манометром МПА-15 можно измерять избыточное давление (положительное и отрицательное) и разность давлений.

При измерении избыточного давления камера II сообщается с атмо-

mg    р_в

сферным давлением, а избыточное давление р_и —    "    V¹    — )»^по‘

дается в камеру I.

При измерении разрежения (отрицательного избыточного давления) с атмосферным давлением сообщается камера I, а разрежение в камере

II определяется по формуле V ~ —— (1 — ^2—).

(F-J) р

Разность давлений определяется по формуле Ар = р_х - р₂ =    ^х

X (1 —^е~- ), где р_у — давление в камере Iрг — давление в камере II, причем Pi >Рг-

Метрологические характеристики манометра МПА-15

Диапазон измерений ......... 0—400 кПа (0—3000 мм рт.ст.)

Погрешность измерений: в диапазоне от 0 до 20 кПа

(0-150 мм рт.ст.)..................5 Па (0,05 мм рт.ст.)

в диапазоне свыше 20 до 100 кПа

(150-1000 мм рт.ст.) ............10 Па (0,1 мм рт.ст.)

в диапазоне от 100 кПа до

400 кПа (1000-3000 мм рт.ст.)    0,01 % измеряемой величины

Для измерения абсолютного давления применяют также поршневые системы с одним простым поршнем и двумя цилиндрами, каждый из которых содержит измерительные камеры: нижнюю — для сообщения с измеряемым абсолютным давлением, верхнюю — для подключения откачанной вакуумной системы. Вес грузов, необходимых для уравновешивания абсолютного давления, посредством нагрузочного устройства действует на среднюю часть поршня, к которой обеспечен доступ со стороны окружающей манометр среды. Приборы этого типа, например, грузопоршневой манометр МАД-3, применяются как в государственных поверочных, так и в ведомственных метрологических службах.

Наименее разработаны грузопоршневые манометры для измерения разности давлений, особенно при больших статических давлениях. В нашей стране используются отдельные опытные образцы таких приборов.

Наиболее доступен для реализации способ измерения разности двух относительно больших давлений, основанный на применении двух стандартных грузопоршневых манометров (рис. 26). Установка содержит однотипные грузопоршневые манометры 2 и 7, которые подключены к минусовой и плюсовой камерам поверяемого дифманометра 4. При открытом вентиле 3 грузами 1 и 8 поршни манометров уравновешиваются в положении, в котором их торцы устанавливаются на уровне 1-1. При этом давление в камерах поверяемого дифманометра одинаково и соответствует заданному статическому давлению

где moi — масса грузов 8; m₀₂ — масса грузов 1.

Затем вентиль 3 закрывается, и с помощью вентилей 5 и 6 достигается требуемая разность давлений плюсовой и минусовой камерах

Рис. 26. Образцовый грузопоршневой дифманометр для поверки при статическом

давлении

ЬР=Р1-Р1=^~ О-—),    (3.33)

^Fl р

где Дм — масса груза 9, дополнительно наложенная на поршень манометра 7 для приведения обоих поршней в начальное положение равновесия.

Верхние пределы измерений обоих манометров выбираются в зависимости от статического давления и измеряемой разности давлений. При этом необходимо соблюдение условия

Pi =&Р+Р2 <Рпр,    (.3.34)

где р„р — верхний предел измерений применяемых грузопоршневых манометров; Р2 —Рст

Суммарная погрешность измерения разности давлений с помощью двух грузопоршневых манометров

бдр = бур + б,    (3.35)

где бу„ = t_a о    —    погрешность    предварительного    уравновешивания

^v    др

поршневых манометров; б — относительная погрешность образцового поршневого манометра при измерении разности давлений; о — среднее квадратическое отклонение при предварительном уравновешивании; t_a = 2 — квантиль распределения случайных погрешностей.

Относительная погрешность при измерении разности давлений

j,    0,1 ¦ Pup ¦ 6₀

6 =-—- при Ap< 0,1 Рпр,

б =$о при Др >0,1 Рпр.

Из (3.33) следует, что чем меньше измеряемая разность давлений Ар по сравнению со статическим давлением рг, тем больше погрешность измерений разности давлений.

Например, при измерении разности давлений Ар = 0,1 МПа при р_ст =16 МПа для соблюдения условия (1-33) необходимо применение образцовых грузопоршневых манометров МП-600 с верхним пределом измерений 60 МПа, так как при применении манометра МП-60 верхний предел измерений p_ltp <р_С1. В этом случае даже при применении рабочих эталонов, относительная погрешность которых составляет б₀ =5 • 10"⁵ (0,005 %), а среднее квадратическое отклонение показаний о = 1 • 10~⁵ (0,001 %), суммарная погрешность измерения разности давлений б_Др = = 6 • 10^-3 (0,6 %), что позволяет проводить поверку дифманометров класса 2,5 и хуже. Однако, при увеличении разности давлений до Ар = = 0,63 МПа при прочих равных условиях погрешность снижается до бд_р = 1 • 10^-3 (0,1 %), что приемлемо при поверке бол ее точных дифманометров (классов 0,4; 0,6; 1,0; 1,6). При уменьшении статического давления требования к точности образцовых грузопоршневых манометров соответственно снижаются.

Более широкие возможности повышения точности измерения относительно статического давления разности давлений обеспечивает принцип действия, положенный в основу образцовых грузопоршневых дифманометров ДМП-0,25-160 и ДМП-6,3-320.

Измерительная система дифманометра (рис. 27) содержит трехступенчатый поршень, состоящий из простого поршня 2, на который в его средней части напрессован измерительный поршень 4; цилиндра 6 и двух втулок 3 и 7. Поршень 2 в верхней части притерт к втулке 3, в нижней — к втулке 7, измерительный поршень 4 — к средней части цилиндра 6. Поршневая система опирается на коромысло 8, которое двумя винтовыми пружинами уравновешивает собственный вес поршневой системы. Между измерительным поршнем и втулками находятся две измерительные камеры, в которые подаются давления р i и р₂. Разность давлений уравновешивается грузами 1. Разность давлений

_Ар=-^_г-( 1(3-36)

где т - масса грузов 1; F — эффективная площадь поршня 4; f — эффективная площадь поршня 2.

Очевидное Преимущество трехступенчатой измерительной поршневой системы по сравнению с предыдущей системой, основанной на применении двух поршневых манометров, состоит в том, что отпадает необходимость уравновешивания больших статических давлений, которые взаимно компенсируют друг друга. Поэтому, в принципе, погрешность измерений разности давлений не зависит от статического давления.'

С другой стороны, существенное уменьшение массы грузов резко снижает инерционность дифмано-метра. Немаловажным является и то, что намного увеличиваются возможности автоматизации процесса измерений. Однако, к сожалению, приборы этого типа в нашей стране серийно не выпускаются.

3.4. Поршневые автоматизированные задатчики давления

Основное назначение поршневых манометров состоит в поверке и градуировке средств измерения давления, применяемых в народном хозяйстве. При зтом находят применение как методы поверки, основанные на задании точного значения давления по образцовому Рис. 27. Образцовый грузопоршневой _Пр_Ибору с последующим отсчетом дифманометрс^трехступенчагой поршне- _{показаний повер}яемого прибора,

так и методы поверки, основанные на регулировании давления по отметкам поверяемого прибора с последующим измерением этого давления по образцовому прибору. Однако, в связи с широким распространением в технике измерения и регулирования давления бесшкальных измерительных преобразователей основной объем поверочных работ проводится методом задания образцового давления. Традиционные поршневые манометры, отличаясь универсальностью (они применимы как для задания давления, так и для его измерения), нуждаются в применении вспомогательных регулировочных устройств, причем все работы по поверке и градуировке проводятся непосредственно оператором. Это предопределило все более широкое использование в поверочной практике автоматизированных поршневых задатчиков давления, которые, помимо увеличения производительности поверочных работ, повышают комфортность условий труда оператора.

В настоящее время в народном хозяйстве страны применяются автоматизированные задатчики давления различных типов, предназначенных для измерения давления как жидкости, так и воздуха. Краткие технические характеристики наиболее часто применяемых в нашей стране задатчиков давления приведены в табл. 9.

При выборе уровня автоматизации необходимо учитывать назначение задатчика, объем поверочных работ, условия применения, сложность конструкции и стоимость, требования к квалификации обслуживающего персонала и пр. Во многих случаях применение автоматизированных

* Верхние пределы измерений поверяемых приборов составляют от 10 до 2,5 кПа (15 комплектов грузов).

задатчиков в настоящее время вообще не целесообразно. Однако, по мере совершенствования задатчиков их использование будет постоянно расширяться.

Одним из первых в нашей стране нашел применение автоматический задатчик давления АЗД-0,4, предназначенный для поверки и регулировки мембранных и ртутных сфигманометров (приборов для измерения давления крови в медицинских учреждениях) с верхним пределом измерений 40 кПа (300 мм рт.ст.).

Задатчик (рис. 28) содержит поршень 1, к верхней части которого прикреплена ступенчатая втулка 2 с трубкой 5, цилиндр 7, смонтированный на разделительный бачок 12 и корпус 13. На корпусе покоятся грузы 6; фотоэлектрическая следящая система, состоящая из фотодиода 3 и осветителя 4; электромагнитные клапаны 8 и 10, управляемые транзисторно-релейной схемой (на рисунке не показана), и коллектор 9 для подключения поверяемых манометров. Нижняя часть разделительного бачка заполнена керосином, который поступает под давлением в зазор между поршнем и цилиндром, остальная часть измерительной системы заполнена воздухом. В процессе измерений корпус 13 с лежащими на нем грузами 6 и поршень 1 с помощью электродвигателя 11 вращаются относительно оси цилиндра 7.

Принцип действия задатчика заключается в следующем. При нажатии кнопки „пуск” пульта управления клапан 10 открывается, и воздух от источника питания поступает в верхнюю часть бачка, повышая давление в измерительной системе до значения, которое уравновешивает собственный вес поршня с укрепленными на нем втулкой и трубкой. При дальнейшем увеличении давления при подъеме поршня ступенчатая втулка поочередно снимает с корпуса 13 грузы, чем обеспечивается создание по-

следовательных значений, давления, соответствующих поверяемым отметкам. При достижении значения давления, соответствующего поверяемой отметке, клапан 10 закрывается на время отсчета. Давление снижается клапаном 8 нажатием соответствующей кнопки пульта управления. Закрытие и открытие клапанов производится фотоэлектрической следящей системой и транзисторно-релейной схемой. Трубка 5 составлена из чередующихся прозрачных и непрозрачных колец. При перекрытии луча света от осветителя к фотодиоду соответствующий клапан закрывается, прекращая изменение давления. Схема автоматики позволяет проводить работу н& установке в трех режимах:

полуавтоматическом задании значений давления с остановкой на каждой поверяемой отметке на любое время по усмотрению оператора;

автоматическом задании значений давления с кратковременными остановками на поверяемых отметках шкалы;

непрерывном плавном повышении и понижении давления с остановками на предельных отметках шкалы.

Более высокий уровень автоматизации достигнут в автоматических гидравлических .задатчиках давления типа АЗДГ класса 0,05 с программным управлением, предназначенных для поверки и градуировки манометров и измерительных преобразователей давления жидкости в диапазоне от 0,4 до 60 МПа.

Автоматический задатчик АЗДГ (рис. 29) содержит: поршневой манометр 2, механизм наложения грузов 1, узел сигнализации положения поршня 3, блок электронного программного управления 4 с пультом 5, блок регулирования давления б, гидравлическую насосную станцию 7 и быстродействующие зажимы 8 для подключения поверяемых приборов. Принцип действия задатчика основан на автоматическом уравновешивании веса грузов, наложенных на поршень по заданной программе давле-

нием жидкости, которое одновременно подается к поверяемым приборам.

По программе, заложенной в перфокарте блока 4, механизм наложения грузов 1 нагружает поршень манометра 2 и одновременно блоку 6 дается команда на регулировку давления в измерительной системе, отработка которого прекращается по сигналам устройства 3 при достижении равновесия поршня. Пульт 5 обеспечивает следующие режимы работы:

&

Рис. 29. .Структурная блок-схема автоматического задатчика давления АЗДГ

автоматические на 1 цикл (переход со ступени на ступень, выдержка на верхнем пределе, обратный ход) или непрерывный (повторение циклов с выдержкой на нуле);

ручной (переход на каждую следующую ступень по отдельным командам оператора);

регулировочный и наладочный (плавное изменение давления от нуля до заданного значения и обратно по команде оператора), а также специальные технологические режимы и блокировки.

АЗДГ выпускаются в трех модификациях с верхними пределами измерений 1,6; 6,0; 60 МПа с числом ступеней 160 и 60. Время перехода со ступени на ступень 12 с; режим перехода двухскоростной, что обеспечивает плавный односторонний подход к поверяемой отметке. Габарит-ные размеры одного задатчика 960Х720Х1500 мм, масса 300 кг. Особенно эффективны задатчики давления при массовой поверке измерительных преобразователей давления с токовыми выходными сигналами, где достигается полная автоматизация с распечаткой результатов поверки или градуировки.

Помимо автоматизированных задатчиков давления, основанных на измерительных системах с цилиндрическими поршневыми парами, в поверочной практике находят применение автоматизированные задатчики давления с нецилиндрическим поршнем, принцип действия которого основан на динамическом равновесии веса поршня с давлением, действующим на него со стороны протекающей через междроссельную камеру измеряемой среды. Нецилиндрический поршень, имеющий форму тела вращения, обычно выполняется в форме сферы или усеченного конуса. Измерительная система задатчика (рис. 30) содержит поршень 1 сферической (рис. 30, а) или конической (рис. 30, б) формы и цилиндрическое сопло 2, образующее переменный дроссель, отражатель струи воздуха питания 3 и постоянный дроссель 4. Междроссельная камера .<4 трубкой

Рис. 30. Поршневые преобразователи силы в давление с нецилиндрическим

mg

поршнем

соединяется с объемом Б, в который подается выходное давление преобразователя'.

Так же, как и в классическом поршневом манометре с цилиндрическим поршнем в равновесном состоянии, усилие, приложенное к поршню, уравновешивается действующим на площадь его поперечного сечения давлением в междроссельной камере и силами трения протекающей через кольцевой зазор измеряемой среды. Однако, в отличие от цилиндрической поршневой пары геометрическая площадь сечения нецилиндрического поршня существенно изменяется в зависимости от его положения относительно верхней кромки сопла. Поэтому эффективную площадь нецилиндрического поршня принято представлять в виде

F эф * ¦(1 -    * ^{cos а}) >    (³-³⁷)

Р' г с

где F_c — геометрическая площадь сечения отверстия сопла на уровне верхней кромки; G — массовый расход измеряемой среды (газа) через переменный дроссель; р — давление в междроссельной камере; а — угол наклона струи газа при выходе из кольцевого зазора; v — скорость истечения газа из кольцевого зазора.

Так же, как и в традиционных поршневых манометрах, измеряемое давление определяется по формуле (3.23)

р =    (]-*Ч.

/'•эф    ^Р

По принципу действия задатчики с нецилиндрическим поршнем имеют ряд очевидных преимуществ по сравнению с манометрами с цилиндрическим поршнем. Непрерывный подвод в измерительную систему га-

за — носителя дополнительно энергии и его с рос в окружающую среду позволяют автоматически поддерживать соответствие выходного давления приложенной к нецилиндрическому поршню силе. При этом также автоматически происходит самоцентровка поршня относительно кромки сопла в горизонтальной плоскости, благодаря чему отпадает необходимость в применении устройств для вращения поршня вокруг его вертикальной оси.

С другой стороны, задатчики с нецилиндрическим поршнем в отличие от манометров с цилиндрическим поршнем весьма чувствительны к вертикальному перемещению поршня относительно кромки сопла, что приводит к существенному изменению зазора между поршнем и кромкой сопла, а следовательно, и эффективной площади поршня. В принципе, согласно (3.36) постоянство эффективной площади может быть достигнуто при условии

G- v

- • cos а - const,

P'Fс

но при этом каждому значению задаваемого давления р соответствуют свои массовый расход G и скорость истечения газа v. Указанное может быть реализовано при применении автоматических регуляторов расхода газа, но это приводит к возникновению дополнительных погрешностей, связанных с расчетом необходимой регулировочной характеристики.

Помимо отмеченного, задатчики давления с нецилиндрическим поршнем уступают манометрам с цилиндрическим поршнем по универсальности, область их применения по принципу действия ограничена заданием давления; ограничены также и верхние пределы измерений. В настоящее время (см. табл. 9) принцип нецилиндрического поршня нашел применение в образцовых задатчиках давления воздуха (газа) классов точности 0,02—0,1 с верхними пределами измерений от 0,1 до 600 кПа.

3.5. Перспективы развития поршневых манометров

Перспективы развития поршневых манометров тесно связаны с общим развитием науки и техники. Здесь, в первую очередь, следует отметить достижения в создании новых материалов поршневых пар, повышающих точность их изготовления, прочностные характеристики и износостойкость, а также достижения в развитии микроэлектроники, представляющие новые возможности автоматизации поршневых манометров.

Повышение качества изготовления поршневых пар — одна из важнейших задач в развитии поршневой манометрии. Применение в качестве материалов поршневых пар сверхтвердых сплавов на основе карбида вольфрама, прочностные характеристики которых (твердость, модуль упругости) существенно выше, чем у обычно применяемых легированных сталей, а температурный коэффициент линейного расширения ниже, позволяет соответственно снизить влияние измеряемого давления и температуры на постоянство эффективной площади поршня и ее стабильность в период эксплуатации манометра. При этом зазор уменьшается до 0,1— 0,3 мкм, что о еспечивает идеальную цилиндрическую форму поверхностей поршневой пары, а следовательно, возможность определения эффективной площади поршня абсолютным (фундаментальным) методом по результатам измерений диаметров поршня и цилиндра с эталонной точностью (§f < 0,001 %). Указанная точность в сочетании с методами непосредственного сличения эталонов делает реальным уже в ближайшие годы создание эталонов давления с погрешностью измерений менее 0,0005 %.

Совершенствование технологии изготовления поршневых пар развивается также в направлении создания манометров с наборами роршне-вых пар с различной эффективной площадью, имеющих заданные номинальные значения, которые позволяют при применении одного и того же комплекта грузов получать различные диапазоны измерений. При изготовлении таких поршневых пар необходимы прецизионные круглошлифовальные станки с программным управлением, обеспечивающие обработку поршней и цилиндров с погрешностью менее 1 мкм. Наиболее последовательно указанное направление развивает фирма „Desgranges & Huot” (Франция), которая изготовляет манометры с взаимозаменяемыми поршневыми парами, имеющими эффективнее площади 0,02; 0,05; 0,1, 0,2; 0,5; 1; 2; 5; 10 см², что позволяет на одном манометре проводить измерения в девяти различных диапазонах.

Развитие .электронной техники и, в частности, выпуск в обращение высокоточных электронных весов привели к созданию поршневых манометров с цифровым отсчетом, позволяющих непосредственно измерять давление во всем диапазоне без применения грузов. Сочетание стабильности поршневой пары, преобразующей измеряемое давление в силу, с эксплуатационными удобствами электронных весов, представляющими результат измерения на цифровое табло, позволяет перевести поршневую манометрию на качественно новый уровень — автоматизированный. Применение микропроцессорной техники дает возможность учитывать влияние температуры и местного ускорения свободного падения, отклонение действительной площади поршня от номинального значения, а также получать результаты измерений в требуемых единицах давления.

Измерительная система манометра (рис. 31) содержит поршневую пару, состоящую из взаимно притертых поршня 1 и цилиндра 2; электронные весы 9 с цифровым отсчетом и устройство для сопряжения поршневой пары с весами, в которую входит распорка 6, шарнирно связанная шарами 5 и 7 с поршнем и присоединительным гнездом электронных весов. В связи с необходимостью вращения поршня вокруг его оси во время измерений между поршнем 1 и шариком 5 помещен опорный шариковый подшипник 4. Таким образом, по принципу действия измеряемое давление поршневой парой преобразуется в силу, которая определяется по показаниям цифровых весов. Предусмотрена комплектация манометра сменными поршневыми парами с эффективной площадью от 10 до 0,02 см², что позволяет измерять давления в диапазонах от 0 -60 кПа до 0-30 МПа. Погрешность измерений, определяемая погрешнос-

тями поршневой пары и электронных весов, составляет 8_р = 1 X X 1СГ⁴ + 5 • 10"⁵ Ртах/р. где р -измеряемое давление; р_тах — верхний предел измерений.

Как видно из формулы, при р > 0,5 р_тах погрешность измерений бр < 0,02 %, что соответствует требованиям к образцовым манометрам 1-го разряда.

Помимо удобств, связанных с цифровым отсчетом давления без необходимости наложения грузов, электронные весы имеют стандартный выходной сигнал на системы автоматизации и обработки результатов измерений. Следует, однако, отметить, что электронные весы требуют периодического контроля, для проведения которого поршневая пара со стойкой 3 отсоединяется от весов, а на кольцевой выступ 8 подпятника весов накладываются специальные калибровочные грузы. Тем не менее, перспективность данного принципа действия для дальнейшего развития поршневых мано-

Рис. 31. Цифровой поршневой манометр ^метР®^в очевидна.

Далеко не исчерпаны возможности дальнейшего развития автоматизированных задатчиков давления. Помимо повышения качества изготовления поршневых пар как цилиндрических, так и нецилиндрических, необходимо отметить следующие первоочередные направления: повышение уровня автоматизации задатчиков и, в частности, автоматическое введение поправок;

расширение диапазона измерений задатчиков с нецилиндрическим поршнем с переходом на жидкость в качестве рабочей среды.

Глава 4. деформационные манометры  »

Библиотека »