Архив метки: поршень

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 сверхтвердьи 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 поршне­вых 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 круглошли-фовальные 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 эффективные 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 ма-, нометров 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-

3.5. Перспективы развития поршневых манометров

тями поршневой пары и электрон­ных весов, составляет 6р
= 1 X X 10"4 + 5 • 10~s Pmax/P, где р -измеряемое давление; ртах — верхний предел измерений.

Как видно из формулы, при р ~> 0,5 Ртах погрешность измере­ний др < 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   метР0В
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.

3.4.   Поршневые  автоматизирован­ные задатчики давления

Основное назначение поршне­вых манометров состоит в поверке и градуировке средств измерения давления, применяемых в народ­ном хозяйстве. При этом находят применение как методы поверки, основанные на задании точного зна­чения   давления   по   образцовому

Рис.  27.  Образцовый  грузопоршневой прибору с последующим отсчетом дифманометр ^трехступенчатой поршне- показаний    поверяемого    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

Таблица   9

 

Тип задатчика

Класс точнос-

Диапазон изме-

Измеряемая

Форма поршня

 

ти

рений

среда

 

Воздух-250

ОД

Верхний предел

Воздух

Нецилиндричес-

 

 

измерения от

 

кий

 

 

10 Па до 2,5

 

 

 

 

кПа*

 

 

Воздух-1,6

0,02; 0,05

1-160 кПа

Тоже

Тоже

Воздух-2,5

0,02; 0,05

25-250 кПа

—м—

—„—

Воздух-6,3

0,02; 0,05

63-630 кПа

—„—

 

АЗД-0,4

0,1

8-40 кПа

«

Цилиндричес-

 

 

 

 

кий

АЗД-2,5

0,05

10-250 кПа

»>

Тоже

АЗДГ-16

0,05

0,04-1,5 МПа

Трансформа-

«

 

 

 

торное масло

 

АЗДГ-60

0,05

0,1-6 МПа

Тоже

9)

АЗДГ-600

0,05

1-60 МПа

Касторка

М

3.4.   Поршневые  автоматизирован­ные задатчики давления* 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-

3.4.   Поршневые  автоматизирован­ные задатчики давления

Рис. 28. Принципиальная схема АЗД-0,4

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 на 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 6, 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-

3.4.   Поршневые  автоматизирован­ные задатчики давления

нием жидкости, которое одновременно подается к поверяемым приборам.

Рис. 29. Структурная блок-схема автоматичес­кого задатчика давления A3ДГ

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:

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. Габарит­ные 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 Л трубкой

3.4.   Поршневые  автоматизирован­ные задатчики давления

3.4.   Поршневые  автоматизирован­ные задатчики давления

Рпит

Рис. 30. Поршневые преобразователи силы в давление с нецилиндрическим

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

^эф =

G- v

cos a),

(3.37)

где Fc — 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)

.   mg      ,,      рв
,

3.4.   Поршневые  автоматизирован­ные задатчики давления3.4.   Поршневые  автоматизирован­ные задатчики давленияПо 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

Gv
———
 • cos a = const,

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 ОД до 600 кПа.

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 ма­
нометров избыточного давления, применяемых в нашей стране, приве­
дены в табл. 8.                      

Таблица 8

Тип манометра

Диапазон измерений,

Класс точности

Измеряемая среда

 

МПа

 

 

МП-0,4

0,006-0,04

0,2

Воздух

МП-2,5

0-0,25

0,02

Тоже

МП-6

0,04-0,6

0,02 и 0,05

Трансформа-

 

 

 

торное масло

МП-60

0,1-6

0,02 и 0,05

Тоже

МПП-60

0,1-6

0,05

Трансформа-

 

 

 

торное масло

МП-600

1-60

0,05

Касторовое

 

 

 

масло

МП-2500

5-250

0,05

Тоже

Погрешности манометров нормируются раздельно для основного диапазона измерений р = с • ртах — ртах и дополнительного диапазона измерений р = pmin — сртах, где с = 0,1; pmin — 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 = б Фтах-

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 б, 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 1 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 = = 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.

3.3. Конструктивные особенности поршневых манометров

3.3. Конструктивные особенности поршневых манометров

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 до т = 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 б. 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 этих 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-

3.3. Конструктивные особенности поршневых манометров

3.3. Конструктивные особенности поршневых манометров

 

Рис. 20. Поршневой манометр с про­межуточным грузоприемным устрой­ством

Рис. 21. Образцовый грузопоршневой манометр МА-2,5 класса 0,02   ■

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 грузо-приемную 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.

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

 

3.3. Конструктивные особенности поршневых манометровт. 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

р, = _^!_ (1 fS-) +HpBg- —             (3.24)

или          *

mg      р„         Н р-а • е

* = —о-г* —тг-)-                               (з-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

3.3. Конструктивные особенности поршневых манометров

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

3.3. Конструктивные особенности поршневых манометров

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

*-=£^ (I—*-).                         (3.26)

где т3
— масса грузов, наложенных на поршень J; 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

F=J^_.j3__^(1 _^_}                                                     (3.27)

ИЛИ                 .                                          -v ■

V = K-    m’‘8  (1—?°-),                    (3.28)

Fi           р

Р — F

где /И! — масса грузов, наложенных на поршень 1; К = —*-=—~ — от-

/-,

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 б 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 ха­
рактеристики грузопоршневого манометра является жесткость его изме­
рительной системы             т

с = -^-,’                            (3.29)

где АХ — отклонение поршня от положения р’авновесия;  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 мано­вакуумметра 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 отсчетного 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

3.3. Конструктивные особенности поршневых манометровгде рв — атмосферное давление окружающего воздуха; рабс — абсолют­ное давление над верхним торцом поршня; т — масса грузов 10, накла­дываемых на наконечник 9. Остальные обозначения прежние.

3.3. Конструктивные особенности поршневых манометров

10

КфорВакуцмному я насосу

3.3. Конструктивные особенности поршневых манометров

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 грузопоршне-вого 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 рост < 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 б. 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

Рв   =-^(1—£*)+Рост.             31)

где т — масса грузов 3 и разновесов; рОСТ — 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 РабС> 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

Рабе = -^7- (1 — ~) + Росг,        (3-32)

rJ       Р

где m — масса грузов, накладываемых на поршневую систему для до­стижения равновесия; F — эффективная площадь измерительного порш­ня 5; f — эффективные площади вспомогательных поршней 2 и 7; рОС1 — остаточное давление в камере П.

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     ,.       рв ч

сферным давлением, а избыточное давление ри —- U)»подается 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         —).

Разность давлений определяется по формуле. Ap=pi р2 =    mg   X

(F—f)

X (1—— ), где р! — давление в камере \\ р2 — 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, грузо-поршневой 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 /-/. При этом давление в камерах поверяемого дифманометра одинаково и соот­ветствует заданному статическому давлению

Рст-Pl -Pi

где т01 — масса грузов 8; т02 — масса грузов 1.

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

3.3. Конструктивные особенности поршневых манометров

Рис. 26. Образцовый грузопоршневой дифманометр для поверки при статическом

давлении

mm- g

(3.33)

где Дт — 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

 = Ар+р2

 (3.34)

где р^ — верхний предел измерений применяемых грузопоршневых ма­нометров; Pi —Рст

Суммарная погрешность измерения разности давлений с помощью двух грузопоршневых манометров

6др=«ур + «.                    С3-35)

где бур = ta о

Рг

— погрешность предварительного уравновешивания

поршневых манометров;  6 — относительная погрешность образцового поршневого манометра при измерении разности давлений; о — среднее квадратическое  отклонение  при  предварительном  уравновешивании; ta = 2 — квантиль распределения случайных погрешностей.

Относительная   погрешность   при   измерении   разности   давлений

6         0,1 • Рпр ‘б.
—————- при Др < 0,1 Рпр,

Из (3.33) следует, что чем меньше измеряемая разность давлений Ар по сравнению со статическим давлением р2, тем больше погрешность измерений разности давлений.

Например, при измерении разности давлений Ар = 0,1 МПа при рст =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 рщ, <рст. В этом случае даже при применении рабочих эталонов, относительная погрешность которых составляет б0 =5 • 10"s (0,005 %), а среднее квадратическое отклонение показаний а = 1 • 10~s (0,001 %), суммарная погрешность измерения разности давлений 6др = = 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 6Др = 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 pi ирг. Разность давлений уравновешивается грузами 1. Разность давлений

3.3. Конструктивные особенности поршневых манометровгде 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:

3.3. Конструктивные особенности поршневых манометров

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

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 уравновешиваюших 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

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(а + 0) (t — 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 °СГ1, то температурная поправка

 ^                0"5

 10"5 (f-20°C),

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 $Fр = AFp/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

6р-=-\-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

3.2. Поправки и погрешности поршневых манометров f

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 (R2lr2
^>
1), то коэффициент изменения площади X « —— . Для

стальных поршня и цилиндра Е = 2,1 • 1011 Па; д = 03. а коэффициент изменения площади X = 2,67 • 10~12 Па"1. Отсюда бр = —"hp — —2,67 X X 10~12 • р. В зависимости от измеряемого давления поправка на дефор­мацию:

р.МПа   1          10        100      1000

8р,%        -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=\ см2
согласно формуле (3.3) масса грузов достигнет 600 кг при измерении давления 60 МПа. Это неприемлемо для поверочных лабораторий и заво­дов-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 = ри F/g, где рн — номинальное („круглое") значение давления.

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

4pP<f0;

или                                   Sh                                                      (3.15)

3.2. Поправки и погрешности поршневых манометров3.2. Поправки и погрешности поршневых манометров8         Р  Sh

В пределах нашей страны указанная поправка может быть довольно большой. Например, ecnHg = 9,822 м/с2, поправка составляет 6^, = 0,15 %.

Следует отметить, что так же, как и для жидкостных манометров (см. разд. 2.2), значение нормального ускорения свободного падения £н — 9,80665 м/с2 обусловлено применением старых единиц давления (кгс/см2, мм ртхт., 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

gH может, в принципе, использоваться любое „круглое" расчетное значе­ние ускорения свободного паденияgp (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.

Св = V2 • рв
g,

где Vi = т/р — объем грузов; рв — плотность воздуха.

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

р = _2Ш-(1—£а-),                 (3.15)

Поправка на потерю массы грузов в воздухе бв = —ръ1р.

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

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

 (3.16)

где F2o — эффективная площадь поршня при t = 20°С; gp — расчетное значение ускорения свободного падения; 8t, 8p и бв
— 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

3.2. Поправки и погрешности поршневых манометровSpac

где ррас — расчетное измеряемое давление; gpac — расчетное ускорение свободного падения.

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

 0+ -7-)-                  (ЗЛ7′)

Заслуживает внимания и другой способ компенсации поправок 6А, и бв, 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

(1—55-),                  (3.18,

где тя — 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 трас = 1 • 10s Па X X (1 • 10"4 м2/9,8155 м/с2) • (1 + 0,00015) = 1,01895 кг.

В соответствии со вторым способом (3.18) прите = 1 кг и прочих равных условиях эффективная площадь поршня должна быть равна F20 = (1 кг • 9,8155м/с2)/(1 ■ 10s Па) (1 — 0,00015) =0,98140 • 10"4
м2, т. е. меньше, чем 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

6p = 6v + 6F+26b                                 (3.19)

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

Основные погрешности поршневых манометров бд^ 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

SN=6m+6gj                             (3.20)

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

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

Наиболее весома погрешность определения эффективной площади поршня б/г, 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 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 8g и массы грузов б„,. Правда, последняя погреш­ность может иметь и случайную составляющую, связанную с произволь­ным подбором грузов при уравновешивании измеряемого давления.

Таким образом, основные погрешности поршневого манометра Ьт, 8g и 8
носят систематический характер, что и определяет высокую ста­бильность показаний грузопоршневых манометров.

Дополнительные погрешности 2 8h 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

 At,                           (3.21)

где At — погрешность определения температуры.

Для стальных поршня и цилиндра при At = 0,5 С погрешность 6Г = = 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 < 0,1еС.

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

Эквивалентное этой силе давление равно:

3.2. Поправки и погрешности поршневых манометрова   соответствующая   относительная   погрешность  измерения давления

£              2а ■ cose

3.2. Поправки и погрешности поршневых манометровк               р-г

Для смазывающих жидкостей (минеральное масло, керосин) коэф­фициент поверхностного натяжения о «* 0,03 Н/м, а угол смачивания в худшем случае составляет 0 = 0 (cos0 = 1). При эффективной площади поршня F3(j, = 1 • 10~4 м2
= 1 см2 давление, эквивалентное влиянию по­верхностного натяжения Арк
< 0,1 гПа, что существенно при точном из­мерении (б < 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 б,- < 0,36, 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.

Характеристика буровых насосов УНБТ-1180А1

Таблица   1.6

Циа-метр поршня,

мм

Предельное давление на выходе из насоса, МПа (кгс/см2)

Подача идеальная, л/с, при частоте ходов поршня в минуту

УНБТ-950А

УНБТ-1180А1

125

115

100

85

75

50

25

1

180 170 160 150 140

19,0 (190) 21,0 (210) 24,0 (240) 27,5 (275) (32,0)

23,5 (235) 26,5 (265) 30,0 (300) 32,0 (320) 32,0 (320)

46,0 41,0 36,4 31,9 27,8

42,3 37,7 33,5 29,3 25,5

36,8 32,8 29,12 25,52 22,24

31,3 27,9 34,7 21,7 18,9

27,6 24,6 21,84 19,14 16,68

18,4 16,4 14,56 12,76 11,12

9,2 8,2 7,28 6,38 5,56

0,368 0,328 0,2911 0,255 0,222

Характеристика буровых насосов УНБТ-1180А1

Рис. 1.33. Буровой насос УНБТ-750