Метрологическое обеспечение средств измерений давления

Основу метрологического обеспечения средств измерений давления составляет группа государственных эталонов, в состав которой вхо­дят один первичный и пять специальных эталонов.

Государственный первичный эталон единицы давления представ­ляет собой комплекс средств измерений, включающий группу из пяти поршневых приборов переменного состава, набор гирь и спе­циальную аппаратуру для создания и поддержания гидростатического давления, создаваемого весом поршня и нагружающих его гирь.

В качестве образцовых средств измерений давления используют­ся жидкостные компенсационные, грузопоршневые и деформацион­ные приборы.

Жидкостные компенсационные приборы. К этим приборам отно­сится универсальный жидкостной мановакуумметр (прибор Пет­рова).

Прибор этого типа предназначен для поверки дифманометров-расходомеров переменного перепада давления, вакуумметров, тяго­меров и других средств измерений давления и разрежения. Прибор (рис. 15.3) содержит две пары сообщающихся сосудов. Одна из них предназначена для работы на «воде», другая — на «ртути». Каждая пара состоит из металлического бачка 5 (16) и прозрачного стака­на 4 (13).

В нерабочем положении при измерении давления каждый бачок устанавливается в вертикальное положение на стойке, укрепленной на плате 2. При измерении прибором вакуума каждый из бачков с помощью кронштейна, расположенного на бачке, может устанавли­ваться на линейке 6. Под стойкой левого бачка укреплен кронштейн 3, служащий для закрепления в нем одного из прозрач­ных стаканов. Линейка 6 имеет цилиндри­ческое трубчатое сечение, внутри нее рас­положен отвес 1, видимый через отверстие внизу линейки. На линейке нанесена шка­ла с миллиметровыми делениями. Вдоль линейки перемещается каретка 10, кото­рая состоит из двух направляющих. На верхней направляющей 8 каретки 10 рас­положен нониус с точностью отсчета 0,1 мм. Нижняя направляющая 7 карет­ки 10 служит для плавного перемещения каретки до заданной отметки шкалы ли­нейки. В зависимости от диапазона изме­рений выбирают пару сосудов, заполнен­ных водой или ртутью и сообщающихся между собой гибким шлангом 14. Перед измерением прибор устанавливают по отвесу и выставляется нуль прибора. Если измеряется перепад давлений, то про­зрачный бачок укрепляют на кронштейне 9 каретки 10, как показано на рис. 15.3. При измерении перепада давления верхний штуцер вентиля 15 соединяют с плюсовой каме­рой поверяемого прибора. Поверка осуществляется следующим об­разом. Каретку 10 устанавливают на отметке шкалы, соответству­ющей расчетному значению перепада — поверяемой отметке шка­лы прибора. Воздушным прессом или от компрессора подается давление, при котором стрелка прибора устанавливается на поверяе­мую отметку. Открывают вентиль 15 бачка 16 и точно устанавли­вают стрелку на поверяемую отметку. Если показания прибора в поверяемой отметке имеют погрешность, то уровень рабочей жид­кости в прозрачном бачке не совпадает с концом иглы 12 (выше или ниже его). Погрешность прибора в поверяемой отметке определяют путем вращения микрометрического винта 11 до тех пор, пока ко­нец иглы не коснется зеркала жидкости.

Nbsp; Рис. 15.3. Схема универсаль­ного жидкостного манова­куумметра

Абсолютная погрешность прибора в поверяемой отметке считы­вается со шкалы микрометрического винта.

При измерении разрежения металлический бачок укрепляется на верхней секции линейки, а прозрачный бачок устанавливают на кронштейне 9 каретки 10, которую помещают на нулевую отметку. Нулевая отметка при измерении разрежения находится на отметке 760 мм шкалы линейки. Относительная погрешность показаний уни­версального жидкостного мановакуумметра при измерении давле­ния и разрежения в диапазоне 150—1000 мм вод.ст. и в диапазо­не 75—1000 мм рт.ст. составляет ±0,3%. В диапазоне 0—150 мм вод. ст. абсолютная погрешность не превышает ±0,5 мм вод. ст., а в диапазоне 0—75 мм рт. ст. — 0,25 мм рт.ст.

Грузопоршневые средства измерений давления. Принцип дейст­вия грузопоршневых средств измерений давления основан на урав­новешивании усилия, развиваемого измеряемым давлением на неуплотненном поршне, силой тяжести груза, нагружающего пор­шень. Неуплотненный поршень представляет собой поршень правильной цилиндрической формы, расположенный в цилиндре. Между стенками цилиндра и поршня существует равномерный и очень малый зазор (1—5 мкм), заполненный рабочей жидкостью (трансформаторным, касторовым или приборным маслом). В ре­зультате поршень находится во взвешенном состоянии и может оказывать на жидкость давление, обусловленное весом поршня и нагружающего его груза. Совокупность поршня и цилиндра обра­зует поршневую систему, называемую «колонкой», которая являет­ся неотъемлемым элементом всех поршневых средств измерений. Поршневые средства измерений обладают высокой точностью бла­годаря идеальной цилиндрической форме поршня и цилиндра.

По форме используемого поршня различают поршневые средст­ва измерений давления с простым поршнем, дифференциальным поршнем и с поршневым мультипликатором.

На рис. 15.4, а показана схема установки с грузопоршневым ма­нометром, оснащенным простым поршнем. Установка включает грузопоршневой манометр I и гидравлический пресс II. Грузопоршневой манометр представляет собой сосуд цилиндрической формы 1, заполненный рабочей жидкостью. Во внутренней полости ци­линдра расположен поршень 2 с грузоприемной тарелкой 6.

Гидропресс представляет собой поршень 11, имеющий манжет­ное уплотнение. Внутренняя полость пресса сообщается с грузо­поршневым манометром I и поверяемым прибором 9 через каналы, которые перекрываются вентилями 7 и 10. Для заполнения гидрав­лической системы пресса рабочей жидкостью предусмотрен бачок 8 с запорным вентилем.

При измерении давления Р, создаваемого гидропрессом, грузоприемную тарелку 6 нагружают грузами 5 до тех пор, пока поршень 2 не придет в состояние равновесия. О достижении равнове­сия судят по совпадению рисок 4 на поршне и ограничителе хода 3 поршня. В состоянии равновесия поршня справедливо равенство

, (15.1)

где m_П, m_Г — масса поршня и грузов; ρ_В, ρ_Г — плотность воздуха и материала груза; F_ПР — приведенная площадь поршня.

Рис. 15.4. Схема грузопоршневого манометра

На практике F_ПРопределяется экспериментально и является основным метрологическим параметром грузопоршневых маномет­ров. В современных грузопоршневых манометрах приведенная пло­щадь поршня — порядка 0,5 см². Зависимость (15.1) справедлива для поршневой системы в случае отсутствия сил нежидкостного тре­ния. Для обеспечения этого условия в процессе измерения поршню 2 сообщают вращательное движение. Классы точности грузопорш­невых манометров с простым поршнем 0,02; 0,05; 0,2. Для измере­ния давления до 5·10⁸ Па без увеличения массы грузов необходи­мо уменьшать приведенную площадь поршня. Однако это уменьше­ние ограничивается потерей жесткости поршня. Применение диффе­ренциального поршня позволяет достигать больших давлений без увеличения массы грузов. Кроме отмеченного преимущества, до­стигаемого применением дифференциального поршня, следует отметить и возможность измерения разрежения.

Обычно грузопоршневые манометры оснащаются дифференци­альными поршнями, приведенная площадь которых не менее 0,20 см². На рис. 15.4, б показан грузоноршневой манометр с диф­ференциальным поршнем. При измерении избыточного давления цилиндрическая камера 1 сообщается с объектом измерения, а цилиндрическая камера 8 герметизируется.

При измерении разрежения цилиндрическая камера 8 соединя­ется с объектом измерения, а в камеру 1 подается уравновешиваю­щее давление, создаваемое дополнительной поршневой системой. Назначение остальных элементов дифференциальной поршневой системы аналогично назначению соответствующих элементов про­стой поршневой системы.

На базе дифференциального поршня разработан грузопоршневой мановакуумметр класса точности 0,05.

Для поверки средств измерений давления с верхними пределами измерений 600—2000 МПа применяются образцовые грузопоршне­вые манометры с измерительным мультипликатором (умножите­лем) —устройством, позволяющим в несколько десятков раз увеличить усилия, развиваемые сменными грузами. Классы точности образцовых грузопоршневых манометров с измерительным мульти­пликатором 0,05—0,2 [13].

Рис. 15.5. Схема автоматического задатчика давления

Разновидностью грузопоршневых манометров является автома­тический задатчик давления (АЗД) (рис. 15.5), состоящий из двух блоков: задатчика давления I и пульта управления IV. Задатчик давления включает автоматизированный грузопоршневой мано­метр II и пневмогидравлическую схему III.

Грузопоршневой манометр представляет собой поршень 9, пере­мещающийся в цилиндре, состоящем из двух частей: нижней 1 и верхней 6. Между нижней и верхней частями цилиндра имеется уплотнительное кольцо 10, обеспечивающее уплотнение поршневой си­стемы. Для устранения сухого трения между поршнем и цилиндра­ми нижний цилиндр 1 приводится во вращение пасиком 13, связан­ным с роликом 12, укрепленным на оси электродвигателя 14. Для обеспечения вращения цилиндра предусмотрен шарикоподшипник 11. К поршню 9 крепится ступенчатая втулка 7, имеющая лепестки, которые входят в пазы корпуса 8. Грузы 5 устанавливаются на сту­пеньках корпуса 8. При перемещении поршня вверх грузы со сту­пенек корпуса 8 нанизываются на ступеньки лепестков втулки 7. В результате давление, создаваемое поршнем на свободную поверх­ность жидкости, возрастает соответственно увеличению массы гру­зов на втулке. Для обеспечения дискретного перемещения поршня предусмотрен индикатор 3, прикрепленный к втулке 7, имеющий горизонтальные прорези, и перемещающийся между фотодиодом 2 и источником видимого света 4. При определенных положениях ин­дикатора на фотодиод попадает световой пучок, который преобра­зуется в электрический сигнал, подаваемый на пульт управле­ния IV.

Преобразование гидравлического давления, создаваемого грузопоршневым манометром II, в давление сжатого воздуха осуществляется пневмогидравлической схемой, включающей раздели­тельный бачок 18, пневмоповторитель 20, систему управляемых клапанов 28—31 и систему регулируемых дросселей 23—27. Конст­рукция бачка такова, что уровень рабочей жидкости в нем выше нижнего края цилиндра 1. Это исключает возможность попадания воздуха под поршень. Рабочая жидкость заливается в бачок через воронку 16 с запорным винтом 15, а сливается с помощью запорно­го винта 19. Жидкость, появляющаяся в результате утечки через зазоры между поршнем и цилиндром, через канал в стенке цилинд­ра и полиэтиленовую трубку стекает в воронку 16. Воздух в верх­нюю часть бачка и к поверяемому прибору 32 (при необходимости можно поверять сразу два прибора) поступает от сети пневмопитания через клапан 29 или 28 (при повышенной скорости повер­ки). Сброс воздуха в атмосферу при обратном ходе задатчика осу­ществляется через клапан 31 или 30 (при повышенной скорости поверки). Скорость нарастания и сброса давления регулируется дросселями 24—27. Для ускорения сброса при задании нижних ступеней давления параллельно дросселю 24 и клапану 31 установ­лен дроссель 23, который сбрасывает воздух в атмосферу через пов­торитель 20. Пружина повторителя отрегулирована так, что мемб­рана 21 открывает сопло 22 при давлении около 50 кПа, когда ста­новится заметной затяжка времени задания очередного значения давления при обратном ходе задатчика.

На пульте управления IV расположены органы управления АЗД и логическая схема, в которую включены клапаны 28—31 и фото­диод 2. АЗД позволяет работать в ручном, полуавтоматическом и автоматическом режимах. Класс точности АЗД с верхним преде­лом измерений 0,1; 0,16; 0,25 МПа составляет 0,05. Дискретность давления для АЗД с пределом измерений 0,1 и 0,16 МПа составля­ет 10 кПа, а с верхним пределом 0,25 МПа — 20 кПа.

Образцовые деформационные манометры и вакуумметры. Прин­цип действия этих приборов аналогичен рабочим манометрам и вакуумметрам, рассмотренным в § 4.4. Отличительным элементом конструкций образцовых приборов является корректор нуля и ар­ретир. Шкала приборов круговая, имеет 100 или 250 условных еди­ниц. Основной особенностью образцового прибора является мате­риал, из которого выполнен упругий чувствительный элемент, а также отношение предела измерений к пределу пропорционально­сти трубчатой пружины. Это отношение для образцовых приборов лежит в пределах от 3 до 4, в то время как для рабочих приборов оно равно 1,5—2,0.

При проведении измерений образцовым деформационным прибором необходимо руководствоваться данными градуировочной таблицы, указанной в паспорте прибора. Для уменьше­ния погрешности прибора, вызванной отклонением температуры окружающей среды от 20°С, рекомендуется к показаниям прибора вводить температурную поправку. Верхние пределы измерений об­разцовых манометров избыточного давления ограничены значения­ми 0,1—60 МПа. Диапазон измерений образцовых вакуумметров —0,1—0 МПа. Классы точности образцовых деформационных при­боров 0,15; 0,2; 0,25; 0,4; 0,6; 1,0.