Фарзане Н.Г., Илясов Л.В. Технологические измерения и приборы

Подождите немного. Документ загружается.

421

ского 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 дав-

Рис. 15.3. Схема универсаль-

ного жидкостного манова-

куумметра

422

ление, 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 ко-

нец иглы не коснется зеркала жидкости.

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 1 и гидравлический пресс 11. 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 1 и поверяемым прибором 9 через каналы,

423

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.

Рис. 15.4. Схема грузопоршневого манометра

О достижении равновесия судят по совпадению рисок 4 на поршне и

ограничителе хода 3 поршня. В состоянии равновесия поршня справедливо

равенство

( )

пр

гп

1 ρρ−

= ,

(15.1)

где т

, т

— масса поршня и грузов; ρ

, ρ

— плотность воздуха и материала

груза; F

пр

— приведенная площадь поршня.

На практике F

пр

определяется экспериментально и является основным

метрологическим параметром грузопоршневых манометров. В современных

грузопоршневых манометрах приведенная площадь поршня — порядка 0,5 см

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 измере-

ния давления до 5×10

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.

424

Обычно грузопоршневые манометры оснащаются дифференциальными

поршнями, приведенная площадь которых не менее 20 см

. На рис. 15.4, б

показан грузопоршневой 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 пробой 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.

Рис. 15.5. Схема автоматического задатчика давления

Классы точности образцовых грузопоршневых манометров с измерительным

мультипликатором 0,05—0,2 [13].

Разновидностью грузопоршневых манометров является автоматический

задатчик давления (АЗД) (рис. 15.5), состоящий из двух блоков: задатчика

давления 1 и пульта управления IV. Задатчик

425

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 цилиндра ми 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 нанизызаются 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 запорно-

го 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 осу-

ществляется 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 ста-

новится заметной затяжка времени задания очередного значения давления при

обратном ходе задатчика.

426

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 ар->етир. 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.

§ 15.5. Метрологическое обеспечение средств измерений температуры

Основу метрологического обеспечения средств измерений температуры в

диапазоне 13,81—6300 К составляют две поверочные схемы, в основе которых

лежат государственные первичные эталоны единиц температуры — кельвин

(К). Принцип действия эталонов основан на воспроизведении реперных точек

МПТШ-68. В диапазоне температур от 13,81 до 273,15 К передача размера

единицы от эталона осуществляется образцовыми средствами измерений, в

состав которых входят платиновые термопреобразователи сопротивления,

полупроводниковые термопреобразователи сопротивления, медь-копелевые и

медь-константановые термоэлектрические термометры (ТЭТ) и ртутные

стеклянные термометры.

Передача размера единицы температуры от эталона в диапазоне 273,15—

6300 К осуществляется образцовыми средствами измерений, которые согласно

поверочной схеме подразделяют на две группы: термометры и пирометры. В

группу термометров входят:

427

ртутные стеклянные термометры, платиновые термометры сопротивления,

платинородий-платиновые и платинородий-платинородиевые (градуировка

ПРЗО/6) ТЭТ и вольфрамрениевые (градуировка ВР 5/20) ТЭТ, а в группу

пирометров — температурные лампы, пирометры полного излучения и

визуальные монохроматические пирометры.

Образцовые стеклянные жидкостные термометры. Они предназначены

для измерения температуры в диапазоне 240,15—903 К. В качестве

термометрической жидкости в этих термометрах используется ртуть.

Образцовые ртутные термометры О выпускаются

палочные (рис. 15.6, а) и с вложенной шкалой (рис. 15.6,

б).

Палочные термометры представляют собой

толстостенный капилляр 1 с внешним диаметром 6—8

мм и внутренним 0,1 мм. Нижняя часть капилляра

выполнена в виде резервуара 2 цилиндрической формы,

заполненного ртутью, а верхняя часть — заварена, чем

обеспечивается герметизация внутренней полости

капилляра. Шкала у палочного термометра нанесена

непосредственно на внешнюю поверхность капилляра.

Отличительной особенностью термометров с вложенной

шкалой является то, что капилляр 1, снабженный

резервуаром 3 цилиндрической формы, прикрепляется к

шкальной пластине 2, и оба они размещены внутри

защитной стеклянной оболочки. Доверительные

абсолютные погрешности образцовых ртутных

термометров 3-го разряда ± (0,03—3,0) К. Образцовые

ртутные термометры выпускаются с ценой деления

0,01; 0,02; 0,05; 0,1°С.

За действительную температуру термостата

термометров (криостата), измеряемую образцовым

термометром, принимают среднее арифметическое из

его показаний, к которому прибавляют поправку для данной отметки шкалы,

взятую из свидетельства, и поправку на выступащий столбик.

Образцовые термопреобразователи сопротивления. Эти термометры

изготавливают из платины. Чувствительный элемент образцового

термопреобразователя сопротивления представляет собой кварцевый каркас

геликоидальной формы с укрепленной спиралью из платиновой проволоки. Для

измерения сопротивления чувствительного элемента предусмотрено две пары

выводов. Одна пара выводов потенциальная, вторая — токовая. Потенциальные

выводы подключаются к измерительному прибору, а токовые — к источнику

тока. Образцовые термометры с абсолютной погрешностью ±(0,03—0,07) К в

диапазоне 273—903 К применяют для по-

Рис. 15.6. Устройство

ртутных стеклянных

термометров

428

верки рабочих термопреобразователей сопротивления из неблагородных

металлов, полупроводниковых термометров, жидкостных стеклянных

термометров, манометрических термометров и термоэлектрических из

неблагородных металлов. Образцовые термометры с абсолютной

погрешностью ±(0,01—0,03)К в диапазоне 273— 903К применяются только для

поверки платиновых термометров сопротивления.

Образцовые термоэлектрические термометры. Образцовые тер-

моэлектрические термометры (ТЭТ) подразделяют на платинородий-

платиновые, платинородиевые и вольфрамренивые. Абсолютные погрешности

образцовых ТЭТ составляют: для платинородий-платиновых ТЭТ в диапазоне

температур 573—1473К — ±(0,8— 2,0)К; для платинородиевых (градуировка

ПР 30/6) ТЭТ в диапазоне 1200—2073К — ±(1,2—6,0)К; для

вольфрамрениевых (градуировка ВР 5/20) ТЭТ в диапазоне 1200—2800К —

± (2—

17)К.

Конструкции образцовых и рабочих ТЭТ аналогичны. При проведении

поверочных измерений образцовые ТЭТ применяются без защитных чехлов.

Образцовые температурные лампы. Температурные лампы пред-

назначены для воспроизведения яркостной и цветовой температур. Образцовые

температурные лампы с абсолютной погрешностью ± (3—15)К предназначены

для поверки рабочих монохроматических пирометров и пирометров

спектрального отношения в интервалах температур 1100—3100 К.

Образцовые пирометры полного излучения предназначены для поверки

рабочих пирометров полного излучения, диапазон измерения которых 300—

2800 К. Абсолютная погрешность образцовых пирометров полного излучения в

диапазоне 300—2800К составляет ± (5—15) К.

Рассмотренные образцовые средства измерений предназначены для

поверки первичных измерительных преобразователей температуры.

Метрологическое обеспечение средств измерений, работающих в комплекте с

первичными измерительными преобразователями температуры, к числу

которых относятся измерительные приборы и нормирующие измерительные

преобразователи, базируется на образцовых средствах измерений,

заимствованных из других поверочных схем. Эти средства измерений являются

электрическими и включают: меры ЭДС, потенциометры и меры

электрического сопротивления.

Образцовые меры электродвижущей силы. В качестве меры ЭДС

используют нормальные элементы, представляющие собой гальванические

элементы, способные воспроизводить ЭДС с высокой точностью. Нормальные

элементы (НЭ) изготавливают двух типов: насыщенные и ненасыщенные.

Насыщенный НЭ (рис. 15.7) состоит из герметичного стеклянного сосуда Н-

образной формы. Положительным электродом 1 служит ртуть, отрицательным

электродом 5 — амальгама кадмия. Выводы от электродов, выполнен-

429

ные из платиновой проволоки, впаяны в нижние концы сосуда. Над ртутью

расположен слой пасты 2 из смеси сернокислой ртути и сернокислого кадмия.

Паста является деполяризатором. Электролитом 4 служит насыщенный раствор

сернокислого кадмия. Насыщение раствора

обеспечивается кристаллами сернокислого кадмия 3.

В зависимости от допустимого изменения ЭДС в

процентах за год насыщенные НЭ подразделяют на

классы 0,0002; 0,0005; 0,001; 0,002; 0,005. Насыщенный

НЭ позволяет пропускать ток не более 1 мкА и обладает

чувствительностью к изменению температуры. Среднее

значение ЭДС НЭ при 20°С составляет 1,0186 В.

Действительное значение ЭДС насыщенного НЭ

при температурах, отличных от 20°С, определяют

расчетным путем.

Ненасыщенные НЭ отличаются от насыщенных

тем, что они заполнены ненасыщенным раствором

сернокислого кадмия. ЭДС ненасыщенного НЭ составляет 1,0186— 1,0194 В.

Класс точности ненасыщенных НЭ 0,002; 0,005; 0,01; 0,02. Основное

достоинство ненасыщенных НЭ — способность пропускать ток до 10 мкА и

малое изменение ЭДС с изменением температуры.

Образцовые потенциометры постоянного тока. К числу образцовых

потенциометров постоянного тока относятся переносные потенциометры класса

точности 0,05. Эти потенциометры предназначены для непосредственного

измерения ЭДС (напряжения); поверки технических ТЭТ, нормирующих

измерительных преобразователей и измерительных приборов, работающих в

комплекте с ними; получения плавно регулируемого напряжения постоянного

тока. Для выполнения указанных выше функций переносные потенциометры

оснащаются узлами (рис. 15.8), основными из которых являются: потенциометр

с ручным уравновешиванием П; делитель напряжения ДН; переключатель

сопротивлений В1; переключатель рода работы В2; источник питания ИП

(батарея из нескольких параллельно соединенных сухих элементов).

Электрическая схема потенциометра П с ручным уравновешиванием (рис. 15.9)

состоит из трех контуров: контроля I, компенсации II и измерения III. Контур

контроля I включает нормальный элемент НЭ, резистор R

нэ

, тумблер Т в

положении К (контроль) и нуль-гальванометр НГ.

Контур компенсации II образован переменным резистором R

, источником

питания ИП, резистором R

нэ

, резисторами R

—

секционированного

переключателя ВЗ и реохордом R

. Контур измерения III состоит из зажимов КЗ

и К4, на которые подается измеряемая ЭДС (напряжение), резисторов R

—

секционированного переключателя ВЗ, тумблера Т в положении И (измерение)

и нуль-гальванометра НГ.

Назначение отдельных элементов контуров I —III аналогично

Рис. 15.7. Устройство

нормального элемента

430

назначению соответствующих элементов

потенциометра, схема которого

представлена на рис. 6.13. Что касается

секционированного переключателя ВЗ, то

он применен в схеме переносного по-

тенциометра с целью расширения пределов

измерения. Процедура измерения ЭДС (на-

пряжения) осуществляется в

последовательности, рассмотренной для

потенциометрической схемы, приведенной

на рис. 6.13. Значение измеряемой ЭДС

(напряжения) в милливольтах равно сумме

показаний шкалы 2 (целые значения) и

шкалы 1 (дробные значения).

При измерении ЭДС (напряжения)

переносным потенциометром (см. рис.

15.8) переключатель В2 должен находиться в положении «Потенциометр», а

переключатель В1 — на отметке 0. При поверке автоматических

потенциометров и пирометрических

милливольтметров переключатель В2

находится в положении «Поверка», а пере-

ключатель В1 ставится на отметку 0 (при

поверке потенциометров) или на отметку,

соответствующую указанной на шкале

поверяемого милливольтметра R

ВН

. В

процессе поверки на зажимы Kl, K2 пере-

носного потенциометра с ДН подается

напряжение, составляющее от —5 до 100

мВ, которое одновременно подается и на

зажимы КЗ, К4 потенциометра П. В

результате переносной потенциометр

превращается в меру напряжения.

Рис. 15.8. Схема переносного

потенциометра

Рис. 15.9. Схема потенциометра с

ручным уравновешиванием