1. Методы измерения гидростатического давления. Введение

Цель работы - изучение конструкций приборов и способов измерения гидростатического давления.

Задачи:

· ознакомиться с конструкцией и принципом действия приборов;

· изучить принцип действия вакуум-насоса и трехходового крана;

· произвести измерения гидростатического давления при помощи различных приборов;

· приобрести навыки измерения гидростатического давления в различных системах измерения физических величин;

· провести расчеты и проанализировать результаты.

2. Теория

2.1. Основные положения и общие зависимости

Приборы для измерения давления по характеру измеряемой величины подразделяются на:

· барометры, измеряющие атмосферное давление;

· манометры, измеряющие разность абсолютного и атмосферного давлений, т.е. избыточного (манометрического) давления;

· вакуумметры, служащие для измерения отрицательного избыточного давления – вакуума;

· мановакуумметры, измеряющие как избыточное давление, так и вакуумметрическое;

· дифференциальные манометры, которые измеряют разность давлений.

По принципу действия различают приборы жидкостные и механические.

К жидкостным приборам относятся: пьезометр, манометр, дифференциальный манометр. Жидкостные приборы (рис. 2.1) основаны на уравновешивании измеряемого давления высотой столба рабочей жидкости определенного объемного веса.

Рис. 2.1. Жидкостные приборы для измерения давления:

пьезометры открытого (а) и закрытого (б) типа; дифманометр (в);

U-образные (г) манометр и вакуумметр (д); простой вакуумметр (е)

К механическим приборам (рис. 2.2.) относятся: пружинно-трубчатые и мембранные манометры, мановакуумметры, барометры. Действие механических манометров основано на применении закона Гука. Сила давления деформирует упругий элемент прибора (пружину, мембрану), а возникшая деформация, после тарирования, является мерой давления.

Рис. 2.2. Механические приборы для измерения давления:

пружинный трубочный (а); мембранный (б)

При определении гидростатического давления, как правило, оперируют абсолютным (полным) давлением , манометрическим (избыточным) давлением и вакуумом (отрицательным избыточным давлением). Между этими величинами существуют следующие зависимости:

(2.1)

(2.2)

Из рис. 2.3 видно, что величина вакуума не может быть больше атмосферного давления. Отсюда же можно сформулировать понятия манометрического давления и вакуума.

Рис. 2.3. Пределы измерения давлений

Манометрическое давление - это избыток абсолютного давления над атмосферным.

Вакуум - отрицательное избыточное давление (недостаток абсолютного давления до атмосферного).

Полное или абсолютное гидростатическое давление в любой точке покоящейся жидкости складывается из давления на свободной поверхности жидкости и веса столба жидкости с основанием, равным единице площади, и высотой, равной глубине расположения рассматриваемой точки под уровнем свободной поверхности:

(2.3)

В гидротехнической практике применяются следующие единицы измерения давления: кгс/см², ат (техническая атмосфера), кгс/м², Н/м² (Па), м или мм ст. жидкости.

Между ними существует связь:

1 ат = 1 кгс/см² = 10⁴ кгс/м² = 9,81×10⁴ Н/м² = 10 м. вод. ст. = 736 мм.рт.ст.

В международной системе единиц СИ давление измеряется в Па = 1 Н/м²; 1 ат = 0,1 MПa (мегапаскали); 1 ат = 100 кПа.

3. Оборудование

3.1. Активные клавиши

Для работы в этой лабораторной работе применяются следующие клавиши:

W, S, A, D – для перемещения в пространстве;

F2, E – аналоги средней клавиши манипулятора (при первом нажатии берется объект, при последующем – ставится);

Ctrl – присесть;

F10 – выход из программы.

Рис. 3.1. Активные клавиши клавиатуры

Рис. 3.2. Функции манипулятора

Левая клавиша мыши (1) - при нажатии и удерживании обрабатывается (поворачивается, переключается) тот или иной объект.

Средняя клавиша (2) - при первом нажатии (прокрутка не используется) берется объект, при последующем – ставится (прикрепляется).

Правая клавиша (3) - появляется курсор–указатель (при повторном - исчезает).

Примечание: При появившемся курсоре невозможно перевести взгляд вверх и стороны.

3.2. Экспериментальная установка

Для изучения способов измерения гидростатического давления, рассмотрим некоторую замкнутую область, заполненную воздухом. Измерения произведем с помощью экспериментальной установки (рис. 3.3).

Рис. 3.3. Схема экспериментальной установки

Установка состоит из вакуум-насоса I, трехходового крана II, группы механических приборов III, группы жидкостных приборов IV.

В группу механических приборов III входят: пружинно-трубчатый манометр открытого типа (1), включенный в линию нагнетания вакуум-насоса (I) при помощи резиновых трубок Т; мановакуумметр закрытого типа (2), пружинно-трубчатый вакуумметр закрытого типа (3), включенные в линию всасывания вакуум-насоса (I) при помощи резиновых трубок Т.

Группа жидкостных приборов IV смонтирована на щите III. Она состоит из двух U-образных манометров (одно колено сообщается с атмосферой) и двух пьезометров:

U-образный манометр, заполненный водой (4);

U-образный манометр, заполненный веретенным маслом (5), включены в линию нагнетания вакуум-насоса I при помощи металлических трубок М и тройников ТР; пьезометр (6) с открытым верхним концом, сообщенным с атмосферой и нижним концом, опущенным в закрытый резервуар А, заполненный водой, сообщается с линией нагнетания вакуум-насоса I при помощи металлических трубок М и тройников ТР; вакуумметр (7), верхний конец которого связан с линией всасывания вакуум-насоса I при помощи металлических трубок М, а нижний конец опущен в открытый резервуар Б, заполненный водой.

Краны К предназначены для отключения механических приборов.

Вакуум-насос - гидравлическая машина, которая откачивает воздух или газ из производственной емкости с давлением ниже атмосферного и, сжимая его, выталкивают в атмосферу.

Каждый вакуум-насос характеризуется следующими основными параметрами:

1. Начальное давление - давление, при котором насос начинает нормально работать. Такое давление должно быть создано у выхода насоса и называется предварительным вакуумом.

2. Рабочее давление - давление у входа насоса при данных условиях его работы.

3. Конечное (предельное) давление - давление, которое можно получить при помощи вакуум-насоса в плотно закрытой и не выделяющей газов или паров эвакуируемой производственной емкости.

4. Быстрота откачки вакуум-насоса - объем газа, который поступает в единицу времени из трубопровода в вакуум-насос при данном давлении у входа в насос.

Кроме основных параметров вакуум-насосов, существуют еще и дополнительные: потребляемая мощность электродвигателя, число оборотов, количество заливаемой рабочей жидкости, расход охлаждающей воды, размеры насоса, число ступеней откачки и т.д.

Краны трехходовые предназначены для использования в качестве запорного или перепускного устройства в трубопроводах с жидкими или газообразными, агрессивными или неагрессивными рабочими средами.

Рис. 3.4. Трехходовые краны

Рис. 3.5. Установка в лабораторной работе

4. Порядок выполнения работы

4.1. Порядок действий (рекомендованный)

На экспериментальной установке (рис. 3.5) установите трехходовой кран П в позицию «О» и включите электродвигатель вакуум-насоса I кнопкой ПУСК на панели управления.

В нагнетательной линии вакуум-насоса I устанавливается давление больше атмосферного, во всасывающей линии вакуум-насоса I устанавливается давление меньше атмосферного. После стабилизации давления в системе, что определяется по устойчивым показаниям приборов (уровни жидкости в коленах U-образных манометров 4 и 5 и в пьезометре 6 установились без колебаний), приступите к проведению опытов.

4.2. Опыт 1. Измерение избыточного давления воздуха в нагнетательной линии

1. Переключите трехходовой кран П в позицию 1. После стабилизации давления снимите показания приборов.

Показания группы механических приборов III:

· механического манометра 1, который измеряет избыточное давление воздуха в нагнетательной линии вакуум-насоса I;

· механических мановакуумметра 2 и вакуумметра 3, которые измеряют вакуум (разряжение) воздуха во всасывающей линии вакуум-насоса I.

I. (Механические приборы работают одновременно при открытых кранах К. При необходимости можно отключить любой из них, перекрывая соответствующий кран К).

Показания приборов группы IV, которые измеряют избыточное давление в нагнетательной линии вакуум-насоса i:

· U-образных манометров 4 и 5 (отсчеты снимаются по шкале прибора как перепад уровней и );

· пьезометра 6, показание которого снимается как высота подъема воды из открытого резервуара А (отсчет производится от условного нуля шкалы прибора до мениска воды, находящейся в пьезометре).

2. Среднее значение трехразовых измерений занесите в таблицу 5.1.

4.3. Опыт 2. Измерение вакуума во всасывающей линии

Для измерения вакуума во всасывающей линии вакуум-насоса I при помощи жидкостного вакуумметра (7) произведите переключение трехходового крана II в позицию 2. После стабилизации давления в системе снимите показание вакуумметра как высоту подъема жидкости (воды) из открытого резервуара Б (отсчет производится от условного нуля прибора по шкале до уровня мениска жидкости, находящейся в вакуумметре 7). Измеренные значения давления занесите в таблицу 5.1.

4.4. Обработка результатов измерений

Вычисление избыточного давления по показаниям пьезометра производится по формуле (4.1):

(4.1)

где - показание пьезометра, м. вод. ст.;

– плотность воды (1000 кг/м³).

Вычисление вакуума по показанию масляного вакуумметра производится по формуле (4.2):

(4.2)

где - показание вакуумметра, м. масл. ст.;

= 850 кг/м^3.

Вычисление избыточного давления по показаниям U-образных манометров

(4.3)

где , - показания U-образных манометров 4 и 5, соответственно, м. жид. столба.

Используя рассчитанные значения избыточного и вакуумметрического давлений, а также показания механических приборов, определите абсолютные давления (формулы 2.1, 2.2, 2.3). Атмосферное давление:

Результаты вычислений необходимо представить в двух системах единиц измерений: технической (МКГСС) и международной (СИ).

5. Отчет

Студент: ФИО, группа.

ОТЧЕТ

по лабораторной работе №

Методы измерения гидростатического давления

Цель:_______________________________________________________________________________________________________________________________

Задачи: ______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

1.Схема лабораторной установки.

2. Ход работы.

3.Результаты экспериментальных исследований.

4.Результаты расчетов.

5. Основные выводы.

Таблица 5.1

Результаты расчетов

№ п/п	Наименова-ние прибора	Ед.изм. давления	Отсчет по прибору	Избыточное давление		Абсолютное давление
				МКГСС	СИ	МКГСС	СИ
				кгс/м²	Па	кгс/м²	Па
1	Пьезометр
2	Жидкостный вакуумметр
3	U-образный водный манометр
4	U-образный масляный манометр
5	Механиче-ский пружинный манометр
6	Механиче-ский вакуум-метр
7	Барометр

6. Контрольные вопросы

1. Классификация приборов для измерения гидростатического давления.

2. Устройство и принцип действия жидкостных и механических приборов.

3. Достоинства и недостатки приборов для измерения гидростатического давления.

4. На каких физических законах основаны принципы действия приборов?

5. Единицы измерения давления в различных системах измерения физических величин.

6. Виды давления, методы и приборы для определения.

7. Какой из приборов позволяет отсчитывать избыточное давление с большей точностью и почему?

8. Назовите наибольшую величину вакуума.

7. Авторы

Лабораторная работа «Методы измерения гидростатического давления» по дисциплине «Гидромеханика»

Методическое обеспечение: доцент, к.т.н. Земенкова М.Ю.; Воронин К.С., Тырылгин И.В., Шарипов Э.А.

Под редакцией проф., д.т.н. Земенкова Ю.Д.

Редактор: Яковлев О.В.

3D-графика: Елесин А.

Script-программирование: Баканов А.А.