Методические указания по выполнению лабораторных работ учебной практике УП.01 "Контроль и метрологическое обеспечение средств и систем автоматизации"

Государственное профессиональное образовательное автономное учреждение Ярославской области «Ярославский промышленно-экономический колледж им. Н.П. Пастухова»

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

по выполнению лабораторных работ

по учебной практике

УП.01 Контроль и метрологическое обеспечение средств и систем автоматизации

для студентов специальности

15.02.07 Автоматизация технологических процессов и производств
(по отраслям)

Ярославль, 2019

Автор-составитель:

Ю. М. Зимин, преподаватель ГПОАУ ЯО «Ярославский промышленно-экономический колледж им. Н.П. Пастухова»

Содержание

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

Методические указания по выполнению лабораторных работ по учебной практике УП.01 Контроль и метрологическое обеспечение средств и систем автоматизации (далее – методические указания) предназначены для подготовки обучающихся очной формы обучения ГПОАУ ЯО «Ярославского промышленно-экономического колледжа им. Н.П. Пастухова» и являются частью учебно-методического обеспечения программы подготовки специалистов среднего звена (далее ППССЗ) специальности 15.02.07 «Автоматизация технологических процессов и производств».

Цель методических указаний – помочь студентам получить практические навыки и умения производить измерения различных физических величин, определять погрешность производимых измерений, а также метрологическую исправность используемых средств измерений на базе ресурсов лаборатории монтажа, наладки, ремонта и эксплуатации систем автоматического управления, типовых элементов, устройств систем автоматического управления и технических средств измерений (далее лаборатории).

Методические указания включают в себя описания двенадцати лабораторных работ, теоретический материал, описание хода работы, таблицы с результатами наблюдений (измерений), требования к содержанию отчетов, вопросы для подготовки к защите работ. Лабораторные работы выполняются на учебном стенде ИПДРТ-01, описания лабораторных работ для которого приведены в [1]. Эти описания переработаны и дополнены в данных методических указаниях.

Выполнение лабораторных работ позволяет обучающимся более качественно освоить общие и профессиональные компетенции, предусмотренные ФГОС СПО специальности 15.02.07 «Автоматизация технологических процессов и производств».

Лабораторная работа №1

Приборы для измерения температуры

Цели работы:

1. изучение приборов для измерения температуры;

2. сравнение показаний приборов различного типа;

3. определение пределов максимально допустимой погрешности измерения по классу точности и классу допуска приборов;

4. определение метрологической исправности измерительных приборов.

Используемые приборы

1. Термометр биметаллический БТ5

Диапазон измерения: определить по прибору на лаб. стенде.

Класс точности: 1,0.

2. Термометры сопротивления ОВЕН ДТС035-50М.B3.250

Расшифровка обозначения термометра:

ДТС – датчик термосопротивления;

035 – конструктивное исполнение (характеризует габаритные размеры преобразователя);

50М – номинальная статическая характеристика (НСХ);

B – класс допуска;

3 – трехпроводная схема соединений проводников;

250 – длина монтажной (погружной) части термометра, мм.

Диапазон измерения температуры: -50…180 °С.

3. Измеритель-регулятор ОВЕН ТРМ1

Предел основной приведенной погрешности измерения:

• для термоэлектрических преобразователей: ±0,5%;

• для других датчиков: ±0,25%.

Теоретические основы

Устройство биметаллического термометра показано на рисунке 1.1.

Термометр состоит из защитной оболочки 1, фланца крепления 2, стрелки 3, шкалы с подшипником 4, корпуса 5, троса 6 для передачи вращения, биметаллической спирали 7. При изменении температуры биметаллическая спираль закручивается или раскручивается. Нижний конец спирали закреплен к оболочке 1, поэтому верхний конец спирали поворачивается на угол, пропорциональный изменению температуры. Через трос 6 угол поворота передается на стрелку 3, показывающую текущую температуру.

Рисунок 1.1 – Устройство биметаллического термометра

Устройство медного термометра сопротивления представлено на рисунке 1.2.

Рисунок 1.2 –Устройство медного термопреобразователя сопротивления

Термометр сопротивления состоит из корпуса 4 с фланцем крепления, проводов 5, термосопротивления 2 и 3, теплопроводящего электроизолятора 1. Термосопротивление состоит из катушки 3 с намотанной на нее медной проволокой 2. При изменении температуры корпуса (чехла) 4, тепловой поток через электроизолятор 1 проходит к проволоке 2, ее температура меняется и, как следствие, меняется ее электрическое сопротивление. При этом электрическое сопротивление катушки пропорционально ее температуре.

Термометру сопротивления подключается к вторичному электронному прибору, который измеряет сопротивление преобразователя и переводит его в значения температуры.

Описание работы

Для выполнения работы используется гидравлическая часть лабораторного стенда. Принципиальная комбинированная схема используемой в работе части лабораторного стенда показана на рисунке 1.3.

Рисунок 1.3 – Принципиальная комбинированная схема используемой в работе части лабораторной установки

Вода из бака Б прокачивается насосом Н в емкость Е1. Запуск электродвигателя М насоса производится переключателем «Подача воды», установленным на панели управления стендом. На дне емкости установлен нагревательный элемент (тэн) Т, для включения которого служит переключатель «Нагрев».

Для измерения температуры в емкости установлены два термометра сопротивления ТС1 и ТС2, а также биметаллический показывающий термометр БТ. Термометры сопротивления подключаются к вторичным показывающим приборам ВП1 и ВП2 (ОВЕН ТРМ1), имеющие релейные выходы. Релейный выход ВП2 используется для отключения тэна Т при превышении температуры нагреваемой воды в емкости заданного значения (размыкание цепи питания тэна).

Для дискретного контроля уровня в емкости установлены сигнализаторы уровня: по нижнему значению СУ1 и по верхнему – СУ2. Контакты сигнализаторов используются в цепях управления электродвигателем М насоса и тэном Т. До тех пор, пока уровень воды в емкости не достиг отметки срабатывания СУ1 нагрев производиться не будет (цепь питания тэном разомкнута). Это сделано для предотвращения ошибочной подачи напряжения на тэн при отсутствии в емкости жидкости, так как в этом случае возможно перегорание нагревательного элемента.

Для защиты насоса от попадания в него механических примесей на трубопроводе всасывания (перед насосом) установлен фильтр Ф. На трубопроводе нагнетания (после насоса) установлен обратный клапан КО, который пропускает поток воды только в одном направлении (движение жидкости в обратном направлении через насос, даже при его отключении невозможно).

Для ручного открытия или перекрытия потока на лабораторном стенде предусмотрены вентили ВН.

Счетчик воды СВ и диафрагмы ДР1 и ДР2 в данной работе не используются.

Ход работы

1. Включить установку. Для этого перевести переключатель «Питание системы управления» в верхнее положение.

2. Открыть вентили ВН1, ВН2, перекрыть вентили ВН3-ВН7.

3. Установить термометр сопротивления ТС1 в емкость.

4. Проверить, что измеритель-регулятор ТРМ1, подключенный к преобразователю ТС2, настроен на температуру отключения 50 °С, в противном случае произвести перенастройку прибора следующим образом:

   1. нажать кратковременно кнопку «ПРОГ»;

   2. установить значение уставки температуры, появившееся на экране прибора, кнопками и равное 50 °С;

   3. нажать кратковременно кнопку «ПРОГ». На экране появится значение гистерезиса (половина ширины коридора поддержания температуры). С помощью клавиш и выставить значение гистерезиса 3 °С;

1. 4. нажать кратковременно кнопку «ПРОГ» – регулятор выйдет из режима программирования и на его дисплее будет показываться действующее значение температуры по ТС2.

Примечание

Нагреватель будет включаться при температуре или 47 °С, а отключаться при температуре или 53 °С.

5. Заполнить емкость нагрева водой. Для этого переместить переключатель «Подача воды» в верхнее положение. Заполнение емкости производить до тех пор, пока не сработает верхний поплавковый сигнализатор уровня.

6. После срабатывания верхнего сигнализатора уровня отключить насос (переключатель «Подача воды» переместить в нижнее положение), закрыть кран ВН2.

7. Дождаться установления стабильных показаний термометров сопротивлений ТС1, ТС2 и биметаллического термометра БТ. Занести установившиеся значения в таблицу 1.1.

8. Включить процесс нагрева (переключатель «Нагрев» в верхнее положение). При нагревании жидкости в емкости на 1 °С отключить тэн (переключатель «Нагрев» в нижнее положение), контроль температуры вести по показаниям ТС2.

9. Дождаться установления стабильных показаний ТС1, ТС2 и БТ, занести показания в таблицу 1.1.

10. Повторить пункты 8,9 до достижения температуры отключения тэна включительно.

11. Слить воду из емкости, открыв краны ВН2 и ВН3.

12. Произвести обработку результатов измерений.

Таблица 1.1 – Результаты измерений температуры

изм.

,°С

, °С

,°С

,°С

,°С

,°С

,°С

,°С

1

2

3

4

5

6

7

8

9

1

…

n

Примечание к таблице 1.1:

В связи с особенностями эксперимента количество экспериментальных данных может быть разным. Это связано, прежде всего, с инерционностью процесса измерения температуры и ряду других причин.

Обработка результатов измерений

1. По результатам измерений вычисляется среднее значение температуры воды в емкости по формуле:

(1.1)

Полученные средние значения температуры заносятся в пятый столбец таблицы 1.1.

2. Рассчитываются абсолютные погрешности измерения температуры:

, (1.2)

где – истинное значение измеряемой величины, в качестве которого в практике используется наиболее достоверное, коим и является среднее значение; – действительное значение измеряемой величины (показание прибора).

В нашем случае:

– для первого термометра сопротивления;

– для второго термометра сопротивления;

– для биметаллического термометра.

Полученные значения погрешностей заносятся в 6-8 столбцы
таблицы 1.1.

3. Определяются пределы допускаемых абсолютных погрешностей измерения температуры биметаллическим термометром и термопреобразователей сопротивления совместно с вторичными приборами (измерителями регуляторами).

Предел допускаемой абсолютной погрешности измерения температуры биметаллическим термометром БТ5 определяется по формуле:

, (1.3)

где – предел основной приведенной погрешности (класс точности) биметаллического термометра; – нормирующее значение, определяемое в зависимости от шкалы прибора:

• если шкала прибора имеет нулевую отметку, то нормирующее значение определяется по формуле:

(1.4)

• если шкала прибора не имеет нулевой отметки, то:

(1.5)

Так как измерение температуры термометрами сопротивления используются показания вторичных приборов то для определения допускаемой погрешности измерения необходимо учитывать и погрешность самих измерителей-регуляторов, т.е. необходимо определить пределы допускаемых погрешностей всего измерительного канала (или тракта) «термометр сопротивления – измеритель-регулятор»:

, (1.6)

где – предел допускаемой погрешности термометров сопротивления, значение которого определяется в зависимости от их классов допуска, °С;

– предел допускаемой погрешности измерителя-регулятора, °С.

Максимально допустимые отклонения температуры от НСХ термометров сопротивления в зависимости от их классов допуска представлены в таблице 1.2.

Таблица 1.2 – Максимальные допустимые отклонения температуры от НСХ термометров сопротивления

Класс допуска

Допуск (максимально допустимое отклонение от НСХ), °С

АА

А

В

С

Примечание к таблице 1.2

Вместо температуры необходимо использовать значения и рассчитать допускаемые отклонения температуры для всех исследуемых точках ее измерения.

Предел допускаемой погрешности измерителя-регулятора определяется по формуле:

где – предел основной приведенной погрешности измерения ТРМ1, %;

– нормирующее значение, определяемое по диапазону измерения термометров сопротивления.

Результаты расчетов заносятся в девятый столбец таблицы 1.1.

4. По результатам расчетов и данным заполненной таблицы 1.1 делается заключение о метрологической исправности (пригодности) используемых в работе термометров.

Термометр является метрологически исправным, если значения абсолютных погрешностей при измерении им температуры не превышают максимально-допустимых значений во всех исследуемых точках. В случае, если хотя бы в одной точке погрешность превышает максимально допустимое значение, то делается заключение о метрологической неисправности исследуемого термометра.

Содержание отчета

1. Название и цели работы.

2. Исследуемые в работе приборы и их характеристики.

3. Принципиальная комбинированная схема используемой в работе части лабораторной установки (рисунок 1.3) с пояснением обозначений элементов схемы.

4. Таблица результатов измерений

5. Расчетные формулы и результаты расчетов для одной из строк таблицы результатов измерений.

6. Выводы по работе.

Контрольные вопросы

1. Из чего состоит исследуемый в работе биметаллический термометр и как он работает?

2. Как устроен чувствительный элемент медного термометра сопротивления?

3. Что такое класс точности прибора?

4. Через какие погрешности может выражаться класс точности и как это обозначается на приборах?

5. Как определяется нормирующее значение для различных приборов?

6. В чем измеряется абсолютная погрешность измерения?

7. Что означает «50» и «М» в маркировке термометра сопротивления?

8. Что означает «B» и «3» в маркировке термометра сопротивления?

9. Что необходимо учитывать при определении допускаемой погрешности измерения температуры электрическими преобразователями?

10. С какой целью в работе используются сигнализаторы верхнего и нижнего уровня в емкости?

Лабораторная работа №2

Динамические характеристики терморезистивного преобразователя

Цели работы:

1. Изучение зависимости показаний термометра сопротивления от времени пребывания в среде, температура которой измеряется.

2. Определение влияние среды на время установления показаний термометра сопротивления.

3. Определение коэффициента тепловой инерции датчика температуры графическим методом и методом наименьших квадратов.

Теоретические основы

Реальные термометры, не в состоянии мгновенно воспринимать изменение температуры окружающей среды [7]. Поскольку теплообмен между чувствительным элементом и средой происходит с конечной скоростью, требуется некоторое время для того, чтобы термометр показал изменившуюся температуру среды. Эта особенность получила название тепловой инерции термометра.

Предположим, что термометр, имеющий температуру Т₀, внесен в среду, имеющую температуру Т_ср. При постоянной температуре среды термометр в дальнейшем будет показывать температуру, изменяющуюся по закону:

(2.1)

где – температура окружающей среды, °С;

– время;

– коэффициент тепловой инерции термометра.

Из уравнения (2.1) коэффициент тепловой инерции термометра численно равен времени, в течение которого разность температур между термометром и средой уменьшается в раз.

Коэффициент λ зависит как от конструкции термометра, так и от свойств среды, в которой проводится измерение. Эта зависимость выражается формулой:

(2.2)

где – масса термометрического тела; – удельная теплоемкость вещества, из которого изготовлено термометрическое тело термометра;
– коэффициент конвективного теплообмена между термометрическим телом и средой; – площадь, через которую термометрическое тело обменивается теплом со средой.

В свою очередь, коэффициент конвективного теплообмена зависит от свойств среды:

(2.3)

где , – размерные константы;

– скорость движения воздуха;

– плотность среды.

Таким образом, коэффициент инерции обратно пропорционален корню квадратному из произведения скорости потока на плотность среды. Следовательно, в более плотной среде коэффициент тепловой инерции уменьшается.

Описание работы

Для выполнения работы используется та же гидравлическая часть стенда, что и в лабораторной работе №1. Схема измерения показана на рисунке 2.1. В работе используется два термометра сопротивления: подвижный (ТС1) и неподвижный (ТС2). Последний (ТС2) установлен в нагревательную емкость. Термометры подключены к вторичным показывающим приборам ВП1 и ВП2. Нагрев воды в емкости осуществляется тэном. Дискретный контроль уровня производится поплавковыми сигнализаторами СУ1 и СУ2, роль которых описана в лабораторной работе №1.

Рисунок 2.1 – Схема измерения

Ход работы

1. Вынуть подвижный термометр ТС1 из емкости.

2. Включить лабораторный стенд. Для этого перевести переключатель «Питание системы управления» в верхнее положение.

3. В случае необходимости дождаться выравнивания его температуры и комнатной . Записать данную температуру в таблицу 2.1.

4. Проверить, что измеритель-регулятор, подключенный к неподвижному термометру ТС2, настроен на температуру отключения 50 °С и гистерезис 3 °С.

5. Заполнить емкость нагрева водой. Для этого открыть кран ВН2 и включить насос (переключатель «подача воды» на панели управления). При этом заполнение емкости производить до тех пор, пока не сработает верхний сигнализатор уровня СУ2. После этого выключить насос и перекрыть кран ВН2.

6. Включить процесс нагрева (переключатель «Нагрев» на панели управления»). Дождаться отключения процесса нагрева по достижении заданной температуры (. После этого вернуть переключатель «Нагрев» в нижнее положение.

7. Дождаться установившихся показаний по неподвижному термометру ТС2 (показания снимать с ВП2). Записать полученное установившееся значение в таблицу 2.1.

8. Ввести подвижный термометр ТС1 в емкость и по мере его нагрева заносить значения температуры во времени (в этом случае удобно применение видеосъемки с помощью мобильных гаджетов). Полученные данные заносить в 1 и 2 столбцы таблицы 2.1, при этом первая точка соответствует времени c. Данной точке будет соответствовать значение температуры, равное . Процесс снятия показаний продолжать пока до выравнивания показаний ТС1 и ТС2 (с разницей не более 1 °С).

Примечание

В случае отсутствия возможности видеосъемки, необходимо воспользоваться установленным на стенде секундомером.

Рекомендуемый шаг по времени снятия показаний температуры 1-2 секунды.

9. Вынуть подвижный термометр ТС1 из емкости, протереть чехол тряпкой и повесить на стенд. По мере его остывания заносить значения во времени в таблицу 2.2, при этом первая точка соответствует времени =0 c. Данной точке будет соответствовать значение температуры, равное (или . Процесс снятия показаний продолжать пока показания ТС1 не достигнут температуры воздуха (с разницей не более 1 °С).

Примечание

Рекомендуемый шаг по времени снятия показаний температуры 10-15 секунд.

10. По окончанию снятия показаний слить воду из емкости, открыв краны ВН2 и ВН3. Отключить лабораторный стенд.

11. Построить графики переходных процессов нагревания и остывания подвижного термометра (графики зависимостей ) по данным из заполненных таблиц 2.1 и 2.2.

Таблица 2.1 – Результаты исследования тепловой инерции термометра при его нагревании

Температура воды , °С

Время , c

, °С

, °С

1

2

3

4

5

6

0

…

n

Таблица 2.2 – Результаты исследования тепловой инерции термометра при его остывании

Температура воды , °С

Время , c

, °С

, °С

1

2

3

4

5

6

0

…

n

Примечание к таблицам 2.1 и 2.2

Из-за особенностей эксперимента количество полученных значений в таблицах 2.1 и 2.2 предугадать очень сложно.

Поэтому обработку результатов экспериментов настоятельно рекомендуется выполнять в MS Excel.

12. Вычислить значения коэффициентов тепловой инерции термометра при его нагревании и остывании методом наименьших квадратов и графическим методом.

13. Сравнить полученные коэффициенты тепловой инерции и сделать выводы.

Обработка результатов измерений

Определение тепловой инерции термометра по методу наименьших квадратов

Рассмотрим реализацию метода наименьших квадратов.

Произвести расчет значений:

(2.4)

(2.5)

Полученные результаты расчетов занести в 4 столбец таблиц 2.1 и 2.2.

Далее произведем расчет значений и , а также и . Полученные результаты заносятся в 5 и 6 столбцы таблицы 2.1 и 2.2 соответственно.

Произвести расчет коэффициента тепловой инерции термометра при его нагревании и охлаждении, используя метод наименьших квадратов по формулам:

(2.6)

Определение тепловой инерции термометра графическим методом

Как уже было сказано ране, коэффициент тепловой инерции термометра численно равен времени, в течение которого разность температур между термометром и средой уменьшается в раз.

На построенные переходные процессы необходимо нанести температуру окружающего воздуха , температуру нагретой воды . Согласно выше сказанному определению произвести расчет разности температур термометра и среды, в которой он находится:

• при нагревании термометра в воде:

(2.7)

• при остывании термометра на воздухе:

(2.7’)

Определить по построенным ранее графикам переходных процессов величины тепловой инерции, как показано на рисунках 2.2 и 2.3.

Рисунок 2.2 – Определение тепловой инерции термометра для процесса нагревания

Рисунок 2.3 – Определение тепловой инерции термометра для процесса остывания

Содержание отчета

1. Название и цели работы.

2. Схема измерения

3. Таблицы с результатами исследования тепловой инерции термометра при его нагревании (таблица 2.1) и остывании (таблица 2.2).

4. Графики переходных процессов нагревания и остывания термометра с дополнительными построениями для определения коэффициентов тепловой инерции термометра графическим методом.

5. Формулы расчета коэффициентов тепловой инерции датчика методом наименьших квадратов (формулы 2.6).

6. Выводы по работе.

Контрольные вопросы

1. Как вы понимаете понятие тепловой инерции термометра?

2. В чем заключается физический смысл коэффициента тепловой инерции термометра.

3. От чего зависит тепловая инерция термометра?

4. Что такое переходный процесс?

5. Какие существуют виды типовых переходных процессов?

6. Какие единицы измерения имеет коэффициент тепловой инерции?

Лабораторная работа №3

Приборы измерения давления. Стрелочный деформационный манометр

Цели работы:

1. Изучение устройства и принципа работы стрелочного пружинного манометра.

2. Определение относительной погрешности измерения при различных уровнях давления.

Теоретические основы

Конструкция пружинного манометра приведена на рисунке 3.1. Под действием давления жидкости или газа, поступающего в загнутую трубку 1 с запаянным концом (пружина Бурдона) через штуцер 2, пружина стремится выпрямиться и деформируется на величину, пропорциональную давлению. Перемещение свободного конца трубки передается через тягу на
зубчато-секторный механизм 3, вращающий шестерню, связанную со стрелкой 4, по которой производится отсчет измеряемого давления по шкале прибора.

Таким образом, угол поворота стрелки пропорционален давлению. Изменяя жесткость загнутой трубки, получают манометры на различные диапазоны измерения давлений. Подбором соотношения размеров шестерен регулируют коэффициент пропорциональности между углом поворота стрелки и перемещением запаянного конца трубки.

Рисунок 3.1 – Устройство пружинного манометра

Описание работы

Для выполнения работы используется гидравлическая часть стенда, принципиальная гидравлическая схема которой приведена на рисунке 3.2.

Рисунок 3.2 – Принципиальная гидравлическая схема используемой в работе части стенда

При работе насоса Н, на его выходе (в трубопроводе нагнетания) создается напор, характеризующийся статическим давлением, для измерения которого служат манометры МН1 и МН2. Первый измеряет давление до диафрагм ДР1 и ДР2, а второй – после них. Для подачи давления на второй манометр необходимо открыть вентили ВН6 и/или ВН7. Так как вентили ВН4 и ВН5 закрыты, то расхода среды через диафрагмы наблюдаться не будет. В этом случае перепадом давления на диафрагмах в силу влияния их местного сопротивления можно пренебречь и считать, что до и после диафрагм давление одинаковое.

С помощью дроссельных кранов ВН8 и ВН9 производится продувка импульсных линий манометров, т.е. удаление из них воздушных пробок. При этом воздух вытесняется в бак Б. Через вентиль ВН2 производится связь гидравлической части стенда и нагревательной емкости.

Через вентиль ВН3 производится циркуляция воды в гидравлическом контуре. При отсутствии циркуляции расхода в контуре циркуляции не наблюдается (можно определить по счетчику воды СВ), при этом динамическая составляющая давления отсутствует, тогда статическая часть будем максимальной. Следовательно, при открытии вентиля статическая часть давления будет уменьшаться вследствие увеличения динамической (появления расхода).

Ход работы

1. Включить лабораторный стенд (переключатель «Питание системы управления» в положении «ВКЛ»).

2. Открыть вентили ВН1, ВН3 и ВН6 (или ВН7), закрыть вентили ВН2, ВН4 и ВН5.

3. Включить насос (переключатель «Подача воды» в положение «ВКЛ»)

4. Проверить наличие на диафрагмах и в импульсных линиях приборов измерения давления наличие воздушных пробок. Если они имеются, закрыть вентиль ВН3 и, открывая вентили ВН7 и ВН8, вытеснить воздух в бак. После удаления воздуха из диафрагм и импульсных линий закрыть вентили ВН7 и ВН8.

5. Открыть вентиль ВН3, занести показания МН1 и МН2 в таблицу 3.1 (измерение №1)

6. Закрыть вентиль ВН3, занести показания МН1 и МН2 в таблицу 3.1 (измерение №n)

7. Разбить получившийся диапазон давления на 5-8 равномерных участков (ориентироваться по МН1), вычислить диапазон давления участка по формуле:

(3.1)

где – максимальное измеряемое давление, соответствующее полному закрытию вентиля ВН3; – количество участков разбиения (задается самим экспериментатором)

Примечание

Количество участков желательно выбрать таким, чтобы диапазон участка, рассчитываемый по формуле (3.1) имел целочисленное значение.

8. Вычислить давления на концах каждого участка по формуле:

(3.2)

Полученные значения давлений занести в столбец 2 таблицы 3.1 (измерения № 2…n-1).

9. Частично открывая кран ВН3, получить вычисленные значения давления на МН1, соответствующие им показания МН2 занести в
   таблицу 3.1.

10. Вычислить средние значения давлений по формуле:

(3.3)

Полученные результаты вычислений занести в 4 столбец таблицы 3.1.

11. Определить абсолютные и относительные погрешности измерения давления по формулам:

(3.4)

(3.5)

Примечание:

Абсолютная и относительная погрешность измерения давления вторым манометром находится аналогично.

Полученные значения погрешностей занести в 7 и 8 столбцы
таблицы 3.1.

Таблица 3.1 – Результаты измерения давления пружинными манометрами

,
бар

,
бар

,
бар

,
бар

,
бар

,
%

,%

1

2

3

4

5

6

7

8

1

…

n

Примечание

В случае выполнения работы на лабораторном стенде №1 вместо бар в качестве единиц измерения давления используются кгс/см².

12. Построить графики зависимостей и на одной плоскости и сделать выводы об оптимальных диапазонах измерения давления обоими манометрами.

Содержание отчета

1. Название и цели работы.

2. Принципиальная гидравлическая схема используемой в работе части стенда.

3. Таблица с результатами измерения давления пружинными манометрами.

4. Расчетные формулы и результаты расчетов для одной из строк таблицы результатов измерений.

5. Графики зависимостей и на одной плоскости координат.

6. Выводы по работе.

Контрольные вопросы

1. Что такое давление, и в каких единицах оно измеряется?

2. Какие существуют виды давлений, какими приборами они измеряются?

3. Из чего состоит трубчатый манометр, и как он работает?

4. Какая область диапазона измерения давления трубчатым манометром является оптимальной?

5. От чего зависит предел измерения манометра?

6. По какой погрешности произведено нормирование используемых в работе манометров и почему?

Лабораторная работа №4

Приборы измерения давления. Тензорезисторный датчик давления

Цели работы:

1. Изучение устройства и принципа работы тензорезисторного датчика давления с выходным унифицированным сигналом 4...20 мА.

2. Сравнение результатов измерения давления различных приборов и определение их метрологической исправности.

Используемые приборы

1. Манометр ТМ5

Класс точности: 1,0

Диапазон измерения: 0…1 бар (для лаб. стенда №1 0…1 кгс/см²)

2. Преобразователь давления ОВЕН ПД100-ДИ0,1М-1,0И

Расшифровка обозначения датчика:

ПД – преобразователь давления;

100 – модель датчика;

ДИ – давление избыточное;

0,1 – верхний предел измеряемого давления в МПа;

М – наличие микропроцессорного нормирующего преобразователя;

1,0 – класс точности (предел допускаемой приведенной погрешности).

И – тип выходного сигнала преобразователя 4…20 мА.

3. Измеритель-регулятор ТРМ 1.

Предел основной приведенной погрешности измерения:

• для термоэлектрических преобразователей: ±0,5%;

• для других датчиков: ±0,25%.

Теоретические основы

Конструкция тензоресторного преобразователя представлена на рисунке 4.1.

Преобразователь имеет цилиндрический корпус 3, в нижней части которого расположен штуцер 4, предназначенный для присоединения к линии измеряемого давления. В верхней части корпуса расположена приборная часть 2 электрического соединителя. В кабельной части 1 соединителя производится подключение проводов внешних электрических цепей с помощью винтовых зажимов.

Во входном отверстии 5 приемной полости штуцера датчика предусмотрена резьба для установки гидравлического дросселя, который служит для предотвращения повреждения мембраны чувствительного элемента преобразователя в случае возникновения гидроудара.

В штуцере датчика размещен чувствительный элемент 6, в качестве которого применен тензопреобразователь, на котором размещены четыре тензорезистора, соединенных в мостовую схему. Под действием давления измеряемой среды мембрана чувствительного элемента прогибается. Тензорезисторы, деформируясь, изменяют свое сопротивление. В результате происходит разбаланс моста пропорционально измеряемому давлению. Разбаланс в виде электрического сигнала преобразуется электрическим блоком 7 (нормирующим преобразователем), расположенным в корпусе датчика, в выходной унифицированный сигнал постоянного тока 4…20 мА.

Преобразователь давления подключается к вторичному электронному прибору (ВП), который измеряет сигнал с преобразователя и переводит его в значения давления.

Рисунок 4.1 – Устройство тензорезисторного датчика давления

Описание работы

Для выполнения работы используется гидравлическая часть стенда, принципиальная комбинированная схема которой приведена на рисунке 4.2.

Рисунок 4.2 – Принципиальная комбинированная схема используемой в работе части стенда

Для измерения давления до диафрагм ДР1 и ДР2 служат манометр МН1 и датчик ДД1, а после диафрагм – манометр МН2 и датчик ДД2. Для подачи давления на МН2 и ДД2 необходимо открыть вентили ВН6 и/или ВН7. Вентили ВН4 и ВН5 находятся в закрытом положении, расхода среды через диафрагмы нет. В этом случае перепада давления на диафрагмах нет.

Вентилями ВН8 и ВН9 производится удаление воздуха из камер диафрагм и импульсных линий приборов измерения давления.

Измеряемое давление непосредственно определяется по показаниям манометров МН1 и МН2. Показания с датчиков ДД1 и ДД2 снимаются с вторичных приборов (измерителей-регуляторов) ВП1 и ВП2 соответственно.

Ход работы

1. Включить лабораторный стенд (переключатель «Питание системы управления» в положении «ВКЛ»).

2. Проверить, что измерители-регуляторы ВП1 и ВП2 показывают давление, равное 0 кПа, при необходимости произвести их настройку следующим образом:

   1. Нажать и удерживать кнопку «ПРОГ» для входа на второй уровень программирования прибора.

   2. Нажать кратковременно кнопку «ПРОГ» для входа в режим выбора группы параметров А или b.

   3. С помощью кнопок и выбрать параметр b и нажать кнопку «ПРОГ» для входа в режим выбора параметров группы b.

   4. С помощью кнопок и выбрать параметр b1-1 и нажать кнопку «ПРОГ» для настройки данного параметра (коррекция «сдвиг характеристики»).

   5. С помощью кнопок и установить значение параметра, равное по величине показаниям прибора и взятое с противоположным знаком.

3. Открыть вентили ВН1, ВН3 и ВН6 (или ВН7), закрыть вентили ВН2, ВН4 и ВН5.

4. Включить насос (переключатель «Подача воды» в положение «ВКЛ»)

5. Проверить наличие на диафрагмах и в импульсных линиях приборов измерения давления наличие воздушных пробок. Если они имеются, закрыть вентиль ВН3 и, открывая вентили ВН7 и ВН8, вытеснить воздух в бак. После удаления воздуха из диафрагм и импульсных линий ь вентили ВН7 и ВН8 закрыть.

6. Открыть вентиль ВН3, занести показания МН1, ДД1, МН2 и ДД2 в таблицу 4.1 (измерение №1).

7. Закрыть вентиль ВН3, занести показания МН1, ДД1, МН2 и ДД2 в таблицу 4.1 (измерение №n)

8. Разбить получившийся диапазон давления на 5-8 равномерных участков (ориентироваться по МН1), вычислить диапазон давления участка по формуле:

(4.1)

где – максимальное измеряемое давление, соответствующее полному закрытию вентиля ВН3; – количество участков разбиения (задается самим экспериментатором)

Примечание

Количество участков желательно выбрать таким, чтобы диапазон участка, рассчитываемый по формуле (3.1) имел целочисленное значение.

9. Вычислить давления на концах каждого участка по формуле:

(4.2)

Полученные значения давлений занести в столбец 2 таблицы 4.1 (измерения № 2…n-1).

10. Частично открывая кран ВН3, получить вычисленные значения давления на МН1, соответствующие им показания МН2, ДД1 и ДД2 занести в
    таблицу 4.1.

11. Отключить насос (переключатель «Подача воды» в положение «ВЫКЛ»).

12. Открыть кран ВН3, выключить лабораторный стенд (переключатель «Питание системы управления» в положении «ВЫКЛ»).

13. Перевести значения показаний давления МН1 и МН2 в килопаскали, полученные данные занести в 3 и 5 столбцы таблицы 4.1.

Примечание:

1 бар = 100 кПа

1 кгс/см² = 98,066 кПа

14. Вычислить средние значения давлений по формуле:

(4.3)

где и –давление по манометрам МН1 и МН2 в килопаскалях.

Полученные результаты вычислений занести в 8 столбец таблицы 4.1.

15. Определить абсолютные погрешности измерения давления различными приборами по формуле:

(4.4)

Примечание:

Абсолютная и относительная погрешность измерения давления манометром МН2, а также датчиками ДД1 и ДД2 находится аналогично, значения давления по МН1 и МН2 необходимо брать в килопаскалях.

Полученные значения погрешностей занести в 9-12 столбцы
таблицы 4.1.

Таблица 4.1 – Результаты измерения давления пружинными манометрами

,
бар

,
кПа

,
бар

,
кПа

,
кПа

,
кПа

,
кПа

,
кПа

,
кПа

,
кПа

,
кПа

,

кПа

,

кПа

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

1

…

n

Примечание

В случае выполнения работы на лабораторном стенде №1 вместо бар в качестве единиц измерения давления используются кгс/см².

16. Вычислить предел допускаемой абсолютной погрешности измерения давления манометрами МН1 и МН2 по формуле:

(4.5)

где – нормирующее значение, определяемое от диапазона измерения стрелочного манометра, кПа; – класс точности манометра.

17. Полученное значение погрешности записать в 13 столбец
    таблицы 4.1.

18. Вычислить предел допускаемой абсолютной погрешности измерительного канала «датчик давления – измеритель-регулятор» по формуле:

(4.6)

где – предел допускаемой абсолютной погрешности тензорезисторного датчика давления, кПа; – предел допускаемой абсолютной погрешности вторичного прибора (измерителя-регулятора), кПа.

где – нормирующее значение, определяемое по диапазону измерения датчика давления, кПа; и – предел допускаемой приведенной погрешности датчика давления и измерителя-регулятора соответственно, %.

19. Полученное значение предела допускаемой абсолютной погрешности измерительного контура занести в 14 столбец таблицы 4.1.

20. По результатам расчетов и данным заполненной таблицы 4.1 сделать заключение о метрологической исправности (пригодности) используемых в работе приборов.

Содержание отчета

1. Название и цели работы.

2. Принципиальная комбинированная схема используемой в работе части стенда.

3. Таблица с результатами измерения давления.

4. Расчетные формулы и результаты расчетов для одной из строк таблицы результатов измерений.

5. Выводы по работе.

Контрольные вопросы

1. Из чего состоит тензорезисторный датчик, и как он работает?

2. Что такое унифицированный сигнал?

3. Какой выходной сигнал имеет преобразователь давления и в чем его преимущество по сравнению с другими сигналами?

4. Что означает «ДИ0,1М» и «1,0М» в маркировке датчика давления?

5. Какое назначение у дроссельных вентилей ВН8 и ВН9?

Лабораторная работа №5

Приборы измерения давления газа. Датчик давления пьезорезистивного типа

Цели работы:

1. Изучение устройства и принципа работы датчика давления пьезорезистивного типа с цифровой индикацией.

2. Определение относительной погрешности измерения при различных уровнях давления и оптимальных диапазонов измерения давления датчиком.

Используемые приборы

Датчики давления c цифровым дисплеем:

• SDE1-B2-G2-H18-L (установлены на лабораторном стенде №1)

• ZSE30AF-01-C (установлены на лабораторных стендах №2-№5)

Диапазон измерения (ДИ): -100…100 кПа;

Погрешность измерения: 2% от ДИ ±1 ед. младшего разряда;

Наименьшая единица отображения: 0,1 кПа.

Теоретические основы

Пьезорезистивные преобразователи имеют много общего с рассмотренными ранее тензорезистивными датчиками.

Термин "тензорезистивный" употребляется, как правило, по отношению к сенсорам, в которых используются тонкопленочные тензопреобразователи, либо структуры КНС (кремний на сапфире). В таких сенсорах упругим элементом является металлическая или керамическая мембрана, на которую наклеивается полупроводниковый тензопреобразователь.

Типичный тензорезистивный датчик давления показан на рисунке 5.1. Сенсор датчика состоит из упругой металлической мембраны, к которой припаян тензопреобразователь, представляющий собой подложку из сапфира, на которой сформирован измерительный мост Уитстона из кремниевых тензорезисторов.

Кроме тензомоста, на подложке сформирована схема температурной компенсации (на рисунке 5. 1 не показана).

Рисунок 5.1 – Датчик давления с тензометрическим сенсором

Достоинствами тензорезистивного принципа измерения давления являются сравнительная простота в изготовлении, невысокая стоимость и потенциально широкий диапазон рабочих температур.

К недостаткам тензорезистивных сенсоров можно отнести:

• низкую чувствительность (в пределах 1%);

• значительные гистерезисные явления и нестабильность (из-за неоднородности конструкции и "усталости" металла мембраны);

• сильное влияние температуры (за счет различия коэффициентов температурного расширения элементов сенсора и изменения электропроводности кремния);

• сильное влияние статического давления (из-за различия упругих свойств элементов конструкции);

• наличие нелинейности.

Конструкция пьезорезистивного сенсора представлена на рисунке 5.2. Как и тензорезистивный, он содержит упругую мембрану, закрепленную на стеклянном основании, на которой имеется мост Уитстона, преобразующий деформацию мембраны в электрический сигнал. Однако в данном случае мембрана изготавливается из монокристаллического кремния, а вместо тензорезисторов используются сформированные методом диффузии пьезорезисторы. Поскольку жесткость кремниевой мембраны значительно ниже, чем металлической, разность давлений передается от наружных разделительных мембран через силиконовое масло непосредственно на сенсор без использования рычагов, тяг и т. п.

Рисунок 5.2 – Пьезорезистивный сенсор

«Пьезорезистивными» обычно называют монокристаллические кремниевые сенсоры с диффузионными пьезорезисторами, в которых упругим элементом служит сама кремниевая мембрана.

Достоинствами пьезорезистивных сенсоров являются малый гистерезис, стойкость к вибрации и однородность упругой мембраны.

Недостатки в основном те же, что у тензорезистивных, но выражены в меньшей степени:

• низкая чувствительность (2...5%);

• сильное влияние температуры (за счет изменения удельного сопротивления пьезорезисторов);

• существенное влияние статического давления;

• недостаточная стабильность (фактором дрейфа является загрязненность примесями);

• наличие нелинейности.

Описание работы

Принципиальная комбинированная схема работы приведена на
рисунке 5.3.

Рисунок 5.3 – Принципиальная комбинированная схема используемой в работе части стенда

Сжатый воздух подается в ресивер Р компрессором К. Давление в ресивере контролируется стрелочным манометром МН3 и датчиком ДД3 с электронным блоком индикации и релейным выходом. Запуск электродвигателя М компрессора производится при нажатии на переключатель «Подача воздуха в ресивер», установленный на панели управления лабораторным стендом. Во избежание разрыва ресивера при превышении в нем давления выше допустимого на электронном блоке датчика ДД3 установлена уставка верхнего допустимого давления. При достижении давления данной уставки релейный выход регулятора размыкает цепь питания привода компрессора.

Из ресивера воздух поступает на диафрагмы ДР3 и ДР4 и оказывает давление на датчики ДД4 и ДД5. Для подачи воздуха на датчик ДД5 используются вентили ВН12 и/или ВН13. При закрытых вентилях ВН14 и ВН15 расход воздуха в пневмосистеме будет отсутствовать. Поэтому давление до и после диафрагм ДР3 и ДР4 будет одинаковым.

Воздух из ресивера поступает к диафрагмам через редукционные клапаны КР1 и КР2. Первый ограничивает максимальное давление питания измерительных диафрагм ДР3 и ДР4, а вторым производиться ручное регулирование давления воздуха, поступающего к диафрагмам и датчикам давления ДД4 и ДД5.

Ход работы

1. Включить лабораторный стенд (переключатель «Питание системы управления» в положении «ВКЛ»).

2. Полностью отрыть редукционный клапан КР2 (выкрутить ручку клапана против часовой стрелки).

3. Закрыть вентили ВН14 и ВН15, открыть краны ВН12 и ВН13.

4. Включить компрессор (переключатель «Подача воздуха в ресивер» в положение «ВКЛ»).

5. Дождаться автоматического отключения компрессора (давление воздуха в ресивере должно достигнуть 5 бар по ДД3).

6. Занести показания ДД4 и ДД5 в таблицу 5.1.

7. ПЛАВНО закрывая редукционный клапан КР2 (вращая ручку по часовой стрелке), добиться показаний ДД4 на 8-10 кПа больше предыдущих.

8. Занести показания ДД4 и ДД5 в таблицу 5.1.

9. Повторить пункты 7 и 8 до достижения давления 90-95 кПа по ДД4.

10. Выключить лабораторный стенд (переключатели «Подача воздуха в ресивер» и «Питание системы управления» перевести в положение «ВЫКЛ»).

11. Открыть вентиль ВН11 для сброса оставшегося воздуха в ресивере в атмосферу.

12. Вычислить среднее значение давления по двум измерителям ДД4 и ДД5 по формуле:

(5.1)

13. Определить абсолютную погрешность измерения давления каждым измерителем по формулам:

(5.2)

14. Определить относительную погрешность измерения давления каждым измерителем по формулам:

(5.3)

15. Построить графики зависимостей ) и ) на одной плоскости координат.

16. Сделать выводы об оптимальных диапазонах измерения давления для обоих датчиков.

Таблица 5.1 – Результаты измерения давления на диафрагмах ДР4 и ДР5

,
кПа

,
кПа

,
кПа

,
кПа

,
кПа

,
%

,
%

1

2

3

4

5

6

7

8

1

…

n

Содержание отчета

1. Название и цели работы.

2. Принципиальная комбинированная схема используемой в работе части стенда.

3. Таблица с результатами измерения давления.

4. Расчетные формулы и результаты расчетов для одной из строк таблицы результатов измерений.

5. Графики зависимостей ) и ) на одной плоскости координат.

6. Выводы по работе.

Контрольные вопросы

1. В чем разница между тензорезистивным и пьезорезистивным датчиком давления?

2. Какие достоинства и недостатки имеет пьезорезистивный датчик давления?

3. Какого назначение редукционных клапанов КР1 и КР2 на лабораторной установке?

4. Для чего нужен применяемый в работе датчик давления ДД3?

Лабораторная работа №6

Приборы измерения давления газа. Дифференциальный жидкостной манометр

Цели работы:

1. Изучение устройства и принципа работы датчика давления пьезорезистивного типа с цифровой индикацией.

2. Определение метрологической исправности используемых в работе пьезорезистивных датчиков давления.

Используемые приборы

1. Датчики давления c цифровым дисплеем:

1. 1. SDE1-B2-G2-H18-L (установлены на лабораторном стенде №1)

   2. ZSE30AF-01-C (установлены на лабораторных стендах №2-№5)

Диапазон измерения (ДИ): -100…100 кПа;

Погрешность измерения: 2% от ДИ ±1 ед. младшего разряда;

Наименьшая единица отображения: 0,1 кПа.

2. Дифференциальный жидкостной манометр

Теоретические основы

Работа жидкостного дифференциального манометра основана на уравнении гидростатики. Принцип работы пояснен на рисунке 6.1.

Рисунок 6.1 – Жидкостной дифференциальный манометр

В соответствии с основным уравнением гидростатики давление на дне дифманометра определяется следующими уравнениями:

где – плотность жидкости в манометре, кг/м³; – ускорение свободного падения, м/с².

Вычитая одно уравнение из другого, получаем:

или

или

(6.1)

Таким образом, зная плотность жидкости, которой заправлен дифманометр, величину ускорения свободного падения, разность (перепад) давлений определяется разностью высот жидкостных столбов.

В качестве рабочей жидкости в U-образном манометре используется вода, плотность которой (как и у других жидкостей) зависит от температуры. пре Ускорение свободного падения с достаточной точностью можно принять равным 8,91 м/с².

Значения плотности воды при различной температуре показаны в
таблице 6.1.

Таблица 6.1 – Плотность воды в зависимости от ее температуры

t, °C

ρ, кг/м³

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

20

998,204

998,183

998,162

998,141

998,120

998,099

998,078

998,057

998,035

998,014

21

997,992

997,971

997,949

997,927

997,905

997,883

997,860

997,838

997,816

997,793

22

997,770

997,747

997,725

997,702

997,679

997,656

997,632

997,609

997,585

997,562

23

997,538

997,515

997,491

997,467

997,443

997,419

997,394

997,370

997,345

997,321

24

997,296

997,272

997,247

997,222

997,197

997,172

997,146

997,121

997,096

997,070

25

997,045

997,019

996,993

996,967

996,941

996,915

996,889

996,863

996,836

996,810

26

996,783

996,757

996,730

996,703

996,676

996,649

996,622

996,595

996,568

996,540

27

996,513

996,485

996,458

996,430

996,402

996,374

996,346

996,318

996,290

996,262

28

996,233

996,205

996,176

996,148

996,119

996,090

996,061

996,032

996,003

995,974

29

995,945

995,915

995,886

995,856

995,827

995,797

995,767

995,737

995,707

995,677

30

995,647

995,617

995,586

995,556

995,526

995,495

995,464

995,433

995,403

995,372

Описание работы

Принципиальная комбинированная схема работы приведена на
рисунке 6.2.

Рисунок 6.2 – Принципиальная комбинированная схема используемой в работе части стенда

Сжатый воздух подается в ресивер Р компрессором К. Давление в ресивере контролируется стрелочным манометром МН3 и датчиком ДД3 с электронным блоком индикации и релейным выходом. Запуск электродвигателя М компрессора производится при нажатии на переключатель «Подача воздуха в ресивер», установленный на панели управления лабораторным стендом. Во избежание разрыва ресивера электронный блок датчика ДД3 настроен на отключение компрессора при достижении давления в ресивере верхнего предельного значения (5 бар). Для автоматической подкачки воздуха в ресивер на электронном блоке датчика давления ДД3 настраивается уставка включения компрессора (2,5 бар). Автоматическое включение и выключение компрессора производится при замкнутом и разомкнутом релейном выходе датчика ДД3 соответственно при условии, что переключатель «Подача воздуха в ресивер» находится в состоянии «ВКЛ».

Из ресивера воздух поступает на диафрагмы ДР3 и ДР4 и через дроссель ДР5 выходит в атмосферу через ротаметр, расходомер воздуха и счетчик газа (в данной работе эти приборы не используются).

Давление до и после диафрагм измеряется датчиками ДД4 и ДД5 соответственно, импульсные линии которых связаны с жидкостным дифференциальным манометром ДФМ. При полностью закрытом дросселе ДР5 расхода воздуха через диафрагмы ДР4 и ДР5 наблюдаться не будет, а значит и перепад давления на них будет равен нулю: показания ДД4 и ДД5 должны быть примерно одинаковыми, а уровни столбов жидкости в левой и правой трубках манометра будут равны. При увеличении расхода воздуха через дроссель ДР5 перепад давления на диафрагме ДР3 (или ДР4) будет расти: статическое давление до диафрагмы ДР4 (или ДР5) будет больше, чем за ней: показания датчика ДД4 должны быть больше показаний датчика ДД5, а в трубках манометра будет наблюдаться разность высот жидскостных столбов (уровень во второй трубке будет выше уровня в первой).

Ход работы

1. Измерить температуру воздуха в лаборатории ртутным термометром и по таблице 6.1 определить плотность воды в дифманометре, значения температуры и плотности воды занести в таблицу 6.2.

2. Закрыть дроссель ДР5, открыть краны ВН12 и ВН14, закрыть краны ВН13 и В15.

3. Включить лабораторный стенд (переключатель «Питание системы управления» в положении «ВКЛ»).

4. Включить компрессор (переключатель «Подача воздуха в ресивер» перевести в положение «ВКЛ»), дождаться автоматического его отключения.

5. Настроить редукционным клапаном КР2 давление в коллекторе перед диафрагмами ДР3 и ДР4 на величину 25-30 кПа (давление контролировать по датчику ДД4).

6. Убедиться, что разности высот столбов жидкости в дифманометре нет.

7. ПЛАВНО открывая дроссель ДР5, создать разность столбов жидкости в дифманометре на 40-60 мм.

8. Записать показания ДД4, ДД5 и разность высот столбов жидкости в дифманометре в таблицу 6.2.

9. Повторить пункты 7 и 8 в 10 точках по разности давлений.

10. Закрыть дроссель ДР5, выключить лабораторный стенд (переключатели «Подача воздуха в ресивер» и «Питание системы управления» перевести в положение «ВЫКЛ»).

11. Открыть вентиль ВН11 для сброса оставшегося воздуха в ресивере в атмосферу.

12. Вычислить разность показаний ДД4 и ДД5, полученные значения записать в 4 столбец таблицы 6.2.

13. Вычислить разность уровней столбов жидкости в дифманометре по формуле:

(6.2)

Полученные значения записать в 7 столбец таблицы 6.2.

14. Вычислить перепад давления по разности столбов жидкости в дифманометре по формуле (6.1). Результаты вычислений занести в 8 столбец таблицы 6.2.

15. Определить абсолютную погрешность определения перепада давления по датчикам ДД4 и ДД5:

(6.3)

Полученные значения абсолютных погрешностей занести в 9 столбец таблицы 6.2.

16. Вычислить предел допускаемой абсолютной погрешности при нахождении перепада давления по датчикам ДД4 и ДД3 используя формулу:

(6.4)

где и – пределы допускаемой абсолютной погрешности при измерении давления датчиками ДД4 и ДД5 соответственно, кПа.

(6.5)

где – основная приведенной погрешности датчика давления ДД4, %;
– нормирующее значение, которое определяется по диапазону измерения датчика, кПа.

Примечание

Предел допускаемой абсолютной погрешности измерения датчиком ДД5 находится аналогично

Таблица 6.2 – Результаты измерения перепада давления

Плотность воды в дифманометре, кг/м³

№

,
кПа

,
кПа

,
кПа

,
мм

,
мм

,
мм

,
кПа

, кПа

1

2

3

4

5

6

7

8

9

1

…

10

17. Сравнить полученные абсолютные погрешности измерения перепада давления датчиками ДД4 и ДД5 (значения 9 столбца таблицы 6.2) с пределом допускаемой погрешности, вычисленным по формуле (6.4). Сделать выводы о метрологической исправности датчиков давления ДД4 и ДД5.

Содержание отчета

1. Название и цели работы.

2. Используемые в работе приборы и их характеристики.

3. Принципиальная комбинированная схема используемой в работе части стенда.

4. Таблица с результатами измерения перепада давления.

5. Расчетные формулы и результаты расчетов для одной из строк таблицы результатов измерений.

6. Формула и расчет предела допускаемой погрешности измерения перепада давления пьезорезистивными датчиками ДД4 и ДД5.

7. Выводы по работе.

Контрольные вопросы

1. Для чего может применяться U-образный жидкостной манометр? Какую роль он играет в данной лабораторной работе?

2. Как определяется перепад давления на диафрагме жидкостным дифференциальным манометром?

3. Что будет показывать дифманометр в случае закрытого дросселя ДР5 (т.е. при отсутствии расхода через диафрагму)?

4. Что такое косвенное измерение?

5. Как определяется погрешность косвенного измерения разности двух прямых измерений?

Лабораторная работа №7

Изучение объемного способа измерения расхода воды

Цели работы:

1. Изучение объемного способа измерения расхода воды

2. Определение влияния величины измеряемого объема и времени измерения на погрешность измерений.

3. Определение объема жидкости между точками срабатывания сигнализаторов уровня.

Теоретические основы

Расход – это физическая величина, определяемая количеством вещества, проходящего через заданное сечение канала в единицу времени. Различают объемный расход, когда количество вещества измеряется в объемных единицах, и массовый , когда оно измеряется в единицах массы.

Одним из способов измерения расхода является его определение косвенным методом. В данной работе для определения объемного расхода используется мерная емкость.

Принцип измерения расхода по мерной емкости проиллюстрирован на рисунке 7.1. Пусть в момент времени t₁ в мерной емкости содержится объем жидкости V₁, и в емкость поступает жидкость до времени t₂. Объем жидкости в емкости в момент времени t₂ равен V₂, тогда средний расход поступающей в емкость жидкости равен:

(7.1)

Рисунок 7.1 – Мерная емкость

Изменяя время замера t₂-t₁ можно получать средний расход с различной точностью.

Описание работы

Принципиальная комбинированная схема работы приведена на
рисунке 7.2.

Рисунок 7.2 – Принципиальная комбинированная схема используемой в работе части стенда

Вода прокачивается насосом Н в мерную емкость Е2. Расход воды в емкость можно изменять с помощью вентилей ВН4 и ВН5. Для опорожнения емкости служит вентиль ВН10, при открытии которого вода стекает из емкости в бак Б.

В работе для определения времени используется счетчик импульсов (СИ), работа которого зависит от положения переключателя «Режим работы счетчика импульсов». Если переключатель находится в правом положении «Секундомер с ручным управлением», то отсчет времени начинается при нажатии кнопки дистанционного управления секундомером (при отпускании кнопки счет времени останавливается). При среднем положении переключателя «Время наполнения мерной емкости» отсчет времени на СИ начинается при срабатывании нижнего сигнализатора уровня СУ3, а останавливается при срабатывании верхнего сигнализатора СУ4. Левое положение переключателя «Расход воды по счетчику» в данной работе не используется. Обнуление показаний СИ производится при нажатии кнопки «Сброс параметров» на панели управления.

Для визуального наблюдения за изменением объема в мерной емкости на ее боковой поверхности наклеена шкала, отградуированная в единицах объема (в литрах).

Ход работы

1. Включить лабораторный стенд (переключатель «Питание системы управления» в положении «ВКЛ»).

2. Закрыть вентили ВН1-ВН4, ВН7 и ВН10, открыть вентиль ВН5.

3. Переключатель режима работы счетчика импульсов повернуть в правое положение «Секундомер с ручным управлением», обнулить показания счетчика импульсов нажатием на кнопку «Сброс параметров».

4. Включить насос (переключатель «Подача воды» в положение «ВКЛ»).

5. При достижении уровня отметки «0» по шкале мерной емкости нажать и удерживать кнопку дистанционного управления секундомером.

6. Продолжая удерживать кнопку дистанционного управления секундомером, зафиксировать моменты времени, при которых объем в емкости увеличится на 1, 2, 3 и 4 литра (ориентироваться по шкале на мерной емкости). Полученные моменты записать в 3 столбец таблицы 7.1.

7. Отключить насос (переключатель «Подача воды» в положение «ВЫКЛ»).

8. Открыть вентиль ВН10, полностью опорожнить мерную емкость, после чего обратно закрыть вентиль ВН10.

9. Переключатель режима работы счетчика импульсов повернуть в среднее положение «Время наполнения мерной емкости», обнулить показания счетчика импульсов нажатием на кнопку «Сброс параметров».

10. Включить насос (переключатель «Подача воды» в положение «ВКЛ»).

11. По счетчику импульсов зафиксировать время заполнения мерной емкости от отметки срабатывания нижнего сигнализатора уровня до отметки срабатывания верхнего. Полученное время записать в 6 столбец таблицы 7.1.

12. Повторить пункты 7-8.

13. Повторить пункты 3-12 при закрытии вентиля ВН5 на 30-50 % (степень открытия при этом составит 50-70%), а также при закрытии его на 60-80% (степень открытия при этом составит 24-40%)

14. Выключить лабораторный стенд (переключатель «Питание системы управления» в положении «ВЫКЛ»).

Таблица 7.1 – Результаты измерений

Положение

ВН5

, л

, с

, л/мин

, л/мин

, с

, л

, л/мин

, %

1

2

3

4

5

6

7

8

9

Полностью

открыт

1

2

3

4

Открыт

на 50-70%

1

2

3

4

Открыт

на 20-40%

1

2

3

4

15. Определить значения расходов для различных отметок мерной шкалы по формуле (7.1). Вычисленные значения записать в 4 столбец таблицы 7.1.

Примечание: при расчете расходов необходимо выполнить перевод единиц л/с в л/мин.

16. Определить средние значения расходов при различных степенях открытия вентиля ВН10, записать результаты вычисления в столбец 5 таблицы 7.1.

17. Вычислить объем жидкости между отметками срабатывания сигнализаторов уровня по формуле:

(7.2)

Полученные результаты записать в 7 столбец таблицы 7.1. Сравнить полученные значения объемов для различных степеней открытия вентиля ВН5.

18. Вычислить абсолютные и относительные погрешности измерения расхода мерной емкостью по формулам:

(7.3)

(7.4)

19. Полученные значения абсолютной и относительной погрешностей записать в 8 и 9 столбцы таблицы 7.1 соответственно.

20. По данным 8 и 9 столбца сделать выводы о влиянии величины измеряемого объема и времени измерения на погрешность измерений.

Содержание отчета

1. Название и цели работы.

2. Принципиальная комбинированная схема используемой в работе части стенда.

3. Таблица с результатами измерения расхода

4. Расчетные формулы и результаты расчетов для одной из строк таблицы результатов измерений.

5. Выводы по работе.

Контрольные вопросы

1. Что такое расход, и в каких единицах он измеряется?

2. Как Вы понимаете понятие «косвенное измерение», как это относится к данной работе?

3. В чем заключается смысл измерения расхода с помощью мерной емкости?

4. Какую роль в данной работе играют сигнализаторы уровня СУ3 и СУ4?

5. Для чего в данной работе используется счетчик импульсов СИ8?

6. Как влияет степень открытия вентиля ВН5 на величину объема жидкости между отметками срабатывания сигнализаторов уровня в мерной емкости?

7. Как влияет степень открытия вентиля ВН5 на величину расхода жидкости поступающего в мерную емкость?

Лабораторная работа №8

Изучение способа измерения расхода по показаниям счетчика количества воды

Цели работы:

1. Изучение способа измерения расхода воды по показаниям счетчика количества.

2. Сравнение результатов измерения расхода по счетчику и по мерной емкости.

3. Определение погрешностей измерения и метрологической исправности водо-счетчика.

Используемые приборы

1. Счетчик воды СГВ-15

Диаметр условного прохода: 15мм;

Минимальный расход : 0,03 м³/ч;

Переходный расход : 0,12 м³/ч;

Номинальный расход : 1,5 м³/ч;

Максимальный расход : 3 м³/ч;

Пределы допускаемых относительных погрешностей:

• при измерении расхода ниже – 5%;

• при измерении расхода от до – 2 %.

2. Счетчик импульсов ОВЕН СИ8

Предел допускаемой основной погрешности: ±1 единица мл. разряда

Наименьшая единица отображения расхода: 0,01 л/мин.

Теоретические основы

Устройство лопастного (ротационного) считчика количества воды показано на рисунке 8.1.

Счетчик приводится в действие крыльчаткой 1, вращающейся под напором воды. Количество оборотов крыльчатки через магнитную муфту 2 передается на счетный механизм 3, который изолирован от проточной части счетчика латунной крышкой 4. Счетный механизм 3 через редуктор 5 вращает барабанный индикатор 6 счетчика.

Индикатор счетного механизма имеет 8 оцифрованных барабанчиков для указания объема воды: первые 5 барабанчиков слева (цифры черные) указывают объем протекающей воды в кубических метрах, последующие 3 барабанчика (цифры красные) соответственно в десятых, сотых, тысячных долях кубического метра. Последний барабанчик имеет дополнительные деления для указания десятитысячных долей кубического метра (одно деление соответствует 0,2 л).

Сигнальная звездочка служит для индикации работы счетчика и оптоэлектронного съема сигналов при поверке.

Индикаторное устройство также имеет магнито-управляемый герметизированный контакт 7, обеспечивающий получение импульсного дистанционного сигнала с ценой 0,01 м³/имп.

Рисунок 8.1 – Устройство лопастного счетчика воды

Описание работы

Принципиальная комбинированная схема такая же, как и в предыдущей работ.

Для непосредственного определения расхода по счетчику импульсов переключатель режима его работы необходимо перевести в левое положение «Расход воды по счетчику». Для снятия показаний текущего расхода по счетчику импульсов необходимо на его корпусе нажать и удерживать кнопку «>>». Обнуление показаний СИ производится при нажатии кнопки «Сброс параметров» на панели управления.

Ход работы

1. Включить лабораторный стенд (переключатель «Питание системы управления» в положении «ВКЛ»).

2. Закрыть вентили ВН2-ВН4, ВН12 и ВН13, открыть вентили ВН1 и ВН5.

3. Переключатель режима работы счетчика импульсов повернуть в среднее положение «Время наполнения мерной емкости», обнулить показания счетчика импульсов нажатием на кнопку «Сброс параметров».

4. Включить насос (переключатель «Подача воды» в положение «ВКЛ»).

5. При достижении уровня отметки «0» по шкале мерной емкости переместить переключатель режима работы счетчика импульсов в левое положение «Расход воды по счетчику». В это же время снять показания счетчика воды и записать в 6 столбец таблицы 8.1.

6. Зафиксировать моменты времени, при которых объем в емкости увеличится на 1, 2, 3 и 4 литра (ориентироваться по шкале на мерной емкости). Соответствующее этим моментам время записать в 3 столбец таблицы 7.1. В эти же моменты времени произвести снятие показаний по счетчику воды и счетчику импульсов, занести их в 7 и 13 столбец таблицы 8.1 соответственно.

Примечание:

Для снятия показаний по счетчику импульсов необходимо нажать и удерживать кнопку «>>» на его корпусе. Снятие производить сразу после достижения объема в мерной емкости фиксированных отметок.

7. Выключить насос (переключатель «Подача воды» в положение «ВЫКЛ»).

8. Открыть вентиль ВН10 для опорожнения емкости, после чего обратно закрыть вентиль ВН10.

9. Повторить пункты 1-8 при закрытии вентиля ВН5 на 30-50 % и
   60-80%.

10. Выключить лабораторный стенд (переключатель «Питание системы управления» в положении «ВЫКЛ»).

Таблица 8.1 – Результаты измерений

Пол.

ВН5

Мерная емкость

Счетчик воды

Счетчик импульсов

V, л

t, с

Q, л/мин

Q_ср, л/мин

V₁, л

V₂, л

ΔV, л

Q_св, л/мин

Q_ср.св, л/мин

ΔQ_св, л/мин

δQ_св,
%

Q_си, л/мин

Q_ср.си, л/мин

ΔQ_си, л/мин

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

1

1

2

3

4

2

1

2

3

4

3

1

2

3

4

11. Определить значения расходов для различных отметок мерной шкалы по формуле:

(8.1)

Вычисленные значения записать в 4 столбец таблицы 8.1.

Примечание: при расчете расходов необходимо выполнить перевод единиц л/с в л/мин.

12. Определить средние значения расходов по мерной емкости при различных степенях открытия вентиля ВН10, записать результаты вычисления в столбец 5 таблицы 8.1.

13. Вычислить объем жидкости, поступающей в мерную емкость, по показания счетчика воды. Для этого необходимо воспользоваться формулой:

(8.2)

Полученные результаты записать в 8 столбец таблицы 8.1.

14. Вычислить значения расходов по показаниям счетчика количества воды по формуле:

(8.3)

Полученные результаты записать в 9 столбец таблицы 8.1.

15. Определить средние значения расходов по водосчетчику при различных степенях открытия вентиля ВН10, записать результаты вычислений в 10 столбец таблицы 8.1.

16. Рассчитать абсолютную и относительную погрешность измерения расхода по счетчику воды при различных степенях открытия ВН10, используя формулы:

(8.4)

(8.5)

Полученные значения абсолютных и относительных погрешностей измерения расхода по счетчику воды занести в 11 и 12 столбцы таблицы 8.1 соответственно.

17. Определить средние значения расходов по счетчику импульсов при различных степенях открытия вентиля ВН10, записать результаты вычислений в 14 столбец таблицы 8.1.

18. Рассчитать абсолютную погрешность измерения расхода по счетчику импульсов при различных степенях открытия ВН10, используя формулу:

(8.6)

Полученные значения абсолютных погрешностей измерения расхода по счетчику импульсов занести в 15 столбец таблицы 8.1.

19. Сравнить полученные значения относительных погрешностей при измерении расхода счетчиком воды (12 столбец) с пределами допускаемых относительных погрешностей (смотря в характеристиках счетчика воды в разделе «используемые приборы), сделать выводы о метрологической исправности счетчика воды.

20. Рассчитать предел допускаемой абсолютной погрешности измерительного канала «водосчетчик-счетчик импульсов» по формуле:

(8.7)

где – предел допускаемой абсолютной погрешности измерения расхода по счетчику воды (погрешность секундомера при этом не учитываем), л/мин; – предел допускаемой абсолютной погрешности счетчика импульсов (смотря в характеристиках счетчика импульсов в разделе «используемые приборы»), л/мин.

Предел допускаемой абсолютной погрешности измерения расхода по счетчику воды необходимо определять при всех трех положений вентиля ВН10, пользуясь при этом формулой:

(8.8)

При этом – предел допускаемой относительной погрешности счетчика воды (смотря в характеристиках счетчика воды в разделе «используемые приборы»), %. Для его определения сначала необходимо проанализировать в каких диапазонах нормирования прибора производились измерения.

Полученные значения и записать в 3 и 4 столбцы таблицы 8.2 соответственно.

21. Сравнить значения (4 столбец таблицы 8.2) с значениями абсолютной погрешности счетчика импульсов (15 столбец таблицы 8.1) и сделать выводы о метрологической исправности измерительного канала (в случае исправности счетчика воды по п.19 – о метрологической исправности счетчика импульсов).

Таблица 8.2 – Расчет пределов допускаемой абсолютной погрешности измерительного канала «водосчетчик-счетчик импульсов»

, л/мин

1

2

3

4

1

2

3

Содержание отчета

1. Название и цели работы.

2. Используемые в работе приборы и их метрологические характеристики.

3. Таблица результатов измерений расхода

4. Расчетные формулы и результаты расчетов для одной из строк таблицы результатов измерений.

5. Расчетные формулы и результаты расчетов пределов допускаемой абсолютной погрешности измерительного канала при различных положениях вентиля ВН10.

6. Сводная таблица с результатами расчетов пределов допускаемой абсолютной погрешности измерительного канала «водосчетчик-счетчик импульсов»

7. Выводы по работе.

Контрольные вопросы

1. Из чего состоит крыльчатый счетчик воды и как он работает?

2. Что такое порог чувствительности водосчетчика?

3. Как можно определить РАСХОД по счетчику воды?

4. Какие функции в работе выполняет счетчик импульсов ОВЕН СИ8?

5. Как производится измерение расхода счетчиком импульсов?

6. *Почему в данной работе показания расхода по счетчику импульсов практически (или всегда) не изменяются?

Лабораторная работа №9

Изучение способа измерения расхода газа по методу отсеченного объема

Цели работы:

1. Изучение способа измерения расхода газа по методу замера падения давления в отсеченном объеме.

2. Определение погрешностей измерения

Теоретические основы

Метод измерения расхода по падению давления в емкости основан на газовых законах, а именно на уравнении Менделеева-Клапейрона:

(9.1)

где – давление газа, Па; – объем, занимаемый газом, м³;
– количество газа, моль; – универсальная газовая постоянная
Дж/(моль·K); – температура газа, К.

Схема измерения показана на рисунке 8.1. При постоянном объеме сосуда (ресивера) изменение количества газа приводит к изменению его давления и температуры. Таким образом, измеряя давление и температуру для двух состояний газа в емкости через время t, можно определить средний объемный расход газа из емкости, приведенный к нормальным условиям:

(9.2)

где – плотность газа при нормальных условиях (давлении 101325 Па и температуре 293 К).

Рисунок 9.1 – Схема измерения расхода газа по емкости

С учетом того, что , получаем:

(9.3)

Однако, при применении датчиков температуры с большой инерционностью и больших расходах, т.е. быстром падении давления в ресивере, достоверно измерить можно только конечное давление. В таком случае принимают какой-либо из законов расширения газа – адиабатический или изотермический.

Для адиабатического истечения газа из емкости (ресивера):

(9.4)

где – показатели адиабаты (для воздуха ).

Для изотермического истечения из емкости:

(9.5)

При изотермическом процессе температура рабочей среды постоянна. При этом увеличение объема газа приводит к снижению его давления и наоборот так, что произведение .

При адиабатическом процессе объем газа остается постоянным, температура газа может изменятья, но при этом теплообмена с окружающей средой не происходит (отсутствие теплопередачи). Причем при адиабатическом процессе выполняется условие ( – показатель адиабаты).

Изотермический процесс должен протекать довольно медленно, чтобы сохранить температуру рабочей среды постоянной. Адиабатический же процесс должен происходить быстро, чтобы у системы было недостаточно времени для передачи тепловой энергии в окружающую среду.

Описание работы

Принципиальная комбинированная схема работы представлена на рисунке 9.2.

Сжатый воздух компрессором К подается в ресивер Р. Температура воздуха контролируется термометром сопротивления ТС3, подключенного к вторичному прибору температуры ВПТ (измеритель-регулятор ТРМ1). Давление в ресивере измеряется манометром МН3 и датчиком давления ДД3, сигнал с которого поступает на вторичный прибор давления ВПД (измеритель-регулятор ТРМ1).

Рисунок 9.2 – Принципиальная комбинированная схема

Запуск электродвигателя М компрессора производится при нажатии на переключатель «Подача воздуха в ресивер», установленный на панели управления лабораторным стендом. Во избежание разрыва ресивера при превышении в нем давления выше допустимого в электронном блоке датчика ДД3 устанавливается уставка верхнего допустимого давления. При достижении давления данной уставки релейный выход датчика ДД3 размыкает цепь питания привода компрессора. Так же в электронном блоке датчика ДД3 задается уставка нижнего давления. При снижении давления в ресивере до значения данной уставки релейный выход датчика ДД3 замыкается и в случае, если переключатель «Подача воздуха в ресивер» находится во включенном состоянии, произойдет автоматический запуск компрессора.

Воздух из ресивера поступает к диафрагмам через редукционные клапаны КР1 и КР2. Первый ограничивает максимальное давление питания измерительных диафрагм ДР3 и ДР4, а вторым производиться ручное регулирование давления воздуха, поступающего к диафрагмам и датчикам давления ДД4 и ДД5.

С помощью дросселя ДР5 изменяется сопротивление пневматической линии (при полном закрытии дросселя оно максимально, а при его
открытии – уменьшается).

Время изменения состояния газовой системы в ресивере измеряется счетчиком импульсов СИ в режиме работы «Секундомер с ручным управлением». В этом случае для запуска отсчета времени служит кнопка дистанционного управления секундомером, а обнуление показаний осуществляется кнопкой «сброс параметров» на панели управления стендом.

Ход работы

1. Включить лабораторный стенд (переключатель «Питание системы управления» в положении «ВКЛ»).

2. Закрыть вентили ВН12-ВН15, закрыть дроссель ДР5, полностью открыть редукционный клапан КР2 (плавно поворачивать ручку клапана против часовой стрелки до упора).

3. Включить компрессор (переключатель «Подача воздуха в ресивер» в положение «ВКЛ»).

4. Дождаться автоматического отключения компрессора при достижении давления в ресивере 5 бар.

5. Переключатель «Подача воздуха в ресивер» перевести в положение «ВЫКЛ».

6. Открыть вентили в линии одной из диафрагм: ВН14 (при этом ВН15 закрыт) или ВН15 (при этом ВН14 закрыт). Для определенности дальнейший ход работы прописан для открытой линии диафрагмы ДР3: открыт ВН14.

7. Редукционным клапаном КР2 поднять давление на его выходе до
   30±2 кПа, плавно поворачивая ручку клапана по часовой стрелке (ориентироваться по показаниям датчика ДД4).

8. Закрыть вентиль ВН14.

9. Переключить секундомер в режим ручного управления (переместить переключатель на панели управления в положение «Секундомер с ручным управлением»).

10. Сбросить показания секундомера (нажатие кнопки «Сброс параметров» на панели управления).

11. Записать значения давления и температуры во 2 и 3 столбцы таблицы 9.1 соответственно.

12. Открыть вентиль ВН14, одновременно запустив секундомер (нажатие и удерживание кнопки дистанционного управления секундомером).

13. При падении давления в ресивере примерно на 0,4 бар (ориентироваться по показаниям датчика ДД3) закрыть вентиль ВН14, одновременно остановив секундомер (отпускание кнопки дистанционного управления секундомером).

14. Записать значения давления в ресивере и времени по секундомеру в 4 и 5 столбцы таблицы 9.1 соответственно. Сбросить показания секундомера.

15. Записать значения давления и температуры во 2 и 3 столбцы таблицы 9.1 соответственно.

16. Открыть вентиль ВН14, одновременно запустив секундомер.

17. При падении давления в ресивере примерно на 0,6 бар (ориентироваться по показаниям датчика ДД3) закрыть вентиль ВН14, одновременно остановив секундомер.

18. Записать значения давления в ресивере и времени по секундомеру в 4 и 5 столбцы таблицы 9.1 соответственно. Сбросить показания секундомера.

19. Записать значения давления и температуры во 2 и 3 столбцы таблицы 9.1 соответственно.

20. Открыть вентиль ВН14, одновременно запустив секундомер.

21. При падении давления в ресивере примерно на 1,0 бар (ориентироваться по показаниям датчика ДД3) закрыть вентиль ВН14, одновременно остановив секундомер.

22. Записать значения давления в ресивере и времени по секундомеру в 4 и 5 столбцы таблицы 9.1 соответственно. Сбросить показания секундомера.

23. Повторить пункты 3-22 два-три раза.

24. Закрыть вентили ВН12 и ВН14, дроссель ДР5, полностью открыть редукционный клапан КР2.

25. Выключить лабораторный стенд (переключатель «Питание системы управления» в положении «ВЫКЛ»).

26. Вычислить расход по ресиверу для адиабатического и изотермического истечения газа по формулам (9.4) и (9.5) соответственно. Полученные результаты вычислений занести в 6 и 7 столбцы таблицы 9.1.

Примечание:

Для вычисления расходов и необходимо перевести единицы измерения используемых в формулах (9.4) и (9.5) величин в единицы СИ. При этом полученные расходы получатся в м³/с, после чего необходимо пересчитать их в л/мин.

Объем ресивера составляет 10 литров.

Соотношения физических величин при различных единицах измерения:

°С = °K-273,16 1 бар = 10⁵ Па 1 м³ = 1000 л 1 мин = 60 сек

27. Вычислить средние значения расходов для адиабатического и изотермического истечения воздуха. Полученные значения записать в 8 и 9 столбец таблицы 9.1 соответственно.

28. Определить относительные погрешности измерения расходов для адиабатического и изотермического истечения газа по формуле:

(9.6)

Полученные результаты измерений записать в 10 и 11 столбцы
таблицы 9.1.

Таблица 9.1 – Результаты измерения расхода

,бар

, °С

, бар

, с

, л/мин

, л/мин

, л/мин

, л/мин

, %

, %

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

1

2

3

4

5

6

7

8

9

29. Проанализировать результаты измерений и сделать выводы по работе.

Содержание отчета

1. Название и цели работы.

2. Принципиальная комбинированная схема используемой в работе части лабораторного стенда.

3. Таблица результатов измерений расхода

4. Расчетные формулы и результаты расчетов для одной из строк таблицы результатов измерений.

5. Выводы по работе.

Контрольные вопросы

1. К каким видам измерений относится измерение расхода по адиабатическому и изотермическому истечению газа?

2. Что происходит с температурой воздуха в ресивере при увеличении (снижении) давления и почему это происходит?

3. В чем разница между адиабатическим и изотермическим процессом?

4. В чем заключается недостаток измерения расхода реального газа методом отсеченного объема?

Лабораторная работа №10

Снятие характеристик насоса

Цели работы:

1. Изучение устройства и принципа работы насоса.

2. Построение характеристики насоса.

Теоретические основы

Устройство насоса, применяемого в лабораторной работе, показано на рисунке 10.1.

Рисунок 10.1 – Устройство центробежного насоса с «мокрым» ротором

Корпус силового блока 1 герметично, за счет кольцевых прокладок, соединён с корпусом насосной рабочей камеры 2 с помощью нескольких винтов 3. Для установки на трубопровод с обеих сторон рабочей
камеры-«улитки» предусмотрены резьбовые патрубки 4 для муфтового соединения.

Внутри силового блока размещена обмотка статора 5 – это единственный отсек, который не контактирует с жидкой средой – он герметично отделен ото всех остальных «стаканом» из нержавеющей стали 6. Таким образом, уплотнения стоят исключительно на статичных деталях, то есть не изнашиваются от трения.

Внутри расположен «мокрый» ротор 7, на вал которого жестко надето рабочее колесо насоса 8. Ротор опирается на подшипники, которые получают постоянную смазку от теплоносителя. Жидкая среда, заполняющая все внутреннее пространство насоса, является еще и отличным отводчиком тепла, и насосу не грозит перегрев (не требуется дополнительная система охлаждения двигателя).

Чтобы гарантированно обеспечить полное заполнение всего объема насоса жидкостью, предусмотрена специальная пробка 9 для выпуска воздуха.

При подаче питания на обмотку статора электродвигателя 5 начинает вращаться ротор 7, который приводит в движение рабочее колесо 8. Под действием центробежной силы в центре колеса создается разрежение, и жидкость всасывается в рабочую камеру насоса. С помощью лопастей вращающееся колесо отправляет жидкость в линию нагнетания.

К одним из основных характеристик насоса относятся:

1. Подача (производительность) – расход жидкости через напорный (выходной) патрубок;

2. Напор – энергия, сообщаемая насосом потоку жидкости, отнесенная к единице веса жидкости, м;

Напор насоса затрачивается на подъем жидкости на определенную высоту, а также преодоления жидкостью сопротивлений трубопроводной сети. Другими словами напор – это сила давления, созданная лопастями насоса, необходимая для того, чтобы протолкнуть воду по трубопроводной сети.

В насосах объемного действия в качестве одного из параметров, характеризующих работу насоса, вместо напора часто используют давление в нагнетательной линии.

Напорная характеристика насоса представляет собой графическую зависимость напора от производительности и отражает основные потребительские свойства насоса.

В общем случае регулирование подачи насоса возможно двумя способами:

1. Изменением напора при постоянном сопротивлении трубопроводной сети – достигается за счет изменения скорости вращения рабочего колеса насоса (вращения ротора электродвигателя).

Изменение скорости вращения ротора электродвигателя возможно:

1. 1. В случаях применения многоскоростных электродвигателей (ступенчатое регулирование);

   2. В случаях применения асинхронных электродвигателей с преобразователями частоты.

2. Изменением сопротивления трубопроводной сети при постоянном напоре (дросселирование) – достигается изменением проходного сечения трубопроводной арматуры в линии нагнетания насоса.

Закрытие задвижки на выходе из насоса приводит к снижению подачи, открытие – к увеличению.

Обе группы методов имеют свои достоинства и недостатки. Например, первая группа методов отличается относительной дороговизной многоскоростных электродвигателей (или преобразователей частоты), но при этом обеспечивается максимально высокий КПД работы насоса с возможностью плавного пуска и снижения уровня шума его работы. При применении второй группы методов наблюдается потеря КПД насоса, так как вне зависимости действующей подачи его электродвигатель потребляет ту же энергию из сети. Также при полном закрытии линии нагнетания насос работает в режиме холостого хода, что ведет к его перегреву.

Описание работы

Принципиальная комбинированная схема работы представлена на рисунке 10.2.

Для выполнения работы используется часть гидравлической системы лабораторного стенда.

При закрытых вентилях ВН2, ВН4-ВН7, и открытых вентилях ВН1 и ВН3 наблюдается циркуляция воды, перекачиваемой насосом Н.

Для контроля давления в линии нагнетания насоса используется датчик ДД6 с унифицированным выходным сигналом постоянного тока 4…20 мА. Выходной сигнал датчика пропорционален действующему в трубопроводе нагнетания давлению. Этот сигнал передается на вторичный прибор давления ВПД (измеритель-регулятор ОВЕН ТРМ1), который в зависимости от величины пришедшего сигнала выводит на дисплее действующее значение давления на выходе из насоса.

Рисунок 10.2 – Принципиальная комбинированная схема

Для контроля подачи (расхода жидкости) используется измерительный канал «водосчетчик-счетчик импульсов». Счетчик воды СВ имеет импульсный выходной сигнал постоянного напряжения. Данный сигнал формируется за счет встроенного в счетчик магнитоуправляемого контакта. Измерительная информация (импульсный сигнал) от счетчика воды поступают на счетчик импульсов СИ, который производит подсчет количества импульсов (в том числе и в единицу времени). Для определения расхода на счетчике импульсов задается цена импульса – объем жидкости приходящийся на 1 импульс.

Электродвигатель используемого в работе насоса имеет три скорости работы (трехпозиционное ступенчатое регулирование), выбираемые ручным переключением ручки на клеммной коробке:

положение «I» – минимальная скорость;

положение «II» – средняя скорость;

положение «III» – максимальная скорость;

Заявленные напорные характеристики насоса при его различных скоростях работы приведены на рисунке 10.3.

Рисунок 10.3 – Напорные характеристики насоса WCP 32-60G

Ход работы

1. Включить лабораторный стенд (переключатель «Питание системы управления» в положении «ВКЛ»).

2. Проверить, что измеритель-регулятор ВПД показывает давление, равное 0 кПа, при необходимости произвести их настройку следующим образом:

   1. Нажать и удерживать кнопку «ПРОГ» для входа на второй уровень программирования прибора.

   2. Нажать кратковременно кнопку «ПРОГ» для входа в режим выбора группы параметров А или b.

   3. С помощью кнопок и выбрать параметр b и нажать кнопку «ПРОГ» для входа в режим выбора параметров группы b.

   4. С помощью кнопок и выбрать параметр b1-1 и нажать кнопку «ПРОГ» для настройки данного параметра (коррекция «сдвиг характеристики»).

   5. С помощью кнопок и установить значение параметра, равное по величине показаниям прибора и взятое с противоположным знаком.

3. Открыть вентили ВН1 и ВН3, закрыть вентили ВН2, ВН4-ВН7.

4. Включить насос (переключатель «Подача воды» в положение «ВКЛ»).

5. Переместить переключатель режима работы счетчика импульсов в левое положение «Расход воды по счетчику».

6. Снять установившееся значение давления в килопаскалях за насосом по датчику ДД6 (показания измерителя-регулятора). Полученное значение записать в столбец 2 таблицы 10.1.

7. Для снятия действующего расхода воды (подачи насоса) нажать и удерживать кнопку «>>» на счетчике импульсов, полученное значение расхода записать в 3 столбец таблицы 10.1.

8. Частично закрыть вентиль ВН3.

9. Повторить пункты 6-8 восемь-десять раз до полного закрытия вентиля ВН3.

10. Выключить насос (переключатель «Подача воды» в положение «ВЫКЛ»), открыть вентиль ВН3.

11. Выключить лабораторный стенд (переключатель «Питание системы управления» в положении «ВЫКЛ»).

Таблица 10.1 – Результаты измерений

, кПа

, л/мин

, м вод. столба

1

2

3

4

1

…

n

12. Рассчитать значения напора насоса. Для этого необходимо перевести давление из килопаскалей в метры водного столба. Полученные результаты занести в 4 столбец таблицы 10.1.

Примечание: 1 м. вод. столба = 9,806 кПа

13. Построить действительную напорную характеристику насоса, т.е. график зависимости .

14. По полученному графику и по напорным характеристикам, приведенным на рисунке 10.3, определить скоростной режим работы насоса во время эксперимента.

Содержание отчета

1. Название и цели работы.

2. Принципиальная комбинированная схема используемой в работе части лабораторного стенда.

3. Таблица результатов измерений расхода

4. Расчетные формулы и результаты расчетов для одной из строк таблицы результатов измерений.

5. Полученная напорная характеристика насоса WCP 32-60G.

6. Выводы по работе.

Контрольные вопросы

1. Из чего состоит и как работает используемый в работе центробежный насос?

2. В чем заключается разница между насосами с «сухим» и «мокрым» ротором?

3. Что такое производительность и напор насоса?

4. Какими основными характеристиками помимо подачи и напора обладают насосы?

5. Каким образом в работе производится измерение подачи насоса?

6. Какие способа регулирования подачи Вы знаете?

Лабораторная работа №11

Изучение редукционного клапана

Цели работы:

1. Изучение конструкции и принципа работы редукционного клапана.

2. Построение расходной характеристики редукционного клапана.

Теоретические основы

Для регулирования давления воздуха, подводимого из пневмосистемы к какому-либо пневматическому исполнительному механизму, применяются специальные устройства, называемые редукционными клапанами. Это вызвано тем, что для уменьшения потерь, транспортировать сжатый воздух по магистралям необходимо с высоким давлением, тогда как для работы пневматических систем конечных потребителей сжатого воздуха не требуется высоких давлений.

Пример конструкции редукционного клапана показан на рисунке 11.1, там же приведено его условное обозначение в пневматических схемах.

а) открытое состояние клапана; б) закрытое состояние клапана;
в) условное обозначение на пневматических схемах

Рисунок 11.1 – Конструктивная схема редукционного клапана

Конструктивные элементы редукционного клапана:

1 – регулирующий клапан;

2 – седло клапана;

3 – заделка мембраны;

4 – мембрана;

5,8 – пружины;

6 – регулировочный винт;

7 – канал;

А – выходная линия клапана;

Р – линия питания;

R – выхлопная линия клапана.

Редукционный клапан состоит из узла регулирования потока и узла настройки. Узел регулирования потока состоит из клапана 1, установленного на седло 2 в полностью закрытом состоянии. В исходном состоянии клапан открыт. Толкатель клапана верхней сферической поверхностью упирается в седло заделки 3 мембраны 4. В данной заделке выполнено отверстие, соединяющее седло толкателя с верхней полостью клапана, которая соединена с атмосферой.

На заделку 3 мембраны опирается пружина 5, предварительное поджатие которой можно регулировать с помощью механизма настройки, путем вращения регулировочного винта 6.

Давление сжатого воздуха из выходной линии А через отверстие 7 действует на мембрану, стремясь ее поднять и сжать пружину 5. Чем выше давление воздуха, тем выше поднимается мембрана и регулировочный клапан 1. Зазор, через который проходит сжатый воздух от линии Р к линии А уменьшается, и его сопротивление возрастает. Это должно привести к уменьшению давления в линии А. При работе клапана имеется определенное равновесное положение регулирующего клапана, соответствующего настроечному значению выходного давления. Для исключения влияния давления сжатого воздуха на верхнюю поверхность клапана 1 в толкателе выполнен канал 7. Через данный канал происходит уравновешивание клапана. Пружина 8 служит для подъема клапана вслед за подъемом мембраны.

Если по какой-либо причине давление в выходной линии поднимается выше давления, соответствующего давлению настройки, мембрана поднимается вверх, клапан 1 садится на седло, и за счет дальнейшего подъема мембраны открывается канал в заделке, через который выходная линия А соединяется с атмосферой и происходит сброс сжатого воздуха в атмосферу.

В момент начала работы пневматической системы, как только начнется потребление сжатого воздуха давление P₂ снизится и усилие пружины станет больше, чем величина силы, которая зависит от величины давления Р₂ и воздействует на диафрагму. В результате этого клапан открывается.

Если в процессе работы пневмосистемы потребление сжатого воздуха сокращается, давление Р₂ незначительно увеличится, благодаря чему возрастает сила, действующая на диафрагму и противодействующая усилию пружины. Диафрагма и клапан начнут подниматься до тех пор, пока усилие пружины и сила давления воздуха не будут снова уравновешены. Расход воздуха, проходящего через клапан, будет снижаться до тех пор, пока он не придет в соответствие с интенсивностью потребления сжатого воздуха, и не установится необходимое выходное давление.

При отсутствии потребления сжатого воздуха регулировочный клапан находится в состоянии, близком к закрытому.

Описание работы

Принципиальная комбинированная схема используемой в работе части лабораторного стенда представлена на рисунке 11.2.

Рисунок 11.2 – Принципиальная комбинированная схема

Для выполнения работы используется пневматическая часть лабораторного стенда.

Подача сжатого воздуха в ресивер осуществляется компрессором К, запуск которого производится с помощью переключателя «Подача воздуха в ресивер» на панели управления.

Для контроля давления воздуха в ресивере установлен датчик ДД3 нормально замкнутым релейным выходом, который размыкается при достижении измеряемого давления до заданного значения. При этом компрессор автоматически отключается. Действующее значение давления отображается на дисплее электронного блока датчика. Через электронный блок также выставляются значения уставок срабатывания релейного выхода датчика: верхняя – размыкание выхода; нижняя – замыкание. Таким образом, при снижении давления в ресивере до значения нижней уставки релейный выход датчика замыкается, и, если переключатель «Подача воздуха в ресивер» находится в состоянии «ВКЛ» производится автоматический запуск компрессора для подкачки воздуха в ресивер.

Воздух из ресивера поступает к диафрагмам через редукционные клапаны КР1 и КР2. Первый ограничивает максимальное давление питания измерительных диафрагм ДР3 и ДР4, а вторым производиться ручная регулировка питания пневмолинии.

Давление настройки редукционного клапана КР2 (оно же давление перед диафрагмами ДР3 и ДР4) измеряется датчиком ДД4.

Вентили ВН12 и ВН13 установлены на импульсных линиях датчика для измерения давления за диафрагмами ДР3 и ДР4 соответственно (в данной работе не используются).

Вентили ВН14 и ВН15 открывают одну из пневмолиний: с диафрагмой ДР3 и ДР4 соответственно. При открытии одной из линии через соответствующую диафрагму будет наблюдаться расход воздуха через ротаметр РТМ, расходомер воздуха РВ, счетчик газа (в работе не используется) в атмосферу.

Ход работы

1. Включить лабораторный стенд (переключатель «Питание системы управления» в положении «ВКЛ»).

2. Закрыть вентили ВН11-ВН15, закрыть дроссель ДР5 перед ротаметром, полностью открыть редукционный клапан КР2 (вращать ручку клапана против часовой стрелки до упора).

3. Включить компрессор (переключатель «Подача воздуха в ресивер» в положение «ВКЛ»). Дождаться пока давление в ресивере поднимется до 5 бар по ДД3, после этого произойдет автоматическое отключение компрессора.

4. Перевести переключатель «Подача воздуха в ресивер» в положение «ВЫКЛ».

5. Открыть вентиль в линии одной из диафрагм: ВН14 или ВН15 (далее работа ведется только с одной из выбранных линий).

6. Редукционным клапаном КР2 поднять давление его настройки (давление перед диафрагмами) до 90±2 кПа по ДД4.

7. Частично открыть дроссель ДР5 до появления расхода воздуха по расходомеру РВ (Festo) около 5 л/мин.

8. Занести показания датчика давления ДД4 и расходомера воздуха РВ во 2 и 3 столбцы таблицы 11.1.

9. Открыть дроссель ДР5 для увеличения расхода на 0,5-2 л/мин.

10. Занести показания датчика давления ДД4 и расходомера воздуха РВ во 2 и 3 столбцы таблицы 11.1.

11. Повторить пункты 9 и 10 до полного открытия дросселя ДР5.

12. Закрыть вентиль ВН14 (или ВН15), закрыть дроссель ДР5.

13. Убедиться, что давление по ДД3 в ресивере ниже 2,5 бар. В противном случае приоткрыть вентиль ВН11 для его снижения.

14. Повторить пункты 3-12 при давлении настройки редукционного клапана 50±2 кПа.

15. Открыть вентиль ВН11 добиться отсутствия избыточного давления в ресивере (ориентироваться по датчику давления ДД3 или по манометру МН3), после чего закрыть вентиль ВН11.

16. Отключить лабораторный стенд (переключатель «Питание системы управления» в положении «ВЫКЛ»).

    Таблица 11.1 – Характеристика клапана

    Таблица 11.2 – Характеристика клапана

    №

    Давление настройки _____кПа

    №

    Давление настройки _____кПа

    , кПа

    , л/мин

    , кПа

    , л/мин

    1

    2

    3

    1

    2

    3

    1

    1

    …

    …

    n

    n

17. Построить графики зависимостей давления на выходе редукционного клапана от расхода воздуха для двух различных давлений настройки в одной плоскости координат и сделать выводы по работе.

Содержание отчета

1. Название и цели работы.

2. Принципиальная комбинированная схема используемой в работе части лабораторного стенда.

3. Таблицы для построения характеристик клапана для двух настроек его давления

4. Графики зависимостей для двух настроек давления редукционного клапана на одной плоскости координат.

5. Выводы по работе.

Контрольные вопросы

1. Из чего состоит и как работает используемый в работе редукционный клапан?

2. Для чего предназначены применяемые в работе редукционные клапаны КР1 и КР2?

3. Как изменяется давление на выходе редукционного клапана при изменении потребления воздуха?

4. Что такое давление настройки редукционного клапана, зачем оно задается?

5. Как регулируется давление настройки редукционного клапана?

Лабораторная работа №12

Приборы измерения расхода газа: ротаметр, анемометр, счетчик газа

Цели работы:

1. Изучение приборов для измерения расхода газа, методов измерения расхода.

2. Сравнение показаний приборов различного типа, определение погрешностей измерений.

3. Установление соответствия приборов их классу точности.

Используемые приборы

1. Ротаметр РМ-2,5Г У3

Верхний предел измерений (ВПИ): 2,5 м³/ч;

Предел допускаемой основной приведенной погрешности: ±2,5%.

Шкала ротаметра: 0…100% от ВПИ, отградуирована по воздуху.

2. Счетчик газа бытовой малогабаритный СГБМ-1,6

Минимальный расход : 0,04 м³/ч;

Максимальный расход : 1,6 м³/ч;

Пределы допускаемой относительной погрешности:

• в диапазоне от до 0,2: ±2,5%;

• в диапазоне от 0,2 до : ±1,5%.

3. Датчик расхода Festo SFE3-F500-L-W18-2NB-K1

Предел допускаемой относительной погрешности: 5%.

Система обозначений датчиков расхода фирмы Festo представлена на рисунке 12.1.

Рисунок 12.1 – Система обозначений датчиков расхода фирмы Festo

Теоретические основы

Ротаметр

Устройство ротаметра приведено на рисунке 12.2. В патрубках 1 и 8, соединенных друг с другом болтовыми стержнями 5, с помощью накидных гаек 6 и сальниковых уплотнений закреплена стеклянная коническая трубка 3 со шкалой. Для ограничения хода поплавка 4 служат верхний 2 и нижний 7 упоры.

Рисунок 12.2 – Устройство ротаметра

Проходящий снизу через ротаметр поток жидкости или газа поднимает поплавок вверх до тех пор, пока расширяющийся кольцевой зазор между телом поплавка и стенками конусной трубки не достигнет такого значения, при котором действующие на поплавок силы уравновешиваются, и останавливают поплавок на высоте, которая зависит от величины расхода.

Схема измерения ротаметром представлена на рисунке 12.3.

Рисунок 12.3 – Схема измерения ротаметром

Жидкость при протекании через канавки поплавка обеспечивает его поплавка, при этом он центрируется по оси трубки – так устраняется трение его о стенки.

Для вывода уравнения расхода выберем два сечения: сечение А, от которого начинает сказываться возмущающее действие поплавка на поток и сечение В в самом узком месте струи после ее прохода через кольцевое отверстие.

Между бортиком поплавка и стенкой трубки образуется кольцевой зазор площадью , при прохождение через который поток жидкости сужается и, таким образом, возникает разность между давлением в сечении А до начала сужения и давлением в самом узком сечении В кольцевого потока.

На поплавок в общем случае действуют следующие силы:

Вниз действует вес поплавка с учетом действия выталкивающей силы:

G = Vg(ρ_п – ρ), (12.1)

где V – объем поплавка; _п – плотность материала поплавка;  – плотность измеряемой среды.

Вверх действуют две силы:

1. сила за счет действия разности давлений P₁ – P₂ на поплавок

F_p = (P₁ – P₂)S, (12.2)

где S – площадь наибольшего поперечного сечения поплавка; индексы 1 и 2 относятся к соответствующим сечениям А и В;

2. сила динамического напора потока

(12.3)

где  – коэффициент сопротивления (обтекания) поплавка; v – скорость потока в сечении А.

Таким образом, условие равновесия поплавка выглядит следующим образом:

(12.4)

или

или

или

(12.5)

Из уравнения (12.5) видно, что перепад давления на поплавке может изменяться из-за изменения скорости потока в сечении А.

Увеличение расхода среды приводит к увеличению ее скорости, а следовательно и силы динамического давления , действующей на поплавок по направлению потока. Перепад давления до и после поплавка увеличивается, и поплавок перемещается вверх. При подъеме поплавка из-за конической формы трубки увеличивается площадь кольцевого зазора . В результате скорость среды, протекающей между стенками поплавка и стенками трубки, уменьшается. Это приводит к снижению силы динамического давления до тех пор, пока разность давлений не станет прежней, и силы, действующие на поплавок, вновь не уравновесятся. Таким образом, по высоте положения поплавка можно судить о величине расхода среды, протекающей через ротаметр.

Термоанемометр

Принцип работы термоанемометра основан на измерении изменения температуры термосопротивления при обдуве его потоком газа. Схема термоанемометра приведена на рисунке 12.4.

Рисунок 12.4 – Схема термоанемометра

К контактам терморезисторов 2 и 4 подводится постоянное напряжение, по ним течет ток, в результате чего они нагреваются. При этом значение их сопротивления растет, величина тока снижается. В итоге устанавливается значение тока, соответствующее количеству тепла, передаваемому от терморезисторов в окружающую среду.

При возникновении воздушного потока величина теплового потока от терморезистора 2 к окружающей среде увеличивается. Следовательно, он остывает, его сопротивление падает, и проходящий через него ток возрастает и устанавливается на новом значении. Разность токов на терморезисторах 2 и 4 соответствует определенному расходу газа через камеру 1.

Газ, протекающий через камеру 1, попадает в камеру 3, благодаря чему компенсируется зависимость разности токов терморезисторов 2 и 4 от температуры газовой среды Т_с.

Счетчик газа струйно-акустический

Принцип работы струйного счетчика газа основан на колебании струи газа в струйном генераторе. Струя газа попеременно перебрасывается из одного устойчивого положения в другое и создает при этом пульсации давления и звука с частотой пропорциональной скорости течения газа, а значит и объемного расхода. В электронном преобразователе счетчика происходит вычисление количества пропущенного газа.

Принципиальная схема преобразователя с осциллирующей струей показана на рисунке 12.5.

Рисунок 12.5 – Струйно-акустический преобразователь расхода

Поток газа проходит через сопло 1 (сужение канала) и попадает в диффузор 3 (расширение канала). Под влиянием случайных причин поток в каждый момент времени в большей степени прижимается к одной из стенок диффузора (допустим, к нижней). Тогда из-за эжектирующему действию струи давление P₂ в нижней части обводной трубки 2 станет меньше давления Р₁ в верхней ее части и по трубке 2 возникает движение (показано стрелкой), которое перебросит струю к верхней стенке диффузора. После этого направление движения в обводной трубке изменится, и струя станет осциллировать (колебаться и менять свое направление в диффузоре). Частота колебаний струи пропорциональна скорости потока газа, а значит и его расходу.

Описание работы

Принципиальная комбинированная схема используемой в работе части лабораторного стенда представлена на рисунке 12.6.

Рисунок 12.6 – Принципиальная комбинированная схема

Описание работы полностью соответствует описанию лабораторной работы №11, за исключением того в работе также будут использоваться показания счетчика газа СГ и счетчика импульсов СИ, работающего в режиме секундомера в ручном режиме управления.

Ход работы

1. Включить лабораторный стенд (переключатель «Питание системы управления» в положении «ВКЛ»).

2. Закрыть вентили ВН11-ВН15, закрыть дроссель ДР5 перед ротаметром, полностью открыть редукционный клапан КР2 (вращать ручку клапана против часовой стрелки до упора).

3. Включить компрессор (переключатель «Подача воздуха в ресивер» в положение «ВКЛ»). Дождаться пока давление в ресивере поднимется до 5 бар по ДД3, после этого произойдет автоматическое отключение компрессора.

4. Перевести переключатель «Подача воздуха в ресивер» в положение «ВЫКЛ».

5. Открыть вентиль в линии одной из диафрагм: ВН14 или ВН15 (далее для определенности описание идет при работе с линией диафрагмы ДР3, т.е. с вентилем ВН14).

6. Редукционным клапаном КР2 поднять давление его настройки (давление перед диафрагмами) до 90±2 кПа по ДД4.

7. Частично открыть дроссель ДР5 до появления расхода воздуха по ротаметру.

8. Скорректировать клапаном КР2 давление до 90±2 кПа по ДД4.

9. Дросселем ДР5 установить расход воздуха по термальному расходомеру РВ (Festo) около 5 л/мин.

10. Закрыть вентиль ВН14.

11. Установить переключатель режима работы счетчика импульсов в правое положение «Секундомер с ручным управлением». Обнулить показания секундомера, нажав на кнопку «Сброс параметров».

12. Записать показания счетчика газа СГ во 2 столбец таблицы 12.1.

13. Открыть вентиль ВН14, одновременно с этим нажать и удерживать кнопку дистанционного управления секундомером.

14. Записать показания ротаметра РТМ и термального расходомера РВ в 6 и 8 столбцы таблицы 12.1 соответственно.

15. После снижения давления в ресивере не менее чем на 0,4 бар закрыть вентиль ВН14, одновременно с этим отжав кнопку дистанционного управления секундомером.

16. Записать показания счетчика газа СГ и секундомера в 3 и 4 столбцы таблицы 12.1 соответственно.

17. Обнулить показания счетчика, нажав на кнопку «Сброс параметров».

18. Открыть вентиль ВН14, приоткрыть дроссель ДР5 для увеличения расхода на 2-3 л/мин по термальному расходомеру воздуха РВ.

19. Закрыть вентиль ВН14.

20. Повторить пункты 12-19 пять раз.

21. Закрыть дроссель ДР5.

22. Открыть вентиль ВН11, сбросив избыточное давление в ресивере до нуля.

23. Отключить лабораторный стенд (переключатель «Питание системы управления» в положении «ВЫКЛ»).

Таблица 12.1 – Результаты измерения расхода воздуха

, м³

, м³

, с

, л/мин

, %

, л/мин

, л/мин

, л/мин

, %

, л/мин

,
%

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

1

2

3

4

5

6

24. Вычислить значения расхода по счетчику газа по формуле:

(12.6)

Полученные результаты занести в 5 столбец таблицы 12.1.

25. Вычислить расход воздуха по показаниям ротаметра по формуле:

(12.7)

где – верхний предел измерения расхода ротаметром (см. раздел «Используемые приборы»); – показания по шкале ротаметра, %.

Полученные результаты записать в 7 столбец таблицы 12.1.

26. Вычислить средние значения расходов воздуха по формуле:

(12.8)

Полученные значения занести в 9 столбец таблицы 12.1.

27. Вычислить относительные погрешности измерения расхода счетчиком газа по формуле:

(12.9)

Полученные значения относительных погрешностей занести в 10 столбец таблицы 12.1.

28. Вычислить абсолютные погрешности измерения расхода ротаметром по формуле:

(12.10)

Полученные значения абсолютных погрешностей записать в 11 столбец таблицы 12.1.

29. Вычислить относительные погрешности измерения расхода термальным расходомером:

(12.11)

Полученные значения относительных погрешностей занести в 12 столбец таблицы 12.1.

30. Вычислить предел допускаемой абсолютной погрешности измерения расхода ротаметром по формуле:

(12.12)

где – предел допускаемой основной приведенной погрешности измерения расхода ротаметром (см. раздел «Используемые приборы»).

31. Сравнив значения полученных погрешностей измерения расхода различными приборам с установленными на них пределами допускаемых погрешностей, сделать выводы о метрологической исправности средств измерений.

Содержание отчета

1. Название и цели работы.

2. Используемые приборы и их метрологические характеристики.

3. Принципиальная комбинированная схема используемой в работе части лабораторного стенда.

4. Таблица результатов измерения расхода воздуха.

5. Расчетные формулы и результаты расчетов для одной из строк таблицы результатов измерений

6. Формула и расчет предела допускаемой абсолютной погрешности измерения расхода ротаметром.

7. Выводы по работе.

Контрольные вопросы

1. Как устроен ротаметр?

2. За счет чего при изменении расхода, протекающего через ротаметр, поплавок перемещается и устанавливается на новом значении?

3. Каким образом происходит градуировка шкалы ротаметра (перевод из % в единицы измерения расхода)?

4. В чем заключается принцип действия используемого в работе счетчика газа?

5. Как производится измерение расхода с помощью применяемого в работе термального расходомера?

6. С какой целью один из терморезисторов в термальном расходомере вынесен в отдельную камеру?

7. Расшифруйте маркировку используемого в работе расходомера фирмы Festo по представленной системе обозначений.

Список используемых источников

1. ИПДРТ-01.00.000.000 ПЗ Стенд учебный ИПДРТ-01 «Измерительные приборы давления, расхода, температуры» («Физические основы измерения расхода, давления и температуры») – Описание лабораторных работ / ООО Научно-производственное предприятие «Учебная техника – Профи», ОКП 96 6719

2. ИПДРТ-01.00.000.000 РЭ Стенд учебный ИПДРТ-01 «Измерительные приборы давления, расхода, температуры» («Физические основы измерения расхода, давления и температуры») – руководство по эксплуатации / ООО Научно-производственное предприятие «Учебная техника – Профи», ОКП 96 6719

3. Контроль и метрологическое обеспечение средств и систем автоматизации: учебник для студ. учреждений сред. проф. образования / Ю.М. Келим. – М. : Издательский центр «Академия», 2014. – 352 с.

4. Измерение общетехнических величин: учебное пособие /
   Ю.П. Жуков, В.Л. Зудин. – Ярославль: Издат. дом ЯГТУ, 2017. – 275 с.

5. ОВЕНД ДТС. Термопреобразователи сопротивления – руководство по эксплуатации.

6. Измеритель-регулятор микропроцессорный одноканальный ТРМ1. Руководство по эксплуатации [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://www.owen.ru/uploads/re_trm1m_473.pdf свободный.

7. Лабораторная работа № 2. Исследование тепловой инерции термометров. По дисциплине «Методы и средства гидрометеорологических измерении». – С.-Петербург.: РГГМУ, 2013, 17 с.

8. ПД100-ДИ ОВЕН Преобразователь избыточного давления измерительный – руководство по эксплуатации.

9. Датчик давления SDE1 [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://www.festo.com/net/SupportPortal/Files/405360/8048052r1.pdf свободный.

10. Прецизионный датчика давления/вакуума с двухцветной цифровой индикацией ZSE30A(F)/ISE30A [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://promtekspb.ru/images/smc/zse30af.pdf свободный.

11. ПДЕК.407223.002 РЭ Счетчики холодной воды СХВ (СХВ-15, СХВ-15Д, СХВ-20, СХВ-20Д) и горячей воды СГВ (СГВ-15, СГВ-15Д,
    СГВ-20, СГВ-20Д) [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://www.kristall43.ru/pdf/20200317/skhv-sgv-15-pasport.pdf свободный.

12. ОВЕН СИ8 Счетчик импульсов – руководство по эксплуатации.

13. Ротаметры с местными показаниями типа РМ, РМФ, РМ-А – описание типа средства измерений (приложение к свидетельству об утверждении типа средств измерений) [Электронный ресурс] – Режим доступа: file:///C:/Users/1118041/Downloads/19325-12.pdf свободный.

14. ПДЕК.407292.004 РЭ Счетчик газа СГБМ–1,6. Руководство по эксплуатации [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://kip24.ru/wa-data/public/site/data/files/000008560_SGBM-16.pdf свободный.

15. Датчики расхода SFE [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://www.festo.com/cat/RU_RU/data/doc_ru/PDF/RU/SFE_RU.PDF свободный.

16. ГОСТ 6651-2009 Государственная система обеспечения единства измерений (ГСИ). Термопреобразователи сопротивления из платины, меди и никеля. Общие технические требования и методы испытаний.