Деформационный манометр: Методические указания по курсу '' Методы и средства измерений, испытаний и контроля''

Министерство образования Российской Федерации

ОРЕНБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра метрологии, стандартизации и сертификации

БойкоС.В.,НикитинВ.А.,ЗаварзинаО.В.

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ по курсу « Методы и средства измерений, испытаний и контроля» ДЕФОРМАЦИОННЫЙ МАНОМЕТР

Оренбург 2000

ББК 30.10 Я7 Б - 77 УДК 389 (07)

ДЕФОРМАЦИОННЫЙ МАНОМЕТР Постановка задачи. Знакомство с манометром, конструкцией и назначением измерительных приборов, приобретение навыков в обращении с инструментами, а также в умении пользоваться нормативно техническими документами.

1.

Назначение. Вид измерений. Область применения

Согласно ГОСТ 16263–79 Метрология. Термины и определения. «Измерение – это нахождение значения физической величены опытным путем с помощью специальных технических средств». Существуют прямые и косвенные измерения. Прямыми называют измерения, при котором искомое значение величины находят непосредственно из опытных данных. Косвенные измерения – измерения, при которых искомые значения величин находят на основании известных зависимостей между этой величиной и величинами, полученными прямыми измерениями. Средствами измерения давления, обуславливающими широкое распространение, являются деформационные приборы в промышленности и в научных исследованиях, которые отличаются высокой точностью, простотой конструкции, надежностью и низкой стоимостью.

2.

Устройство. Принцип действия

Принцип действия приборов основан на уравнивании измеряемого давления упругой деформации пружины манометрической. Принципиальная схема приведена на рисунке 1. Измеряемое давление через штуцер – 1 и капилляр соединительный – 2 поступает в полость пружины манометрической – 3. Давление вызывает перемещение свободного конца пружины, которое через тягу – 4 и кривошипно-шатунный механизм – 5 передается на перо – 6. Перо перемещается по диску диаграммному – 7 на величину, пропорциональную измеряемому давлению. Вращение диска диаграммного осуществляется от привода – 8.

2

Основными сборочными единицами приборов являются упругий чувствительный элемент, передаточный механизм, привод диаграммы. /3/

3.

Основные технические характеристики и используемые величины

Основные технические характеристики по ТУ 25. 02. 14-1962-76. 1. Диапазон записи давления Kgf sт 2 МТС – 711М1, МТС – 712М1 0,6; 1; 1,6; 2,5; 4; 6; 10; 16; 25; 40; МТ2С – 711М1, МТ2С – 712М1 60; 100; 160; 250; 400; 1000; 1600; 2500. 2. Класс точности прибора 0,6; 1; 1,5; 2,5. 3. Время одного оборота диаграммы, h 24

5 4

3

6

7

2

3

8

1

1 – штуцер; 2 – капилляр соединительный; 3 – пружина манометрическая; 4 – тяга; 5 – кривошипно-шатунный механизм; 6 – перо; 7 – диск диаграммный; 8 – привод диска диаграммного.

Рисунок 1 - Принципиальная схема манометра

4. Привод диаграммы Напряжение электродвигателя, V

МТС – 711М1, МТ2С – 711М1 220 +−22 33

60 ± 1 ; 50 ± 1 Частота, Hz МТС – 712М1, МТ2С – 712М1 – от часового механизма с 8-суточным заводом. 5. Давление воздуха для питания пневматической части, Kgf sт 2 1,4 ± 0,4 6. Рабочий диапазон изменения пневматического сигнала, Kgf sт 2 0,2 ÷ 1 7. Длина линии связи для передачи пневматического сигнала, т до 300 8. Предельное значение диапазона настройки регулирующего устройства, % 5 ÷ 250 9. Время изодрама, S 3...6 ⋅ 10 3 10. Температура окружающей среды, 0 С − 10... + 60 11. Габаритные размеры, тт 280 × 340 × 125 12. Масса, кg , не более 9 13. Код ОКТ 421213 Основной величиной, которой необходимо оперировать в лабораторной работе является давление. Давление – величина материального мира, физическая, измеряемая. Измеряемая величина – это такая величина, которая в принципе измерения имеется единица измерения, она материализована при помощи эталона, хранима средством измерения. Средство измерения – это техническое средство, используемое при измерениях и имеющее нормализованные метрологические свойства. От средства измерения зависит правильное определение значение измеряемой величины в процессе измерения. 4

Физическая величина – это свойство общее в качественном отношении многим физическим объектам (физическим системам, их состоянию и происходящим в них процессах), но в количественном отношении индивидуальное для каждого объекта /4/.

4.

Методика выбора средств измерений. Объект измерений

Выбор метода измерений определяется принятой моделью измерения и доступными или имеющимися средствами измерения. Методы измерения подразделяются на два типа: а) метод непосредственного сравнения с мерой; б) метод опосредованного сравнения с мерой. В данной лабораторной работе применяется метод непосредственного сравнения с мерой. В свою очередь он подразделяется на дифференциальный, метод сравнения, нулевой, метод замещения при сравнении с мерой, метод совпадения, противопоставления. Выбор средств измерения складывается из следующих этапов: сбор исходных данных; определение первоначальной совместимости средств измерения; расчет требуемой точности измерения; выбор конкретного средства измерения из первоначальной совместимости. Сбор исходных данных необходим для четкой постановки измерительной задачи, то есть для выявления состава, характеристик и условия провидения измерений. Также определяются особенности подключения средства измерения к объекту, допустимая продолжительность измерений, возможные ограничения масс габаритных, стоимостных и других характеристик средства измерения. При анализе условий, в которых будут проводиться измерения или измерительный контроль, определяются: а) уровни механических нагрузок (вибраций, ударов); б) климатические условия (температура, влажность); в) наличие или отсутствие активной разрушающей среды, в которой будут эксплуатироваться средства измерения и их элементы; г) наличие электрических и магнитных помех (полей). Перечисленные исходные данные позволяют выявить совместимость средства измерения, из которых и будет произведен выбор прибора, необходимого для измерения или измерительного контроля конкретного параметра. При этом выбранные средства измерения должны удовлетворять следующим требованиям: а) обладать требуемым уровнем безотказности, необходимым техническим ресурсом и гарантийным сроком службы; б) обеспечивать простоту, удобство и безопасность применения, технического обслуживания и ремонта; 5

в) обладать необходимым быстродействием; г) устойчивость средства измерения к внешним воздействующим факторам должна быть такой, чтобы обеспечивалась их нормальная работа в условиях измерения (измерительного контроля) параметров. После выбора первоначальной совокупности средства измерения необходимо рассчитать требуемое значение точности измерения. Методики расчета для измерительных и контролируемых параметров различны /5/. Объектом измерения в лабораторной работе является: а) сжатый воздух; б) масло в замкнутом рабочем объеме; в) водяной шар в котлоагрегате; г) кровь в венах человека.

5.

Суммарная погрешность, ее состав. Диапазон размера

При выборе вспомогательных средств измерения сначала задают допустимую величину погрешности, подбирают прибора с таким классом точности, чтобы суммарная погрешность средств измерений не превышала 1 3 допустимой погрешности. Суммарная погрешность с входящими в ее состав предельными погрешностями определяется по формуле ∆ Σ = ∆ МОД + ∆ М + ∆ СИ + ∆ УСЛ + ∆ О ≤ ∆ Д , (1)

где ∆ МОД – модуль измерения, ∆ М – метод измерения, ∆ СИ – средства измерений, ∆ УСЛ – дополнительная погрешность, обусловленная воздействием влияющих факторов условий измерений, ∆ О – погрешность самого оператора, ∆ Д – предельно-допустимая погрешность результатов измерений. ∆ СИ - погрешность деформационного манометра, выраженная в процентах от диапазона записи и дифференцированные значения предела допустимой основной погрешности сведены в таблицу 1. Таблица 1 – Пределы погрешностей Обозначение класса точности 0,6 1-0,6-1 6

Предел допустимой основной погрешности, процент диапазона записи, в диапазоне шкалы от 0 до 25% от 25% до 75% от 75% до 100% ± 0,6 ± 0,6 ± 0,6 ± 1,0 ± 0,6 ± 1,0

1 1,5-1-1,5

± 1,0 ± 1,5

± 1,0 ± 1,0

± 1,0 ± 1,5

∆ Д – предел допустимой погрешности, нормируемая в НТД, ТУ на эксплуатацию объекта измерения – допустим сжатый воздух на заводе. ∆ Д = ±0,8 Кгf sт 2 .

6.

Шесть основных мероприятий перед началом работы

При подготовке к измерению и опробованию оператор должен: а) Ознакомиться с методикой выполнения измерения (МВИ) и последовательно выполнить операции измерения. Проверить наличие необходимого комплекса средства измерения и вспомогательных материалов к нему. б) Убедиться в том, что основные вспомогательные средства измерения имеют действующие свидетельства о проверке и калибровке (метрологическая аттестация) или поверительная клемма, вспомогательные устройства прошли ремонтное обслуживание. в) Выполнить операции по созданию необходимых условий измерения, включая требования безопасности. Если необходимо строго соблюсти условия по этому пункту, то нужно соблюсти следующие требования: 1) температура для всех видов измерения от минус 10 О С до плюс 60 О С (от − 50 О С до + 60 О С ); 2) давление окружающей, измеряемой среды, должно изменяться со скоростью не более 3 % диапазона записи в секунду; 3) во избежании чрезмерного запаздывания попаданий расстояния от мест отбора давления до прибора, рекомендуется брать минимальными сжатия по трассе соединительной линии; 4) вибрация и удары должны отсутствовать или не достигать значений, вызывающих колебание пера более чем на 0,1 длины наименьшего диаграммы; 5) в окружающем воздухе не должно быть агрессивных газов, разрушающе действующих на детали прибора, а также изменений влаги; 6) прибор установить в вертикальном положении. г) Подготовить объект измерения и создать необходимые по НТД условия измерений, а значит, установить рабочее положение. д) Опробовать само средство измерения, проверить действие органов управления: регулировки, постройки, коррекции. е) Провести 2-3 пробных испытания и сравнить результаты с ожидаемыми. При неопределенно большом расхождении результатов установить, где ошибка, проанализировать и устранить. На основании пунктов формируют погрешности ∆ О и ∆ УСЛ /3/. 7

7.

Установка рабочего положения

Перед включением прибора в работу необходимо: а) проверить герметичность соединений прибора с подводящей линией давлением, превышающим верхнее значение диапазона записи прибора не более чем на 5 % ; б) промыть перо; в) вставить перо на свободный конец рычага пера и баллончики заполнить чернилами; г) надеть диск диаграммный на диаграммо-держатель и закрепить его на соответствующей линии времени; д) пустить в ход часовой механизм или включить питание привода; е) проверить заземление приборов с электроприводом /1/.

8.

Указание по безопасности

К обслуживанию приборов должны допускаться лица, ознакомленные с их назначением, схемой и устройством. При работе с прибором необходимо соблюдать общие правила безопасности труда, распространяющиеся на приборы, измеряющие давление. Не допускается эксплуатация приборов в системах, давление в которых превышает верхнее значение диапазона записи избыточного давления. Не допускается производить какие-либо работы по монтажу при наличии давления в соединительных линиях и включенном электрическом приводе. Присоединение прибора к соединительной линии производится только со штуцер гаечным ключом. Должна обеспечиваться безопасность прибора прочностью измерительных систем и конструкций. На корпусе прибора должен быть заземляющий зажим, отмеченный знаком заземления по ГОСТ 12.2.007.0-75. Приборы должны обслуживаться персоналом, имеющим квалификационную группу не ниже 2 ой . По способу защиты человека от поражения электрическим током, прибор должен соответствовать классу 01 по ГОСТ 12.2.007.0-75. Эксплуатация изделия разрешается только при наличии инструкции по безопасности. Не должно быть утечек давления, которые могут повлиять на погрешности /1/. 8

9.

Понятие НСП. Доверительная граница НСП

Доверительная граница несмещённой систематической погрешности (НСП) результата измерений вычисляются по формуле mS

∑Θ

Θ( Р ) = К ( Р ) ⋅

2 j

,

(2)

j =1

где К (Р ) – коэффициент, определяемый принятой доверительной вероятностью и числом (коэффициент Стьюдента по специальным таблицам), mS – количество составляющих НСП, Θ j – найденная нестатическим методом граница j и составляющей НСП. Если составляющие НСП разделены равномерно и заданы доверительными границами Θ j , то доверительные границы НСП результата измерений вычисляются по формуле Θ( Р ) = К ⋅

mS

∑ [Θ

2 j

]

Р j К 2j ,

(3)

j =1

где К и К j – коэффициенты, составляющие доверительные вероятности P и Pj . Результаты измерений тем ближе к истинному значению, чем меньше оставшееся НСП.

10.

Среднеквадратическое отклонение

Среднеквадратические отклонение (СКО) результата наблюдений обозначаются S ( x ) и вычисляются по формуле S (x ) =

m2

∑ S (x ) , 2 j

(4)

j =1

где m2 – значение СКО этих составляющих. СКО – характеризует случайность погрешностей. Доверительную границу случайных погрешностей результата измерений вычисляют по формуле G (P ) =

m2

∑ G (P ) . 2 j

(5)

j =1

Если случайные составляющие погрешности результата вычисляют предварительно в рамках рабочих условий, то доверительную вероятность вычисляют по формуле

9

G(P) = t ⋅

m2

∑S ( x ) , 2 j

(6)

j =1

где t – коэффициент Стьюдента, соответствующий номинальному числу наблюдений mmin из всех m . Если в эксперименте невозможно или нецелесообразно определять СКО составляющих случайные погрешности, то формула, с доверительной границей m2 = 1 из (6), будет выглядеть так S

(x ) =

( х i − x )2 ∑j = 1 (n − 1 ) m =1

(многократные измерения),

где x – среднее арифметическое значение.

10

(7)

11. 12.

Заключение

Выводы по лабораторной работе.

В ходе лабораторной работы мы ознакомились с прибором манометр, изучили его, ознакомились с характером работы этого прибора. Ознакомились с конструкцией и назначением измерительных инструментов и приборов, приобрели навыки в обращении с инструментами, а также научились пользоваться нормативно-техническими данными (ТУ 25. 02. 141962-76). Из методического материала в помощь метрологам – Москва, ТОО, «ТОТ», 1999 год по МВИ ГОСТ Р 8.563-96-стр. 6-7 следует: «наиболее часто в практике в качестве исходных данных для установления требований к точности измерений при контроле используют допуск на контролируемый параметр (квалитет). Считается удовлетворительным соотношение между пределом погрешности измерений и границей симметричного поля допуска –1:5, в ряде случаев – 1:4. На основании выдержки из ГОСТ Р 8.563-96 – стр. 4, не все МВИ необходимо регламентировать документально самостоятельно, разрабатывать текст МВИ, ее содержание и аттестацию строго по ГОСТ Р8.563-96 не обязательно, особенно для измерений давления, с помощью показывающих манометров.

13.

Список использованных источников

1 Артемьев Б.Г., Голубев С.М. Справочное пособие для работников метрологических служб - М.: Издательство стандартов, 1986. – 428 с. 2 Бирюков Г.С., Серко А.Л. Измерения геометрических величин и их метрологическое обеспечение - М.: Издательство стандартов, 1987. – 368 с. 3 Кирилина Р.С. и др. Манометры. Справочник метролога - М.: Издательство стандартов, 1993. – 252 с. 4 Кузнецов Н.В. Метрологическое обеспечение и эксплуатация измерительной техники - М.: Радио и связь, 1990. – 240 с. 5 Левенсон Е.М. Контрольно-измерительное приспособление в машиностроении – М.: Издательство машиностроение, 1960. – 253 с. 6 Тищенко О.Ф. Контрольно-измерительные приборы в машиностроении – М.: Издательство машиностроение, 1960. – 305 с.

11

12

14.

Приложение А (обязательное)

Пример отчёта по лабораторной работе «Деформационный манометр». Задание: Измерить давление сжатого воздуха в «магистрали трубопровода сжатого воздуха». Найти доверительную границу НСП и дать заключение о годности манометра. НТД 0,6 МPа ± 0,08 МPа . наблюдение

Карта измерительных наблюдений Показатели прибора НТД 0,6 МPа ± 0,08 МPа МТС – 711

1 2 3

0,6 ± 0,08 0,6 ± 0,08 0,6 ± 0,08

0,590 0,595 0,596

∆ Z , МРа

± 0,06 ± 0,06 ± 0,06

x min = 0,590 x max = 0,596 x i = 0,595 .

Среднее арифметическое значение вычисляется по формуле: x + xi + x max , x = min 3 0,590 + 0,595 + 0,596 x= = 0,594 , 3

(8)

Доверительная граница НСП Θ(P ) = K (P ) ⋅ ( xmax − xmin )2 + ( xmax − xi )2 + ( xi − xmin )2 , (9) Θ( P) = 0,0079 ⋅ K ( P) = 0,010 1 2 Дисперсия Д = ⋅ ∑ ( xi − x ) , (10) n −1 1 Д = ⋅ 0,000001 = 0,0000005 2 СКО S= Д, (11) S = 0.0000005 = 0,0007

Применяем условие

Θ(Р ) 0,010 = = 14,3 > 8 . S ( x ) 0,0007

Если отношение больше 8, то следует отметить, что случайные погрешности считают пренебрежительно малыми по сравнению с несмещёнными систематическими. 13

Случайные погрешности существенно, по доверительной границе погрешность результата измерения не превышает допускаемой погрешности измерения. Следовательно, однократные измерения имеют право на осуществление и тогда суммарная погрешность намного меньше цены деления средства измерения и поля допуска, пренебрегают случайной погрешностью и принимают: ∆(P ) = Θ(P ) = 0,01 Результат измерения x ± [Θ(P ) = ∆(P )] : 0,594 ± 0,01 . Делаем вывод о проведённой лабораторной работе. В результате проведённой лабораторной работы мы рассчитали доверительные границы НСП и определили, что данный манометр годен.

14

15.

Приложение Б (обязательное)

Вопросы для самоконтроля: 1. К каким видам измерений относятся измерения в лабораторной работе? а) прямым; б) геодезическим; в) линейно-угловым. 2. К какой области измерения относятся измерения по лабораторной работе? а) химические; б) физические; в) геометрические. 3. Какими величинами необходимо оперировать в лабораторной работе? а) миллиметры; б) Паскаль; в) градусы Цельсия. 4. Какими методами измерений вы собираетесь выполнять лабораторную работу? а) относительный; б) косвенный; в) метод сравнения с мерой. 5. Какой объект измерения предусмотрен лабораторной работой? а) давление воздуха; б) температура масла; в) диаметр вала. 6. Какие средства измерения необходимы и достаточны для выполнения лабораторной работы? а) рычажная скоба; б) микрометр; в) манометр. 7. Какие вспомогательные средства измерения необходимы для выполнения лабораторной работы? а) циркуль; б) линейка; в) трубопровод. 8. Установите необходимое и достаточное число наблюдений, выполнение которых с достаточной достоверностью необходимо для выполнения измерений по лабораторной работе? а) 100; б) 3; 15

в) 10. 9. Относится ли ваша лабораторная работа к измерениям с однократными наблюдениями? а) да; б) нет. 10. Относится ли ваша лабораторная работа к измерениям с многократными наблюдениями? а) да; б) нет. 11. Какая формула вычислений доверительной границы НСП? а) Θ(Р ) = К (Р ) ⋅

mS

∑Θ

2 j

;

б) Ε(Р ) = t ⋅

j =1

mS

∑ S (x ) ; 2 j

j =1

в) нет правильного ответа. 12. Какая формула вычисления СКО? mS

∑ (x − x )

2

а) δ = S =

mS

∑ j =1

(xi − x )2 n −1

;

б) S ( x ) =

S = n

i

j =1

n ⋅ (n − 1)

;

в) нет правильного ответа. 13. Параметры из НТД, являющиеся нормой для результатов измерений для сравнения при испытаниях или контроле: а) годность; б) давление 0,6 МПа; в) параллельность. 14. Что является критерием по однократности или многократности измерений? Θ( Р ) а) 0,8 ≤ ≤ 8; S (x ) Θ( Р ) б) > 8; S (x ) Θ( Р ) в) ≤ 0,8 . S (x )

16

17