Обработка полученных результатов

Лабораторная работа №2

Изучение прибора для измерения давления газа – датчика давления пьезорезистивного типа с цифровой индикацией, устройство, определение относительной погрешности измерения при различных уровнях давления.

Цель работы:

Краткая теория:

Давление - наиболее распространенный измеряемый параметр, одна из основных величин, определяющих термодинамическое состояние вещества. Давлением называют отношение силы, действующей перпендикулярно поверхности, к площади этой поверхности. Давлением во многом определяется ход технологического процесса, состояние технологических аппаратов и режимы их функционирования.

Давление как физическая величина определяется в виде энергии вещества (жидкость или газ), отнесенной к единице объема, и является наряду с температурой основным параметром его физического состояния. Воздействие давления вещества на внешний объект проявляется в виде силы F, действующей на единицу площади S, т. е. Р=F/S. Различают следующие виды давления: - атмосферное; - абсолютное; - избыточное; - вакуум (разрежение).

Атмосферное (барометрическое) давление Р_атм – давление, создаваемое массой воздушного столба земной атмосферы. Абсолютное давление

Р_абс – давление, отсчитанное от абсолютного нуля. За начало отсчёта абсолютного давления принимают давление внутри сосуда, из которого полностью откачан воздух. Также под абсолютным давлением понимается полное давление, которое равно сумме атмосферного и избыточного Рабс=Ри + Ратм.

Избыточное давление – разность между абсолютным и атмосферным давлениями Ри = Рабс - Ратм (избыточное давление всегда выше атмосферного).

Вакуум (разрежение) - разность между атмосферным и абсолютным давлениями РВ=Ратм - Рабс (вакуумметрическое давление всегда ниже атмосферного).

Давление жидкости на покоящееся в ней тело называют гидростатическим давлением. Оно прямо пропорционально плотности и высоте слоя (столба) жидкости. Науку, изучающую давление жидкостей, называют гидростатикой.

Гидростатическое давление на глубине h равно p = p_атм + p*g*h

Закон Паскаля: давление, оказываемое на покоящиеся жидкости или газы, передается без изменения во все части этих жидкостей или газов. Жидкость и газ передают оказываемое на них давление во всех направлениях одинаково.

Вне зависимости от формы и размеров сосуда давление внутри жидкости на одной и той же глубине одинаково.

В международной системе единиц (СИ) за единицу давления принят Паскаль (Па) – давление, создаваемое силой в 1 Ньютон(Н), равномерно распределённой по поверхности площадью в один квадратный метр (1 Па = 1 Н/м² ) и направлена нормально к ней. Широко применяют кратные единицы кПа и МПа.

Таблица 1. Единицы перевода

Пьезоэлектрические преобразователи

Принцип действия другой группы электрических приборов для измерения давления основан на использовании пьезоэлектрического эффекта, возникающем у некоторых материалов находящихся в кристаллическом состоянии, например: кварца, турмалина, титаната бария и др.

Эффект связан с появлением электрических потенциалов на гранях кристалла (вдоль электрической оси) при его деформации вдоль механической оси (см. рисунок 2). Причем полярность возникающих потенциалов будет зависеть от вида деформации. Пьезоэффект является обратимым, т. е. если вдоль электрической оси приложить напряжение, то вдоль механической оси можно будет наблюдать деформацию кристалла. Конструкция датчиков давления с пьезоэлектрическими чувствительными элементами может быть самой разнообразной. Пример одного из них приведён на рисунке 3. Кристаллы выполняют в виде двух пластин, механически соединенных с мембраной, на которую воздействует измеряемое давление. Пьезокварцевые манометры позволяют измерять давление до 100 МПа и широко применяются при измерении циклически меняющихся давлений большой частоты. Чувствительность таких преобразователей можно повысить, используя большее количество кварцевых пластин, увеличивая активную площадь мембраны или удлиняя пластину. Недостатками пьезокварцевых манометров является низкая точность измерения статического давления из-за утечки электрического заряда, а достоинством их — низкая температурная погрешность.

Рисунок 1. – Кристалл кварца (а) и пластина из кварца и её оси (б)

Рисунок 2. – Манометр с пьезоэлектрическим преобразователем: 2,4 – кварцевые пластины; 3 – металлическая контактная пружина; 1,5 – металлические опоры; 7 – изолятор; 8 – проводник; 9 – мембрана; 10 – штуцер;

Приборы для измерения давления и разности давлений с упругой деформацией чувствительных элементов

Приборы для измерения давления, основанные на упругой деформации чувствительных элементов под действием измеряемой величины, широко применяют в диапазоне от 50 Па до 1000 МПа. Деформация или сила, пропорциональная давлению, преобразуется в показания прибора или в изменения выходного сигнала. Такие приборы изготовляют в виде тягомеров, напоромеров, манометров и вакуумметров.

Рисунок 3. a , б – мембраны, в – мембранная коробка г – сильфон,

д – трубчатая пружина, е – статистические характеристики чувствительных элементов

В качестве упругих чувствительных элементов приборов для измерения давления применяют мембраны (рисунок 3 а, б), мембранные коробки (рисунок 3 в), сильфоны (рисунок 3 г), трубчатые пружины (рисунок 3 д). Мембраны, мембранные коробки и сильфоны используют также и в дифманометрах. Чувствительный элемент прибора характеризуется зависимостью перемещения его рабочей точки ΔХ от действующего давления или разности давлений Р (рисунок 3 е). Обычно эту зависимость в приборе стремятся получить линейной, для чего используют прочные сплавы цветных металлов с высоким модулем упругости. С ростом измеряемого давления упругие деформации перейдут в пластические и зависимость ΔХ от Р станет нелинейной. При эксплуатации приборов давления зона упругих деформаций может уменьшиться из-за повышения температуры окружающей среды, поэтому первичные приборы приходится размещать вдали от горячих объектов. Кроме того, с течением времени из-за циклических нагрузок под действием давления упругие свойства чувствительных элементов утрачиваются и накапливаются пластические деформации. Таким образом, оба эти фактора отрицательно влияют на надежность чувствительных элементов приборов давления, что необходимо учитывать при их эксплуатации.

Мембраны

Самыми разнообразными по конструкции чувствительных элементов являются приборы с мембранными чувствительными элементами. Мембраны и мембранные коробки представлены на рисунках 3 а, б, в. Плоская мембрана (см. рисунок 3 а) представляет собой гибкую пластину, закрепленную по окружности. При подаче давления в одну из камер, разделенных мембраной, центр ее окружности перемещается на величину ΔХ. Статическая характеристика плоской мембраны имеет нелинейный вид, поэтому такие мембраны в приборах давления не используют. Для линеаризации статической характеристики применяют гофрированные мембраны (см. рисунок 3 б) и мембранные коробки (см. рисунок 3 в). Чаще всего используют мембранные коробки, жесткость которых меньше чем жесткость отдельной мембраны. Это приводит к росту крутизны статической характеристики и увеличению зоны перемещений, пропорциональных приложенному давлению. Мембранные чувствительные элементы имеют статическую характеристику зависимости (ΔХ от Р) более крутую, чем сильфоны, что позволяет широко использовать их для измерения малых напоров и разрежений.

Относительная погрешность

Относительная погрешность. Кроме абсолютной погрешности результат также характеризуется еще и относительной погрешностью, т.е. отношением ∆a к среднему арифметическому значению . Относительная погрешность выражается в виде десятичной дроби или в процентах и показывает качество измерения. Если при измерениях получена относительная погрешность более 10%, то говорят, что произведено не измерение, а лишь оценка измеряемой величины. В лабораториях физического практикума относительная погрешность обычно составляет 1-10%. В научных же лабораториях измерения некоторых физических величин, таких, например, как длина световой волны, осуществляется с точностью порядка миллионной доли процента.